基于A(yíng)RM和GPRS的遠程監測終端設計

摘要：針對分布比較分散，場(chǎng)所不固定，或是環(huán)境比較惡劣的監測現場(chǎng)，提出了一種通用的遠程監測終端的設計方法。終端具有模塊化的數據采集功能，并采用ARM9處理器和Linux操作系統，用Qt／Embedded編寫(xiě)終端應用程序，使其具有良好的人機交互界面，并對數據進(jìn)行分析處理，采用GPRS(通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù))無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將處理過(guò)的數據發(fā)往監測中心，存入數據庫。實(shí)際實(shí)驗證明，該終端數據處理速度快，精度高，實(shí)時(shí)性好，可以滿(mǎn)足一般監測現場(chǎng)的要求。
關(guān)鍵詞：遠程監測；ARM9；GPRS；嵌入式Linux；Qt／Embedded

隨著(zhù)現代生產(chǎn)科技水平的發(fā)展，對監測技術(shù)的要求越來(lái)越高，形式趨于多樣化。在無(wú)人值守的變電站、水文站、氣象站等野外監測或是在交通運輸等行業(yè)中，因分布比較分散、環(huán)境惡劣，地點(diǎn)不固定，不便于用傳統方法實(shí)現集中控制和實(shí)時(shí)監測并且有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的架設受到種種限制。在這些場(chǎng)合采用基于GPRS的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢。將嵌入式應用系統與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)結合在一起是未來(lái)嵌入式應用的必然趨勢。GPRS(General Packet Radio Service)，即通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)。
GPRS技術(shù)應用于遠程數據傳輸系統，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1)永遠在線(xiàn)，接入速度快。分組交換接入時(shí)間少于1秒，可使遠程數據傳輸的效率大大提高：2)采用數據流量的計費方式，大大降低了用戶(hù)的使用費用；3)GPRS網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍廣，且支持TCP／IP協(xié)議，從而可實(shí)現與Intern et的無(wú)縫連接。

1 終端的整體結構設計
終端要完成3個(gè)任務(wù)，數據采集、數據處理和數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。數據采集部分采用模塊化設計思想將采集模塊分為模擬量采集模塊，數字量采集模塊，開(kāi)關(guān)量采集模塊等，每個(gè)模塊獨立的實(shí)現對特定采集信號的整流、調理、隔離等處理再轉換為數字量，各模塊采用統一的結構，選用相同的單片機處理器。各模塊采集的數據通過(guò)統一的SPI(serialperipleral interface)總線(xiàn)傳輸給ARM處理器。這樣的結構使終端使用更靈活，應用范圍更廣泛。數據處理部分采用ARM處理器對所采集的數據的類(lèi)型、長(cháng)度、有效范圍等進(jìn)行處理，并通過(guò)液晶屏加觸摸屏完成人機交互功能。然后將處理好的數據通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸給上位機。終端的整體結構圖如圖1所示。

2 終端硬件設計
終端硬件主要由3部分組成。一是作為主處理器的ARM9處理器及其外圍電路包括電源電路、復位電路、外擴存儲器電路及用于人機互動(dòng)的液晶屏、觸摸屏連接電路等。二是各個(gè)模塊的數據采集電路的設計，這里主要設計的是模擬量采集模塊，以及各個(gè)數據采集模塊與主處理器之間SPI連接方式。三是GPRS模塊外圍電路以及與主處理器的連接。端硬件設計示意圖如圖2所示。

2．1 終端主處理器
主處理器是系統的核心，要完成數據處理，存儲，傳輸，人機界面顯示等功能。結合工業(yè)現場(chǎng)的需求終端處理器采用以ARM9為內核的三星S3C2440處理器，它是一款基于ARM920T內核的16／32位RSIC結構的嵌入式微處理器，主頻400 MHz，最高可達533 MHz，具有2片外接32 M的板載SDRAM，片內外資源豐富，擴展性強。系統存儲擴展了2 MB的NorFlash用于存放bootloader系統引導程序，和64 MB的NandFlash。系統的人機交互平臺采用一個(gè)7寸液晶顯示頻和一個(gè)觸摸屏來(lái)完成。
2．2 數據采集部分硬件設計
數據采集模塊可分為模擬量采集模塊，數字量采集模塊，開(kāi)關(guān)量采集模塊等，主要完成對底層數據的采集，這些模塊的單片機處理器統一采用Cygnal公司的C8051F021單片機，它的MCU是高度集成的片上系統。在一個(gè)芯片內集成了兩個(gè)多通道ADC子系統、電壓基準、SPI總線(xiàn)接口、8個(gè)8位的通用數字I／O端口和64 kBFLASH程序存儲器及與8051兼容的高速微控制器內核等，這些很好的滿(mǎn)足了模塊的設計要求。由于模塊設計結構上的相似性，這里主要介紹模擬量采集模塊部分。
工業(yè)現場(chǎng)采集的信號大部分是模擬量，如壓力、溫度、液位、流量等信號。這些信號經(jīng)過(guò)現場(chǎng)儀表測量后一般統一輸出為4～20 mA，0～5 V，0～10 V范圍的電流電壓信號。通過(guò)模擬量采集模塊將這些模擬量轉換為數字量。單片機的A／D準換的電壓基準定為2．5 V，要將4～20 mA，0～5 V，0～10 V范圍的電流電壓信號統一為0～2．5 V以?xún)鹊碾妷盒盘?，才能進(jìn)入單片機完成模擬量到數字量的轉換。對于電流信號，在輸入端接一個(gè)250 Ω的精密便轉換為1～5 V的電壓信號了，對于電壓信號通過(guò)運算放大器按比例縮放到0～2．5 V范圍內即可。轉換電路如圖3所示。