基于73M2901的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

引言

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，尤其是在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，監(jiān)測(cè)或者控制對(duì)象由于距離較遠(yuǎn)或者現(xiàn)場(chǎng)比較危險(xiǎn)，只能把采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的地方進(jìn)行分析處理，因此需要一種可以進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧较到y(tǒng)，以便能夠?qū)崿F(xiàn)在遠(yuǎn)處對(duì)工作系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和故障排除，避免惡劣的環(huán)境對(duì)身體造成損害，本系統(tǒng)是通信電纜健康狀況檢測(cè)系統(tǒng)的一部分，將通信電纜的工作狀況遠(yuǎn)程傳輸，從先實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)測(cè)，本文提出了一種體積小、重量輕、成本低、實(shí)施方便，基于LPC2132芯片的，以電話線為數(shù)據(jù)傳輸媒質(zhì)的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，從硬件和軟件方面對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并給出具體實(shí)現(xiàn)方法。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

如圖1所示，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由主控LPC2132、Modem芯片73M2901、RS232串口轉(zhuǎn)換電路組成，LPC2132通過(guò)UART0接收通信電纜數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)，進(jìn)行CRC校驗(yàn)后通過(guò)UART1發(fā)給Modem，LPC2132是Philips公司基于32/16位ARM7TDMI-S內(nèi)核[1]開(kāi)發(fā)的微控制器，由于LPC2132內(nèi)嵌64KB的高速Flash存儲(chǔ)器和16KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，具有2個(gè)符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，且其中一個(gè)包含標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器接口信號(hào)，因此非常適合用來(lái)控制Modem芯片進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，73M2901是TDK公司推出的低功耗、低速、單片機(jī)調(diào)制解調(diào)器[2]，具有很高的集成度，與LPC2132一起可以構(gòu)成一個(gè)輕便小巧的嵌入式遠(yuǎn)程終端。

1.2 73M2901芯片簡(jiǎn)介

73M2901內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的8032微處理器和1個(gè)協(xié)處理器，因此在處理復(fù)雜信號(hào)的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)多種控制功能，其數(shù)據(jù)終端采用異步串行傳輸方式，最多可以支持2400bps個(gè)雙工數(shù)據(jù)傳送，此外，還支持AT指令集，其主要引腳功能[3]如表1所列。

1、數(shù)據(jù)終端接口：主要功能是完成數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）與調(diào)制解調(diào)器之間的連接，73M2901芯片提供的串行數(shù)據(jù)終端接口包括TXD、RXD、RTS、CTS、DSR、DCD、TXCLK、RXCLK等。

2、調(diào)制解調(diào)部件：核心是調(diào)制解調(diào)芯片。Modem的絕大多數(shù)功能都是由這片大規(guī)模集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括調(diào)制解調(diào)過(guò)程，擾碼解擾碼過(guò)程，信道分割、線路均衡和指示工作狀態(tài)等。

3、模擬終端接口，包括撥號(hào)脈沖電路、振鈴檢測(cè)電路和音頻信號(hào)通道3部分，通過(guò)這部分電路可以將Modem與通信信道連接起來(lái)。

撥號(hào)脈沖電路，摘掛機(jī)信號(hào)由73M2901/5V的RELAY引腳給出，完成摘掛機(jī)動(dòng)作，當(dāng)RELAY發(fā)出高電平時(shí)為掛機(jī)，發(fā)出低電平時(shí)為摘機(jī)。

振鈴檢測(cè)電路，用于檢測(cè)電話線送來(lái)的振鈴信號(hào)，當(dāng)信道內(nèi)沒(méi)有振鈴信號(hào)時(shí)，73M2901的RING端為無(wú)效的高電平，當(dāng)振鈴信號(hào)來(lái)到時(shí)，RING變?yōu)橛行У牡碗娖?，完成振鈴檢測(cè)。

音頻信號(hào)通道，模擬信號(hào)發(fā)送端是73M2901/5V芯片的TXAN和TRAP引腳，提供差分信號(hào)輸出，73M2901/5V還提供一個(gè)輸入引腳RXA，RXA端是非平衡的模擬輸入端口，接收的音頻信號(hào)為單端對(duì)地的模擬信號(hào)。

模擬接口電路主要功能如下：

調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部不平衡電路與平衡型通信信道之間的轉(zhuǎn)換；

調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部四線電路與二線通信信道之間的轉(zhuǎn)換；

識(shí)別通信信道傳來(lái)的交流振鈴信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成TTL直流電平；

