基于Windows CE的遙控遙測(cè)警報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的選擇論證

　　目前，一般警報(bào)發(fā)放系統(tǒng)是基于PC機(jī)/單片機(jī)技術(shù)的半雙工的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)天線專用遙控網(wǎng)。系統(tǒng)中控制中心由PC/工控機(jī)擔(dān)任，各執(zhí)行終端以單片機(jī)為核心的控制器來(lái)執(zhí)行控制功能。從使用管理和建設(shè)角度看，有如下不足：基于PC機(jī)/工控機(jī)技術(shù)的控制中心單位體積大，設(shè)備成本較高，且由于承擔(dān)的任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單，故使用效率不高，而基于單片機(jī)技術(shù)的控制執(zhí)行終端能較好地完成解碼控制功能，但不能滿足警報(bào)發(fā)放技術(shù)的信息交互化改進(jìn)和運(yùn)行管理的需求，例如由單片機(jī)完成高質(zhì)量，高效率的音頻編解碼，錄入和還原來(lái)實(shí)現(xiàn)信息交互化功能是一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的目的是鑒于以上需求，采用硬軟件資源豐富且可裁減的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大且具備一般單片機(jī)控制功能的嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)一種體積小，成本低，功能強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短的嵌入式中心控制器和終端控制器，以對(duì)原有警報(bào)發(fā)放系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

　　系統(tǒng)整體介紹

　　改進(jìn)的系統(tǒng)由一個(gè)控制中心和多個(gè)終端構(gòu)成?？刂浦行暮徒K端之間使用無(wú)線數(shù)傳模塊來(lái)構(gòu)成無(wú)線數(shù)據(jù)通路。每個(gè)終端配置唯一的地址，當(dāng)發(fā)放警報(bào)時(shí)，控制中心既可以以群發(fā)的方式發(fā)放警報(bào)內(nèi)容，又可以通過(guò)指定終端地址，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式向某一指定的終端主機(jī)發(fā)放指定的警報(bào)內(nèi)容。

　　終端控制器的音頻輸出端口和功放相連。當(dāng)終端接收到屬于本機(jī)的警報(bào)指令后，根據(jù)不同的警報(bào)內(nèi)容，調(diào)用不同的音頻文件，最后由音頻輸出單元和功放發(fā)放。

　　為保證控制器的可靠性，需要定時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)主控中心以串行點(diǎn)名的方式對(duì)每個(gè)終端進(jìn)行查詢。檢測(cè)的內(nèi)容包括中心和終端的無(wú)線數(shù)據(jù)通路和音頻發(fā)放設(shè)備的工作情況。為了能正確了解終端設(shè)備的工作情況，在終端音頻輸入接口配備麥克風(fēng)，用于采集發(fā)放的警報(bào)聲音，采集的聲音壓縮文件再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)返回給主控中心，再在主控中心進(jìn)行處理，分析終端的整套設(shè)備工作正常與否。

　　一般來(lái)說(shuō)嵌入式控制器是針對(duì)某一特定功能來(lái)設(shè)計(jì)的，它可被認(rèn)為是一種具有特定功能的專用計(jì)算機(jī)。在本系統(tǒng)中，控制中心和終端控制器需要實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù)都是數(shù)據(jù)傳輸和音頻的處理，所以在硬件資源選擇上，中心和終端可以使用同一套硬件設(shè)備。在系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)，只需在中心控制器和終端控制器上安裝不同的應(yīng)用軟件即可完成系統(tǒng)要求。所以在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，一旦實(shí)現(xiàn)了控制中心的功能，也就是基本上完成了終端的設(shè)計(jì)任務(wù)。

　　系統(tǒng)硬件軟件資源的選擇

　　系統(tǒng)選擇

　　為了能方便的實(shí)現(xiàn)音頻的處理功能，加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，選擇Windows CE作為控制器的操作系統(tǒng)。雖然Windows CE是一個(gè)軟實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，但是完全可以滿足本系統(tǒng)隊(duì)實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)Windows CE具有出色的圖形用戶界面，強(qiáng)大的多媒體功能，良好的通信能力。界面友好的嵌入式平臺(tái)工具Platform Builder為Windows CE的制定提供了方便。具有和Visual C++基本相同特性的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具Embedded Visual C++又為熟悉Windows編程的開(kāi)發(fā)人員提供了捷徑。所以使用具有功能完備的API函數(shù)庫(kù)的Windows CE操作系統(tǒng)，能使系統(tǒng)顯示出很大的優(yōu)越性。

