劉嘉寧，簡(jiǎn)秦勤

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)數(shù)據(jù)采集已由傳統(tǒng)的測(cè)控電路發(fā)展為由微型計(jì)算機(jī)、接口電路、外部通用設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象等組成的現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)［1］。但是以微型計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也逐漸暴露出許多缺陷:體積大，不易攜帶;擴(kuò)展性差、成本高等。因此，以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備可靠性高、體積小、易擴(kuò)展、開(kāi)發(fā)周期短、成本低的特點(diǎn)使其的成為未來(lái)的通信控制發(fā)展趨勢(shì)［2］。

1 系統(tǒng)工作原理及框架

存儲(chǔ)板通電后，程序自啟動(dòng)首先用Socket建立服務(wù)器等待PC端的配置信息，PC端按順序發(fā)送時(shí)間幀和手機(jī)號(hào)碼幀，當(dāng)其中任何一個(gè)不滿足幀格式或者校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，存儲(chǔ)板都會(huì)向PC端發(fā)送相應(yīng)的重傳指令，兩個(gè)配置幀都得到正確的解析后打開(kāi)與下位機(jī)通信的串口ttys1，與GSM模塊通信的串口ttys2和與PC端通信的串口ttys3，然后設(shè)定內(nèi)核定時(shí)器，將超時(shí)消息的處理設(shè)置為發(fā)送數(shù)據(jù)短信的程序，這樣就實(shí)現(xiàn)了定時(shí)發(fā)送短信通知的功能，然后用異步I/O函數(shù)Select監(jiān)聽(tīng)所有的輸入輸出，某個(gè)端口若有消息就會(huì)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的消息處理函數(shù)中，處理完后返回Select函數(shù)繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)。

2 程序模塊說(shuō)明

該系統(tǒng)主要由配置幀處理模塊，定時(shí)短信群發(fā)模塊3部分組成。

2.1 配置幀處理模塊

配置幀處理模塊主要功能為接收并解析PC端的配置幀。首先程序用Socket建立滿足TCP協(xié)議的服務(wù)器等待PC端發(fā)起的連接，若收到連接首先自定義握手協(xié)議。檢查正常后開(kāi)始接收配置幀，程序根據(jù)接收配置幀的幀頭和幀尾來(lái)判斷為時(shí)間幀還是手機(jī)號(hào)碼幀，若確定為時(shí)間幀，在做完和校驗(yàn)檢查數(shù)據(jù)后，提取出數(shù)據(jù)時(shí)間和與PC通信的串口波特率放在相應(yīng)的全局變量，若校驗(yàn)發(fā)生錯(cuò)誤則向PC端發(fā)送time指令表明時(shí)間幀格式錯(cuò)誤需要重發(fā)，若正確則向PC發(fā)送success指令表明時(shí)間幀接收成功。PC端接收到success指令后開(kāi)始發(fā)送手機(jī)號(hào)碼幀，若和校驗(yàn)錯(cuò)誤則向PC發(fā)送phone指令，若正確將轉(zhuǎn)入5 Byte的手機(jī)號(hào)碼轉(zhuǎn)換成11位用ASCII碼表示的手機(jī)號(hào)，此后向PC端發(fā)送success指令表明手機(jī)號(hào)碼幀接收成功。

圖1 系統(tǒng)的工作流程圖

2.2 定時(shí)短信群發(fā)模塊

定時(shí)短信群發(fā)模塊的主要功能是將采集的數(shù)據(jù)解析后通過(guò)短信的模式通知用戶，其又分為:GSM初始化模塊和短信群發(fā)模塊。程序通過(guò)串口將AT指令發(fā)送給GSM模塊達(dá)到對(duì)其控制的目的。

2.2.1 GSM初始化模塊

此模塊的主要功能為初始化GSM模塊的短信功能并群發(fā)信息給用戶通知其GSM模塊正常工作。根據(jù)MG323的操作手冊(cè)在正常發(fā)送信息前依次執(zhí)行以下步驟［3］:(1)發(fā)送“AT”確認(rèn)ARM 與GSM 模塊連接的串口正常。(2)發(fā)送“ATE0”關(guān)閉回顯，這樣在調(diào)試程序時(shí)輸入的命令不會(huì)在由GSM模塊返回而打印在屏幕上。(3)發(fā)送“AT+CPIN”確認(rèn)SIM卡鑒權(quán)成功。(4)發(fā)送“AT+CNMI=1，1，2”設(shè)置短信通知方式。(5)發(fā)送“AT+CMGF=0”，設(shè)置短信格式為 PDU。(6)發(fā)送“AT+CSCA=+8613800290500”，設(shè)置短信息中心號(hào)碼。(7)發(fā)送“＂AT+CSCS=＂UCS2＂”，設(shè)置字符編碼為USC2。

