EasyARM2200的局域網(wǎng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器

   方便、舒適、高效、安全，以及環(huán)保節(jié)能等作為人們對自身生活和工作場所的基本要求由來已久。自上世紀90年代以來，隨著數(shù)字通信技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的智能化建筑和住宅是該領(lǐng)域的一個主要發(fā)展方向。
    現(xiàn)介紹其中一種利用ARM技術(shù)、嵌入式實時內(nèi)核和TCP協(xié)議設(shè)計的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器。

1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器的基本功能
    “一線通”系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示，3臺管理計算機互為冗余。

    系統(tǒng)是面向設(shè)備管理的，基本功能可歸結(jié)為三點，即“監(jiān)”、“控’’和“報警”?！氨O(jiān)”是指管理機查詢設(shè)備的狀態(tài)；
控，是管理者通過監(jiān)控界面操縱現(xiàn)場設(shè)備；“報警”是當(dāng)設(shè)備運行狀態(tài)超越報警限時，及時向管理機報告。管理機監(jiān)控界面采用組態(tài)王6.5通用組態(tài)軟件進行設(shè)計。
    “一線通”系統(tǒng)將監(jiān)測與報警合并。在現(xiàn)場，設(shè)備的DEC控制器和智能儀表通過485總線連接到數(shù)據(jù)采集器，在整理設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)狀態(tài)的變化，由采集器向管理機發(fā)送設(shè)備最新變化狀態(tài)。徹底避免了無謂的查詢，減輕了網(wǎng)絡(luò)的通信負荷。這就是數(shù)據(jù)采集器的由來。

    現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器的基本功能要求分為兩個方面。首先，要定期采集各DDC控制器(以下稱子站)和智能儀表中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將狀態(tài)變化信息發(fā)送到管理機。其次，也要傳遞管理機對設(shè)備的控制命令。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計實現(xiàn)
    設(shè)計采用了EasyARM2200開發(fā)板，CPU是Philips公司的32位嵌入式處理器LPC2210(ARM7TDMI-S核)。開發(fā)板基本結(jié)構(gòu)如圖2所示[1]。CPU采用11.059 2 MHz晶振，通過片內(nèi)鎖相環(huán)和外設(shè)分頻器，分別獲得44 MHz系統(tǒng)時鐘和11 MHz外設(shè)時鐘頻率。串行通信波特率為19 200 bps。
    采集器用C語言編制實現(xiàn)。設(shè)計大致分四步進行。

(1) 協(xié)議設(shè)計
    在“一線通”系統(tǒng)中，設(shè)備以采集器號、子站號和設(shè)備號惟一確定。管理機用采集器號區(qū)別局域網(wǎng)上的采集器。采集器用子站號標(biāo)識總線上的DDC控制器。同一子站下可能有不止一個設(shè)備，相互以設(shè)備號區(qū)分。
    所有的狀態(tài)和控制數(shù)據(jù)都以設(shè)備為單位進行組織。通過工程項目的配置文件，系統(tǒng)中確定的設(shè)備與具體設(shè)備類型聯(lián)系起來。采集器中設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊格式定義為

   

    設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)格式由設(shè)備類型數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)定。
    采集器與子站的串行通信數(shù)據(jù)幀基本格式為

STX

協(xié)議數(shù)據(jù)

ETX

校驗和

    所有協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸字節(jié)加ETX生成校驗和。由16個ASCII字符O～9、A～B作為傳輸字節(jié)對協(xié)議數(shù)據(jù)和校驗和進行編碼，傳輸字節(jié)的最高位用作奇偶校驗位。
    通信采用主從方式，由采集器向子站寫控制數(shù)據(jù)。寫命令幀協(xié)議數(shù)據(jù)為
其中Write為寫命令字節(jié)。設(shè)備控制數(shù)據(jù)塊可任意組合到寫命令幀中。
    讀設(shè)備數(shù)據(jù)時，采集器先發(fā)讀子站命令，并等待應(yīng)答。相應(yīng)子站在收到讀命令后，還以應(yīng)答幀。讀命令幀協(xié)議數(shù)據(jù)為

