基于ARM7的分布式远程测控系统设计

1、引言

远程测控广泛应用于设备数量大、分布广的场合，随着计算机和网络技术的发展，利用局域网可以很好解决集中管理分散控制的问题。但当测控对象分布大于几十公 里，采用局域网组网费用高、周期长，是不可行的。利用现有电话网、调制解调器和计算机组成的测控系统，对通信速率和实时性要求不高的场合，基本可以实现远 程测控管理功能，且成本低廉、投入使用准备周期短。

2、系统结构

本系统是为监控无人职守电信机房环境设计的。系统上位机采用一台微机作为主控室监控主机，下位机为多台分布于各机房的测控终端(如图1)。

图1 系统结构框图

分布于各个机房的下位机实时监控机房环境参数，采集存储，上传数据；当点对点连接时可以实时查询当前状态。为了方便对下位机的管理，下位机需要具有在 线控制功能，通过监控中心PC上位机软件，修改控制下位机所有参数。多台下位测控平台通过和上位机进行数据传输，设备之间的数据交互、故障报警， 都需要可靠的数据传输，因此下位机硬件的可靠性、数据通信链路层的可靠性至关重要，数据的帧结构、控制接口的软硬件都需要仔细设计。为了及时有 效的对监控参数的报警，每种监测参数需要设置三种严重程度不同的告警门限值，当某项实时监测参数超过告警门限值时，下位机自动向监控中心报警，同时可按优 先次序拨出三组不同电话号码，通知相关人员。通信的数据帧中采用密码机制，只有密码正确，下位机才响应上位机的控制，保证了系统的安全性。

3、系统硬件设计

下位机硬件原理框图如图2。采用飞利浦公司基于TDMI内核32位微处理器，内部集成了16K ，并带有128k字节嵌人高速存储器。丰富的片上外围设备、非常小的封装和极低的功耗，无需外接程序存储器和数据存储器，使其非常适合 小型化的嵌人式领域。系统每次采集的数据量较小，采集一次就向上位机上传一次是不合适的，为此采用掉电非易失的 存储采集数据。模拟信号采集通过l0bit串行AID TLC 1543，它的11个通道可以用来采集机房设备的供电电压、电流、机房温度等参数。量信号直接从的GPIO ( purpose I/0)读人，控制信号则通过SPI串行口输出到转为并行控制信号输出。按键音经过解码器得到键值，用于报警电话确认。

图2 系统硬件原理框图

外置式通过口与处理器连接。有两个串口，有16字节收发。其中Uart2增加了一个调制解调器 ()接口，具有RTS，CTS，DSR，DCD，DTR，RI标准接口的握手信号。Modem和实现双向通信至少需要三条 信一线：TXD,RXD和SGND。这样连接由于没有握手信号，只能保证单个字节传输的可靠，对于大量数据的传输可能导致数据丢失，虽然可以采用软件处 理，但会占用CPU的时间，降低CPU使用效率。所以采用Uart2经过8路电平变换芯片与Modem连接，这样就具有完整的RS- 232C的控制联络信号线，保证了大数据量传输时的可靠性。

4、数据帧编码方法

数据帧编码的原则是尽量减小数据传输过程中的误码率，兼顾传输效率、加密等方面。本系统的数据帧结构如图3。

图3 数据帧结构

数据帧的第1,2个字节(包头)和最后一个字节(包尾)采用特定的起始码和结束码，如AAH，55H，B5H等，可以有效的抑制各种杂乱信息。数据接收方 可以把接受到的数据放到一个缓冲器中，当接收到有效的包头才开始一个数据帧的接收，否则，认为是干扰或是误码丢弃不处理。数据帧开始接收后，根据 数据长度，能正确接收结束码，才当作一个有效的数据帧，否则，丢弃重新开始等待起始码。起始码后面是一位或多位的密码，可以根据实际的需要而定，增加数据 传输的保密性。

数据的传输常会出现连续置为0的字节，这种零电平在传输过程中，非常容易受到干扰变成数据。因此数据采用余3编码方式。对数据帧的每个字节都采用奇偶效验，并计算所有的数据字节累加和、异或和，放在数据帧中供接受方效验。

