基于ARM的城市供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)
當前城市供水站監(jiān)控系統(tǒng)多以單片機為核心，將外部傳感器數據進行A/D轉換后接入單片機，其精度可達12位，數據經過處理后用點陣顯示屏顯示。單片機為8位中央處理器，這對于要求較高的領域顯得稍有不足。下位機與上位機之間多采用串口進行通信。串行485接口采用差分方式傳輸，傳輸距離最大可達1 200 m，但此距離速率只能達到100 Kb/s，且485在任何時刻只允許一個下位機向上位機傳遞數據，使得這種通信方式受到了一定限制。
嵌入式處理器和以太網技術的飛速發(fā)展為這些問題提供了解決的途徑。
嵌入式處理器處理速度快、精度高、擴展接口豐富，且具有良好的人機交互性。以太網通信技術則以其實時性強、通信速度快、兼容性強、網絡布線方便的優(yōu)點，越來越受到人們的青睞。本文以ARM嵌入式處理器為核心，搭載WinCE嵌入式系統(tǒng)，結合TCP/IP通信協(xié)議，設計出基于ARM和TCP/IP的城市供水站高速數據采集系統(tǒng)。并對下位機數據采集程序、上位機程序以及系統(tǒng)通信的實現進行了詳細的敘述[2-3]。
1 系統(tǒng)的總體架構及硬件設計
1.1 系統(tǒng)的總體架構
數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)的下位機以ARM9系列的三星S3C2440A嵌入式處理器為核心，處理器的主頻400 MHz，最高達533 MHz，處理速度快，內置8路10位A/D轉換器，最高轉換頻率為2.5 MHz，數據采集速度和精度都很高。在ARM9的基礎之上搭載WinCE嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)具有與Windows XP相似的界面和操作，操作起來更加簡便快捷；支持多系列的微型處理器，包括ARM系列，使下位機在硬件和軟件方面得到了完美的融合。下位機接收傳感器采集的數據，然后通過TCP/IP協(xié)議與上位機進行通信，上位機得到下位機傳來的數據后進行數據存儲、顯示、報警操作。上位機進行遠程監(jiān)控并完成對各個下位機信息的匯總和分析處理等功能，系統(tǒng)結構如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)的硬件設計
城市供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)要測量的物理量主要有各個供水站電機的電流、電壓、溫度等參數，以及供水站的流量、進出口壓力、水溫等水質的參數。要根據各種物理量以及其所處的具體工作環(huán)境選取合適的傳感器[4]。
由圖2可見，下位機硬件以ARM9為核心，其內置的A/D轉換接口用來接收外部傳感器的數據，搭載的TFT顯示屏作為下位機的顯示，同時其各個擴展接口可以提供其他的資源及為以后擴展所用。
傳感器采集的外部數據經過放大、濾波等消除干擾的操作后接入ARM內部A/D轉換器，在嵌入式系統(tǒng)中進行處理，并在下位機顯示屏上進行顯示和相應地人機操作。下位機擴展在板64 MB SDRAM內存和在板128 MB Nand Flash存儲并支持32 GB的外部SD擴展槽，滿足本機運行以及存儲要求。擴展的RJ-45接口作為與上位機進行通信的接口。IIC總線以及其他接口作為擴展和其他功能用。
TCP/IP協(xié)議使用客戶端/服務器(C/S)模式進行通信，其通信是點對點的，在網絡中幾乎可以實現無差錯的數據傳輸，可靠性較高，速度快。由于與網絡相關的路由和網關等技術的發(fā)展，使得多路通信的實現變得簡單方便。[!--empirenews.page--]
下位機ARM擴展了網絡RJ-45網絡接口，使上下位機之間實現TCP/IP通信變得更加簡單。
每個供水站的下位機在將數據處理完畢之后，通過RJ-45網絡接口與上位機相連，多處下位機通過路由器接入網絡，然后再與上位機進行通信。其結構圖如圖1。
2 供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計
供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計包括下位機地址映射、下位機數據處理及顯示、數據通信以及上位機程序的實現。
2.1 下位機地址映射與實現
下位機搭載WinCE操作系統(tǒng)，ARM數據采集是通過GPIO來操作相應的寄存器，WinCE系統(tǒng)則將GPIO的實地址映射到虛擬地址空間，通過對虛擬地址空間的操作來完成對GPIO及其他片內資源的控制。要在WinCE中操作ARM中的GPIO，就必須按照BSP中的基地址找到相應的虛擬地址。這就需要對其進行地址映射。圖3為地址映射原理圖。
地址映射的方法有2種：一是流驅動方法，即在流驅動中將物理地址進行相應地映射，將流驅動添加到底層映像中來實現。另一種方法是在外部WinCE程序中將物理地址與虛擬地址進行相應地映射，只需對外部程序進行操作，對內核沒有影響，由于下位機數據采集部分并不復雜，所以采用第二種方法進行實現。
