ARM设计的高速数据采集远程监控系统技术

随着信息化的不断发展，在工业自动化、电力设备、通信管理、智能终端、智能小区等领域，对数据采集的实时性、可靠性的要求也不断地提高。以往传统的单片机 加采集卡的数据采集装置已经不能满足人们使用的要求。随着采集卡的采集频率不断地提升，其所属平台的工作频率也应跟上时代的步伐。同时，在某些情况下，装 置的操控人员不可能到工作现场去执行，所以有必要对采集装置进行远程监察和控制。在各种设备的通信方式中，由于以太网具有速度快、通用性好、扩展性强等优 点，已13渐成为设备之间进行通信的主要方式。本文提出了基于ARM的高速数据采集装置远程监控系统，在实现对数据的高速采集的同时，能保证数据的可靠性 和实时性，并对各帧数据嵌入时间标志为后续数据处理做好准备，最后能将数据及时准确地存储到移动存储设备和服务器上。该装置包括现场监控模式和服务器监控 模式。

1 系统简介

本装置由硬件和软件两部分组成，如图1所示。系统硬件由高速数据采集平台和采集模块构成。采集模块根据设计要求，采用DMM一32一AT采集板。采集平台 采用ATMEL公司A791RM9200作为主控芯片，附带16 kB的SDRAM和128 kB的ROM。该芯片融合了ARM920T ARM Thumb处理器，当工作频率为180 MHz时性能高达200 MIPS。带有10／100 MB Base—T型以太网卡接口，USB 2．0全速(12 Mbps)主机／设备接口。内含内存管理单元MMU，含有调试通道的内部仿真器，便于开发调试。由于AT91RM9200具有功能全、功耗低和工业级等优 点，可以使系统能运用到各种环境中。

系统的下位机软件选择嵌入式Linux操作系统。嵌入式Linux是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机系统运行的一种操 作系统，它既有无限的开放源代码资源，又有嵌人式操作系统的特性。通过对内核的重新配置、编译，即可将其移植到Aqgl RM9200中；再建立BootLoader和文件系统，形成基于ARM的嵌入式Linux操作系统，最后在此平台上开发运用程序，实现装置的各个功能。

2 TCP／IP协议

在因特网上，TCP／IP协议每时每刻保证了数据的准确传输。参考开放系统互连(OSI)模型，TCP／IP通常采用一种简化的四层模型，分别为：

① 应用层。网络应用层要有一个定义清晰的会话过程，如通常所说的Http、Ftp、Telnet等。在本系统中，下位机系统传递来自Ethernet和数据终端的数据，应用层只对大的数据报进行打包拆包处理。

② 传输层。传输层让网络程序通过明确定义的通道及某些特性获取数据，如定义网络连接的端口号等，实现该层协议的传输控制协议TCP和用户数据协议UDP。TCP服务提供了数据流传输、可靠性、有效流控制、全双工操作和多路复用技术等，在本系统中使用TCP数据报协议。

③ 网络层。网络层让信息可以发送到相邻的TCP／IP网络上的任一主机上，IP协议就是该层传送数据的机制。同时建立网络间的互连，提供ARP地址解析协议，从而实现从IP地址到数据链路物理地址的映像。

④ 链路层。由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成，实现这一层的协议并属于TCP／IP协议组。在本系统中这部分功能由ARM控制网卡芯片DM9161E实现。

在本系统中，利用TCP／IP协议中的TCP(传输控制协议)、IP(网络报文协议)、ARP(地址解析协议)及简单的应用层协议成功地实现了ARM装置和服务端的网络互联。既提高了数据传输的速度，又保证了数据传输的正确性，同时也扩展了数据传输的有效半径。

3 下位机的通信实现

下位机作为客户端，它和服务器的TCP／IP通信是通过对套接字编程实现的。套接字是网络通信的基本操作单元，最早是作为BSD规范提出来的，现已成为 Linux操作系统下TCP／IP网络编程标准。套接字提供了不同主机间进程双向通信的端点，这些进程在通信前各自建立一个Socket，并通过对 Socket的 写操作实现网络通信功能。下文将讨论的Winsock也是一个用于Windows系列操作系统的Sockets版本 。

在Linux提供的3种套接字中，本文选择流式套接字。流式套接字是最常用的套接字类型，其传输特点为：面向链接、无差错、发送先后顺序一致、包长度不限和非重复的网络信息包。TCP／IP协议簇中的TCP协议使用此类接口。下位机与服务器通信实现如图2所示。

① Socket()函数：用于创建一个套接字描述符。

#include<sys／types．h>

#include<sys／soc ket．h>

Socket

— ID=socket(AF_INET，SOCK_STREAM，0)；

ff PF—INET OR AF—INET Intemet IP Protocal SOCK—STREAM选择流式套接字

② Connect()函数：用于与远端服务器建立一个TCP连接请求。

Status=connect(Socket—ID，(struc sockaddr})&Server—Addr，sizeof(struct sockaddr))；

∥ 一定要指定服务器的IP地址和端口号，可带参数运行程序时指定，也有默认的lP和端口号

if(status!= 一1)∥ 一1：连接过程出错

{．⋯ ．．}

③ Write()函数：从套接字缓冲区写数据。

int Net— Send— SysConfig(int Conn—ID，char Cmdname)

