基于4G無線網(wǎng)絡通信的數(shù)采控制器的設計

閏江寶 張長勝 趙振剛 李川 譚向宇

摘要：應用4G無線網(wǎng)絡通信及嵌入式技術(shù)設計了一款無線數(shù)采控制器，該數(shù)采控制器采用S3C2440作為主控制器。闡述了系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，硬件設計介紹了硬件的構(gòu)成及功能；軟件設計包括Linux嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動程序開發(fā)、調(diào)試，應用程序軟件的開發(fā)、調(diào)試等。

關(guān)鍵詞：4G無線網(wǎng)絡通信；嵌入式系統(tǒng)；數(shù)采控制器；S3C2440；Linux

中圖分類號：TP929.5 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.020

引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用范圍越來越廣，功能越來越全，更需要一種高效、簡潔、高性價比的無線傳輸方式。隨著無線通訊網(wǎng)絡技術(shù)的迅速發(fā)展，無線通訊網(wǎng)絡的通信帶寬逐漸增大、通信速率增大、通信質(zhì)量也有較大提高，使得數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸變得高效、實時性強、錯誤率低。目前，在生活中我們使用的無線網(wǎng)絡通訊種類中，使用最寬、最廣的就是4G通信，本文設計了一套由嵌入式與4G無線通信模塊構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，可以滿足多數(shù)環(huán)境的需要。

1 系統(tǒng)的總體方案

應用4G無線網(wǎng)絡通信及嵌入式技術(shù)設計了一款無線數(shù)采控制器。無線數(shù)采控制器采用ARM9架構(gòu)的S3C2440芯片作為CPU，USR-G401t型4G無線移動通信網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)4G無線通信，SP485芯片實現(xiàn)RS485通信，開關(guān)量輸入輸出信號通過光耦芯片進行隔離，SD卡作為數(shù)據(jù)臨時存儲，操作系統(tǒng)選擇嵌入式Linux，同時對該設備硬件、軟件實現(xiàn)作詳細的研究分析。下圖是4G無線數(shù)采控制器的結(jié)構(gòu)。

如圖1所示的4G無線數(shù)采控制器，圖中可以看出，該設備包括：16路繼電器輸出模塊，16路開關(guān)量信號輸入模塊，1路4G無線通信模塊，2路RS-485通信模塊（通過應用程序軟件可以實現(xiàn)各種協(xié)議的485通信，可實現(xiàn)和各種儀表及PLC進行通信），1路SD卡模塊（用于少量數(shù)據(jù)的存儲）。

2 硬件設計

2.1 核心板電路設計

核心板上包括了S3C2440芯片、Flash存儲芯片（K9F1216UOA） 、ROM存儲芯片

（HY57V561620FTP-H）、時鐘電路元件及電源電路電子元件等。核心板設計成獨立的板卡，將所有功能引腳引出后給主板使用，采用6層電路PCB板。Flash存儲電路分為Nor Flash和Nand Flash兩種存儲電路，Nor Flash的存儲容量為16MB（用來存儲引導程序），Nand Flash的存儲容量為1GB（系統(tǒng)設計時，根據(jù)現(xiàn)場的應用情況使用該容量完全滿足系統(tǒng)運行要求），SDRAM的存儲容量為512MB核心板的設計主要是為實現(xiàn)版塊的公用性，可以使用于不同的主板。內(nèi)存及Flash存儲要能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行的最小需求，同時要求具有較好散熱性能。

2.2 主板電路設計

2.2.1 主板繼電器輸出部分

在現(xiàn)場中設備所有外部電源及開關(guān)量信號都是直流24V，考慮到繼電器的輸出能力及穩(wěn)定性等，在設計繼電器輸出時也設計為24V電源驅(qū)動，干接點輸出。

輸出信號電路的設計時采用TLP521光耦合器進行隔離，以避免外部的高壓或反向電壓的注入燒毀核心元器件。根據(jù)手冊可以選擇光耦合器輸入信號端的電阻大小即為15011左右的電阻作為限流使用，如圖2所示。

2.2.2 主板SD卡部分

由于系統(tǒng)采用4G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，由于4G網(wǎng)絡存在不穩(wěn)定性，故有些數(shù)據(jù)不能夠?qū)崟r的傳輸?shù)街锌刂行?，在設計時考慮了SD卡，用來存儲一些重要的數(shù)據(jù)。SD卡的設計如圖3所示。

DATO、DAT1、DAT3、CMD信號線都采用10KΩ電阻上拉至3.3V，目的是增強電路的驅(qū)動能力，nCD信號用于檢測SD卡是否插入，當卡沒有插入卡座時，該引腳為高電平，當卡完全插入卡座的時候，nCD被拉為低電平。WP信號腳是用來檢測SD卡是否有寫保護，原理和卡的插入檢測是一樣的，故采用R49下拉電阻接地。

2.2-3 串口通訊電路

現(xiàn)場需要采集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如果采用4?20mA的模擬信號采集，采集器得設計很多的模擬信號的采集通道。故我們在設計時就考慮采用通信的方式進行數(shù)據(jù)的采集，可以減少現(xiàn)場的布線及后期的維護工作，且可以保證數(shù)據(jù)的可靠性。設計通信時，我們采用兩線制RS485串行通信，MODBUSRTU通信協(xié)議進行通信，其實現(xiàn)電路原理圖如圖4所示。

