基于ARM9的多功能綜合通信控制系統設計

　　摘要：介紹了基于ARM9硬件平臺和嵌入式Linux系統的多功能綜合通信控制系統的框架設計及各模塊的功能。系統采用符合POSIX．1標準的C語言編寫，實現了對下位機傳送數據幀的采集、分析和存儲，并能根據上位機的配置指令和數據傳輸指令分別對串口波特率、數據時間及手機短信號碼等參數進行配置和存儲數據的傳輸。
　　
　　關鍵詞ARM9；Linux；通信控制系統
　　
　　伴隨著計算機技術的迅速發展，工業數據采集已由傳統的測控電路發展為由微型計算機、接口電路、外部通用設備和工業生產對象等組成的現代數據采集與控制系統。但是以微型計算機為核心的數據采集系統也逐漸暴露出許多缺陷：體積大，不易攜帶；擴展性差、成本高等。因此，以嵌入式系統為平臺的數據采集和控制系統應運而生，嵌入式數據采集系統具備可靠性高、體積小、易擴展、開發周期短、成本低的特點使其的成為未來的通信控制發展趨勢。
　　
　　1、系統工作原理及框架
　　
　　存儲板通電后，程序自啟動首先用Socket建立服務器等待PC端的配置信息，PC端按順序發送時間幀和幀，當其中任何一個不滿足幀格式或者校驗錯誤時，存儲板都會向PC端發送相應的重傳指令，兩個配置幀都得到正確的解析后打開與下位機通信的串口ttys1，與GSM模塊通信的串口ttys2和與PC端通信的串口ttys3，然后設定內核定時器，將超時消息的處理設置為發送數據短信的程序，這樣就實現了定時發送短信通知的功能，然后用異步I／O函數Select監聽所有的輸入輸出，某個端口若有消息就會跳轉到相應的消息處理函數中，處理完后返回Select函數繼續監聽。　　
　　2、程序模塊說明
　　
　　該系統主要由配置幀處理模塊，定時短信群發模塊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協議的服務器等待PC端發起的連接，若收到連接首先自定義握手協議。檢查正常后開始接收配置幀，程序根據接收配置幀的幀頭和幀尾來判斷為時間幀還是幀，若確定為時間幀，在做完和校驗檢查數據后，提取出數據時間和與PC通信的串口波特率放在相應的全局變量，若校驗發生錯誤則向PC端發送time指令表明時間幀格式錯誤需要重發，若正確則向PC發送success指令表明時間幀接收成功。PC端接收到success指令后開始發送幀，若和校驗錯誤則向PC發送phone指令，若正確將轉入5Byte的轉換成11位用ASCII碼表示的，此后向PC端發送success指令表明幀接收成功。
　　
　　2．2定時短信群發模塊
　　
　　定時短信群發模塊的主要功能是將采集的數據解析后通過短信的模式通知用戶，其又分為：GSM初始化模塊和短信群發模塊。程序通過串口將AT指令發送給GSM模塊達到對其控制的目的。
　　
　　2．2．1GSM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信息給用戶通知其GSM模塊正常工作。根據MG323的操作手冊在正常發送信息前依次執行以下步驟：（1）發送“AT”確認ARM與GSM模塊連接的串口正常。（2）發送“ATE0”關閉回顯，這樣在調試程序時輸入的命令不會在由GSM模塊返回而打印在屏幕上。（3）發送“AT+CPIN”確認SIM卡鑒權成功。（4）發送“AT+CNMI=1，1，2”設置短信通知方式。（5）發送“AT+CMGF’=0”，設置短信格式為PDU。（6）發送“AT+CSCA=+86”，設置短信息中心號碼。（7）發送“”AT+CSCS=＼“UCS2＼”，設置字符編碼為USC2。
　　
　　在GSM對每條命令都回復OK表明設定成功后就表明GSM模塊可以按照設定的功能工作，短信采用PDU格式的編碼，一般的PDU編碼由A～M13項組成：A：短信息中心地址長度，2位16進制數（1Byte）；B：短信息中心號碼類型，2位16進制數；C：短信息中心號碼，B+C的長度將由A中的數據決定；D：文件頭字節，2位16進制數；E：信息類型，2位16進制數；F：被叫號碼長度，2位16進制數；G：被叫號碼類型，2位16進制數，取值同B；H：被叫號碼，長度由F中的數據決定；I：協議標識，2位16進制數；J：數據編碼方案，2位16進制數；K：有效期，2位16進制數；L：用戶數據長度，2位16進制數；M：用戶數據，其長度由L中的數據決定。
