閏江寶 張長(zhǎng)勝 趙振剛 李川 譚向宇

摘要：應(yīng)用4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信及嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一款無(wú)線數(shù)采控制器，該數(shù)采控制器采用S3C2440作為主控制器。闡述了系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，硬件設(shè)計(jì)介紹了硬件的構(gòu)成及功能；軟件設(shè)計(jì)包括Linux嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、調(diào)試，應(yīng)用程序軟件的開(kāi)發(fā)、調(diào)試等。

關(guān)鍵詞：4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信；嵌入式系統(tǒng)；數(shù)采控制器；S3C2440；Linux

中圖分類(lèi)號(hào)：TP929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.020

引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，功能越來(lái)越全，更需要一種高效、簡(jiǎn)潔、高性?xún)r(jià)比的無(wú)線傳輸方式。隨著無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬逐漸增大、通信速率增大、通信質(zhì)量也有較大提高，使得數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸變得高效、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、錯(cuò)誤率低。目前，在生活中我們使用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊種類(lèi)中，使用最寬、最廣的就是4G通信，本文設(shè)計(jì)了一套由嵌入式與4G無(wú)線通信模塊構(gòu)成的無(wú)線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足多數(shù)環(huán)境的需要。

1 系統(tǒng)的總體方案

應(yīng)用4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信及嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一款無(wú)線數(shù)采控制器。無(wú)線數(shù)采控制器采用ARM9架構(gòu)的S3C2440芯片作為CPU，USR-G401t型4G無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)4G無(wú)線通信，SP485芯片實(shí)現(xiàn)RS485通信，開(kāi)關(guān)量輸入輸出信號(hào)通過(guò)光耦芯片進(jìn)行隔離，SD卡作為數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)，操作系統(tǒng)選擇嵌入式Linux，同時(shí)對(duì)該設(shè)備硬件、軟件實(shí)現(xiàn)作詳細(xì)的研究分析。下圖是4G無(wú)線數(shù)采控制器的結(jié)構(gòu)。

如圖1所示的4G無(wú)線數(shù)采控制器，圖中可以看出，該設(shè)備包括：16路繼電器輸出模塊，16路開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入模塊，1路4G無(wú)線通信模塊，2路RS-485通信模塊（通過(guò)應(yīng)用程序軟件可以實(shí)現(xiàn)各種協(xié)議的485通信，可實(shí)現(xiàn)和各種儀表及PLC進(jìn)行通信），1路SD卡模塊（用于少量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)）。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心板電路設(shè)計(jì)

核心板上包括了S3C2440芯片、Flash存儲(chǔ)芯片（K9F1216UOA） 、ROM存儲(chǔ)芯片

（HY57V561620FTP-H）、時(shí)鐘電路元件及電源電路電子元件等。核心板設(shè)計(jì)成獨(dú)立的板卡，將所有功能引腳引出后給主板使用，采用6層電路PCB板。Flash存儲(chǔ)電路分為Nor Flash和Nand Flash兩種存儲(chǔ)電路，Nor Flash的存儲(chǔ)容量為16MB（用來(lái)存儲(chǔ)引導(dǎo)程序），Nand Flash的存儲(chǔ)容量為1GB（系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況使用該容量完全滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行要求），SDRAM的存儲(chǔ)容量為512MB核心板的設(shè)計(jì)主要是為實(shí)現(xiàn)版塊的公用性，可以使用于不同的主板。內(nèi)存及Flash存儲(chǔ)要能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的最小需求，同時(shí)要求具有較好散熱性能。

2.2 主板電路設(shè)計(jì)

2.2.1 主板繼電器輸出部分

在現(xiàn)場(chǎng)中設(shè)備所有外部電源及開(kāi)關(guān)量信號(hào)都是直流24V，考慮到繼電器的輸出能力及穩(wěn)定性等，在設(shè)計(jì)繼電器輸出時(shí)也設(shè)計(jì)為24V電源驅(qū)動(dòng)，干接點(diǎn)輸出。

