基于μC/OS-II的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

黃向宇

摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集正以嵌入式技術(shù)為核心向著無線化、網(wǎng)絡(luò)化、遠程化的方向不斷發(fā)展。本文以ARM9處理器S3C2440和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多點分布式數(shù)據(jù)的無線遠程采集，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過無線方式實時地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)匯集數(shù)據(jù)后傳輸?shù)缴衔粰C存儲并顯示出來，具有較高的可靠性和實時性。

關(guān)鍵詞：實時操作系統(tǒng);無線數(shù)據(jù)采集;分布式數(shù)據(jù);網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：TP391 ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）24-0217-02

1 引言

數(shù)據(jù)采集是信息技術(shù)的重要組成之一，是計算機獲取信息的基本手段，在工業(yè)控制和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對物理量進行采集、存儲、處理和顯示，實現(xiàn)對物理量的監(jiān)視或控制。一般情況下，數(shù)據(jù)采集模塊通常需要采集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后傳輸給主機進行處理。目前數(shù)據(jù)傳輸通常使用的是RS485或者是CAN等網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)均基于有線傳輸，它們在使用中不僅要考慮成本因素，還要考慮數(shù)據(jù)傳輸中的干擾因素。而無線傳輸相對具有一定的優(yōu)勢，成本相對較低，并且傳輸中的干擾也較少，這也在一定程度上提高了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文以ARM9處理器S3C2440和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II為基礎(chǔ)，結(jié)合51單片機與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊作為終端節(jié)點，設(shè)計了一種無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)的無線采集，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過無線方式實時地傳輸?shù)揭訟RM處理器為核心的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，并通過串口傳輸給PC上位機顯示出來。

在硬件設(shè)計部分，本系統(tǒng)選用了友善之臂的mini2440開發(fā)板作為數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)硬件平臺。其核心處理器采用三星的S3C2440A ARM9，內(nèi)存是64M SDRAM，擁有2MB Nor Flash和256MBNand Flash，操作系統(tǒng)支持Linux和WinCE。

本系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點是一個基于單片機的智能化前端模塊，它由數(shù)字溫度傳感器DS18B20、無線模塊RF1100SE以及51單片機三個部分構(gòu)成。

DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器，它采用獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時僅需要一條連接線即可實現(xiàn)雙向通訊。它的測溫范圍為-55～+125℃，固有測溫分辨率達到0.5℃。

RF1100SE無線模塊是使用TI-Chipcon公司的CC1101芯片開發(fā)而成，由一個完全集成的頻率調(diào)制器、一個帶解調(diào)器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成;在433MHz免費ISM頻段免許可證使用，其最高工作速率500kbps，支持2-FSK、GFSK和MSK等調(diào)制方式。

本文設(shè)計了多個無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點構(gòu)成一個分布式的無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，采集多點的數(shù)據(jù)信息（本文目前設(shè)計了三個溫度采集節(jié)點），并按照專有的通信協(xié)議，采用無線傳輸?shù)姆绞綄⒉杉降臄?shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)中對數(shù)據(jù)進行一定的處理后，再將其傳輸給PC上位機顯示出來。與此類似，也可以通過PC上位機或者數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)或指令到終端節(jié)點以做出相應(yīng)的控制動作。

系統(tǒng)共設(shè)計了三個無線溫度采集節(jié)點，三個節(jié)點在規(guī)定的間隔時間向數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)則在規(guī)定的時間內(nèi)啟動數(shù)據(jù)采集任務(wù)，來獲取三個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)通過啟動數(shù)據(jù)采集任務(wù)判斷節(jié)點的Channel值來決定接收哪一個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)。節(jié)點主動發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)被動接收數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)送和接收的Channel地址匹配時接收數(shù)據(jù)，否則丟棄數(shù)據(jù)。

在軟件設(shè)計部分，本課題主要完成了μC/OS-II實時操作系統(tǒng)在S3C2440上的移植及多任務(wù)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能的實現(xiàn)以及PC上位機用戶界面設(shè)計三個部分的工作。本課題設(shè)計的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)測試能很好地完成分布式數(shù)據(jù)的無線采集，具有較高的可靠性和實時性，達到了設(shè)計的預(yù)期目標。

3 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

μC/OS-II操作系統(tǒng)對系統(tǒng)資源進行管理，主要包括任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、消息機制、異常處理等。其所有的系統(tǒng)服務(wù)均由內(nèi)核提供，內(nèi)核將應(yīng)用系統(tǒng)和底層硬件平臺結(jié)合成一個完整的實時系統(tǒng)。

本文充分利用了μC/OS-II操作系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度機制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的實時性，系統(tǒng)依據(jù)功能需求共設(shè)計了七個工作任務(wù)，包括一個系統(tǒng)任務(wù)和六個用戶任務(wù)。系統(tǒng)任務(wù)即空閑任務(wù)，其余六個用戶任務(wù)分別是主任務(wù)、液晶顯示任務(wù)、觸摸屏驅(qū)動任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、上位機通信任務(wù)及程序測試任務(wù)。

液晶顯示任務(wù)LcdTask（）的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的本地顯示，由于沒有使用復(fù)雜的GUI庫，所以只是繪制了一個簡單的主機界面，可以對采集到的節(jié)點溫度進行實時地顯示，還可以通過點擊“詳細”按鈕，觀測到相應(yīng)節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)歷史變化曲線。

觸摸屏驅(qū)動任務(wù)TouchTask（）主要工作是響應(yīng)外部的觸控操作，本系統(tǒng)中用于切換顯示界面。當(dāng)點觸主界面上的“詳細”按鈕時，觸摸屏任務(wù)就會響應(yīng)該操作，并將主顯示界面切換到相應(yīng)的溫度曲線顯示界面。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)GetDataTask（）實現(xiàn)了對三個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)進行主動地接收，本課題假設(shè)三個節(jié)點的重要性相同，而μC/OS-II操作系統(tǒng)中不允許不同任務(wù)具有相同的優(yōu)先級，所以就將對三個節(jié)點的數(shù)據(jù)接收過程放在同一個任務(wù)中。任務(wù)的流程圖如圖3所示。

4 PC上位機軟件設(shè)計

PC機界面采用比較常用的MFC框架來實現(xiàn)，通過串口的方式與下位機進行通信。由于在傳輸過程中可能會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失，為此對串口通信協(xié)議做了一點格式變化，我們定義在第一個有效數(shù)據(jù)前加一個‘#字符，而在最后的的一個數(shù)據(jù)的后面加上‘*字符，最后形成#xxxxxx*這樣的一個數(shù)據(jù)包，這樣即可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。串口驅(qū)動程序調(diào)用到的API函數(shù)如下表：

考慮到工程中要對數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，上位機對傳輸過來的數(shù)據(jù)進行了實時保存?？紤]到Office的Excel對數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計最為方便流行，因此本文直接調(diào)用微軟的Excel應(yīng)用程序，將Excel嵌入到的上位機應(yīng)用程序中，采集到的溫度數(shù)據(jù)都存儲在Excel表格中，方便用戶的讀取。調(diào)用Excel表格所需要用到的類如下表：

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：梁書】