智能采集設(shè)備仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了提高采集軟件開發(fā)與測(cè)試周期，在此設(shè)計(jì)了一種可模擬多型號(hào)智能采集設(shè)備的仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)采用高性能、低功耗的ARM微處理器，有豐富的通信接口模塊。只需通過(guò)在上位PC機(jī)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，這種仿真系統(tǒng)可提供與某些設(shè)備相同通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，并可同時(shí)模擬多種型號(hào)的智能采集設(shè)備。在采集軟件開發(fā)中，可替代智能設(shè)備測(cè)試采集程序。在此結(jié)合了嵌入式技術(shù)和仿真技術(shù)，開發(fā)了一種新型采集軟件測(cè)試系統(tǒng)。利用所開發(fā)的原型系統(tǒng)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的有效性。
關(guān)鍵詞：智能設(shè)備；數(shù)據(jù)采集；ARM；仿真系統(tǒng)

    隨著控制領(lǐng)域科技的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集已經(jīng)成為測(cè)控系統(tǒng)重要的組成部分。智能設(shè)備在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。數(shù)據(jù)采集程序的測(cè)試過(guò)程需要在實(shí)驗(yàn)室部署不同型號(hào)的智能儀表，延長(zhǎng)了開發(fā)周期，降低數(shù)據(jù)采集程序的測(cè)試效率。本文設(shè)計(jì)的智能設(shè)備仿真系統(tǒng)解決了測(cè)試過(guò)程中部署設(shè)備繁瑣的問題。它可以同時(shí)模擬多種智能采集設(shè)備，通過(guò)軟件仿真就可以替代真實(shí)的智能采集設(shè)備，顯著降低了項(xiàng)目開發(fā)周期，提高了測(cè)試開發(fā)效率。

1 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 仿真系統(tǒng)功能
    智能采集設(shè)備仿真系統(tǒng)的功能是用于實(shí)現(xiàn)各種型號(hào)數(shù)據(jù)采集智能儀表的模擬。不同型號(hào)的智能采集設(shè)備內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)不同，外圍硬件接口和通信協(xié)議不同，功能也不同。因?yàn)橹皇怯糜跍y(cè)試采集程序，該仿真系統(tǒng)沒有硬件采集模塊，也沒有連接傳感器采集真實(shí)的數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)都由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    圖1是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器是采集系統(tǒng)的中心。它通過(guò)不同接口與數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，控制智能設(shè)備采集數(shù)據(jù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)后臺(tái)處理中心和顯示端。

    圖2的結(jié)構(gòu)中用智能設(shè)備仿真系統(tǒng)替代了各種型號(hào)智能設(shè)備。該系統(tǒng)有多種通信接口，提供的數(shù)據(jù)格式與對(duì)應(yīng)型號(hào)的設(shè)備完全相同，通信協(xié)議也相同。在采集程序開發(fā)過(guò)程中，如果增加一種型號(hào)的智能采集儀表，只需在該系統(tǒng)中新增設(shè)備的仿真程序，測(cè)試階段不用布置真實(shí)設(shè)備，用該仿真程序測(cè)試采集程序的可靠性與穩(wěn)定性。[!--empirenews.page--]
1．2 仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
    智能采集設(shè)備仿真系統(tǒng)由3層結(jié)構(gòu)組成。體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。最底層是硬件部分，硬件核心控制器采用ARM9架構(gòu)的32位CMOS微控制器，還有內(nèi)存SDRAM、閃存FLASH以及通信接口硬件部分。中間層是系統(tǒng)層，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的資源調(diào)配，主要包含系統(tǒng)內(nèi)核、硬件驅(qū)動(dòng)程序，以及通信協(xié)議部分。最上層是運(yùn)行仿真程序和CVM虛擬機(jī)的應(yīng)用層，CVM虛擬機(jī)是運(yùn)行仿真程序運(yùn)行必不可少的部分，CVM具有完好的網(wǎng)絡(luò)功能，支持Java編寫的仿真程序。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件部分主要由5個(gè)模塊組成如圖4所示。包括：協(xié)議處理模塊、電源電路模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、串行通信接口模塊和JTAG接口模塊。