　　硬件結(jié)構(gòu)

　　目前已有多款CPU內(nèi)核支持WinCE操作系統(tǒng)，例如ARM、x86、MIPS、PowerPC、SH等。目前市場(chǎng)上采用MIPS和ARM架構(gòu)的CPU占據(jù)了主導(dǎo)地位。本系統(tǒng)控制中心的CPU選擇Intel @XScale PXA255微控制處理器它遵從ARM 5V.TE體系構(gòu)架，運(yùn)行速度高達(dá)400MHz，Intel超流水線技術(shù)和獨(dú)特的動(dòng)態(tài)功率管理技術(shù)，使它兼有高性能與低功耗的特點(diǎn)。為了達(dá)到嵌入Win CE操作系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)配置64M SDRAM和32M Flash。系統(tǒng)還配置LCD顯示系統(tǒng)和觸摸屏。音頻控制器采用TI公司的TSC2301 Audio Codec芯片，該芯片支持AC’97標(biāo)準(zhǔn)20位立體聲編/解碼、支持可編程采樣率、輸入輸出增益和數(shù)字音響處理功能，同時(shí)集成觸摸屏控制功能。它也是本系統(tǒng)硬件的重要組成部分?；诖谕ㄐ诺臒o(wú)線數(shù)傳模塊在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)很成熟，在市場(chǎng)上也有多種可供選擇的產(chǎn)品。本文對(duì)此不作詳細(xì)介紹。以下是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

　　Windows CE操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序

　　系統(tǒng)的制定

　　每一個(gè)Windows CE操作系統(tǒng)都是基于固定的硬件平臺(tái)來(lái)運(yùn)行的。一個(gè)完整的Windows CE操作系統(tǒng)的基本內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

　　1. Bootloader，用于加載Windows CE操作系統(tǒng)的程序；

　　2. CPU初始代碼，基于特定的CPU系列；

　　3. 驅(qū)動(dòng)程序，包括鍵盤、鼠標(biāo)、聲卡、COM等等，不同的硬件設(shè)備可能有不同的設(shè)置，驅(qū)動(dòng)程序分別由Windows CE和硬件廠商提供；

　　4. 用戶界面接口；

　　5. 完成特定功能的應(yīng)用程序。

　　WinCE的制定是在Platform Builder下完成的，在此過(guò)程中需要選擇特定的開(kāi)發(fā)板支持包BSP和相應(yīng)的應(yīng)用程序和服務(wù)組件，在選擇過(guò)程中為了節(jié)約硬件資源，使內(nèi)核在能到達(dá)要求的前提下盡可能的小，需要盡量精簡(jiǎn)應(yīng)用程序和組件。

　　自己編寫應(yīng)用程序后，為了使應(yīng)用程序也能成為鏡像系統(tǒng)的一部分，可以在Platform Builder下創(chuàng)建自己的CEC文件，使其成為新的特性并添加到需制定的系統(tǒng)特性目錄中去。

　　制定完成的系統(tǒng)經(jīng)過(guò)編譯后即可生成系統(tǒng)內(nèi)核鏡像，同時(shí)還能生成一個(gè)Eboot文件。首先通過(guò)JTAG下載Eboot文件，再通過(guò)以太網(wǎng)下載系統(tǒng)鏡像文件，在這基礎(chǔ)上便可以完成對(duì)系統(tǒng)同的調(diào)試和固化。

　　應(yīng)用程序

　　應(yīng)程序主要是繪制人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)串口通信功能，并具有聲音的采集、編碼和播放功能。

　　應(yīng)用程序是在Embedded Visual C++的環(huán)境下編輯的。Win CE同桌面Windows系統(tǒng)一樣也是一個(gè)圖形界面的操作系統(tǒng)他可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)出豐富的圖形界面，Win CE提供了功能強(qiáng)大的圖形設(shè)備接口（GDI)，利用GDI函數(shù)可以方便地繪制出點(diǎn)、線、矩形、多邊形、橢圓、位圖、以及文本等，同時(shí)和Visual C++一樣embedded Visual C++也提供了許多常用的控件，所以繪制人機(jī)交互界面的工作相對(duì)簡(jiǎn)單。

