基于ARM9和Linux系統(tǒng)的綜合通信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

介紹了基于ARM9硬件平臺(tái)和嵌入式Linux系統(tǒng)的多功能綜合通信控制系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)及各模塊的功能。系統(tǒng)采用符合POSIX．1標(biāo)準(zhǔn)的C語言編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)下位機(jī)傳送數(shù)據(jù)幀的采集、分析和存儲(chǔ)，并能根據(jù)上位機(jī)的配置指令和數(shù)據(jù)傳輸指令分別對(duì)串口波特率、數(shù)據(jù)時(shí)間及手機(jī)短信號(hào)碼等參數(shù)進(jìn)行配置和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的傳輸。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)數(shù)據(jù)采集已由傳統(tǒng)的測(cè)控電路發(fā)展為由微型計(jì)算機(jī)、接口電路、外部通用設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象等組成的現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。但是以微型計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也逐漸暴露出許多缺陷：體積大，不易攜帶；擴(kuò)展性差、成本高等。因此，以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備可靠性高、體積小、易擴(kuò)展、開發(fā)周期短、成本低的特點(diǎn)使其的成為未來的通信控制發(fā)展趨勢(shì)。

1、系統(tǒng)工作原理及框架

存儲(chǔ)板通電后，程序自啟動(dòng)首先用Socket建立服務(wù)器等待PC端的配置信息，PC端按順序發(fā)送時(shí)間幀和手機(jī)號(hào)碼幀，當(dāng)其中任何一個(gè)不滿足幀格式或者校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，存儲(chǔ)板都會(huì)向PC端發(fā)送相應(yīng)的重傳指令，兩個(gè)配置幀都得到正確的解析后打開與下位機(jī)通信的串口ttys1，與GSM模塊通信的串口ttys2和與PC端通信的串口ttys3，然后設(shè)定內(nèi)核定時(shí)器，將超時(shí)消息的處理設(shè)置為發(fā)送數(shù)據(jù)短信的程序，這樣就實(shí)現(xiàn)了定時(shí)發(fā)送短信通知的功能，然后用異步I／O函數(shù)Select監(jiān)聽所有的輸入輸出，某個(gè)端口若有消息就會(huì)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的消息處理函數(shù)中，處理完后返回Select函數(shù)繼續(xù)監(jiān)聽。

2、程序模塊說明

該系統(tǒng)主要由配置幀處理模塊，定時(shí)短信群發(fā)模塊3部分組成。

2．1配置幀處理模塊

配置幀處理模塊主要功能為接收并解析PC端的配置幀。首先程序用Socket建立滿足TCP協(xié)議的服務(wù)器等待PC端發(fā)起的連接，若收到連接首先自定義握手協(xié)議。檢查正常后開始接收配置幀，程序根據(jù)接收配置幀的幀頭和幀尾來判斷為時(shí)間幀還是手機(jī)號(hào)碼幀，若確定為時(shí)間幀，在做完和校驗(yàn)檢查數(shù)據(jù)后，提取出數(shù)據(jù)時(shí)間和與PC通信的串口波特率放在相應(yīng)的全局變量，若校驗(yàn)發(fā)生錯(cuò)誤則向PC端發(fā)送time指令表明時(shí)間幀格式錯(cuò)誤需要重發(fā)，若正確則向PC發(fā)送success指令表明時(shí)間幀接收成功。PC端接收到success指令后開始發(fā)送手機(jī)號(hào)碼幀，若和校驗(yàn)錯(cuò)誤則向PC發(fā)送phone指令，若正確將轉(zhuǎn)入5Byte的手機(jī)號(hào)碼轉(zhuǎn)換成11位用ASCII碼表示的手機(jī)號(hào)，此后向PC端發(fā)送success指令表明手機(jī)號(hào)碼幀接收成功。

2．2定時(shí)短信群發(fā)模塊

定時(shí)短信群發(fā)模塊的主要功能是將采集的數(shù)據(jù)解析后通過短信的模式通知用戶，其又分為：GSM初始化模塊和短信群發(fā)模塊。程序通過串口將AT指令發(fā)送給GSM模塊達(dá)到對(duì)其控制的目的。

