ARM設計的高速數(shù)據(jù)采集遠程監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)

摘要：簡要介紹了TCP／IP協(xié)議，給出了基于ARM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器監(jiān)控模式。

隨著信息化的不斷發(fā)展，在工業(yè)自動化、電力設備、通信管理、智能終端、智能小區(qū)等領域，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)嵌入時間標志為后續(xù)數(shù)據(jù)處理做好準備，最后能將數(shù)據(jù)及時準確地存儲到移動存儲設備和服務器上。該裝置包括現(xiàn)場監(jiān)控模式和服務器監(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 應用層。網(wǎng)絡應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)絡層。網(wǎng)絡層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP／IP網(wǎng)絡上的任一主機上，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)絡報文協(xié)議)、ARP(地址解析協(xié)議)及簡單的應用層協(xié)議成功地實現(xiàn)了ARM裝置和服務端的網(wǎng)絡互聯(lián)。既提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，又保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_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)絡編程標準。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的網(wǎng)絡信息包。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。

#includesys／types．h>

#includesys／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

{． ．．}

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