　　Windows CE的串行口通信程序

　　在Visual C++中實(shí)現(xiàn)串口通信可以簡(jiǎn)單地使用MSCOMM控件，但是在Embedded Visual C++中沒(méi)有此控件，所以串口的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。但是Win CE提供了豐富的API函數(shù)庫(kù)，在EVC的編輯環(huán)境中可以使用API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)控制器和無(wú)線數(shù)傳模塊的通信。具體過(guò)程是首先對(duì)串口進(jìn)行初始化，其中包括使用CreateFile函數(shù)打開(kāi)存在且沒(méi)有被占用的串口資源，設(shè)置設(shè)備的屬性例如波特率，數(shù)據(jù)位數(shù)，校驗(yàn)方式等。然后設(shè)置串口的讀寫時(shí)間，指定端口監(jiān)測(cè)的事件集。在串口的讀寫過(guò)程中，因?yàn)閷懯强梢钥刂频?，而讀的時(shí)候無(wú)法確定數(shù)據(jù)什么時(shí)候能收到，所以可以在程序的主線程中寫數(shù)據(jù)，同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)輔助線程專門用來(lái)讀數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，使用WriteFile函數(shù)向已打開(kāi)的串口寫需要發(fā)送數(shù)據(jù)。而在輔助線程中，用WaitCommEvent來(lái)檢測(cè)線路狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到收到一個(gè)字符的事件發(fā)生時(shí)調(diào)用ReadFile函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行讀操作。讀取數(shù)據(jù)后，為了觸發(fā)事件響應(yīng)以完成數(shù)據(jù)處理，可以在輔助線程中使用PostMessageBox函數(shù)向應(yīng)用程序主窗體類郵遞一個(gè)自定義消息，這樣就可以在主線程中完成消息響應(yīng)過(guò)程。

　　值得注意的是Win CE操作系統(tǒng)是一種UNICODE環(huán)境它只支持UNICODE的應(yīng)用程序和控件，這也是為什么同樣是32位機(jī)，具有基本類似的API函數(shù)，很多在Windows下能運(yùn)行的控件或類在WINCE環(huán)境中無(wú)法正常工作的原因。所以在進(jìn)行串口數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候需要把數(shù)據(jù)由UNICODE字符串轉(zhuǎn)換為ANSI字符串，可以使用API函數(shù)，WideCharToMulitByte進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　另外WINCE操作系統(tǒng)中不支持重疊I/O模式，所以在打開(kāi)串口的時(shí)候需要選擇以非重疊I/O方式打開(kāi)，但是在同步方式下如果有一個(gè)通訊API在操作，另一個(gè)會(huì)被阻塞，直到上一個(gè)操作完成，所以當(dāng)讀數(shù)據(jù)的線程停留在WaitCommEvent的時(shí)候，WritFile就無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。為了解決此問(wèn)題需要在調(diào)用WritFile函數(shù)之前使用TerminateThread函數(shù)先終止寫線程，在發(fā)送完數(shù)據(jù)后再次創(chuàng)建同樣的寫線程用來(lái)等待數(shù)據(jù)接收事件。因?yàn)闊o(wú)線數(shù)傳模塊就是被設(shè)計(jì)成使用半雙工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模允褂梅侵丿B方式是合理的。

　　系統(tǒng)進(jìn)行警報(bào)發(fā)放時(shí)，由控制中心向終端發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包被定義為如下格式：

　　終端接收到數(shù)據(jù)頭后，判斷設(shè)備地址是否為本機(jī)地址，如果是則讀取命令，根據(jù)命令字，發(fā)送不同的警報(bào)，如果地址不是本機(jī)地址則丟棄數(shù)據(jù)包。

　　Windows CE中聲音播放程序的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)的在檢測(cè)時(shí)需要系統(tǒng)在終端進(jìn)行聲音播放和錄入，再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把錄入的聲音文件傳送到控制中心。在應(yīng)用程序中，聲音的錄入和播放使用波形音頻編程接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)這個(gè)接口可以對(duì)音頻以脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation，PCM)的方式進(jìn)行壓縮編碼，并能使應(yīng)用程序精確地控制波形音頻的輸入輸出設(shè)備。

