譚立志，李二喜，張利民，吳桂清

（1.株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

高速鐵路客運(yùn)專線工程的大規(guī)模建設(shè)推動著我國國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，專線的建設(shè)工程規(guī)模大、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，要保證全線運(yùn)行的安全可靠，路基的高質(zhì)量建設(shè)是其重要保障，路基沉降值的大小對于高速列車的安全運(yùn)行、線路養(yǎng)護(hù)維修工作量及車輛軌道結(jié)構(gòu)設(shè)施的使用壽命等有著重要影響[1]。因此，在高速鐵路整個施工建設(shè)和運(yùn)行周期中必須加強(qiáng)對全線路基、橋梁、隧道實施全面的、連續(xù)的、可靠的、準(zhǔn)確的、長期的沉降位移監(jiān)測。

隨著Internet技術(shù)的逐漸普及，它對當(dāng)今社會的作用和影響也越來越大，從某種意義上來講，它提升了世界的可接入性。但是在工業(yè)控制領(lǐng)域，還有許多傳統(tǒng)的串口儀器被廣泛使用，這些儀器都面臨著數(shù)據(jù)集中、接入、控制和二次開發(fā)的新課題。儀器網(wǎng)絡(luò)化是解決此問題的唯一途徑，可這需要非常大的軟硬件投資，甚至?xí)^原設(shè)備的開發(fā)投資，代價實在太高。

本文中，將以高速鐵路路基沉降遠(yuǎn)程監(jiān)測為例，提供了一種基于AT91SAM9261的數(shù)據(jù)集中器設(shè)計方案，較好地解決了上文提出的問題，具有很好的推廣價值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

高速鐵路路基沉降遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由各類現(xiàn)場儀器、數(shù)字模塊、數(shù)據(jù)采集器以及監(jiān)控主機(jī)等組成。系統(tǒng)采用分布式組網(wǎng)方式，現(xiàn)場儀器負(fù)責(zé)采集能夠體現(xiàn)路基沉降變化水平的電流、電壓信號，系統(tǒng)通過處理后將之轉(zhuǎn)化為可以識別和計算的數(shù)字量。數(shù)據(jù)采集器支持與現(xiàn)場儀器的多種連接方式：可以通過電纜與儀器直接相連；也可以先連接數(shù)字模塊，數(shù)字模塊再以總線的形式連接多臺儀器。二者之間采用帶有屏蔽層的RS-485同軸電纜進(jìn)行連接，考慮現(xiàn)場儀器的野外露天運(yùn)行條件，系統(tǒng)提供了太陽能供電裝置確?，F(xiàn)場儀器在極端環(huán)境下的正常工作。在系統(tǒng)的最上層，監(jiān)控主機(jī)與數(shù)據(jù)集中器共同接入Internet，用戶可以通過遠(yuǎn)程訪問的形式對數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行動態(tài)在線監(jiān)測。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 System topology

2 數(shù)據(jù)集中器硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)集中器在整個高速鐵路路基監(jiān)測遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，能夠自動化采集分布在鐵路沿線的各類監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)，并為監(jiān)控主機(jī)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。因此，數(shù)據(jù)集中器是整個監(jiān)測系統(tǒng)的自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲及傳輸中心。

2.1 硬件設(shè)計框圖

系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計框圖Fig.2 Hardware design diagram

本系統(tǒng)芯片采用的是以ARM926EJ-S為核心的嵌入式微處理器AT91SAM9261，它是目前應(yīng)用最廣的工業(yè)級32位高性能嵌入式RISC處理器，它具有獨(dú)立的16K指令和16K數(shù)據(jù)cache、全功能的MMU虛擬內(nèi)存管理單元、DSP擴(kuò)展功能的指令集以及豐富的外部接口[2]，另外，該芯片功耗非常低，溫度適應(yīng)范圍廣，而且具有良好的抗電磁干擾能力，因此非常適用于環(huán)境惡劣多變的露天監(jiān)測環(huán)境。

考慮到數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)自帶的NAND Flash容量有限，因而專門設(shè)計了SD卡模塊，用于滿足系統(tǒng)長時間、大容量的存儲需求；另外，系統(tǒng)還設(shè)計了簡單的按鍵模塊以及液晶顯示模塊，用于現(xiàn)場布置和調(diào)試儀器參數(shù)使用。