2．2．1GSM初始化模塊

此模塊的主要功能為初始化GSM模塊的短信功能并群發(fā)信息給用戶通知其GSM模塊正常工作。根據(jù)MG323的操作手冊(cè)在正常發(fā)送信息前依次執(zhí)行以下步驟：（1）發(fā)送“AT”確認(rèn)ARM與GSM模塊連接的串口正常。（2）發(fā)送“ATE0”關(guān)閉回顯，這樣在調(diào)試程序時(shí)輸入的命令不會(huì)在由GSM模塊返回而打印在屏幕上。（3）發(fā)送“AT+CPIN”確認(rèn)SIM卡鑒權(quán)成功。（4）發(fā)送“AT+CNMI=1，1，2”設(shè)置短信通知方式。（5）發(fā)送“AT+CMGF’=0”，設(shè)置短信格式為PDU。（6）發(fā)送“AT+CSCA=+8613800290500”，設(shè)置短信息中心號(hào)碼。（7）發(fā)送“”AT+CSCS=＼“UCS2＼”，設(shè)置字符編碼為USC2。

在GSM對(duì)每條命令都回復(fù)OK表明設(shè)定成功后就表明GSM模塊可以按照設(shè)定的功能工作，短信采用PDU格式的編碼，一般的PDU編碼由A～M13項(xiàng)組成：A：短信息中心地址長(zhǎng)度，2位16進(jìn)制數(shù)（1Byte）；B：短信息中心號(hào)碼類型，2位16進(jìn)制數(shù)；C：短信息中心號(hào)碼，B+C的長(zhǎng)度將由A中的數(shù)據(jù)決定；D：文件頭字節(jié)，2位16進(jìn)制數(shù)；E：信息類型，2位16進(jìn)制數(shù)；F：被叫號(hào)碼長(zhǎng)度，2位16進(jìn)制數(shù)；G：被叫號(hào)碼類型，2位16進(jìn)制數(shù)，取值同B；H：被叫號(hào)碼，長(zhǎng)度由F中的數(shù)據(jù)決定；I：協(xié)議標(biāo)識(shí)，2位16進(jìn)制數(shù)；J：數(shù)據(jù)編碼方案，2位16進(jìn)制數(shù)；K：有效期，2位16進(jìn)制數(shù)；L：用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，2位16進(jìn)制數(shù)；M：用戶數(shù)據(jù)，其長(zhǎng)度由L中的數(shù)據(jù)決定。

分別按照要求填充A～K字段，用戶數(shù)據(jù)為“GSM模塊初始化成功”，通過漢字Unicode轉(zhuǎn)換工具查找每個(gè)字符對(duì)應(yīng)的USC2編碼值填充到M字段，然后以Byte為單位計(jì)算器長(zhǎng)度填充到L字段，至此將PDU格式編碼的AT指令發(fā)送給GSM模塊便能實(shí)現(xiàn)短信通知用戶初始化成功的功能。

2．2．2短消息群發(fā)模塊

由于GSM初始化模塊已將其配置好，所以短信群發(fā)模塊的主要功能就是提取當(dāng)前主數(shù)據(jù)文件中存儲(chǔ)的最新一幀數(shù)據(jù)，和校驗(yàn)正確后將其解析成數(shù)據(jù)并填充成PDU格式的短信群發(fā)給用戶。這里主要的難點(diǎn)在于將二進(jìn)制表示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USC2編碼的字符，因?yàn)槲募械臄?shù)據(jù)以Byte存儲(chǔ)，每個(gè)數(shù)據(jù)占2Byte，所以首先將2Byte型合并成一個(gè)短整型來表示一個(gè)完整數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USC2編碼的數(shù)據(jù)，其中頁面高度系數(shù)共占6位，小數(shù)點(diǎn)占1位，小數(shù)占1位，溫度系數(shù)共占6位，小數(shù)點(diǎn)占1位，小數(shù)部分占1位，以上兩個(gè)系數(shù)的整數(shù)部分不滿6位都在左側(cè)補(bǔ)0。

為最終在短信上收到的數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)如0123．1m這樣格式的數(shù)據(jù)，要將其左側(cè)的“0”去除，同時(shí)也要注意不要將0．01℃前面的“0”去除，這樣處理后便會(huì)使手機(jī)短信上的數(shù)據(jù)達(dá)到良好的效果。