2.3 4G無線模塊電路設計

無線網(wǎng)卡采用現(xiàn)有模塊化電路，電源由主板供應，主板可以提供給該子版塊穩(wěn)定的3.8V電源。4G無線網(wǎng)卡選用USR-G40U，采用USB接口模式進行通信。4G無線模塊USIM卡電路如圖5。

USIM卡的接口速率為3.25MHz左右，因此USIM卡座的布局應該取最近于USR-G401T位置，避免走線過長，最好對各信號線作地線包絡。CLK、IO、RESET這三個信號需要增加47pF的電容用于濾除天線信號的干擾，CLK、IO、RESET及VCC這四個信號都需要進行防靜電保護措施。USIM卡接口ESD（Electro-Static Dischang即靜電釋放）防護，如上圖所示，電路中采用了瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）來作為板卡的靜電防護，PCB板布線的時候TVS要盡量的靠近SIM卡放置。

3 軟件設計

該控制器采用嵌入式設計，在選擇嵌入式操作系統(tǒng)時，我們選擇開源Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為Linux-2.6.30.4。

3.1 驅(qū)動程序的編寫

嵌入式設備基本都是根據(jù)需求完全定制化開發(fā)的，故不能夠找到完整的驅(qū)動程序支持系統(tǒng)，這就需要我們進行驅(qū)動程序的開發(fā)，驅(qū)動程序的開發(fā)軟件我們可以在網(wǎng)絡上找到很多軟件來建立開發(fā)環(huán)境，本次我們使用的是Eclipse軟件來開發(fā)我們的驅(qū)動程序。開發(fā)完成后我們需要在內(nèi)核系統(tǒng)中添加對驅(qū)動程序的支持，然后配置內(nèi)核，完成后編譯成功后燒寫到設備才能能夠運行。

進行設備驅(qū)動程序的開發(fā)，其開發(fā)流程如圖6所示。

3.2 應用程序的設計

應用程序的實現(xiàn)是建立在操作系統(tǒng)及驅(qū)動程序的基礎之上，通過操作系統(tǒng)接口及設備驅(qū)動程序的接口應用Eclipse開發(fā)環(huán)境開發(fā)需要的應用程序。操作系統(tǒng)提供了需要的大部分功能接口函數(shù)，而要獲取外部設備的數(shù)據(jù)則需要通過驅(qū)動程序接口來應用外設備進行數(shù)據(jù)交換。

設備設計的是無人值守的，故在設計時無論出現(xiàn)任何誘因?qū)е略O備故障或者死機時，都要盡量能夠保證應用程序的復位、數(shù)據(jù)的恢復，最壞的情況下要能夠保證設備能夠自動重啟。復位、初始化所有的外設、驅(qū)動程序、應用程序，并啟動繼續(xù)進行工作，必要時要能夠?qū)⒐收锨暗倪\行狀態(tài)再次導入驅(qū)動及應用程序，繼續(xù)運行故障前的作業(yè)。設計軟件時應該充分應用看門狗，以實現(xiàn)設備的自復位功能，實現(xiàn)設備的“自修復”、“無故障”工作狀態(tài)。

系統(tǒng)在實現(xiàn)各個子功能及業(yè)務流程后，設備還不能夠按照項目需求運行，設備還在不能夠運行起來，只實現(xiàn)了各部分的功能，還需要一個管理應用程序，將之前設計的各種功能、各種業(yè)務進行統(tǒng)一的管理，將各個子功能的業(yè)務綜合的統(tǒng)一起來、結(jié)合起來實現(xiàn)項目需求，這就是所要開發(fā)的設備數(shù)采應用程序。其實以上所有的應用程序都是該數(shù)采應用程序的子程序，數(shù)采應用程序協(xié)調(diào)著各個外設的工作，處理著各個外設的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用程序的業(yè)務流程圖如圖7所示。

4 控制器的性能評估、測試

4.1 硬件性能測試

設備在現(xiàn)場運行時和在實驗階段完全不一樣的，實驗階段使用的電源、信號等都是相當?shù)钠椒€(wěn)的，沒有較大波動，也不存在雷擊、過壓、欠壓、過流、欠流、靜電、摔撞、電磁干擾、溫度、濕度、冷露、結(jié)冰、鼠蟲等影響，故設備都能夠正常的運行，但是在現(xiàn)場引用的過程中往往出現(xiàn)的考究設備性能的遠遠不只以上情況。故在測試硬件性能上要對設備的供電、信號輸入/輸出、通訊接口等進行相應的測試，以保證設備在一定的外部干擾環(huán)境下能夠穩(wěn)定、可靠的運行。

4.2 軟件性能測試

軟件會受到硬件的新增、刪除、更改、故障的影響，會受到使用者的操作的影響，還會受到軟件自身運行的影響，同時還會受到數(shù)據(jù)拷貝過程中數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)溢出、數(shù)據(jù)損壞的影響，在實際使用時往往還會遇到很多其他因素的影響導致軟件的崩潰。故在測試軟件性能上我們要對各種情況下軟件運行的狀態(tài)進行測試評估，進行多種復雜情況下的軟件測試評估，在一定的范圍內(nèi)要保證設備的軟件能夠穩(wěn)定、可靠的運行。

5 結(jié)束語

本文設計了一種基于4G無線網(wǎng)絡通信的數(shù)采控制器，該數(shù)采控制器可以在不同的應用場合有效的采集數(shù)據(jù)，可以應用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療等生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。本系統(tǒng)有較好的應用性和可移植性，有一定的理論和應用價值。