2.2 以太網(wǎng)接口

ARM芯片AT91S AM9261本身自帶的以太網(wǎng)接口僅包括數(shù)據(jù)鏈路層及以上部分，沒有物理層。我們選用DM9000AEP芯片作為系統(tǒng)的以太網(wǎng)物理層接口。該芯片功能完整、成本低廉。支持外部處理器以字節(jié)、字、雙字等方式讀寫其內(nèi)部的EEPROM，可以自適應(yīng)10/100M以太網(wǎng)，支持全雙工模式下的流量控制，完全符合IEEE 802.3x標(biāo)準(zhǔn)。另外，該芯片還提供了4K雙字節(jié)的SRAM，可以很好地滿足本系統(tǒng)的需要。

2.3 多串口擴(kuò)展

文獻(xiàn)[3]針對數(shù)據(jù)采集儀上的多串口全雙工通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行了論述，本文在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)集中器串口模塊的擴(kuò)展。其中，多串口模塊采用硬件描述語言VHDL進(jìn)行FPGA設(shè)計[4]，使用Atmega128L微處理器對FPGA進(jìn)行配置，并通過FPGA和MCU方便地實現(xiàn)多串口的擴(kuò)展。

在數(shù)據(jù)集中器中，由于其串口數(shù)量較多（每臺數(shù)據(jù)集中器攜帶32個串口），如果使用專門的串口擴(kuò)展芯片，不僅價格昂貴，還會導(dǎo)致電路板體積變大，功耗升高，不能適應(yīng)惡劣多變的露天監(jiān)測環(huán)境。因此，在本系統(tǒng)中，我們將若干接口電路的功能集成到了一片PLD或FPGA芯片，該方法具有集成度高、體積小、功耗低和速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有用戶可編程能力，可以很方便地實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能重構(gòu)。

由于文章篇幅限制，其實現(xiàn)思路及程序代碼便不再贅述，具體可以參考文獻(xiàn)[3]。

3 嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建

從軟件角度來看，嵌入式Linux系統(tǒng)從上到下可以分為以下四個層次，即啟動與引導(dǎo)程序Bootloader、Linux內(nèi)核kernel、根文件系統(tǒng)root filesystem以及用戶應(yīng)用程序[5]。

3.1 交叉編譯環(huán)境的建立

嵌入式軟件開發(fā)中所采用的編譯為交叉編譯，所謂交叉編譯就是在一個平臺上生成可以在另一個平臺上執(zhí)行的代碼。搭建交叉編譯環(huán)境是嵌入式開發(fā)的第一步，也是必備的一步，選擇合適的交叉編譯器對于嵌入式開發(fā)是非常重要的[6]。在本系統(tǒng)中，主要涉及gcc、glibc、binutils等軟件的安裝，其中，binutils用于生成包括as、ld、objdump等在內(nèi)的一些輔助工具，以方便嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建。

3.2 U-boot的移植

U-boot（universal boot loader）是遵循GPL條款的開放源碼項目，U-boot在AT91SAM9261上的移植可以分為源代碼編譯，目標(biāo)板燒寫以及啟動配置3個步驟。U-boot源代碼可以從開源網(wǎng)站www.sourceforge.net方便獲取，本系統(tǒng)中使用的U-boot版本為1.3.4，將其進(jìn)行交叉編譯后，即可獲得對應(yīng)的二進(jìn)制可執(zhí)行文件。通過AT91系列處理器專門的燒寫工具sam-ba可以實現(xiàn)對Boot Loader的燒寫。最后，我們還需針對相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，設(shè)置U-boot中的環(huán)境變量，從而實現(xiàn)其對Linux的引導(dǎo)和啟動，這些環(huán)境變量主要包括ethaddr、ipaddr、serverip、stdin、stdout、stderr，等等。

