基于ARM和GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)測終端設(shè)計

摘要：針對分布比較分散，場所不固定，或是環(huán)境比較惡劣的監(jiān)測現(xiàn)場，提出了一種通用的遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的設(shè)計方法。終端具有模塊化的數(shù)據(jù)采集功能，并采用ARM9處理器和Linux操作系統(tǒng)，用Qt／Embedded編寫終端應(yīng)用程序，使其具有良好的人機(jī)交互界面，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，采用GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù))無線通信技術(shù)將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)測中心，存入數(shù)據(jù)庫。實際實驗證明，該終端數(shù)據(jù)處理速度快，精度高，實時性好，可以滿足一般監(jiān)測現(xiàn)場的要求。
關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)測；ARM9；GPRS；嵌入式Linux；Qt／Embedded

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)科技水平的發(fā)展，對監(jiān)測技術(shù)的要求越來越高，形式趨于多樣化。在無人值守的變電站、水文站、氣象站等野外監(jiān)測或是在交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中，因分布比較分散、環(huán)境惡劣，地點不固定，不便于用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)集中控制和實時監(jiān)測并且有線網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)受到種種限制。在這些場合采用基于GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有無可比擬的優(yōu)勢。將嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)與無線通信技術(shù)結(jié)合在一起是未來嵌入式應(yīng)用的必然趨勢。GPRS(General Packet Radio Service)，即通用無線分組業(yè)務(wù)。
GPRS技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，具有以下幾個特點：1)永遠(yuǎn)在線，接入速度快。分組交換接入時間少于1秒，可使遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蚀蟠筇岣撸?)采用數(shù)據(jù)流量的計費(fèi)方式，大大降低了用戶的使用費(fèi)用；3)GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，且支持TCP／IP協(xié)議，從而可實現(xiàn)與Intern et的無縫連接。

1 終端的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
終端要完成3個任務(wù)，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的無線傳輸。數(shù)據(jù)采集部分采用模塊化設(shè)計思想將采集模塊分為模擬量采集模塊，數(shù)字量采集模塊，開關(guān)量采集模塊等，每個模塊獨(dú)立的實現(xiàn)對特定采集信號的整流、調(diào)理、隔離等處理再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，各模塊采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，選用相同的單片機(jī)處理器。各模塊采集的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的SPI(serialperipleral interface)總線傳輸給ARM處理器。這樣的結(jié)構(gòu)使終端使用更靈活，應(yīng)用范圍更廣泛。數(shù)據(jù)處理部分采用ARM處理器對所采集的數(shù)據(jù)的類型、長度、有效范圍等進(jìn)行處理，并通過液晶屏加觸摸屏完成人機(jī)交互功能。然后將處理好的數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)。終端的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 終端硬件設(shè)計
終端硬件主要由3部分組成。一是作為主處理器的ARM9處理器及其外圍電路包括電源電路、復(fù)位電路、外擴(kuò)存儲器電路及用于人機(jī)互動的液晶屏、觸摸屏連接電路等。二是各個模塊的數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計，這里主要設(shè)計的是模擬量采集模塊，以及各個數(shù)據(jù)采集模塊與主處理器之間SPI連接方式。三是GPRS模塊外圍電路以及與主處理器的連接。端硬件設(shè)計示意圖如圖2所示。

2．1 終端主處理器
主處理器是系統(tǒng)的核心，要完成數(shù)據(jù)處理，存儲，傳輸，人機(jī)界面顯示等功能。結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場的需求終端處理器采用以ARM9為內(nèi)核的三星S3C2440處理器，它是一款基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RSIC結(jié)構(gòu)的嵌入式微處理器，主頻400 MHz，最高可達(dá)533 MHz，具有2片外接32 M的板載SDRAM，片內(nèi)外資源豐富，擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)存儲擴(kuò)展了2 MB的NorFlash用于存放bootloader系統(tǒng)引導(dǎo)程序，和64 MB的NandFlash。系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺采用一個7寸液晶顯示頻和一個觸摸屏來完成。
2．2 數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計
數(shù)據(jù)采集模塊可分為模擬量采集模塊，數(shù)字量采集模塊，開關(guān)量采集模塊等，主要完成對底層數(shù)據(jù)的采集，這些模塊的單片機(jī)處理器統(tǒng)一采用Cygnal公司的C8051F021單片機(jī)，它的MCU是高度集成的片上系統(tǒng)。在一個芯片內(nèi)集成了兩個多通道ADC子系統(tǒng)、電壓基準(zhǔn)、SPI總線接口、8個8位的通用數(shù)字I／O端口和64 kBFLASH程序存儲器及與8051兼容的高速微控制器內(nèi)核等，這些很好的滿足了模塊的設(shè)計要求。由于模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)上的相似性，這里主要介紹模擬量采集模塊部分。
工業(yè)現(xiàn)場采集的信號大部分是模擬量，如壓力、溫度、液位、流量等信號。這些信號經(jīng)過現(xiàn)場儀表測量后一般統(tǒng)一輸出為4～20 mA，0～5 V，0～10 V范圍的電流電壓信號。通過模擬量采集模塊將這些模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。單片機(jī)的A／D準(zhǔn)換的電壓基準(zhǔn)定為2．5 V，要將4～20 mA，0～5 V，0～10 V范圍的電流電壓信號統(tǒng)一為0～2．5 V以內(nèi)的電壓信號，才能進(jìn)入單片機(jī)完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。對于電流信號，在輸入端接一個250 Ω的精密便轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓信號了，對于電壓信號通過運(yùn)算放大器按比例縮放到0～2．5 V范圍內(nèi)即可。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。