基于73M2901的遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

引言

遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，尤其是在一些特殊的應(yīng)用場合，監(jiān)測或者控制對象由于距離較遠或者現(xiàn)場比較危險，只能把采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場的地方進行分析處理，因此需要一種可以進行遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧较到y(tǒng)，以便能夠?qū)崿F(xiàn)在遠處對工作系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和故障排除，避免惡劣的環(huán)境對身體造成損害，本系統(tǒng)是通信電纜健康狀況檢測系統(tǒng)的一部分，將通信電纜的工作狀況遠程傳輸，從先實現(xiàn)異地監(jiān)測，本文提出了一種體積小、重量輕、成本低、實施方便，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系統(tǒng)的設(shè)計進行了詳細說明，并給出具體實現(xiàn)方法。

1 硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

如圖1所示，遠程數(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UART0接收通信電纜數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)，進行CRC校驗后通過UART1發(fā)給Modem，LPC2132是Philips公司基于32/16位ARM7TDMI-S內(nèi)核[1]開發(fā)的微控制器，由于LPC2132內(nèi)嵌64KB的高速Flash存儲器和16KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，具有2個符合16C550工業(yè)標準的串行接口，且其中一個包含標準的調(diào)制解調(diào)器接口信號，因此非常適合用來控制Modem芯片進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，73M2901是TDK公司推出的低功耗、低速、單片機調(diào)制解調(diào)器[2]，具有很高的集成度，與LPC2132一起可以構(gòu)成一個輕便小巧的嵌入式遠程終端。

1.2 73M2901芯片簡介

73M2901內(nèi)置標準的8032微處理器和1個協(xié)處理器，因此在處理復(fù)雜信號的同時還可以實現(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)模集成電路來實現(xiàn)的，包括調(diào)制解調(diào)過程，擾碼解擾碼過程，信道分割、線路均衡和指示工作狀態(tài)等。

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

撥號脈沖電路，摘掛機信號由73M2901/5V的RELAY引腳給出，完成摘掛機動作，當RELAY發(fā)出高電平時為掛機，發(fā)出低電平時為摘機。

振鈴檢測電路，用于檢測電話線送來的振鈴信號，當信道內(nèi)沒有振鈴信號時，73M2901的RING端為無效的高電平，當振鈴信號來到時，RING變?yōu)橛行У牡碗娖?，完成振鈴檢測。

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

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；

識別通信信道傳來的交流振鈴信號，并將其轉(zhuǎn)換成TTL直流電平；

撥號時能發(fā)出符合規(guī)定的脈沖串或雙音多頻信號。

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對儀器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行校驗之后，要通過73M2901向遠程計算機發(fā)送，LPC2132和73M2901作為主叫端，遠程計算機和標準Modem作為被叫端，則數(shù)據(jù)發(fā)送過程為：

1、系統(tǒng)初始化，使數(shù)據(jù)終端就緒信號DTR有效，然后LPC2132向73M2901發(fā)出撥號指令。73M2901收到撥號指令后向被叫端Modem發(fā)出撥號音，使被叫端Modem振鈴，振鈴次數(shù)達到軟件設(shè)置的次數(shù)時，Modem將自動應(yīng)答，進入摘機狀態(tài)。

2、被叫端摘機后一邊向主叫端發(fā)送應(yīng)答載波，一邊向本端計算機發(fā)出DSR信號，然后被叫端計算機便開始監(jiān)視DCD信號，等待對方載波信號的到來，主叫端73M2901檢測到應(yīng)答載波以后向LPC2132發(fā)出DCD信號，標志著呼叫成功。