5、Modem的控制和AT指令集

目前市场常见的Modem都支持AT指令集，即所有的命令行都是由前缀“AT”构成，它是Attention的缩写，其基本格式为：AT命令[参数]命令 [参数]……结束符。结束符是一个单字符，其值存在寄存器S3中，默认为回车符。在一个命令行中可以包含多个命令，但不要超过Modem的命令缓冲器所能 容纳的字符数，一般为40个字符。Modem会自动从AT两个字符中检测出波特率、字长、奇偶效验，故Modem无需设置这些参数。

Modem的工作状态可以分为命令状态和在线状态。在命令状态下接收并执行AT指令，当建立通信链路后进人在线状态，这时Modem不再对发给它的数据解 释，而是直接发给远端的接收系统。在线状态下，如果接收到状态转化序列十十十”，则转人在线命令状态。详细的AT指令集的介绍见。

6、系统软件设计

微处理器工作频率可以达到，有3级流水线，大多数指令可以单周期完成，片上带有128KB 程序存储器和16KB ，它的性能和存储空间，使嵌入操作系统的应用成为可能。目前市场上的大型商业嵌人式操作系统已经十分成熟，但价格昂贵。采用源码公开的免费软件是 一种好的选择。uClinux功能强大，运行稳定，但代码和需要的RAM过于庞大。uC/OS-II则简单实用，内核可剪裁到只有3K左右。本系统的软件 基于uC/OS-II嵌入式操作系统是一个理想的选择。

uC/OS-II是一个源代码完全公开、可移植、可固化、可剪裁的抢占式实时多任务操作系统。最多可以同时执行64个优先级不同的任务，任务之间的通信和同步是通过信号量(Semaphore)、邮箱(Mailbox)或队列(Queue)来完成的。信号量用来保护特定的共享资源，或同步其它任务。邮箱和队列都是用来在任 务间发送消息，只不过前者只能发一条信息，后者可以发送多条。uC/OS-II需要一个系统时钟( Tick)，用于实现时间延时和超时确认。时钟节拍越高，系统时间精度越高，但系统的额外开销越大。详细介绍见文献。

在uC/OS-II操作系统的管理下，本系统分为4个任务：

任务1：采集存储数据，按照上位机所设置的采集频率，采集存储各个监测参数。

任务2：数据帧处理，对串口接受到的数据进行解释。接受到效验正确的数据帧，执行相应的操作，如处理上位机的控制信息、设置系统参数、发送信号量给任务和发送正确接受的应答帧等。

任务3：报警任务，实时监测各个参数，发现异常立即向上位机报警，同时拨打报警电话。

任务4：自动上传数据，当采集到一定量数据，主动上传到上位机。

在多任务系统中，通过时钟中断的周期性任务，在确定的时间执行一次，其它时间都处在休眠状态。若它在各任务中处于最高优先级，就能够保证该任务严格的时间 有效性。任务1就是此类任务，所以放在最高优先级。每隔确定的时间运行一次，即采集存储一次数据，其它时间处于休眠状态。

任务3和任务4在和上位机通信的过程中，都需要数据帧处理任务给它们解释上位机发来的数据，所以任务2作为第二优先级。当串口中断接受到上位机发来的数 据，放到的队列中，同时发信号量给任务2，任务1不在执行时，任务2立即变为当前运行任务，处理串口接受到的数据，其它时间处于等待状态。

自动上传数据对实时性要求不高，所以放在最低优先级。报警任务放在第三优先级，这样可以保证在发生异常时，能及时的向上位机和有关人员报警。

多任务系统中，就要考虑对共享资源的保护，同一时间内，只能有一个任务占用此资源。本系统中，串口是四个任务都需要占用的资源，来控制Modem或向上位 机传送数据，I2C总线在任务1和任务4中要用来读写中的监测数据。所以建立了两个互斥信号量来保护串口和I2C总线，当任务需要使用串口或 I2C总线，先申请相应共享资源的信号量，如果信号已被别的任务占用，该任务只得被挂起，直到信号被当前使用者释放。

这样安排多个任务，充分利用了系统资源，保证了整个系统各任务协调、高效的运行和系统的实时性。

7、小结

经过实际运行试验，本系统运行稳定可靠。完全开放的UC/OS-II嵌入式操作系统的采用，多任务的管理提高了开发效率，缩短了开发周期，提高了系统性 能。在升级系统时，只要加入其它任务到操作系统中，就可以扩展功能，程序的可读性和可维护性好。以ARM7和uC/OS-11为基础构成的嵌人式系统，结 构简单小巧、成本低廉、实时性强，特别适用于中小型嵌入式系统的开发。