3.3 Linux內(nèi)核的編譯及加載

Linux采用的單內(nèi)核體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)整個操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、文件管理以及設(shè)備驅(qū)動，Linux內(nèi)核由多個在功能上不同的模塊組成，各個模塊負(fù)責(zé)不同的事務(wù)處理且相互關(guān)聯(lián)，這一特性也方便了用戶對于內(nèi)核的裁剪，提高了其靈活性。在本系統(tǒng)中，可以直接使用Atmel公司提供的針對AT91SAM9261的Linux源代碼，并進(jìn)行相關(guān)的內(nèi)核裁剪和配置，然后使用make命令完成對Linux內(nèi)核的編譯。最后，還需要通過U－boot的mkimage命令，在原映像文件頭部添加64字節(jié)的結(jié)構(gòu)體用于記錄啟動參數(shù)信息，即可實現(xiàn)U－boot對Linux內(nèi)核的加載。

3.4 Linux根文件系統(tǒng)的制作

在嵌入式系統(tǒng)中，Yaffs是針對NAND Flash而特別設(shè)計的文件系統(tǒng)。它去掉了一些多余功能，所以執(zhí)行速度更快、內(nèi)存占用更少，同時具有對NAND Flash的保護(hù)機(jī)制，可以延長其使用壽命。我們可以直接通過“git clone git：//www.aleph1.co.uk/yaffs2”下載Yaffs源碼并進(jìn)行相關(guān)編譯。另外，考慮到Linux本身并沒有提供對Yaffs的支持，因此還需額外將Yaffs源碼復(fù)制到Linux源碼中，并對其進(jìn)行重新編譯。為了構(gòu)造完整的嵌入式Linux系統(tǒng)，除Linux內(nèi)核外，還需引入對Busybox的支持，它是一個集成了一百多個最常用linux命令和工具的軟件工具包。為簡單起見，我們采取了Busybox的默認(rèn)配置，在編譯完成后，將之安裝在系統(tǒng)的/usr/local/busybox目錄下。最后，我們通過Yaffs2制作工具將該目錄制作成Yaffs2格式的文件系統(tǒng)，至此，則整個Linux根文件系統(tǒng)制作完畢。

4 數(shù)據(jù)集中器軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，數(shù)據(jù)集中器的軟件模塊框圖如圖3所示。其功能主要可以分為以下幾個部分：

1）數(shù)據(jù)采集：通過調(diào)用儀器信息庫中的儀器數(shù)據(jù)，結(jié)合不同廠家的通信協(xié)議，以串口通信的方式實現(xiàn)對高速鐵路沿線各類現(xiàn)場儀器的實時數(shù)據(jù)采集；

2）數(shù)據(jù)存儲：對采集上來的電壓、電流信號，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將之轉(zhuǎn)化為可以識別和計算的數(shù)字量，并進(jìn)行存儲；

3）業(yè)務(wù)調(diào)度：對數(shù)據(jù)集中器的各項業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度處理，包括人機(jī)交互以及處理來自監(jiān)控主機(jī)的查詢、設(shè)置設(shè)備參數(shù)、用戶管理以及數(shù)據(jù)提取等指令；

4）網(wǎng)絡(luò)通信：負(fù)責(zé)與監(jiān)控主機(jī)之間的通信，監(jiān)控主機(jī)可以據(jù)此對數(shù)據(jù)集中器的設(shè)備參數(shù)以及用戶管理等進(jìn)行相關(guān)設(shè)置與查詢。

4.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)需要不同種類儀器的協(xié)同工作，由于各生產(chǎn)廠家的通信協(xié)議差異較大，必須要求軟件能夠兼容所有協(xié)議且具有良好的拓展性。因此，將圖3中的通信協(xié)議Protocol類設(shè)為抽象類，為外部調(diào)用提供統(tǒng)一接口，而具體的協(xié)議實現(xiàn)則交由各繼承類來完成。利用工廠方法模式（Factory Method），定義一個用于創(chuàng)建協(xié)議對象的通用接口，從而將協(xié)議對象的實例化延遲到子類階段，方便以后對協(xié)議種類的擴(kuò)展。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖Fig.3 System software diagram

如圖4，Protocol類為工廠方法模式創(chuàng)建協(xié)議對象的接口，Protocol_Digital、Protocol_CCD、Protocol_Module等由Protocol類派生，表示不同種類儀器的具體協(xié)議。