其中Read為讀命令字節(jié)。子站應(yīng)答幀協(xié)議數(shù)據(jù)為

    采集器與管理機的通信應(yīng)用層用戶數(shù)據(jù)報基本格式為
設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊或控制數(shù)據(jù)塊可任意組合到用戶數(shù)據(jù)域中。標(biāo)志字符指明用戶數(shù)據(jù)的類型。例如，是采集器向管理機發(fā)送的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊組合，還是管理機向采集器發(fā)送的設(shè)備控制數(shù)據(jù)塊組合。
(2)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    采集器中，為設(shè)備控制數(shù)據(jù)塊設(shè)置從網(wǎng)口到串口的隊列。設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊須定期地從各子站中讀取并刷新存儲，變化的狀態(tài)須向管理機發(fā)送。為此，設(shè)置子站項和設(shè)備記錄塊兩種基本結(jié)構(gòu)，構(gòu)成三種鏈表，如圖3所示。

    子站項的基本域是子站號。各子站項通過指針NextDDC相互連接，構(gòu)成一個循環(huán)鏈表，管理對子站的采集過程。指針CurrDDC指向當(dāng)前正被訪問的子站項。采集器根據(jù)CurrDDC沿循環(huán)鏈表的依次移動，確定下一個訪問的子站站號。
    在子站項數(shù)據(jù)域中設(shè)置了一個故障計數(shù)器。當(dāng)某子站對采集器讀命令連續(xù)多次無正常應(yīng)答時，采集器判定其故障，將暫停對其讀取，并啟動計數(shù)器。計時結(jié)束后再嘗試重新訪問該子站。如果成功，便恢復(fù)正常；否則，停止讀取而重新計時。這樣將大大減少對故障子站的超時等待時間，實現(xiàn)了故障屏蔽和自動恢復(fù)的連接重試功能。
    設(shè)備記錄塊的基本域是設(shè)備號。在其記錄數(shù)據(jù)域中存放著一個完整的最新設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊，由記錄長度域指明長度。
    每個子站下連接著數(shù)目不等的若干個設(shè)備，每個設(shè)備對應(yīng)一個設(shè)備記錄塊。同一子站下的設(shè)備記錄塊通過指針域RBPtr連成一個單鏈表。采集器能根據(jù)子站下設(shè)備的增加自動添加設(shè)備記錄塊。
    狀態(tài)發(fā)生變化的設(shè)備記錄塊由指針域RBInList連接成發(fā)送鏈表。以太網(wǎng)發(fā)送程序?qū)⒔o設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊加上采集器號，組合到用戶數(shù)據(jù)報中。這樣的方式能保證發(fā)送設(shè)備最新的狀態(tài)數(shù)據(jù)。
(3)任務(wù)設(shè)計
    μC/OS-II(v2.52)被移植到LPC2210上，是獨立于采集器程序外的一段代碼。作為可剝奪型內(nèi)核，它能保證實時性的需要，使時間要求苛刻的事件得到快捷的處理[1]。
    采集器程序由一組任務(wù)構(gòu)成，如表1所列。

    Task_UartProcess()是采集器的核心任務(wù)。它依次循環(huán)地完成：
    ◆發(fā)送寫命令幀(如果有控制數(shù)據(jù)塊)。從設(shè)備控制數(shù)據(jù)塊隊列中取出新的控制數(shù)據(jù)塊，組合到寫命令幀中。利用串行發(fā)送中斷服務(wù)發(fā)送寫命令幀。
    ◆發(fā)送讀命令幀。從子站項循環(huán)鏈表中獲得訪問子站號，生成讀命令幀。同樣，利用串行發(fā)送中斷服務(wù)發(fā)送讀命令幀。
    ◆等待子站應(yīng)答幀。當(dāng)收到UartRcvMbox中消息或超時退出時，進入應(yīng)答幀數(shù)據(jù)處理程序。數(shù)據(jù)處理程序完成對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊的刷新存儲和變化處理。
    ◆發(fā)采集信號量通知發(fā)送服務(wù)器和發(fā)送客戶端。
(4)程序設(shè)計
    LPC2210上電后需運行一段匯編代碼，完成中斷向量表的定義和重映射，外部存儲控制器的初始化，并分配系統(tǒng)堆棧空間，然后進入main()函數(shù)[2，3]。