　　聲音的錄制過(guò)程如下：

　　1. 使用waveInOpen函數(shù)打開(kāi)一個(gè)音頻輸入設(shè)備；

　　2. 使用WAVEHDR結(jié)構(gòu)體分配錄制聲音時(shí)所需的內(nèi)存，然后調(diào)用waveInPrepareHeader函數(shù)準(zhǔn)備一個(gè)音頻輸入的數(shù)據(jù)頭；

　　3. 調(diào)用waveInAddBuff函數(shù)為音頻輸入設(shè)備準(zhǔn)備一個(gè)緩存數(shù)據(jù)塊；

　　4. 使用waveInStart函數(shù)開(kāi)始錄制音頻；

　　5. 錄音結(jié)束時(shí)使用waveIn UnprepareHeader函數(shù)釋放音頻輸入緩存區(qū)，并調(diào)用waveInClose函數(shù)關(guān)閉音頻設(shè)備。

　　音頻的播放過(guò)程如下：

　　1. 使用waveOutOpen函數(shù)打開(kāi)一個(gè)音頻輸出設(shè)備；

　　2. 使用WAVEHDR結(jié)構(gòu)體分配錄制聲音時(shí)所需的內(nèi)存，然后調(diào)用waveOutPrepareHeader函數(shù)準(zhǔn)備一個(gè)音頻輸出的數(shù)據(jù)頭；

　　3. 使用waveOutWrite函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)塊到音頻輸出設(shè)備；

　　4. 錄音結(jié)束時(shí)使用waveIn UnprepareHeader函數(shù)釋放音頻輸入緩存區(qū)，并調(diào)用waveInClose函數(shù)關(guān)閉音頻設(shè)備。

　　相對(duì)來(lái)說(shuō)音頻地錄入比輸出更為復(fù)雜一些。將模擬的（連續(xù)的)聲音波形數(shù)字元化（離散化)的過(guò)程，主要包括采樣和量化兩個(gè)方面。數(shù)字音頻的質(zhì)量也主要取決于：采樣頻率和量化位數(shù)這兩個(gè)重要參數(shù)。此外，聲道的數(shù)目、相應(yīng)的音頻設(shè)備也是影響音頻質(zhì)量的原因。在PCM語(yǔ)音壓縮編碼中：

　　數(shù)據(jù)量=(采樣頻率×量化位數(shù))/8(字節(jié)數(shù)) ×聲道數(shù)目

　　應(yīng)用程序錄制的Wave文件中也同樣有幾個(gè)重要的參數(shù)來(lái)定義聲音數(shù)據(jù)格式，它們是：采樣方式、采樣位數(shù)、采樣頻率和聲道數(shù)。一般采樣頻率有8kHz、11kHz、22kHz和44kHz，采樣頻率越高，聲音的保真性就越好，但同時(shí)也就使音頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量增大了。在本設(shè)計(jì)中采集聲音只是為了檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，所以對(duì)聲音的質(zhì)量要求不是很高，同時(shí)為了減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，提高檢測(cè)速度，設(shè)定數(shù)據(jù)格式為8kHz采樣頻率、8位量化、單聲道。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采樣得到音質(zhì)有所下降，但是可以十分清晰地分辨警報(bào)類型的。假設(shè)我們測(cè)試設(shè)備的時(shí)間為三秒鐘，那么數(shù)據(jù)量為8000×8÷8×1×3=24KB，在串行口波特率為76800bps時(shí)，加上數(shù)據(jù)包的包頭、包長(zhǎng)，大約在3~4秒的時(shí)間能完成一個(gè)終端設(shè)備的檢測(cè)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)完成了對(duì)遙控遙測(cè)警報(bào)系統(tǒng)中心控制器的硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并在嵌入式硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了控制中心和終端的應(yīng)用程序。新的系統(tǒng)更好的滿足了用戶的，同時(shí)控制器體積變小了，可靠性增加了。不過(guò)，由于系統(tǒng)中無(wú)線通信模塊無(wú)法達(dá)到太高的波特率，導(dǎo)致系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間比較長(zhǎng)，在這一點(diǎn)有待進(jìn)一步改進(jìn)。
　　
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