撥號(hào)時(shí)能發(fā)出符合規(guī)定的脈沖串或雙音多頻信號(hào)。

1.3 UART1 串口傳輸

本系統(tǒng)直接將73M2901連接到LPC2132的UART1串口上，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，接口結(jié)構(gòu)如圖2所示，UART1的引腳功能描述如表2所示。

假設(shè)LPC2132對(duì)儀器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)之后，要通過(guò)73M2901向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送，LPC2132和73M2901作為主叫端，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)Modem作為被叫端，則數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程為：

1、系統(tǒng)初始化，使數(shù)據(jù)終端就緒信號(hào)DTR有效，然后LPC2132向73M2901發(fā)出撥號(hào)指令。73M2901收到撥號(hào)指令后向被叫端Modem發(fā)出撥號(hào)音，使被叫端Modem振鈴，振鈴次數(shù)達(dá)到軟件設(shè)置的次數(shù)時(shí)，Modem將自動(dòng)應(yīng)答，進(jìn)入摘機(jī)狀態(tài)。

2、被叫端摘機(jī)后一邊向主叫端發(fā)送應(yīng)答載波，一邊向本端計(jì)算機(jī)發(fā)出DSR信號(hào)，然后被叫端計(jì)算機(jī)便開(kāi)始監(jiān)視DCD信號(hào)，等待對(duì)方載波信號(hào)的到來(lái)，主叫端73M2901檢測(cè)到應(yīng)答載波以后向LPC2132發(fā)出DCD信號(hào)，標(biāo)志著呼叫成功。

3、呼叫成功后，主叫端73M2901向LPC2132發(fā)出DSR信號(hào)，LPC2132收到該信號(hào)后，得知線路連接已完全建立，即向73M2901發(fā)出RTS信號(hào)，73M2901將向被叫端發(fā)出載波并回送CTS信號(hào)，當(dāng)主叫端LPC2132收到CTS信號(hào)以后，表示握手成功。

4、被叫端Modem檢測(cè)到主叫端發(fā)來(lái)的載波信號(hào)后就發(fā)出DCD信號(hào)，通知被叫端計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)鏈路已經(jīng)建立。

5、數(shù)據(jù)鏈路建立以后，LPC2132便可以向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)。

6、LPC2132在數(shù)據(jù)傳送完畢后向73M2901發(fā)出掛機(jī)命令，并發(fā)出無(wú)效的RTS信號(hào)，73M2901立即停發(fā)載波，并回送無(wú)效的CTS信號(hào)，被叫端Modem因收不到主叫端發(fā)來(lái)的載波信號(hào)而使DCD信號(hào)無(wú)效，計(jì)算機(jī)即向Modem發(fā)出掛機(jī)指令，Modem掛機(jī)后DSR信號(hào)無(wú)效，應(yīng)答載波停發(fā)。主叫端73M2901因不發(fā)載波又收不到載波而使DCD、DSR信號(hào)無(wú)效，至此，數(shù)據(jù)鏈路拆除，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，等待LPC2132再次要求建立連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 通信模塊

本系統(tǒng)軟件基于μC/OS-II[4-5]平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，采用ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境調(diào)試，整個(gè)軟件系統(tǒng)分為2個(gè)任務(wù)，包括4個(gè)模塊，數(shù)據(jù)隊(duì)列模塊、UART0的串口接收模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K和UART1的Modem通信模塊，系統(tǒng)主程序流程如圖3所示，系統(tǒng)的各個(gè)任務(wù)由μC/OS-II核統(tǒng)一協(xié)調(diào)分配CPU資源。

在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，為了平衡通信電纜數(shù)據(jù)采集儀，LPC2132和73M2901三者間的傳輸速率，本程序使用數(shù)據(jù)隊(duì)列作為數(shù)據(jù)緩存，數(shù)據(jù)隊(duì)列采用先入先出（FIFO）的方式，其空間大小在項(xiàng)目中的config.h文件中定義。數(shù)據(jù)空間的地址唯一，且只對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列，數(shù)據(jù)隊(duì)列子程序（queue.c）定義了6個(gè)函數(shù)，分別為：QueueCreate，建立數(shù)據(jù)隊(duì)列；QueueRead，獲取隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，Queuewritn，F(xiàn)IFO方式發(fā)送數(shù)據(jù)，QueueFlush，清空隊(duì)列；QueueNData，獲取隊(duì)列中數(shù)據(jù)數(shù)目；QueueSize，獲取隊(duì)列空間容量。