    在main()中：
    ◆調(diào)用()SInit()函數(shù)對內(nèi)核多任務(wù)調(diào)度所用系統(tǒng)變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成初始化，并建立空閑任務(wù)[1]。
    ◆調(diào)用()SStart()函數(shù)進入內(nèi)核[1]。
    內(nèi)核中集成了TCP/IP協(xié)議[4]棧，數(shù)據(jù)報交換通過連接來進行。主要Socket API[2]函數(shù)如表2所列。
    在ADS開發(fā)環(huán)境下，函數(shù)都是可重入的[3]。
    采集器發(fā)送客戶端或發(fā)送服務(wù)器均能獨立地完成對變化的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊的發(fā)送，和對控制數(shù)據(jù)塊的接收。采集器發(fā)送客戶端程序狀態(tài)如圖4左端所示。調(diào)用connect()函數(shù)發(fā)起與管理機的連接。連接只需與三臺管理機之一建立即可。
    連接建立后，可用send()發(fā)送設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊組合幀。采集器在訪問每個子站后，都要檢查設(shè)備狀態(tài)變化情況，并及時向管理機匯報。
    當(dāng)故障發(fā)生時，send()函數(shù)將不能成功返回。若干次發(fā)送失敗后，客戶端程序?qū)⒄{(diào)用close()斷開連接，然后重新發(fā)起建立連接。
    實際上，close()并不一定能正常斷開連接，這將影響連接的重新建立。故約定，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)無變化時，采集器也將間隔一定時間發(fā)送一個空數(shù)據(jù)報。進入故障處理后，管理機因收不到定期的空數(shù)據(jù)報，亦將關(guān)閉連接而重新偵聽。

    采集器發(fā)送服務(wù)器程序狀態(tài)如圖4右端所示。事先指定偵聽的連接數(shù)，通過accept()函數(shù)查看管理機與采集器的連接情況。
    當(dāng)有管理機連接后，即可通過send()發(fā)送設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)塊幀，所有過程同客戶端中一樣。不同的只是，當(dāng)進入故障處理后，將退回到accept()重新偵聽遠程連接。 
    采集器由5個源文件和6個頭文件組成，編譯后約8 KB代碼。包括啟動代碼、實時內(nèi)核和TCP/IP協(xié)議棧后，總共40 KB，并占用125 KB數(shù)據(jù)空間。
    管理計算機可對采集器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和工作方式等進行必要的配置。
    采集器正常工作時測得的串口通信時序示意圖如圖5所示。其中，讀命令幀歷時約3.8 ms，子站應(yīng)答幀約13.2 ms.子站應(yīng)答延遲取決于子站的處理時間。

    由圖5可見，子站的訪問時間約35 ms。期間除完成子站訪問外，還包括以太網(wǎng)發(fā)送等各項任務(wù)。如果要求總線訪問周期小于1 s，則可連接25個子站。

結(jié) 語
    本文介紹的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器采用32位ARM處理器加實時內(nèi)核μC/OS-II的嵌入式實現(xiàn)方案。它將現(xiàn)場各類設(shè)備與管理計算機連接起來，使智能小區(qū)“一線通”監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和對網(wǎng)絡(luò)資源的利用更趨合理。
    通常，對電梯運行狀態(tài)的監(jiān)控實時性要求較高，延遲一般應(yīng)小于O.5 s。其他諸如安防報警等，也應(yīng)小于2 s。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器能很好地滿足實時性要求。當(dāng)十臺電梯均以4 m/s以上的高速模擬運行時，監(jiān)控界面上所有的參數(shù)都能及時得到反映，并幾乎感覺不到延遲。事實上，每個狀態(tài)的數(shù)據(jù)都能被傳遞達2次以上。
    現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器已被成功地使用于上海金色家園等多處智能化小區(qū)工程中。