基于PXA270的多数据监测系统设计

摘 要：设汁了基于ARM的智能电表和空调系统参数的多数据监测系统。系统由硬件和软件两部分组成，硬件采用博创公司的嵌入式微控制器PXA270平台，软件使用了Modbus协议读取智能电表和空调端监测数据，上位机利用Linux Socket『舣]络编程和c#编程实现监测。该系统比传统的数据{ 测系统具有更好的安全性和实时性，同时硬件的体积更小，功耗更低，扩展性更慢。

0 引 言

    在实际工业控制应用中，经常需要对现场的智能电表、空调等多种设备进行监测，通过采集相应设备的运行参数随时了解、跟踪设备运行状态 ，进而进行分析和诊断。结合具体项目，本文设计了一种基于嵌入式系统ARM 的多数据监测系统，系统以嵌入式Linux和博创公司的嵌入式微控制器PXA270为核心平台，通过将RS一485采集的数据转换成符合RS一232标准的数据，保存在嵌入式微处理器的Flash中，经过网络传输将数据传给E位机，完成对电表、空调的监测任务。整个系统建立在嵌入式结构上，具有更好的实时性和稳定性，同时硬件的体积更小，功耗更低，扩展性更强。

1 系统硬件设计

1．1 系统总体设计方案
    系统的总体设计思想是通过RS一232／485转换器将RS一485采集的电表参数、空调参数转换成符合RS一232标准的数据，保存在嵌入式微处理器Flash中，经Linux Socket网络编程，采用TCP协议和上位机建立网络连接，将数据文件发送给上位机，上位机运用C#语言编程实现监测数据的实时显示，同时建立数据库保存监测数据，从而完成对电表、空调数据的监测任务。其中Rs一485对电表、空调参数的读取是通过Modbus协议发送相关的指令实现的。
1．2 系统硬件电路
    该设计主要硬件电路包括数据采集模块、PXA270处理器、外围接口电路、电源及复位电路等几个部分。系统总体结构如图1所示。

     ARM 处理系统采用博创公司的Xscale PXA270处理器，其主频为520 MHz，加入了Intel SpeedStep动态电源管理技术，在保证CPU性能的情况下可最大限度地降低设备功耗，采用网络接口实现了数据信息的网络化管理。操作系统采用Linux，使用的是Linux 2．6．9内核。系统的根文件采用针对Flash无缓冲机制的JFFS2文件系统。

    为了利用PC上现有的RS一232接口，通常使用RS一232／485转换器。该转换器一般通过逻辑门电路控制RxD、TxD和GND信号，自动对半双工的RS一485串口进行控制。通过该转换器，就可以像开发通用的RS一232串口一样来快速开发基于RS一485串口的通信软件。

2 系统软件设计

    软件部分包括系统引导驱动程序otLoad—er、嵌入式操作系统ARM—Linux的移植、文件系统、用户应用程序4个部分，其中核心部分是用户应用程序的编写和调试。用户应用程序包括通过Modbus协议对采集得到的电表参数、空调参数的读取和保存，Linux Socket编程实现文件的发送，以及上位机监测端图形化界面的C}≠语言编程实现。

2．1 采集数据的读取和保存
    该部分实现电表和空调数据的读取，并保存在嵌入式微处理器Flash中。数据的读取通过Modbus协议向电表和空调发送相关指令获得，得到的数据通过调用fwrite()函数写入定义在嵌入式微处理器Flash的文件中。主要包括串口属性设置，CRC(Cyclic Redundancy Check)校验码实现方法，采用Modbus协议获得需要的数据，并写入嵌入式微处理器Flash的文件中。

2．1．1 设置串口属性
    串口设置主要是设置struct termios结构体成员值。通过对Cwcflag的赋值，可以设置波特率、字符大小、数据位、停止位、奇偶校验位和硬件流控等。
系统对于串口属性的设置如下：
(1)打开串El fd= open(“／dev／ttySO”，0一RDWR I O～ NOCTFY I O— NDELAY)。
(2)为安全起见和以后调试程序方便，先保存原先串口的配置：tcgetattr(fd，&newtio)。
(3)设置波特率为9 600 baud／s。一般情况下，用户需要将输入输出函数的波特率设置成相同。函数在成功时返回“0”，失败时返回“一1”。
(4)设置字符大小。没有现成可用函数，需要位掩码。一般先去除数据位中的位掩码，再重新按要求设置。
(5)设置奇偶校验位。先激活c—cflag中的校验位使能标志PARENB和判断是否要进行偶校验，同时还要激活c_iflag中的奇偶校验使能。
(6)设置停止位。通过激活c_cflag中的cS．TOPB实现。
(7)设置最少字符和等待时间。在对接收字符和等待时间没有特殊要求的情况下，可以将其设置为“0”。
(8) 激活配置。利用tcsetattr(fd，TC—SANOW，&newtio)函数。这里newtio是termios类型的变量，SANOW 表示改变的配置立即生效。