圖4 工廠方法模式Fig.4 Factory method

在程序設(shè)計中，根據(jù)依賴倒轉(zhuǎn)原則，我們把工廠方法類Protocol_Creator抽象成一個接口，該接口中包含方法CreateProtocol，用于創(chuàng)建抽象類Protocol的對象；然后在所有具體的協(xié)議類中都添加對該接口的實現(xiàn)。

此時，如果要為數(shù)據(jù)集中器添加新的儀器協(xié)議，就不再需要修改頂層的Protocol_Creator類，而只需添加對應(yīng)的協(xié)議Protocol_XXX以及相應(yīng)的工廠接口XXX_Creator即可。

4.2 數(shù)據(jù)存儲

在本系統(tǒng)中采用SQLite數(shù)據(jù)庫用于數(shù)據(jù)存儲，它支持豐富的SQL語句，是遵守ACID事務(wù)的關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有可移植性好、代碼體積小、易于使用、高效可靠、零配置管理等特點(diǎn)[7]。特別值得一提的是，SQLite還支持觸發(fā)器以及事務(wù)處理。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊接收到數(shù)據(jù)后，我們首先將數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存中，直至數(shù)據(jù)接收完畢，系統(tǒng)會對數(shù)據(jù)包的完整性進(jìn)行檢查，隨后進(jìn)行事務(wù)提交，即一次性地將全部接收到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，從而提高了數(shù)據(jù)庫的讀寫速度。當(dāng)測量現(xiàn)場由于監(jiān)控需求變更或儀器故障損壞，而導(dǎo)致儀器信息發(fā)生變動時，現(xiàn)場工作人員可以配合按鍵操作，自動調(diào)用SQLite觸發(fā)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中相關(guān)表的級聯(lián)更改，提高工作效率。另外，對于其他一般性事務(wù)，可以通過sqlite3_exec函數(shù)執(zhí)行指定的SQL語句，該函數(shù)可以設(shè)置回調(diào)函數(shù)，方便用戶當(dāng)執(zhí)行查詢等操作時對查詢結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步處理。

4.3 業(yè)務(wù)調(diào)度

系統(tǒng)業(yè)務(wù)調(diào)度相當(dāng)于數(shù)據(jù)集中器的粘合劑，它不僅要負(fù)責(zé)處理用戶的按鍵輸入以及液晶顯示，還要處理來自監(jiān)控主機(jī)的各類指令，并將處理結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式返回給監(jiān)控主機(jī)，從而實現(xiàn)高速鐵路路基沉降的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。

其流程圖如圖5所示，在系統(tǒng)初始化過程中，業(yè)務(wù)調(diào)度模塊優(yōu)于其他模塊進(jìn)行執(zhí)行，隨后以非阻塞的方式順序循環(huán)檢測按鍵事件以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有業(yè)務(wù)到達(dá)時，即跳轉(zhuǎn)到業(yè)務(wù)處理流程，待執(zhí)行完畢后系統(tǒng)返回主線程繼續(xù)操作。從圖中可以看出，按鍵事件的業(yè)務(wù)優(yōu)先級高于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，這樣可以保證工程人員在現(xiàn)場配置數(shù)據(jù)集中器參數(shù)時，能夠避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的干擾，得到快速及時的響應(yīng)。

圖5 業(yè)務(wù)調(diào)度流程Fig.5 Business scheduling process

數(shù)據(jù)集中器包括四個物理按鍵，在按鍵事件處理過程中，通過調(diào)用read函數(shù)，讀取按鍵所對應(yīng)的設(shè)備文件/dev/event0，并加以判斷。我們在程序中規(guī)定，按鍵時間小于150 ms系統(tǒng)不予響應(yīng)，按鍵時間介于150 ms和600 ms之間觸發(fā)“短按”事件，按鍵時間大于600 ms觸發(fā)“長按”事件。

4.4 網(wǎng)絡(luò)通信

考慮到數(shù)據(jù)集中器與監(jiān)控主機(jī)之間開發(fā)平臺的差異，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用基于傳輸控制協(xié)議TCP的Socket通信來實現(xiàn)。

