基于ARM高速數(shù)據(jù)采集遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

薛艷等 

摘要：簡要介紹了TCP／IP協(xié)議，給出了基于北京ARM開發(fā)板嵌入式高速數(shù)據(jù)采集裝置的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。系統(tǒng)以下位機作為客戶端，在A~f91RM9200和嵌入式Linux搭建的軟硬件平臺上運行；將上位機作為服務(wù)器端，用VB6．0開發(fā)監(jiān)控平臺軟件；兩者通過TCP／IP實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸以及服務(wù)器監(jiān)控模式。

O 引言

    隨著信息化的不斷發(fā)展，在工業(yè)自動化、電力設(shè)備、通信管理、智能終端、智能小區(qū)等領(lǐng)域，對數(shù)據(jù)采集的實時性、可靠性的要求也不斷地提高。以往傳統(tǒng)的單片機加采集卡的數(shù)據(jù)采集裝置已經(jīng)不能滿足人們使用的要求。隨著采集卡的采集頻率不斷地提升，其所屬平臺的工作頻率也應(yīng)跟上時代的步伐。同時，在某些情況下，裝置的操控人員不可能到工作現(xiàn)場去執(zhí)行，所以有必要對采集裝置進行遠程監(jiān)察和控制。在各種設(shè)備的通信方式中，由于以太網(wǎng)具有速度快、通用性好、擴展性強等優(yōu)點，已13漸成為設(shè)備之間進行通信的主要方式。本文提出了基于ARM的高速數(shù)據(jù)采集裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)，在實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高速采集的同時，能保證數(shù)據(jù)的可靠性和實時性，并對各幀數(shù)據(jù)嵌入時間標(biāo)志為后續(xù)數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備，最后能將數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確地存儲到移動存儲設(shè)備和服務(wù)器上。該裝置包括現(xiàn)場監(jiān)控模式和服務(wù)器監(jiān)控模式。

1 系統(tǒng)簡介

    本裝置由硬件和軟件兩部分組成，如圖1所示。系統(tǒng)硬件由高速數(shù)據(jù)采集平臺和采集模塊構(gòu)成。采集模塊根據(jù)設(shè)計要求，采用DMM一32一AT采集板。采集平臺采用ATMEL公司A791RM9200作為主控芯片，附帶16 kB的SDRAM和128 kB的ROM。該芯片融合了ARM920T ARM Thumb處理器，當(dāng)工作頻率為180 MHz時性能高達200 MIPS。帶有10／100 MB Base—T型以太網(wǎng)卡接口，USB 2．0全速(12 Mbps)主機／設(shè)備接口。內(nèi)含內(nèi)存管理單元MMU，含有調(diào)試通道的內(nèi)部仿真器，便于開發(fā)調(diào)試。由于AT91RM9200具有功能全、功耗低和工業(yè)級等優(yōu)點，可以使系統(tǒng)能運用到各種環(huán)境中。

     系統(tǒng)的下位機軟件選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統(tǒng)運行的一種操作系統(tǒng)，它既有無限的開放源代碼資源，又有嵌人式操作系統(tǒng)的特性。通過對內(nèi)核的重新配置、編譯，即可將其移植到Aqgl RM9200中；再建立BootLoader和文件系統(tǒng)，形成基于ARM的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，最后在此平臺上開發(fā)運用程序，實現(xiàn)裝置的各個功能。

 2 TCP／IP協(xié)議

    在因特網(wǎng)上，TCP／IP協(xié)議每時每刻保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。參考開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，TCP／IP通常采用一種簡化的四層模型，分別為：

① 應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層要有一個定義清晰的會話過程，如通常所說的Http、Ftp、Telnet等。在本系統(tǒng)中，下位機系統(tǒng)傳遞來自Ethernet和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，應(yīng)用層只對大的數(shù)據(jù)報進行打包拆包處理。

② 傳輸層。傳輸層讓網(wǎng)絡(luò)程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數(shù)據(jù)，如定義網(wǎng)絡(luò)連接的端口號等，實現(xiàn)該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP。TCP服務(wù)提供了數(shù)據(jù)流傳輸、可靠性、有效流控制、全雙工操作和多路復(fù)用技術(shù)等，在本系統(tǒng)中使用TCP數(shù)據(jù)報協(xié)議。

