EasyARM2200的局域網(wǎng)現場(chǎng)數據采集器

1 現場(chǎng)數據采集器的基本功能
“一線(xiàn)通”系統的基本架構如圖1所示，3臺管理計算機互為冗余。

系統是面向設備管理的，基本功能可歸結為三點(diǎn)，即“監”、“控’’和“報警”?！氨O”是指管理機查詢(xún)設備的狀態(tài)；
控，是管理者通過(guò)監控界面操縱現場(chǎng)設備；“報警”是當設備運行狀態(tài)超越報警限時(shí)，及時(shí)向管理機報告。管理機監控界面采用組態(tài)王6.5通用組態(tài)軟件進(jìn)行設計。
“一線(xiàn)通”系統將監測與報警合并。在現場(chǎng)，設備的DEC控制器和智能儀表通過(guò)485總線(xiàn)連接到數據采集器，在整理設備狀態(tài)數據的基礎上，根據狀態(tài)的變化，由采集器向管理機發(fā)送設備最新變化狀態(tài)。徹底避免了無(wú)謂的查詢(xún)，減輕了網(wǎng)絡(luò )的通信負荷。這就是數據采集器的由來(lái)。

現場(chǎng)數據采集器的基本功能要求分為兩個(gè)方面。首先，要定期采集各DDC控制器(以下稱(chēng)子站)和智能儀表中的狀態(tài)數據，并將狀態(tài)變化信息發(fā)送到管理機。其次，也要傳遞管理機對設備的控制命令。

2 現場(chǎng)數據采集器的設計實(shí)現
設計采用了EasyARM2200開(kāi)發(fā)板，CPU是Philips公司的32位嵌入式處理器LPC2210(ARM7TDMI-S核)。開(kāi)發(fā)板基本結構如圖2所示[1]。CPU采用11.059 2 MHz晶振，通過(guò)片內鎖相環(huán)和外設分頻器，分別獲得44 MHz系統時(shí)鐘和11 MHz外設時(shí)鐘頻率。串行通信波特率為19 200 bps。
采集器用C語(yǔ)言編制實(shí)現。設計大致分四步進(jìn)行。

(1) 協(xié)議設計
在“一線(xiàn)通”系統中，設備以采集器號、子站號和設備號惟一確定。管理機用采集器號區別局域網(wǎng)上的采集器。采集器用子站號標識總線(xiàn)上的DDC控制器。同一子站下可能有不止一個(gè)設備，相互以設備號區分。
所有的狀態(tài)和控制數據都以設備為單位進(jìn)行組織。通過(guò)工程項目的配置文件，系統中確定的設備與具體設備類(lèi)型聯(lián)系起來(lái)。采集器中設備狀態(tài)數據塊格式定義為

設備狀態(tài)數據和控制數據格式由設備類(lèi)型數據協(xié)議規定。
采集器與子站的串行通信數據幀基本格式為

所有協(xié)議數據傳輸字節加ETX生成校驗和。由16個(gè)ASCII字符O～9、A～B作為傳輸字節對協(xié)議數據和校驗和進(jìn)行編碼，傳輸字節的最高位用作奇偶校驗位。
通信采用主從方式，由采集器向子站寫(xiě)控制數據。寫(xiě)命令幀協(xié)議數據為
其中Write為寫(xiě)命令字節。設備控制數據塊可任意組合到寫(xiě)命令幀中。
讀設備數據時(shí)，采集器先發(fā)讀子站命令，并等待應答。相應子站在收到讀命令后，還以應答幀。讀命令幀協(xié)議數據為