4.4.1 選擇高效的網(wǎng)絡(luò)I/O方法

傳統(tǒng)的處理網(wǎng)絡(luò)I/O的技術(shù)分為多進(jìn)程、多線程同步阻塞I/O以及SELECT、POLL的單線程事件驅(qū)動I/O等方式[8]。其中多線程、多進(jìn)程同步阻塞網(wǎng)絡(luò)I/O技術(shù)因為存在Forking以及切換上下文時的巨大開銷，并不太適合處理高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)連接；而SELECT、POLL的單線程事件驅(qū)動I/O技術(shù)由于要持續(xù)不斷地寫入Socket或者POLL FD結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致不斷地拷貝用戶空間和內(nèi)核空間，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不斷加大時，系統(tǒng)性能就會急劇惡化。

考慮到數(shù)據(jù)集中器的實際工作環(huán)境，我們采用EPOLL單線程事件驅(qū)動I/O技術(shù)，它已集成在Linux 2.6及以上版本的內(nèi)核中，該技術(shù)具有套接字遍歷時間短、內(nèi)存讀寫次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。其使用要點(diǎn)可簡單歸納如下：

1）定義結(jié)構(gòu)體epoll_event，聲明變量epoll_event ev和指針*pev，其中ev用于登記EPOLL事件，以便處理監(jiān)控主機(jī)的Socket連接，pev用于指向當(dāng)前活躍的ev；

2）調(diào)用epoll_create函數(shù)，創(chuàng)建用于EPOLL事件的文件描述符，并調(diào)用epoll_ctl函數(shù)注冊ev事件；

3）調(diào)用epoll_wait等待EPOLL事件發(fā)生，在用戶進(jìn)行I/O操作時，EPOLL作為一種異步事件通知機(jī)制，會首先查詢I/O的可讀寫狀態(tài)，并通過epoll_wait進(jìn)行通知，再由用戶決定是否讀寫。

4.4.2 請求使用機(jī)制

由于數(shù)據(jù)集中器是暴露在公共網(wǎng)絡(luò)中的，因此其安全問題就顯得尤為重要，本系統(tǒng)通過請求使用操作來解決上述問題，如圖6所示，只有請求使用成功的監(jiān)控主機(jī)才可以向數(shù)據(jù)集中器進(jìn)一步進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問；監(jiān)控主機(jī)在完成遠(yuǎn)程訪問后要及時退出使用，以便其他監(jiān)控主機(jī)來獲得使用權(quán)。為了防止某監(jiān)控主機(jī)在進(jìn)入可操作狀態(tài)后上位機(jī)軟件的非正常中斷，我們規(guī)定，在某連接可操作后，如果連續(xù)2分鐘內(nèi)沒有任何操作則退回到待批準(zhǔn)狀態(tài)。

圖6 請求使用機(jī)制Fig.6 Request-use mechanism

5 結(jié)束語

我們在高速鐵路某路段沿線布置了10臺數(shù)據(jù)集中器，并在距離監(jiān)控現(xiàn)場200Km外的監(jiān)控主機(jī)上安裝了配套的上位機(jī)監(jiān)測軟件，經(jīng)過測試，在掛接35臺數(shù)字模塊和400余只儀器的情況下，系統(tǒng)依然能夠穩(wěn)定工作。

在設(shè)計中，我們有針對性地使用Atmega128L微處理器對FPGA進(jìn)行配置，并通過FPGA和MCU方便地實現(xiàn)多串口的擴(kuò)展；根據(jù)實際監(jiān)測需求合理處理儀器通信協(xié)議，運(yùn)用工廠方法模式（Factory Method），方便以后對協(xié)議種類的擴(kuò)展；充分運(yùn)用SQLite數(shù)據(jù)庫的update觸發(fā)器以及事務(wù)處理能力，提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫性能，采用EPOLL單線程事件驅(qū)動I/O技術(shù)，提升了數(shù)據(jù)集中器的網(wǎng)絡(luò)并發(fā)通信處理能力；采取請求使用機(jī)制，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)集中器的網(wǎng)絡(luò)安全性。

系統(tǒng)充分結(jié)合實際監(jiān)控環(huán)境的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)輕巧，層次清晰，有效地實現(xiàn)了所需功能。做到了轉(zhuǎn)換協(xié)議正確，數(shù)據(jù)傳輸完整，滿足高速鐵路路基沉降的監(jiān)控要求，具有節(jié)約投資，可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于交通、電力、礦山、水利等工業(yè)控制領(lǐng)域。

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