要實現地址映射，首先將所用到底層驅動中的寄存器作為一個類定義到WinCE嵌入式程序中去。然后把物理地址與虛擬地址用VirtualAlloc和VirtualCopy函數進行映射操作。VirtualAlloc函數用于在當前進程的虛擬地址空間中保留或者提交空間，在保留時以64 KB為單位，提交時以4 KB為單位。VirtualCopy函數則用來綁定物理地址到靜態(tài)映射虛擬地址。VirtuaAlloc+VirtualCopy就可以將內核到當前進程進行映射，讓當前程序找到對應的虛擬地址[5-6]。
把映射后的地址作為一個新類進行定義，就可對寄存器進行操作，如圖3。
2.2 下位機數據處理及顯示
下位機采集數據后采用數字模塊進行顯示，當數據超出上下限的時候，下位機中的蜂鳴器就會進行報警，通知現場操作人員。
數字顯示模塊采用重繪的形式，預先定義好相應的數字顯示值，在接收到數據后對數字顯示模塊進行相應地重繪。數字顯示模塊作為一個插件加入到WinCE程序中，在主函數中調用模塊中的顯示函數來實現數字的顯示。
下位機報警功能采用ARM擴展的蜂鳴器實現，蜂鳴器由PWM進行控制。在S3C2440A中GPB0為控制PWM的寄存器，通過地址映射的方法對相應的寄存器進行操作。
首先設置端口GPB0為TOUT0功能，然后設置預分頻和分割值，計數器的輸入時鐘(CCLK)頻率為：PCLK/(預分頻+1)/分割值。預分頻值和分割值分別由TCFG0、TCFG1來確定。接著設定初始值TCMPB3和TCNTB，由于計數器的輸入時鐘為PCLK/16/8；而rTCNTB0=(PCLK>>7)/freq；并且計數計到最大值的一半時發(fā)生翻轉。因為計數的基值是由rTCMPB0設定為最大計數值的50%。最后是定時控制器的設定rTCON，TOUT0就產生頻率是rTCNTB0，占空比是50%的方波，蜂鳴器就可以被驅動。當數據超限時就調用此函數進行蜂鳴器報警。
2.3 TCP/IP通信的實現
上下位機之間采用客戶機/服務器(C/S)形式，下位機作為客戶機上位機作為服務器進行通信，TCP/IP通信通過套接字(socket)來實現[7-8]。
下位機利用套接字socket的connect函數向上位機(server)發(fā)送連接請求，當連接成功之后，用send函數向上位機發(fā)送相應的數據，通信完成后關閉套接字。
上位機通信部分則與下位機相互對應，用套接字socket的bind函數將套接字綁定到本地地址和端口上，并將套接字設置為監(jiān)聽模式，用listen函數來準備接收client的請求，當用accept函數接收到連接請求后，調用recv函數來接收相應的數據，其流程如圖4所示。
[!--empirenews.page--]上位機作為服務器端，對設定的端口一直進行監(jiān)控，因此運用多線程進行循環(huán)監(jiān)聽，直到相應的操作使其停止。
2.4 上位機顯示報警及數據存儲實現
上位機是整個系統(tǒng)監(jiān)視的核心，數據顯示為了直觀，采用動態(tài)曲線顯示；并進行聲音報警，采用數據庫將數據進行存儲，上位機系統(tǒng)顯示界面如圖5。
上位機動態(tài)曲線顯示利用畫刷、曲線等函數進行繪制，當數據接收進來后繪制相應的曲線，并且隨著數據的增多曲線進行移動，使顯示的曲線一直為當前一段時間的數據。報警的實現比較簡單，只需在數據超限的時候調用Beep 蜂鳴函數即可。
上位機的另一個主要的功能就是對數據進行存儲，以便在以后調用。數據存儲利用ADO對數據庫進行訪問。
ADO是一個用于存取數據源的COM組件，是微軟最新的對象層次上的數據操作技術，它為操作OLE DB數據源提供了一套高層次自動化接口。從功能上來說，ADO又是一種OLE DB客戶程序，它不依賴于特定的OLE DB服務器反而支持所有的OLE DB服務提供者。通過這些OLE DB服務提供者，ADO支持客戶/服務器模式和基于Web的數據操作，尤其支持通過客戶/服務器模式或者基于Web模式訪問微軟的SQL Server數據庫服務器[9]。
用ADO的Connection、Command、Recordset等一系列關鍵對象，在數據庫中建立表格對當前日期、時間以及傳感器數據進行實時的自動存儲。
為保證程序的運行狀況，運用多線程實現對規(guī)定數據的儲存操作。
本系統(tǒng)實現了對下位供水站數據的精確和高速的采集，并能將下位數據在嵌入式下位機系統(tǒng)中進行顯示，實現在現場對數據進行觀測和處理，同時又可以將現場的數據傳輸到上位機中，將不同下位機中的數據傳輸到上位機中進行匯總和相應的操作，實現了遠程的監(jiān)控和管理。此系統(tǒng)對其他的數據采集和監(jiān)控系統(tǒng)來說也具有很好的參考價值。
參考文獻
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[8] 孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[9] 沈煒，徐慧.Visual C++數據庫編程技術與實例[M].北京：人民郵電出版社，2005.
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