基于μC/OS-II和ARM處理器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)

作者：陳玉川，史幼迪，胡劍凌

方便、舒適、高效、安全，以及環(huán)保節(jié)能等作為人們對(duì)自身生活和工作場(chǎng)所的基本要求由來(lái)已久。自上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著數(shù)字通信技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的智能化建筑和住宅是該領(lǐng)域的一個(gè)主要發(fā)展方向。

現(xiàn)介紹其中一種利用ARM技術(shù)、嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核和TCP協(xié)議設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器。

1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器的基本功能

“一線通”系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示，3臺(tái)管理計(jì)算機(jī)互為冗余。

系統(tǒng)是面向設(shè)備管理的，基本功能可歸結(jié)為三點(diǎn)，即“監(jiān)”、“控’’和“報(bào)警”?！氨O(jiān)”是指管理機(jī)查詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)；

控，是管理者通過(guò)監(jiān)控界面操縱現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；“報(bào)警”是當(dāng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)超越報(bào)警限時(shí)，及時(shí)向管理機(jī)報(bào)告。管理機(jī)監(jiān)控界面采用組態(tài)王6.5通用組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

“一線通”系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)與報(bào)警合并。在現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)備的DEC控制器和智能儀表通過(guò)485總線連接到數(shù)據(jù)采集器，在整理設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)狀態(tài)的變化，由采集器向管理機(jī)發(fā)送設(shè)備最新變化狀態(tài)。徹底避免了無(wú)謂的查詢，減輕了網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)荷。這就是數(shù)據(jù)采集器的由來(lái)。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器的基本功能要求分為兩個(gè)方面。首先，要定期采集各DDC控制器（以下稱子站）和智能儀表中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將狀態(tài)變化信息發(fā)送到管理機(jī)。其次，也要傳遞管理機(jī)對(duì)設(shè)備的控制命令。

2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)采用了EasyARM2200開(kāi)發(fā)板，CPU是Philips公司的32位嵌入式處理器LPC2210（ARM7TDMI-S核）。開(kāi)發(fā)板基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。CPU采用11.059 2 MHz晶振，通過(guò)片內(nèi)鎖相環(huán)和外設(shè)分頻器，分別獲得44 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘和11 MHz外設(shè)時(shí)鐘頻率。串行通信波特率為19 200 bps。

采集器用C語(yǔ)言編制實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)大致分四步進(jìn)行。

（1） 協(xié)議設(shè)計(jì)

在“一線通”系統(tǒng)中，設(shè)備以采集器號(hào)、子站號(hào)和設(shè)備號(hào)惟一確定。管理機(jī)用采集器號(hào)區(qū)別局域網(wǎng)上的采集器。采集器用子站號(hào)標(biāo)識(shí)總線上的DDC控制器。同一子站下可能有不止一個(gè)設(shè)備，相互以設(shè)備號(hào)區(qū)分。

所有的狀態(tài)和控制數(shù)據(jù)都以設(shè)備為單位進(jìn)行組織。通過(guò)工程項(xiàng)目的配置文件，系統(tǒng)中確定的設(shè)備與具體設(shè)備類型聯(lián)系起來(lái)。采集器中設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊格式定義為

設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)格式由設(shè)備類型數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)定。

采集器與子站的串行通信數(shù)據(jù)幀基本格式為

STX協(xié)議數(shù)據(jù)ETX校驗(yàn)和

所有協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸字節(jié)加ETX生成校驗(yàn)和。由16個(gè)ASCII字符O～9、A～B作為傳輸字節(jié)對(duì)協(xié)議數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和進(jìn)行編碼，傳輸字節(jié)的最高位用作奇偶校驗(yàn)位。

通信采用主從方式，由采集器向子站寫(xiě)控制數(shù)據(jù)。寫(xiě)命令幀協(xié)議數(shù)據(jù)為

設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊或控制數(shù)據(jù)塊可任意組合到用戶數(shù)據(jù)域中。標(biāo)志字符指明用戶數(shù)據(jù)的類型。例如，是采集器向管理機(jī)發(fā)送的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊組合，還是管理機(jī)向采集器發(fā)送的設(shè)備控制數(shù)據(jù)塊組合。