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

4、被叫端Modem檢測到主叫端發(fā)來的載波信號后就發(fā)出DCD信號，通知被叫端計算機數(shù)據(jù)鏈路已經(jīng)建立。

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

6、LPC2132在數(shù)據(jù)傳送完畢后向73M2901發(fā)出掛機命令，并發(fā)出無效的RTS信號，73M2901立即停發(fā)載波，并回送無效的CTS信號，被叫端Modem因收不到主叫端發(fā)來的載波信號而使DCD信號無效，計算機即向Modem發(fā)出掛機指令，Modem掛機后DSR信號無效，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信號無效，至此，數(shù)據(jù)鏈路拆除，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，等待LPC2132再次要求建立連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 通信模塊

本系統(tǒng)軟件基于μC/OS-II[4-5]平臺實現(xiàn)，采用ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境調(diào)試，整個軟件系統(tǒng)分為2個任務(wù)，包括4個模塊，數(shù)據(jù)隊列模塊、UART0的串口接收模塊、CRC校驗?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，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)隊列作為數(shù)據(jù)緩存，數(shù)據(jù)隊列采用先入先出（FIFO）的方式，其空間大小在項目中的config.h文件中定義。數(shù)據(jù)空間的地址唯一，且只對應(yīng)一個數(shù)據(jù)隊列，數(shù)據(jù)隊列子程序（queue.c）定義了6個函數(shù)，分別為：QueueCreate，建立數(shù)據(jù)隊列；QueueRead，獲取隊列中的數(shù)據(jù)，Queuewritn，F(xiàn)IFO方式發(fā)送數(shù)據(jù)，QueueFlush，清空隊列；QueueNData，獲取隊列中數(shù)據(jù)數(shù)目；QueueSize，獲取隊列空間容量。

由于LPC2132是通過73M2901向遠程設(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Modem發(fā)送多個字節(jié)數(shù)據(jù)，ModemCommand，發(fā)送Modem命令，ModemDia1Up，通過Modem撥號；ModemDia1Down，掛斷Modem。系統(tǒng)啟動時需要對UART1進行向量中斷初始化，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，用戶任務(wù)在信號量上等待，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)送緩沖中最后一個字節(jié)被取走，重新關(guān)閉發(fā)送中斷，在向UART1輸出的同時，給信號量發(fā)信號，發(fā)送任務(wù)據(jù)此信號量計數(shù)值來了解發(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?zāi)K[6]

信號在物理信號中傳輸時，線路本身電器特性造成的隨機噪聲、信號幅度的衰減、頻率和相位的畸變、相鄰線路的串擾以及各種外界因素（開關(guān)的跳線、外界強電流磁場的變化和電源的波動等）都會造成信號的失真。在數(shù)據(jù)通信中，將會使接收端收到的二進制數(shù)位和發(fā)送端實際發(fā)送的二進制數(shù)位不一致，從而造成由"0"變成"1"或由"1"變成"0"的差錯。為了把差錯限制在盡可能小的范圍內(nèi)，在數(shù)據(jù)的遠程傳送中，廣泛采用循環(huán)冗余校驗碼（CRC），其編碼簡單，誤判率很低，檢錯能力強，占用系統(tǒng)資源少，用軟硬件方式均能實現(xiàn)給信息碼加上幾位校驗碼的方式來增大整個編碼系統(tǒng)的碼距，增強差錯糾錯能力。

2.3 μC/OS-II在LPC2132上的移植

所謂"移植"，就是使一個實時內(nèi)核能在其他的微處理器或微控制器上運行，要使同一個內(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語言編寫的，因此μC/OS-II的可移植性強，然而，仍需要用匯編語言編寫一些與處理器硬件相關(guān)的代碼，這是因為實現(xiàn)μC/OS-II讀/寫處理器寄存器時只能通過匯編語言來實現(xiàn)，在μC/OS-II中，這部分代碼分成3個文件，OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C。因此，把μC/OS-II移植到LPC2132中時需要對上述3個文件進行部分修改。

結(jié)語

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，采用了CRC校驗，從而提高了通信的差錯糾錯能力，此外，基于μC/OS-II平臺實現(xiàn)軟件功能，使得該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，維護方便，升級簡單。