其中Read為讀命令字節。子站應答幀協(xié)議數據為

采集器與管理機的通信應用層用戶(hù)數據報基本格式為
設備狀態(tài)數據塊或控制數據塊可任意組合到用戶(hù)數據域中。標志字符指明用戶(hù)數據的類(lèi)型。例如，是采集器向管理機發(fā)送的設備狀態(tài)數據塊組合，還是管理機向采集器發(fā)送的設備控制數據塊組合。
(2)數據結構
采集器中，為設備控制數據塊設置從網(wǎng)口到串口的隊列。設備狀態(tài)數據塊須定期地從各子站中讀取并刷新存儲，變化的狀態(tài)須向管理機發(fā)送。為此，設置子站項和設備記錄塊兩種基本結構，構成三種鏈表，如圖3所示。

子站項的基本域是子站號。各子站項通過(guò)指針NextDDC相互連接，構成一個(gè)循環(huán)鏈表，管理對子站的采集過(guò)程。指針CurrDDC指向當前正被訪(fǎng)問(wèn)的子站項。采集器根據CurrDDC沿循環(huán)鏈表的依次移動(dòng)，確定下一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)的子站站號。
在子站項數據域中設置了一個(gè)故障計數器。當某子站對采集器讀命令連續多次無(wú)正常應答時(shí)，采集器判定其故障，將暫停對其讀取，并啟動(dòng)計數器。計時(shí)結束后再?lài)L試重新訪(fǎng)問(wèn)該子站。如果成功，便恢復正常；否則，停止讀取而重新計時(shí)。這樣將大大減少對故障子站的超時(shí)等待時(shí)間，實(shí)現了故障屏蔽和自動(dòng)恢復的連接重試功能。
設備記錄塊的基本域是設備號。在其記錄數據域中存放著(zhù)一個(gè)完整的最新設備狀態(tài)數據塊，由記錄長(cháng)度域指明長(cháng)度。
每個(gè)子站下連接著(zhù)數目不等的若干個(gè)設備，每個(gè)設備對應一個(gè)設備記錄塊。同一子站下的設備記錄塊通過(guò)指針域RBPtr連成一個(gè)單鏈表。采集器能根據子站下設備的增加自動(dòng)添加設備記錄塊。
狀態(tài)發(fā)生變化的設備記錄塊由指針域RBInList連接成發(fā)送鏈表。以太網(wǎng)發(fā)送程序將給設備狀態(tài)數據塊加上采集器號，組合到用戶(hù)數據報中。這樣的方式能保證發(fā)送設備最新的狀態(tài)數據。
(3)任務(wù)設計
μC/OS-II(v2.52)被移植到LPC2210上，是獨立于采集器程序外的一段代碼。作為可剝奪型內核，它能保證實(shí)時(shí)性的需要，使時(shí)間要求苛刻的事件得到快捷的處理[1]。
采集器程序由一組任務(wù)構成，如表1所列。

Task_UartProcess()是采集器的核心任務(wù)。它依次循環(huán)地完成：
◆發(fā)送寫(xiě)命令幀(如果有控制數據塊)。從設備控制數據塊隊列中取出新的控制數據塊，組合到寫(xiě)命令幀中。利用串行發(fā)送中斷服務(wù)發(fā)送寫(xiě)命令幀。
◆發(fā)送讀命令幀。從子站項循環(huán)鏈表中獲得訪(fǎng)問(wèn)子站號，生成讀命令幀。同樣，利用串行發(fā)送中斷服務(wù)發(fā)送讀命令幀。
◆等待子站應答幀。當收到UartRcvMbox中消息或超時(shí)退出時(shí)，進(jìn)入應答幀數據處理程序。數據處理程序完成對設備狀態(tài)數據塊的刷新存儲和變化處理。
◆發(fā)采集信號量通知發(fā)送服務(wù)器和發(fā)送客戶(hù)端。
(4)程序設計
LPC2210上電后需運行一段匯編代碼，完成中斷向量表的定義和重映射，外部存儲控制器的初始化，并分配系統堆?？臻g，然后進(jìn)入main()函數[2，3]。