（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

采集器中，為設(shè)備控制數(shù)據(jù)塊設(shè)置從網(wǎng)口到串口的隊(duì)列。設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊須定期地從各子站中讀取并刷新存儲(chǔ)，變化的狀態(tài)須向管理機(jī)發(fā)送。為此，設(shè)置子站項(xiàng)和設(shè)備記錄塊兩種基本結(jié)構(gòu)，構(gòu)成三種鏈表，如圖3所示。

子站項(xiàng)的基本域是子站號(hào)。各子站項(xiàng)通過(guò)指針NextDDC相互連接，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)鏈表，管理對(duì)子站的采集過(guò)程。指針CurrDDC指向當(dāng)前正被訪問(wèn)的子站項(xiàng)。采集器根據(jù)CurrDDC沿循環(huán)鏈表的依次移動(dòng)，確定下一個(gè)訪問(wèn)的子站站號(hào)。

在子站項(xiàng)數(shù)據(jù)域中設(shè)置了一個(gè)故障計(jì)數(shù)器。當(dāng)某子站對(duì)采集器讀命令連續(xù)多次無(wú)正常應(yīng)答時(shí)，采集器判定其故障，將暫停對(duì)其讀取，并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。計(jì)時(shí)結(jié)束后再嘗試重新訪問(wèn)該子站。如果成功，便恢復(fù)正常；否則，停止讀取而重新計(jì)時(shí)。這樣將大大減少對(duì)故障子站的超時(shí)等待時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了故障屏蔽和自動(dòng)恢復(fù)的連接重試功能。

設(shè)備記錄塊的基本域是設(shè)備號(hào)。在其記錄數(shù)據(jù)域中存放著一個(gè)完整的最新設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊，由記錄長(zhǎng)度域指明長(zhǎng)度。

每個(gè)子站下連接著數(shù)目不等的若干個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備記錄塊。同一子站下的設(shè)備記錄塊通過(guò)指針域RBPtr連成一個(gè)單鏈表。采集器能根據(jù)子站下設(shè)備的增加自動(dòng)添加設(shè)備記錄塊。

狀態(tài)發(fā)生變化的設(shè)備記錄塊由指針域RBInList連接成發(fā)送鏈表。以太網(wǎng)發(fā)送程序?qū)⒔o設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊加上采集器號(hào)，組合到用戶數(shù)據(jù)報(bào)中。這樣的方式能保證發(fā)送設(shè)備最新的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）任務(wù)設(shè)計(jì)

μC/OS-II（v2.52）被移植到LPC2210上，是獨(dú)立于采集器程序外的一段代碼。作為可剝奪型內(nèi)核，它能保證實(shí)時(shí)性的需要，使時(shí)間要求苛刻的事件得到快捷的處理。

采集器程序由一組任務(wù)構(gòu)成，如表1所列。

Task_UartProcess（）是采集器的核心任務(wù)。它依次循環(huán)地完成：

◆發(fā)送寫(xiě)命令幀（如果有控制數(shù)據(jù)塊）。從設(shè)備控制數(shù)據(jù)塊隊(duì)列中取出新的控制數(shù)據(jù)塊，組合到寫(xiě)命令幀中。利用串行發(fā)送中斷服務(wù)發(fā)送寫(xiě)命令幀。

◆發(fā)送讀命令幀。從子站項(xiàng)循環(huán)鏈表中獲得訪問(wèn)子站號(hào)，生成讀命令幀。同樣，利用串行發(fā)送中斷服務(wù)發(fā)送讀命令幀。

◆等待子站應(yīng)答幀。當(dāng)收到UartRcvMbox中消息或超時(shí)退出時(shí)，進(jìn)入應(yīng)答幀數(shù)據(jù)處理程序。數(shù)據(jù)處理程序完成對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊的刷新存儲(chǔ)和變化處理。

◆發(fā)采集信號(hào)量通知發(fā)送服務(wù)器和發(fā)送客戶端。

（4）程序設(shè)計(jì)

LPC2210上電后需運(yùn)行一段匯編代碼，完成中斷向量表的定義和重映射，外部存儲(chǔ)控制器的初始化，并分配系統(tǒng)堆?？臻g，然后進(jìn)入main（）函數(shù)［2，3］。