在GSM對(duì)每條命令都回復(fù)OK表明設(shè)定成功后就表明GSM模塊可以按照設(shè)定的功能工作，短信采用PDU格式的編碼，一般的PDU編碼由A～M 13項(xiàng)組成:A:短信息中心地址長(zhǎng)度，2位16進(jìn)制數(shù)(1 Byte);B:短信息中心號(hào)碼類型，2位16進(jìn)制數(shù);C:短信息中心號(hào)碼，B+C的長(zhǎng)度將由A中的數(shù)據(jù)決定;D:文件頭字節(jié)，2位16進(jìn)制數(shù);E:信息類型，2位16進(jìn)制數(shù);F:被叫號(hào)碼長(zhǎng)度，2位16進(jìn)制數(shù);G:被叫號(hào)碼類型，2位16進(jìn)制數(shù)，取值同B;H:被叫號(hào)碼，長(zhǎng)度由F中的數(shù)據(jù)決定;I:協(xié)議標(biāo)識(shí)，2位16進(jìn)制數(shù);J:數(shù)據(jù)編碼方案，2位16進(jìn)制數(shù);K:有效期，2位16進(jìn)制數(shù);L:用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，2位16進(jìn)制數(shù);M:用戶數(shù)據(jù)，其長(zhǎng)度由L中的數(shù)據(jù)決定。

分別按照要求填充A～K字段，用戶數(shù)據(jù)為“GSM模塊初始化成功”，通過(guò)漢字Unicode轉(zhuǎn)換工具查找每個(gè)字符對(duì)應(yīng)的USC2編碼值填充到M字段，然后以Byte為單位計(jì)算器長(zhǎng)度填充到L字段，至此將PDU格式編碼的AT指令發(fā)送給GSM模塊便能實(shí)現(xiàn)短信通知用戶初始化成功的功能。

2.2.2 短消息群發(fā)模塊

由于GSM初始化模塊已將其配置好，所以短信群發(fā)模塊的主要功能就是提取當(dāng)前主數(shù)據(jù)文件中存儲(chǔ)的最新一幀數(shù)據(jù)，和校驗(yàn)正確后將其解析成數(shù)據(jù)并填充成PDU格式的短信群發(fā)給用戶。這里主要的難點(diǎn)在于將二進(jìn)制表示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USC2編碼的字符，因?yàn)槲募械臄?shù)據(jù)以Byte存儲(chǔ)，每個(gè)數(shù)據(jù)占2 Byte，所以首先將2 Byte型合并成一個(gè)短整型來(lái)表示一個(gè)完整數(shù)據(jù)，通過(guò)轉(zhuǎn)換將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USC2編碼的數(shù)據(jù)，其中頁(yè)面高度系數(shù)共占6位，小數(shù)點(diǎn)占1位，小數(shù)占1位，溫度系數(shù)共占6位，小數(shù)點(diǎn)占1位，小數(shù)部分占1位，以上兩個(gè)系數(shù)的整數(shù)部分不滿6位都在左側(cè)補(bǔ)0。

為最終在短信上收到的數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)如0123.1 m這樣格式的數(shù)據(jù)，要將其左側(cè)的“0”去除，同時(shí)也要注意不要將0.01℃ 前面的“0”去除，這樣處理后便會(huì)使手機(jī)短信上的數(shù)據(jù)達(dá)到良好的效果。

2.3 I/O控制模塊

I/O控制模塊的主要功能是接收和存儲(chǔ)下位機(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同時(shí)響應(yīng)PC端的指令，通過(guò)網(wǎng)口和串口發(fā)送數(shù)據(jù)。