③ 網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP／IP網(wǎng)絡(luò)上的任一主機上，IP協(xié)議就是該層傳送數(shù)據(jù)的機制。同時建立網(wǎng)絡(luò)間的互連，提供ARP地址解析協(xié)議，從而實現(xiàn)從IP地址到數(shù)據(jù)鏈路物理地址的映像。

④ 鏈路層。由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，實現(xiàn)這一層的協(xié)議并屬于TCP／IP協(xié)議組。在本系統(tǒng)中這部分功能由ARM控制網(wǎng)卡芯片DM9161E實現(xiàn)。

     在本系統(tǒng)中，利用TCP／IP協(xié)議中的TCP(傳輸控制協(xié)議)、IP(網(wǎng)絡(luò)報文協(xié)議)、ARP(地址解析協(xié)議)及簡單的應(yīng)用層協(xié)議成功地實現(xiàn)了ARM裝置和服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。既提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋�又保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼�確性，同時也擴展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行О霃健?/P>

3 下位機的通信實現(xiàn)

    下位機作為客戶端，它和服務(wù)器的TCP／IP通信是通過對套接字編程實現(xiàn)的。套接字是網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元，最早是作為BSD規(guī)范提出來的，現(xiàn)已成為Linux操作系統(tǒng)下TCP／IP網(wǎng)絡(luò)編程標(biāo)準(zhǔn)。套接字提供了不同主機間進程雙向通信的端點，這些進程在通信前各自建立一個Socket，并通過對Socket的 寫操作實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。下文將討論的Winsock也是一個用于Windows系列操作系統(tǒng)的Sockets版本 。

    在Linux提供的3種套接字中，本文選擇流式套接字。流式套接字是最常用的套接字類型，其傳輸特點為：面向鏈接、無差錯、發(fā)送先后順序一致、包長度不限和非重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)信息包。TCP／IP協(xié)議簇中的TCP協(xié)議使用此類接口。下位機與服務(wù)器通信實現(xiàn)如圖2所示。

① Socket()函數(shù)：用于創(chuàng)建一個套接字描述符。

#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選擇流式套接字

② Connect()函數(shù)：用于與遠端服務(wù)器建立一個TCP連接請求。

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

∥ 一定要指定服務(wù)器的IP地址和端口號，可帶參數(shù)運行程序時指定，也有默認的lP和端口號

if(status!= 一1)∥ 一1：連接過程出錯

{．&#8943; ．．}

③ Write()函數(shù)：從套接字緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)。

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

∥向服務(wù)器反饋工作狀態(tài)即執(zhí)行服務(wù)器下達的命令情況

∥Conn—ID為已經(jīng)建立的套接字描述符

{

status=write(Conn—ID，sendbuff，len)；

∥向服務(wù)器發(fā)送信息

}

④ Read()函數(shù)：從套接字緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)

int Receive_ Command(int Conn—ID)

{&#8943;

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

∥成功返回實際收到的字節(jié)總數(shù)，出錯返回一1

}

⑤ Close()函數(shù)：用于關(guān)閉一個套接字描述符。

close(Socket—ID)； ／／關(guān)閉連接下位機的開發(fā)都是在Linux環(huán)境下用交叉編譯器ARM．Linux—gcc編譯通過。

4 上位機的通信實現(xiàn)

    服務(wù)器監(jiān)控軟件是用Visual Basic 6．0來編寫的。在Visual Basic(以下簡稱VB)中，進行網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)是非常方便的。VB除了提供豐富的控件外，還提供了各種API來進行更為高級的運用程序的開發(fā)。本裝置通過Winsock控件進行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。Winsock控件對用戶是不可見的，它提供了訪問TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。在編寫客戶或服務(wù)器運用程序時，不必了解TCP的細節(jié)或低級的Win—sock API。通過設(shè)置控件的屬性并調(diào)用其方法就可連接到一個遠程客戶／服務(wù)器端，并且雙向交換數(shù)據(jù)。