輸出信號(hào)電路的設(shè)計(jì)時(shí)采用TLP521光耦合器進(jìn)行隔離，以避免外部的高壓或反向電壓的注入燒毀核心元器件。根據(jù)手冊(cè)可以選擇光耦合器輸入信號(hào)端的電阻大小即為15011左右的電阻作為限流使用，如圖2所示。

2.2.2 主板SD卡部分

由于系統(tǒng)采用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于4G網(wǎng)絡(luò)存在不穩(wěn)定性，故有些數(shù)據(jù)不能夠?qū)崟r(shí)的傳輸?shù)街锌刂行模谠O(shè)計(jì)時(shí)考慮了SD卡，用來(lái)存儲(chǔ)一些重要的數(shù)據(jù)。SD卡的設(shè)計(jì)如圖3所示。

DATO、DAT1、DAT3、CMD信號(hào)線都采用10KΩ電阻上拉至3.3V，目的是增強(qiáng)電路的驅(qū)動(dòng)能力，nCD信號(hào)用于檢測(cè)SD卡是否插入，當(dāng)卡沒(méi)有插入卡座時(shí)，該引腳為高電平，當(dāng)卡完全插入卡座的時(shí)候，nCD被拉為低電平。WP信號(hào)腳是用來(lái)檢測(cè)SD卡是否有寫(xiě)保護(hù)，原理和卡的插入檢測(cè)是一樣的，故采用R49下拉電阻接地。

2.2-3 串口通訊電路

現(xiàn)場(chǎng)需要采集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如果采用4?20mA的模擬信號(hào)采集，采集器得設(shè)計(jì)很多的模擬信號(hào)的采集通道。故我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)就考慮采用通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，可以減少現(xiàn)場(chǎng)的布線及后期的維護(hù)工作，且可以保證數(shù)據(jù)的可靠性。設(shè)計(jì)通信時(shí)，我們采用兩線制RS485串行通信，MODBUSRTU通信協(xié)議進(jìn)行通信，其實(shí)現(xiàn)電路原理圖如圖4所示。

2.3 4G無(wú)線模塊電路設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)卡采用現(xiàn)有模塊化電路，電源由主板供應(yīng)，主板可以提供給該子版塊穩(wěn)定的3.8V電源。4G無(wú)線網(wǎng)卡選用USR-G40U，采用USB接口模式進(jìn)行通信。4G無(wú)線模塊USIM卡電路如圖5。

USIM卡的接口速率為3.25MHz左右，因此USIM卡座的布局應(yīng)該取最近于USR-G401T位置，避免走線過(guò)長(zhǎng)，最好對(duì)各信號(hào)線作地線包絡(luò)。CLK、IO、RESET這三個(gè)信號(hào)需要增加47pF的電容用于濾除天線信號(hào)的干擾，CLK、IO、RESET及VCC這四個(gè)信號(hào)都需要進(jìn)行防靜電保護(hù)措施。USIM卡接口ESD（Electro-Static Dischang即靜電釋放）防護(hù)，如上圖所示，電路中采用了瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）來(lái)作為板卡的靜電防護(hù)，PCB板布線的時(shí)候TVS要盡量的靠近SIM卡放置。

3 軟件設(shè)計(jì)

該控制器采用嵌入式設(shè)計(jì)，在選擇嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，我們選擇開(kāi)源Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為L(zhǎng)inux-2.6.30.4。

3.1 驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)

嵌入式設(shè)備基本都是根據(jù)需求完全定制化開(kāi)發(fā)的，故不能夠找到完整的驅(qū)動(dòng)程序支持系統(tǒng)，這就需要我們進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)軟件我們可以在網(wǎng)絡(luò)上找到很多軟件來(lái)建立開(kāi)發(fā)環(huán)境，本次我們使用的是Eclipse軟件來(lái)開(kāi)發(fā)我們的驅(qū)動(dòng)程序。開(kāi)發(fā)完成后我們需要在內(nèi)核系統(tǒng)中添加對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的支持，然后配置內(nèi)核，完成后編譯成功后燒寫(xiě)到設(shè)備才能能夠運(yùn)行。