∥向服务器反馈工作状态即执行服务器下达的命令情况

∥Conn—ID为已经建立的套接字描述符

{

status=write(Conn—ID，sendbuff，len)；

∥向服务器发送信息

}

④ Read()函数：从套接字缓冲区读取数据

int Receive_ Command(int Conn—ID)

{⋯

return len=read(Conn—ID，NetBuf，REC—BUFF_SIZE)；

∥成功返回实际收到的字节总数，出错返回一1

}

⑤ Close()函数：用于关闭一个套接字描述符。

close(Socket—ID)； ／／关闭连接下位机的开发都是在Linux环境下用交叉编译器ARM．Linux—gcc编译通过。[!--empirenews.page--]

4 上位机的通信实现

服务器监控软件是用Visual Basic 6．0来编写的。在Visual Basic(以下简称VB)中，进行网络通信开发是非常方便的。VB除了提供丰富的控件外，还提供了各种API来进行更为高级的运用程序的开发。本装置通 过Winsock控件进行网络开发。Winsock控件对用户是不可见的，它提供了访问TCP和UDP网络服务的方便途径。在编写客户或服务器运用程序 时，不必了解TCP的细节或低级的Win—sock API。通过设置控件的属性并调用其方法就可连接到一个远程客户／服务器端，并且双向交换数据。

在本系统中作为服务器的运用软件，在Winsock控件的属性设置上要注意：

① Protocol属性。返回或设置Winsock控件所使用的协议(TCP或UDP)。

UDPFrmMain．Winsock— Server．Protocol：sckTCPProtocol

∥选择TCP协议，提高数据传输的可靠性

② LocalPort属性。返回或设置所用到的本地端口。对客户来说，该属性指定发送数据的本地端口；对于服务器来说，是指定侦听的本地端口。

FrmMain．W insock— Server．LocalPort=LocalPort— ID∥服务器端口号，最好大于1 000

③ State属性。返回控件的状态，设计时只读。用在判断监控网络状态，根据状态改变各个按键指示

灯的状态，提高操作安全性。其设置如下：

Connected— State=FrmMain．W insock— Server．State

Select Case Connected— State

Case 0 StatusBar1．Panels(3)．Text= “关闭”

Case 1 StalusBar1．Panels(3)．Text=“打开”

Case 2 StatusBar1．Panels(3)．Text=“侦听”

4．1 Winsock控件方法

Winsock控件方法主要有以下几种：

① Listen方法。在运用程序初始化时创建套接

字并将其设置为侦听状态，等待客户机的连接请求。

Private Sub Form_ Load()

FrmMain．Winsock— Server．Listen

End Sub

② Accept方法。当有新连接时就会出现ConnectionRequest

事件，处理该事件时，运用程序应该用Accept方法接收连接。

∥当远程客户机(AT91RM9200)发出请求连接时发生

Private Sub Winsock

—

Server

— Connecti0nRequest( ByVal

requestID As Long)

If W insock

— Server．State < > sckClosed Then W insock—

Server．Close保证Winsock控件不是处于Close状态

W insock— —

Server．Accept requestlD

∥服务器接收客户机(A’I-91 RM9200)的请求

End Sub

③ SendData方法。服务器给客户机发送控制命

令，如开始执行、停止、数据的转存等，实现对客户机的

远程控制。

本函数按TCP模式按二进制方式发送数据包给

客户机，函数成功返回true，出错返回false。

Public Function Send— Data—

To— kehu(Winsock—Server As

Winsock，Data—

Buff()As Byte)As Boolean

On Error GoTo Er

_

Part

Send— Data— To—

kehu ： False

If Connect Then ／／Connect是一个定义的全局变量，

保证在Winsock控件在连接状态

W insock— ． Server．Se ndData Data_ Buf

End If

Send— Data— To— kehu=True

Exit Function

Err_ Pa~：

Send— Data— To— kehu = False

MsgBox“发送数据出错!错误代码=”+CStr(Er)+

“ ：”+Error，vbExclamation，“错误提示”

Exit Function

End Function

4．2 Winsoek控件事件

Winsock控件事件分为以下2种。

① DataArrival事件：该事件是通信的核心部分。当给客户端发送完命令后，接收客户端返回的命令执行情况，实现对客户机运行状态的监察。如果是数据 转存命令时，还要完成接收客户机上传的采集数据和对数据的服务器存储，进一步提高系统的可靠性，其流程如图3所示。接收到FTP头数据包后， P传输数据的格式定义如图4所示。

② Error事件：只要后台处理中出现错误(例如连接失败、收发数据失败)事件都会出现，方便我们对程序的监控和调试。

在后台处理中出现错误时发生：

Private Sub W insock— Server_

Eror(ByVal Number As Inte．

ger，Description As String，ByVal Se ode As Long，ByValSource As String，ByVal HelpFile As String，ByVal Help—Context As Long，CancelDisplay As Boolean

MsgBox“网络运行出错!代码=”+CStr(Err)+“：”

+Error，vbCritical，“错误信息”

Exit Sub

End Sub

5 结束语

基于ARM的高速数据采集装置的远程监控的设计，从硬件和软件两方面看是可行的，实际制板调试结果很好地完成了远程通信任务。对工业现场的远程监控提供了新的解决方案。随着以太网的日益普及，该方案有着很强的实践意义。