    協(xié)議處理模塊是系統(tǒng)的控制中心，任務(wù)調(diào)度、通信協(xié)議、功能協(xié)調(diào)都需要這個(gè)模塊的支持，該模塊具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。它由微控制器S3C2440AL-40，內(nèi)存SDRAM，閃存NAND FLASH，NOR FALSH以及電源穩(wěn)壓芯片構(gòu)成。
    網(wǎng)絡(luò)接口模塊采用DAVICOM公司的芯片DM9000。由于S3C24如AL-40芯片內(nèi)部并沒有以太網(wǎng)的處理模塊，所以使用DM9000作為100 MHz的網(wǎng)
絡(luò)接口芯片。該芯片是一款完全集成的快速以太網(wǎng)MAC控制器，支持32位接口訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器。此外該模塊還有一個(gè)型號(hào)為H1102NL的網(wǎng)絡(luò)濾波器芯片，起到信號(hào)過(guò)濾、隔離的作用。串口通信模塊采用應(yīng)用最廣泛的RS 232串口標(biāo)準(zhǔn)。JTAG接口模塊在系統(tǒng)軟件的移植和調(diào)試時(shí)起到重要作用，通過(guò)外部的JTAG調(diào)試電纜或仿真器與該系統(tǒng)連接。
    系統(tǒng)中的協(xié)議處理模塊使用天嵌公司的TQ2440核心板，采用6層軍工布線設(shè)計(jì)，運(yùn)行穩(wěn)定。該模塊通過(guò)192個(gè)外圍引腳引出了S3C2440AL-40控制器的大部分功能。其他硬件電路選擇了天嵌TQ2440開發(fā)板底板的部分功能，根據(jù)其底板自主設(shè)計(jì)了仿真系統(tǒng)硬件部分。
2．1 電源電路模塊
    S3C2440AL-40 CPU的內(nèi)核供電電壓是1．25 V，I／O接口是3．3 V供電，在核心板上使用經(jīng)過(guò)低噪聲、低壓差線性穩(wěn)壓源MAX8860EUA穩(wěn)壓芯片，為CPU內(nèi)核提供所需電壓1．25 V。I／O接口使用的3．3 V電壓由穩(wěn)壓芯片AS2815AR-3．3提供，仿真系統(tǒng)采用的輸入電源是5 V，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，可為系統(tǒng)提供3．3 V的電源。
2．2 網(wǎng)絡(luò)接口模塊
    現(xiàn)如今很多智能采集設(shè)備都是采用網(wǎng)絡(luò)接口作為數(shù)據(jù)傳送通道，例如溫度采集設(shè)備DA100，MX100，DA100的采集模塊DS600或DS400也都是通過(guò)網(wǎng)口串聯(lián)的。網(wǎng)絡(luò)接口是仿真設(shè)備必不可少的接口。
    DM9000芯片作為網(wǎng)絡(luò)通信的主芯片，它是100Mb／s自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片，采用的封裝是QFP-100P，支持16位數(shù)據(jù)總線寬度，具有低功耗的特性，有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理性能。