　　
　　分別按照要求填充A～K字段，用戶數據為“GSM模塊初始化成功”，通過漢字Unicode轉換工具查找每個字符對應的USC2編碼值填充到M字段，然后以Byte為單位計算器長度填充到L字段，至此將PDU格式編碼的AT指令發送給GSM模塊便能實現短信通知用戶初始化成功的功能。
　　
　　2．2．2短消息群發模塊
　　
　　由于GSM初始化模塊已將其配置好，所以短信群發模塊的主要功能就是提取當前主數據文件中存儲的一幀數據，和校驗正確后將其解析成數據并填充成PDU格式的短信群發給用戶。這里主要的難點在于將二進制表示的數據轉換成USC2編碼的字符，因為文件中的數據以Byte存儲，每個數據占2Byte，所以首先將2Byte型合并成一個短整型來表示一個完整數據，通過轉換將二進制數據轉換成USC2編碼的數據，其中頁面高度系數共占6位，小數點占1位，小數占1位，溫度系數共占6位，小數點占1位，小數部分占1位，以上兩個系數的整數部分不滿6位都在左側補0。
　　
　　為zui終在短信上收到的數據不會出現如0123．1m這樣格式的數據，要將其左側的“0”去除，同時也要注意不要將0．01℃前面的“0”去除，這樣處理后便會使手機短信上的數據達到良好的效果。
　　
　　2．3I／O控制模塊
　　
　　I／O控制模塊的主要功能是接收和存儲下位機數據的數據同時響應PC端的指令，通過網口和串口發送數據。
　　
　　由于在Linux中對如串口和網絡這些I／O操作的系統函數均為阻塞函數，若隨意使用將導致程序阻塞在某個I／O中，用多線程實現雖然可以解決阻塞問題，但同時帶來的代碼復雜度和多線程的同步處理問題會加大代碼設計難度。系統采用單進程設計，采用異步監聽函數select此函數可以對所有輸入和輸出端口的監聽，若對應端口有消息便跳入消息處理函數中，處理完后繼續監聽，達到了單進程處理阻塞函數的目的。
　　
　　I／O控制模塊的主體是select函數，按輸入輸出分為下位機串口接收模塊，上位機網口發送模塊和上位機串口發送模塊。
　　
　　2．3．1下位機串口接收模塊
　　
　　串口從下位機接收的數據首先經過和校驗，校驗正確后首先存儲在緩沖數據文件中并對其計數，達到緩沖數據文件的上限后，將緩沖文件的數據向主數據文件拷貝，主數據文件以追加寫的方式打開，緩沖數據文件在拷貝后清空，采用主數據和緩沖數據交替拷貝的方法能提高存儲效率并防止意外斷電造成的數據損失。主數據文件設置存儲軟上限，待主數據文件存儲滿后采用FIFO方案，從緩沖文件新接收的數據卸載主數據文件尾并將文件前移，把起始數據“擠出”，以確保數據文件的時間順序且不超出存儲軟上限。
　　
　　2．3．2上位機網口發送模塊
　　
　　上位機的網口發送模塊主要為服務器端，在和PC建立連接前*行軟件協定的握手，這樣確保了應用層的連接正常。服務器對于PC端發送的連接請求采用“一次連接，多次處理，一次釋放”的原則，用單進程便能完好地實現數據和指令的通信，在收到PC端“transmit”指令后便從主數據文件開始以2048Byte的偏移量將數據發送給PC端，等到數據全部發送完后，向PC端發送“over”指令表明數據發送完畢。
　　
　　2．3．3上位機串口發送模塊
　　
　　上位機的串口發送模塊和網口發送數據模塊類似，只是將建立服務器用socket發送換成普通的串口讀寫，同樣發送完數據后要發送“over”指令表明數據發送完畢。
　　
　　3、結束語
　　
　　在嵌入式Linux系統上實現了綜合通信控制系統，他完成了對下位機數據采集以及對上位機的指令響應和數據傳輸的工作，同時利用GSM無線通信模塊實現了定時短消息群發的功能。此系統功能*，性能穩定接口簡單，是一種高準確性、高實時性、小型化、智能化的新型發展平臺。考慮到工業控制系統對系統可靠性、靈活性及成本和經濟效益的要求，將嵌入式系統用于通信控制和數據采集具有廣闊的應用前景。