2．3I／O控制模塊

I／O控制模塊的主要功能是接收和存儲(chǔ)下位機(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同時(shí)響應(yīng)PC端的指令，通過網(wǎng)口和串口發(fā)送數(shù)據(jù)。

由于在Linux中對(duì)如串口和網(wǎng)絡(luò)這些I／O操作的系統(tǒng)函數(shù)均為阻塞函數(shù)，若隨意使用將導(dǎo)致程序阻塞在某個(gè)I／O中，用多線程實(shí)現(xiàn)雖然可以解決阻塞問題，但同時(shí)帶來的代碼復(fù)雜度和多線程的同步處理問題會(huì)加大代碼設(shè)計(jì)難度。系統(tǒng)采用單進(jìn)程設(shè)計(jì)，采用異步監(jiān)聽函數(shù)select此函數(shù)可以對(duì)所有輸入和輸出端口的監(jiān)聽，若對(duì)應(yīng)端口有消息便跳入消息處理函數(shù)中，處理完后繼續(xù)監(jiān)聽，達(dá)到了單進(jìn)程處理阻塞函數(shù)的目的。

I／O控制模塊的主體是select函數(shù)，按輸入輸出分為下位機(jī)串口接收模塊，上位機(jī)網(wǎng)口發(fā)送模塊和上位機(jī)串口發(fā)送模塊。

2．3．1下位機(jī)串口接收模塊

串口從下位機(jī)接收的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過和校驗(yàn)，校驗(yàn)正確后首先存儲(chǔ)在緩沖數(shù)據(jù)文件中并對(duì)其計(jì)數(shù)，達(dá)到緩沖數(shù)據(jù)文件的上限后，將緩沖文件的數(shù)據(jù)向主數(shù)據(jù)文件拷貝，主數(shù)據(jù)文件以追加寫的方式打開，緩沖數(shù)據(jù)文件在拷貝后清空，采用主數(shù)據(jù)和緩沖數(shù)據(jù)交替拷貝的方法能提高存儲(chǔ)效率并防止意外斷電造成的數(shù)據(jù)損失。主數(shù)據(jù)文件設(shè)置存儲(chǔ)軟上限，待主數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)滿后采用FIFO方案，從緩沖文件新接收的數(shù)據(jù)卸載主數(shù)據(jù)文件尾并將文件前移，把起始數(shù)據(jù)“擠出”，以確保數(shù)據(jù)文件的時(shí)間順序且不超出存儲(chǔ)軟上限。

2．3．2上位機(jī)網(wǎng)口發(fā)送模塊

上位機(jī)的網(wǎng)口發(fā)送模塊主要為服務(wù)器端，在和PC建立連接前先進(jìn)行軟件協(xié)定的握手，這樣確保了應(yīng)用層的連接正常。服務(wù)器對(duì)于PC端發(fā)送的連接請(qǐng)求采用“一次連接，多次處理，一次釋放”的原則，用單進(jìn)程便能完好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的通信，在收到PC端“transmit”指令后便從主數(shù)據(jù)文件開始以2048Byte的偏移量將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端，等到數(shù)據(jù)全部發(fā)送完后，向PC端發(fā)送“over”指令表明數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

2．3．3上位機(jī)串口發(fā)送模塊

上位機(jī)的串口發(fā)送模塊和網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)模塊類似，只是將建立服務(wù)器用socket發(fā)送換成普通的串口讀寫，同樣發(fā)送完數(shù)據(jù)后要發(fā)送“over”指令表明數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

3、結(jié)束語

在嵌入式Linux系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了綜合通信控制系統(tǒng)，他完成了對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集以及對(duì)上位機(jī)的指令響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳎瑫r(shí)利用GSM無線通信模塊實(shí)現(xiàn)了定時(shí)短消息群發(fā)的功能。此系統(tǒng)功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定接口簡(jiǎn)單，是一種高準(zhǔn)確性、高實(shí)時(shí)性、小型化、智能化的新型發(fā)展平臺(tái)。考慮到工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)可靠性、靈活性及成本和經(jīng)濟(jì)效益的要求，將嵌入式系統(tǒng)用于通信控制和數(shù)據(jù)采集具有廣闊的應(yīng)用前景。