在main()中：
◆調用()SInit()函數對內核多任務(wù)調度所用系統變量和數據結構完成初始化，并建立空閑任務(wù)[1]。
◆調用()SStart()函數進(jìn)入內核[1]。
內核中集成了TCP/IP協(xié)議[4]棧，數據報交換通過(guò)連接來(lái)進(jìn)行。主要Socket API[2]函數如表2所列。
在A(yíng)DS開(kāi)發(fā)環(huán)境下，函數都是可重入的[3]。
采集器發(fā)送客戶(hù)端或發(fā)送服務(wù)器均能獨立地完成對變化的設備狀態(tài)數據塊的發(fā)送，和對控制數據塊的接收。采集器發(fā)送客戶(hù)端程序狀態(tài)如圖4左端所示。調用connect()函數發(fā)起與管理機的連接。連接只需與三臺管理機之一建立即可。
連接建立后，可用send()發(fā)送設備狀態(tài)數據塊組合幀。采集器在訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)子站后，都要檢查設備狀態(tài)變化情況，并及時(shí)向管理機匯報。
當故障發(fā)生時(shí)，send()函數將不能成功返回。若干次發(fā)送失敗后，客戶(hù)端程序將調用close()斷開(kāi)連接，然后重新發(fā)起建立連接。
實(shí)際上，close()并不一定能正常斷開(kāi)連接，這將影響連接的重新建立。故約定，當設備狀態(tài)無(wú)變化時(shí)，采集器也將間隔一定時(shí)間發(fā)送一個(gè)空數據報。進(jìn)入故障處理后，管理機因收不到定期的空數據報，亦將關(guān)閉連接而重新偵聽(tīng)。

采集器發(fā)送服務(wù)器程序狀態(tài)如圖4右端所示。事先指定偵聽(tīng)的連接數，通過(guò)accept()函數查看管理機與采集器的連接情況。
當有管理機連接后，即可通過(guò)send()發(fā)送設備狀態(tài)數據塊幀，所有過(guò)程同客戶(hù)端中一樣。不同的只是，當進(jìn)入故障處理后，將退回到accept()重新偵聽(tīng)遠程連接。
采集器由5個(gè)源文件和6個(gè)頭文件組成，編譯后約8 KB代碼。包括啟動(dòng)代碼、實(shí)時(shí)內核和TCP/IP協(xié)議棧后，總共40 KB，并占用125 KB數據空間。
管理計算機可對采集器的數據結構和工作方式等進(jìn)行必要的配置。
采集器正常工作時(shí)測得的串口通信時(shí)序示意圖如圖5所示。其中，讀命令幀歷時(shí)約3.8 ms，子站應答幀約13.2 ms.子站應答延遲取決于子站的處理時(shí)間。

由圖5可見(jiàn)，子站的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間約35 ms。期間除完成子站訪(fǎng)問(wèn)外，還包括以太網(wǎng)發(fā)送等各項任務(wù)。如果要求總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)周期小于1 s，則可連接25個(gè)子站。

結 語(yǔ)
本文介紹的現場(chǎng)數據采集器采用32位ARM處理器加實(shí)時(shí)內核μC/OS-II的嵌入式實(shí)現方案。它將現場(chǎng)各類(lèi)設備與管理計算機連接起來(lái)，使智能小區“一線(xiàn)通”監控系統的結構和對網(wǎng)絡(luò )資源的利用更趨合理。
通常，對電梯運行狀態(tài)的監控實(shí)時(shí)性要求較高，延遲一般應小于O.5 s。其他諸如安防報警等，也應小于2 s?，F場(chǎng)數據采集器能很好地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。當十臺電梯均以4 m/s以上的高速模擬運行時(shí)，監控界面上所有的參數都能及時(shí)得到反映，并幾乎感覺(jué)不到延遲。事實(shí)上，每個(gè)狀態(tài)的數據都能被傳遞達2次以上。
現場(chǎng)數據采集器已被成功地使用于上海金色家園等多處智能化小區工程中。