在本系統(tǒng)中作為服務(wù)器的運用軟件，在Winsock控件的屬性設(shè)置上要注意：

① Protocol屬性。返回或設(shè)置Winsock控件所使用的協(xié)議(TCP或UDP)。

UDPFrmMain．Winsock— Server．Protocol：sckTCPProtocol

∥選擇TCP協(xié)議，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/P>

② LocalPort屬性。返回或設(shè)置所用到的本地端口。對客戶來說，該屬性指定發(fā)送數(shù)據(jù)的本地端口；對于服務(wù)器來說，是指定偵聽的本地端口。

FrmMain．W insock— Server．LocalPort=LocalPort— ID∥服務(wù)器端口號，最好大于1 000

③ State屬性。返回控件的狀態(tài)，設(shè)計時只讀。用在判斷監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)改變各個按鍵指示

燈的狀態(tài)，提高操作安全性。其設(shè)置如下：

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

Select Case Connected— State

Case 0 StatusBar1．Panels(3)．Text= “關(guān)閉”

Case 1 StalusBar1．Panels(3)．Text=“打開”

Case 2 StatusBar1．Panels(3)．Text=“偵聽”

4．1 Winsock控件方法

Winsock控件方法主要有以下幾種：

① Listen方法。在運用程序初始化時創(chuàng)建套接

字并將其設(shè)置為偵聽狀態(tài)，等待客戶機的連接請求。

Private Sub Form_ Load()

FrmMain．Winsock— Server．Listen

End Sub

② Accept方法。當(dāng)有新連接時就會出現(xiàn)ConnectionRequest

事件，處理該事件時，運用程序應(yīng)該用Accept方法接收連接。

∥當(dāng)遠程客戶機(AT91RM9200)發(fā)出請求連接時發(fā)生

Private Sub Winsock

—

Server

— Connecti0nRequest( ByVal

requestID As Long)

If W insock

— Server．State < > sckClosed Then W insock—

Server．Close保證Winsock控件不是處于Close狀態(tài)

W insock— —

Server．Accept requestlD

∥服務(wù)器接收客戶機(A'I-91 RM9200)的請求

End Sub

③ SendData方法。服務(wù)器給客戶機發(fā)送控制命

令，如開始執(zhí)行、停止、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存等，實現(xiàn)對客戶機的

遠程控制。

本函數(shù)按TCP模式按二進制方式發(fā)送數(shù)據(jù)包給

客戶機，函數(shù)成功返回true，出錯返回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是一個定義的全局變量，

保證在Winsock控件在連接狀態(tài)

W insock— ． Server．Se ndData Data_ Buf

End If

Send— Data— To— kehu=True

Exit Function

Err_ Pa~：

Send— Data— To— kehu = False

MsgBox“發(fā)送數(shù)據(jù)出錯!錯誤代碼=”+CStr(Er)+

“ ：”+Error，vbExclamation，“錯誤提示”

Exit Function

End Function

4．2 Winsoek控件事件

Winsock控件事件分為以下2種。

① DataArrival事件：該事件是通信的核心部分。當(dāng)給客戶端發(fā)送完命令后，接收客戶端返回的命令執(zhí)行情況，實現(xiàn)對客戶機運行狀態(tài)的監(jiān)察。如果是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存命令時，還要完成接收客戶機上傳的采集數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)的服務(wù)器存儲，進一步提高系統(tǒng)的可靠性，其流程如圖3所示。接收到FTP頭數(shù)據(jù)包后， P傳輸數(shù)據(jù)的格式定義如圖4所示。

② Error事件：只要后臺處理中出現(xiàn)錯誤(例如連接失敗、收發(fā)數(shù)據(jù)失敗)事件都會出現(xiàn)，方便我們對程序的監(jiān)控和調(diào)試。

在后臺處理中出現(xiàn)錯誤時發(fā)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“網(wǎng)絡(luò)運行出錯!代碼=”+CStr(Err)+“：”

+Error，vbCritical，“錯誤信息”

Exit Sub

End Sub

5 結(jié)束語

    基于ARM的高速數(shù)據(jù)采集裝置的遠程監(jiān)控的設(shè)計，從硬件和軟件兩方面看是可行的，實際制板調(diào)試結(jié)果很好地完成了遠程通信任務(wù)。對工業(yè)現(xiàn)場的遠程監(jiān)控提供了新的解決方案。隨著以太網(wǎng)的日益普及，該方案有著很強的實踐意義。