進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)流程如圖6所示。

3.2 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)是建立在操作系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)之上，通過(guò)操作系統(tǒng)接口及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接口應(yīng)用Eclipse開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)需要的應(yīng)用程序。操作系統(tǒng)提供了需要的大部分功能接口函數(shù)，而要獲取外部設(shè)備的數(shù)據(jù)則需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序接口來(lái)應(yīng)用外設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

設(shè)備設(shè)計(jì)的是無(wú)人值守的，故在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)論出現(xiàn)任何誘因?qū)е略O(shè)備故障或者死機(jī)時(shí)，都要盡量能夠保證應(yīng)用程序的復(fù)位、數(shù)據(jù)的恢復(fù)，最壞的情況下要能夠保證設(shè)備能夠自動(dòng)重啟。復(fù)位、初始化所有的外設(shè)、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序，并啟動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行工作，必要時(shí)要能夠?qū)⒐收锨暗倪\(yùn)行狀態(tài)再次導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序，繼續(xù)運(yùn)行故障前的作業(yè)。設(shè)計(jì)軟件時(shí)應(yīng)該充分應(yīng)用看門(mén)狗，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自復(fù)位功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的“自修復(fù)”、“無(wú)故障”工作狀態(tài)。

系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)各個(gè)子功能及業(yè)務(wù)流程后，設(shè)備還不能夠按照項(xiàng)目需求運(yùn)行，設(shè)備還在不能夠運(yùn)行起來(lái)，只實(shí)現(xiàn)了各部分的功能，還需要一個(gè)管理應(yīng)用程序，將之前設(shè)計(jì)的各種功能、各種業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，將各個(gè)子功能的業(yè)務(wù)綜合的統(tǒng)一起來(lái)、結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目需求，這就是所要開(kāi)發(fā)的設(shè)備數(shù)采應(yīng)用程序。其實(shí)以上所有的應(yīng)用程序都是該數(shù)采應(yīng)用程序的子程序，數(shù)采應(yīng)用程序協(xié)調(diào)著各個(gè)外設(shè)的工作，處理著各個(gè)外設(shè)的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)流程圖如圖7所示。

4 控制器的性能評(píng)估、測(cè)試

4.1 硬件性能測(cè)試

設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)和在實(shí)驗(yàn)階段完全不一樣的，實(shí)驗(yàn)階段使用的電源、信號(hào)等都是相當(dāng)?shù)钠椒€(wěn)的，沒(méi)有較大波動(dòng)，也不存在雷擊、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、欠流、靜電、摔撞、電磁干擾、溫度、濕度、冷露、結(jié)冰、鼠蟲(chóng)等影響，故設(shè)備都能夠正常的運(yùn)行，但是在現(xiàn)場(chǎng)引用的過(guò)程中往往出現(xiàn)的考究設(shè)備性能的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只以上情況。故在測(cè)試硬件性能上要對(duì)設(shè)備的供電、信號(hào)輸入/輸出、通訊接口等進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，以保證設(shè)備在一定的外部干擾環(huán)境下能夠穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

4.2 軟件性能測(cè)試

軟件會(huì)受到硬件的新增、刪除、更改、故障的影響，會(huì)受到使用者的操作的影響，還會(huì)受到軟件自身運(yùn)行的影響，同時(shí)還會(huì)受到數(shù)據(jù)拷貝過(guò)程中數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)溢出、數(shù)據(jù)損壞的影響，在實(shí)際使用時(shí)往往還會(huì)遇到很多其他因素的影響導(dǎo)致軟件的崩潰。故在測(cè)試軟件性能上我們要對(duì)各種情況下軟件運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，進(jìn)行多種復(fù)雜情況下的軟件測(cè)試評(píng)估，在一定的范圍內(nèi)要保證設(shè)備的軟件能夠穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)采控制器，該數(shù)采控制器可以在不同的應(yīng)用場(chǎng)合有效的采集數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療等生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。本系統(tǒng)有較好的應(yīng)用性和可移植性，有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。