在main（）中：

◆調(diào)用（）SInit（）函數(shù)對(duì)內(nèi)核多任務(wù)調(diào)度所用系統(tǒng)變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成初始化，并建立空閑任務(wù)。

◆調(diào)用（）SStart（）函數(shù)進(jìn)入內(nèi)核。

內(nèi)核中集成了TCP/IP協(xié)議棧，數(shù)據(jù)報(bào)交換通過(guò)連接來(lái)進(jìn)行。主要Socket API函數(shù)如表2所列。

在ADS開(kāi)發(fā)環(huán)境下，函數(shù)都是可重入的。

采集器發(fā)送客戶端或發(fā)送服務(wù)器均能獨(dú)立地完成對(duì)變化的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊的發(fā)送，和對(duì)控制數(shù)據(jù)塊的接收。采集器發(fā)送客戶端程序狀態(tài)如圖4左端所示。調(diào)用connect（）函數(shù)發(fā)起與管理機(jī)的連接。連接只需與三臺(tái)管理機(jī)之一建立即可。

連接建立后，可用send（）發(fā)送設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊組合幀。采集器在訪問(wèn)每個(gè)子站后，都要檢查設(shè)備狀態(tài)變化情況，并及時(shí)向管理機(jī)匯報(bào)。

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，send（）函數(shù)將不能成功返回。若干次發(fā)送失敗后，客戶端程序?qū)⒄{(diào)用close（）斷開(kāi)連接，然后重新發(fā)起建立連接。

實(shí)際上，close（）并不一定能正常斷開(kāi)連接，這將影響連接的重新建立。故約定，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)無(wú)變化時(shí)，采集器也將間隔一定時(shí)間發(fā)送一個(gè)空數(shù)據(jù)報(bào)。進(jìn)入故障處理后，管理機(jī)因收不到定期的空數(shù)據(jù)報(bào)，亦將關(guān)閉連接而重新偵聽(tīng)。

采集器發(fā)送服務(wù)器程序狀態(tài)如圖4右端所示。事先指定偵聽(tīng)的連接數(shù)，通過(guò)accept（）函數(shù)查看管理機(jī)與采集器的連接情況。

當(dāng)有管理機(jī)連接后，即可通過(guò)send（）發(fā)送設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊幀，所有過(guò)程同客戶端中一樣。不同的只是，當(dāng)進(jìn)入故障處理后，將退回到accept（）重新偵聽(tīng)遠(yuǎn)程連接。

采集器由5個(gè)源文件和6個(gè)頭文件組成，編譯后約8 KB代碼。包括啟動(dòng)代碼、實(shí)時(shí)內(nèi)核和TCP/IP協(xié)議棧后，總共40 KB，并占用125 KB數(shù)據(jù)空間。

管理計(jì)算機(jī)可對(duì)采集器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和工作方式等進(jìn)行必要的配置。

采集器正常工作時(shí)測(cè)得的串口通信時(shí)序示意圖如圖5所示。其中，讀命令幀歷時(shí)約3.8 ms，子站應(yīng)答幀約13.2 ms.子站應(yīng)答延遲取決于子站的處理時(shí)間。

由圖5可見(jiàn)，子站的訪問(wèn)時(shí)間約35 ms。期間除完成子站訪問(wèn)外，還包括以太網(wǎng)發(fā)送等各項(xiàng)任務(wù)。如果要求總線訪問(wèn)周期小于1 s，則可連接25個(gè)子站。

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器采用32位ARM處理器加實(shí)時(shí)內(nèi)核μC/OS-II的嵌入式實(shí)現(xiàn)方案。它將現(xiàn)場(chǎng)各類設(shè)備與管理計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，使智能小區(qū)“一線通”監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的利用更趨合理。

通常，對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控實(shí)時(shí)性要求較高，延遲一般應(yīng)小于O.5 s。其他諸如安防報(bào)警等，也應(yīng)小于2 s?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器能很好地滿足實(shí)時(shí)性要求。當(dāng)十臺(tái)電梯均以4 m/s以上的高速模擬運(yùn)行時(shí)，監(jiān)控界面上所有的參數(shù)都能及時(shí)得到反映，并幾乎感覺(jué)不到延遲。事實(shí)上，每個(gè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)都能被傳遞達(dá)2次以上。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器已被成功地使用于上海金色家園等多處智能化小區(qū)工程中。

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