由于在Linux中對(duì)如串口和網(wǎng)絡(luò)這些I/O操作的系統(tǒng)函數(shù)均為阻塞函數(shù)，若隨意使用將導(dǎo)致程序阻塞在某個(gè)I/O中，用多線程實(shí)現(xiàn)雖然可以解決阻塞問(wèn)題，但同時(shí)帶來(lái)的代碼復(fù)雜度和多線程的同步處理問(wèn)題會(huì)加大代碼設(shè)計(jì)難度。系統(tǒng)采用單進(jìn)程設(shè)計(jì)，采用異步監(jiān)聽(tīng)函數(shù)select，此函數(shù)可以對(duì)所有輸入和輸出端口的監(jiān)聽(tīng)，若對(duì)應(yīng)端口有消息便跳入消息處理函數(shù)中，處理完后繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，達(dá)到了單進(jìn)程處理阻塞函數(shù)的目的［4］。

I/O控制模塊的主體是select函數(shù)，按輸入輸出分為下位機(jī)串口接收模塊，上位機(jī)網(wǎng)口發(fā)送模塊和上位機(jī)串口發(fā)送模塊。

2.3.1 下位機(jī)串口接收模塊

串口從下位機(jī)接收的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)和校驗(yàn)，校驗(yàn)正確后首先存儲(chǔ)在緩沖數(shù)據(jù)文件中并對(duì)其計(jì)數(shù)，達(dá)到緩沖數(shù)據(jù)文件的上限后，將緩沖文件的數(shù)據(jù)向主數(shù)據(jù)文件拷貝，主數(shù)據(jù)文件以追加寫的方式打開(kāi)，緩沖數(shù)據(jù)文件在拷貝后清空，采用主數(shù)據(jù)和緩沖數(shù)據(jù)交替拷貝的方法能提高存儲(chǔ)效率并防止意外斷電造成的數(shù)據(jù)損失。主數(shù)據(jù)文件設(shè)置存儲(chǔ)軟上限，待主數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)滿后采用FIFO方案，從緩沖文件新接收的數(shù)據(jù)卸載主數(shù)據(jù)文件尾并將文件前移，把起始數(shù)據(jù)“擠出”，以確保數(shù)據(jù)文件的時(shí)間順序且不超出存儲(chǔ)軟上限。

2.3.2 上位機(jī)網(wǎng)口發(fā)送模塊

上位機(jī)的網(wǎng)口發(fā)送模塊主要為服務(wù)器端，在和PC建立連接前先進(jìn)行軟件協(xié)定的握手，這樣確保了應(yīng)用層的連接正常。服務(wù)器對(duì)于PC端發(fā)送的連接請(qǐng)求采用“一次連接，多次處理，一次釋放”的原則，用單進(jìn)程便能完好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的通信，在收到PC端“transmit”指令后便從主數(shù)據(jù)文件開(kāi)始以2 048 Byte的偏移量將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端，等到數(shù)據(jù)全部發(fā)送完后，向PC端發(fā)送“over”指令表明數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

2.3.3 上位機(jī)串口發(fā)送模塊

上位機(jī)的串口發(fā)送模塊和網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)模塊類似，只是將建立服務(wù)器用socket發(fā)送換成普通的串口讀寫，同樣發(fā)送完數(shù)據(jù)后要發(fā)送“over”指令表明數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

3 結(jié)束語(yǔ)

在嵌入式Linux系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了綜合通信控制系統(tǒng)，他完成了對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集以及對(duì)上位機(jī)的指令響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ?，同時(shí)利用GSM無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)了定時(shí)短消息群發(fā)的功能［5］。此系統(tǒng)功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定接口簡(jiǎn)單，是一種高準(zhǔn)確性、高實(shí)時(shí)性、小型化、智能化的新型發(fā)展平臺(tái)。考慮到工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)可靠性、靈活性及成本和經(jīng)濟(jì)效益的要求，將嵌入式系統(tǒng)用于通信控制和數(shù)據(jù)采集具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］魏忠，蔡勇，雷紅衛(wèi).嵌入式開(kāi)發(fā)詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［2］萬(wàn)國(guó)光.中國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)向第三代過(guò)渡的探討［J］.電信快報(bào)，2000(2):5-8

［3］華為技術(shù)有限公司.HUAWEI MG323 GSM M2M模塊軟件指南［M］.深圳:華為技術(shù)有限公司，2010.

［4］孫瓊.嵌入式Linux應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［5］司棟森.嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2001(1):45-48.