    它和微控制器的引腳連接如圖5所示，IOR，IOW分別為處理器讀寫信號(hào)；AEN為片選信號(hào)與NGCS4連接；IOWAIT引腳為處理器命令就緒信號(hào)，低電平時(shí)候說(shuō)明上一條處理器命令還沒有結(jié)束，這條指令等待；LDATA(0-15)是16位數(shù)據(jù)總線、NRESET是復(fù)位信號(hào)；CMD是訪問類型信號(hào)，低電平訪問地址端口，高電平訪問數(shù)據(jù)端口；EINT7是外部中斷信號(hào)。
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3 仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    Linux具有穩(wěn)定性、開源性、可裁剪的特性，所以選擇將Linux內(nèi)核作為仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)核心。移植大體步驟如下：
    (1)U-boot移植：若沒有U-boot，兩種啟動(dòng)方式都無(wú)法在超級(jí)終端上顯示。U-boot是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)的第一段代碼，負(fù)責(zé)調(diào)整系統(tǒng)到啟動(dòng)內(nèi)核的最佳條件，移植時(shí)使用JTAG接口下載U-boot。
    (2)Linux內(nèi)核編譯：首先要獲取內(nèi)核并配置編譯，通過(guò)Make menuconfig命令打開系統(tǒng)配置單，根據(jù)具體的硬件設(shè)置(硬件上面已說(shuō)明)，去除不需要編譯的硬件驅(qū)動(dòng)模塊，保存配置單。用Make zImage命令編譯出zlmage鏡像，通過(guò)網(wǎng)口燒寫到NANDFLASH中。
    (3)構(gòu)建文件系統(tǒng)：使用的軟件是busboy，先配置之后編譯，過(guò)程和Linux內(nèi)核很像。把構(gòu)建好的文件系統(tǒng)鏡像燒寫到系統(tǒng)中，系統(tǒng)就可以正常啟動(dòng)。
    (4)CVM移植，CVM是JAVA虛擬機(jī)JVM壓縮版，系統(tǒng)中沒有內(nèi)置CVM，需要移植CVM虛擬機(jī)支持仿真程序。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證與測(cè)試
    大量智能設(shè)備都采用RS485串口通信協(xié)議，下面以串口采集沒備8775A仿真程序測(cè)試系統(tǒng)性能。
    8775A是青智儀器公司的電參數(shù)測(cè)量智能儀表，它通過(guò)串口與采集主機(jī)通信。當(dāng)它接收到命令格式幀為10H，03H，A1 A2 A3連續(xù)幀時(shí)會(huì)回送數(shù)據(jù)：7DHA1A2A3D1D2…D52P1P2P37EH。其中7DH，7EH分別代表固定的數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾。A1A2A3代表設(shè)備地址，30H，31H，35H代表地址15。D1～D52代表該設(shè)備提供的數(shù)據(jù)，分別為電壓(D1～D5)、電流(D8～D12)、功率(D15～D19)、功率因數(shù)(D22～D29)、頻率(D30～D33)、時(shí)間(D37～D42)和電能(D43～D49)，P1P2P3是送回?cái)?shù)據(jù)的校驗(yàn)和。采集程序在獲取數(shù)據(jù)后會(huì)對(duì)連續(xù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取有用的數(shù)據(jù)。該仿真系統(tǒng)在收到發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后，判斷是否為有效的命令格式，如果是則回送程序模擬的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式完全相同。仿真程序流程如圖6所示。

    仿真程序設(shè)置串口的波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位等信息。采集程序中的設(shè)置應(yīng)與其一樣。保證采集程序和仿真設(shè)備有相同的串口設(shè)置。通過(guò)驗(yàn)證，采集程序可以從該系統(tǒng)采集到電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)。圖7是通過(guò)串口小助手向仿真系統(tǒng)發(fā)送的采集命令后收到模擬軟件返回的數(shù)據(jù)。經(jīng)驗(yàn)證，與8775A設(shè)備提供的參數(shù)類型一致。同樣，為網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備也可以通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真。

5 結(jié)語(yǔ)
    本系統(tǒng)首次應(yīng)用在了國(guó)內(nèi)某大型家電產(chǎn)品公司冰箱測(cè)試軟件中數(shù)據(jù)采集部分的測(cè)試階段，通過(guò)把編寫的智能儀表DA100，UT351，8775A仿真程序下載到本系統(tǒng)中完成了冰箱測(cè)試軟件采集程序的可靠性測(cè)試。