2．1．2 CRC校验码的实现方法
    CRC利用生成多项式产生校验位进行编码。CRC运算时，首先将一个16 bit的寄存器预置为全1，然后连续把数据帧中的每个字节中的8 bit与寄存器的当前值进行运算，仅每个字节的8个数据位参与生成CRC，起始位和终止位以及可能使用的奇偶位都不影响CRC。在生成CRC时，每个字节的8 bit与寄存器中的内容进行“异或”运算，然后将结果向低位移位，高位则用“0”补充，最低位(LSB)移出并检测。如果是1，该寄存器就与一个预设固定值(0A001H)进行一次“异或”运算；如果最低位为0，不作任何处理。上述处理重复进行，直到执行完8次移位操作。当最后一位(第8位)移完后，下一个8 bit与寄存器的当前值进行异或运算，同样进行上述的另一个8次移位异或操作。当数据帧中的所有字节都作了处理，生成的最终值为CRC值。

 2．1．3 通过RS一485通信采集数据

    系统采用Modbus．RTU ，通信应用格式如表1所示。Modbus协议详细定义了数据序列和校验码，这些都是特定数据交换的必要内容。

    以电表数据的监测进行说明。该系统需要获得与仪表工作相关的系统参数 ，包括PT 低字(0104H)、FF 高字(0105H)、PT2(0106H)、CT(0107H)、CT (0108H)等；监测参数，包括绝对值和有功电能E。 (010CH与OIDH)、绝对值和无功电能E l(010EH与010FH)、A相电压U。(0110H)、B相电压u2(0111H)、C相电压u3(0112H)、线电压U 2(0113H)、线电压U2(O114H)、线电压u (0115H)、相(线)电流I(0116H)、相(线)电流I (0117H)、相(线)电流I(0118H)、相电压均值U (0119H)、线电压均值U (011AH)、电流均值I (011BH)、系统有功功率P(011CH)、系统无功功率Q(011DH)、系统视在功率S(011EH)。按照Modbus．RTU协议通信应用格式，采用03号功能码(获得一个或多个寄存器的当前二进制值)，可定义如下数组分别读取上面两组对应数据：
unsigned char txBufl[]={0xl1，0x03，OxO1，0x04，0x00，0x05，0x16，0xa0}；
unsigned char txBuf2[]={0xl1，0x03，0x01，0x0c，0x00，0x19，0xf，0xff}；

涉及的主要过程描述如下：
(1)首先调用系统函数socket(int family，int type，int protoco1)创建TCP套接字。系统选用流式套接字SOCK—STREAM，它提供了一种面向连接的服务。
(2)bind将socket与本机上的一个端口相关联，可以在该端口监听服务请求，listen()函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们。
(3)accept()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用ac—cept()函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。
(4)初次建立连接，需要完成电表记录时间与上位机时间的同步。具体实现方法是：以PXA270微处理器为核心的终端，通过sendto()给上位机发送事先约定好的保存在S指向的数组中的字符串，上位机在收到字符串后给终端发送时间，终端接收时间，调用函数mktime()和set—timeo~ay()完成时间同步。
(5)调用open()函数打开保存在终端Flash的电表数据记录文件，并利用sendto()函数进行发送，每次发送完成都调用remove()函数将已经发送的记录数据清空。
(6)关闭socket套接字close(sock~)。

2．3 上位机监测端
    利用C精言通过Socket建立TCP连接，上位机在收到监测终端初次连接时事先约定好的保存在S指向的数组中的字符串后，发送系统时问给终端，进行时间同步，应用SQL Se~er 2000建立数据库，之后不断间隔性接收终端发送来的监测数据并存人数据库，供分析使用。编写图形化界面，显示最新的监测数据。上位机编程流程图如图3所示。实时监测图形化界面如图4所示。

3 结 语
     该系统实现了智能电表、空调参数多数据量的监测，主要完成了嵌入式操作系统ARM·Linu的移植，通过Modbus协议获得终端监测数据，并保存在嵌入式微处理器Flash中，实现数据文件的发送以及上位机对数据的处理显示。经试验，系统最终正常运行。

    与传统的数据监i贝0系统相比，该系统具有更好的安全性和实时性，同时硬件的体积更小，功耗更低，扩展性更强。对系统稍加修改，可以同时实现I／／O设备、UPS等更多数据量的实时监测，因此具有很强的实用意义。

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