由于LPC2132是通過(guò)73M2901向遠(yuǎn)程設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的，因此只需要編寫Modem發(fā)送子程序，Modem通信子程序包括8個(gè)函數(shù)，分別為：UART1Init，初始化UART1；UART1_Exception，UART1中斷服務(wù)程序；GeTModemState，獲取Modem的狀態(tài)；ModemInit，初始化Modem，ModemWrite，通過(guò)Modem發(fā)送多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，ModemCommand，發(fā)送Modem命令，ModemDia1Up，通過(guò)Modem撥號(hào)；ModemDia1Down，掛斷Modem。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要對(duì)UART1進(jìn)行向量中斷初始化，即在工程的target.c文件中編寫初始化程序。

LPC2132通過(guò)UART1發(fā)送AT指令控制Modem的工作狀態(tài)，然后向Modem發(fā)送數(shù)據(jù)。UART1的具體工作方式為：發(fā)送信號(hào)量初始值設(shè)為發(fā)送緩沖的大小，并且關(guān)閉發(fā)送中斷。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，用戶任務(wù)在信號(hào)量上等待，如果發(fā)送緩沖未滿，則用戶任務(wù)向發(fā)送緩沖中寫入數(shù)據(jù)，如果寫入的是發(fā)送緩沖中的第一個(gè)字節(jié)，則允許發(fā)送中斷，然而從發(fā)送緩沖中取出最早寫入的字節(jié)輸出至UART1，這個(gè)操作又觸發(fā)了下一次的發(fā)送中斷，如此循環(huán)直到發(fā)送緩沖中最后一個(gè)字節(jié)被取走，重新關(guān)閉發(fā)送中斷，在向UART1輸出的同時(shí)，給信號(hào)量發(fā)信號(hào)，發(fā)送任務(wù)據(jù)此信號(hào)量計(jì)數(shù)值來(lái)了解發(fā)送緩沖中是否有空間，數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖4所示。

2.2 CRC校驗(yàn)?zāi)K[6]

信號(hào)在物理信號(hào)中傳輸時(shí)，線路本身電器特性造成的隨機(jī)噪聲、信號(hào)幅度的衰減、頻率和相位的畸變、相鄰線路的串?dāng)_以及各種外界因素（開(kāi)關(guān)的跳線、外界強(qiáng)電流磁場(chǎng)的變化和電源的波動(dòng)等）都會(huì)造成信號(hào)的失真。在數(shù)據(jù)通信中，將會(huì)使接收端收到的二進(jìn)制數(shù)位和發(fā)送端實(shí)際發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)位不一致，從而造成由"0"變成"1"或由"1"變成"0"的差錯(cuò)。為了把差錯(cuò)限制在盡可能小的范圍內(nèi)，在數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送中，廣泛采用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC），其編碼簡(jiǎn)單，誤判率很低，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，占用系統(tǒng)資源少，用軟硬件方式均能實(shí)現(xiàn)給信息碼加上幾位校驗(yàn)碼的方式來(lái)增大整個(gè)編碼系統(tǒng)的碼距，增強(qiáng)差錯(cuò)糾錯(cuò)能力。

2.3 μC/OS-II在LPC2132上的移植

所謂"移植"，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在其他的微處理器或微控制器上運(yùn)行，要使同一個(gè)內(nèi)核能適用于不同的硬件體系，就要在內(nèi)核和硬件之間有一個(gè)中間層，即與處理器相關(guān)的移植代碼，這部分代碼因處理器而異，大部分μC/OS-II的代碼是用C語(yǔ)言編寫的，因此μC/OS-II的可移植性強(qiáng)，然而，仍需要用匯編語(yǔ)言編寫一些與處理器硬件相關(guān)的代碼，這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)μC/OS-II讀/寫處理器寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，在μC/OS-II中，這部分代碼分成3個(gè)文件，OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C。因此，把μC/OS-II移植到LPC2132中時(shí)需要對(duì)上述3個(gè)文件進(jìn)行部分修改。

結(jié)語(yǔ)

LPC2132硬件資源豐富，使得該系統(tǒng)具有體積小，重量輕、成本低等特點(diǎn)，采用了CRC校驗(yàn)，從而提高了通信的差錯(cuò)糾錯(cuò)能力，此外，基于μC/OS-II平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟件功能，使得該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便，升級(jí)簡(jiǎn)單。