基于ARM和GPRS的远程监测终端设计

摘要：针对分布比较分散，场所不固定，或是环境比较恶劣的监测现场，提出了一种通用的远程监测终端的设计方法。终端具有模块化的数据采集功能，并采用ARM9处理器和Linux操作系统，用Qt／Embedded编写终端应用程序，使其具有良好的人机交互界面，并对数据进行分析处理，采用GPRS(通用无线分组业务)无线通信技术将处理过的数据发往监测中心，存入数据库。实际实验证明，该终端数据处理速度快，精度高，实时性好，可以满足一般监测现场的要求。
关键词：远程监测；ARM9；GPRS；嵌入式Linux；Qt／Embedded

随着现代生产科技水平的发展，对监测技术的要求越来越高，形式趋于多样化。在无人值守的变电站、水文站、气象站等野外监测或是在交通运输等行业中，因分布比较分散、环境恶劣，地点不固定，不便于用传统方法实现集中控制和实时监测并且有线网络的架设受到种种限制。在这些场合采用基于GPRS的无线网络通信技术，具有无可比拟的优势。将嵌入式应用系统与无线通信技术结合在一起是未来嵌入式应用的必然趋势。GPRS(General Packet Radio Service)，即通用无线分组业务。
GPRS技术应用于远程数据传输系统，具有以下几个特点：1)永远在线，接入速度快。分组交换接入时间少于1秒，可使远程数据传输的效率大大提高：2)采用数据流量的计费方式，大大降低了用户的使用费用；3)GPRS网络覆盖范围广，且支持TCP／IP协议，从而可实现与Intern et的无缝连接。

1 终端的整体结构设计
终端要完成3个任务，数据采集、数据处理和数据的无线传输。数据采集部分采用模块化设计思想将采集模块分为模拟量采集模块，数字量采集模块，开关量采集模块等，每个模块独立的实现对特定采集信号的整流、调理、隔离等处理再转换为数字量，各模块采用统一的结构，选用相同的单片机处理器。各模块采集的数据通过统一的SPI(serialperipleral interface)总线传输给ARM处理器。这样的结构使终端使用更灵活，应用范围更广泛。数据处理部分采用ARM处理器对所采集的数据的类型、长度、有效范围等进行处理，并通过液晶屏加触摸屏完成人机交互功能。然后将处理好的数据通过GPRS无线网络传输给上位机。终端的整体结构图如图1所示。

2 终端硬件设计
终端硬件主要由3部分组成。一是作为主处理器的ARM9处理器及其外围电路包括电源电路、复位电路、外扩存储器电路及用于人机互动的液晶屏、触摸屏连接电路等。二是各个模块的数据采集电路的设计，这里主要设计的是模拟量采集模块，以及各个数据采集模块与主处理器之间SPI连接方式。三是GPRS模块外围电路以及与主处理器的连接。端硬件设计示意图如图2所示。

2．1 终端主处理器
主处理器是系统的核心，要完成数据处理，存储，传输，人机界面显示等功能。结合工业现场的需求终端处理器采用以ARM9为内核的三星S3C2440处理器，它是一款基于ARM920T内核的16／32位RSIC结构的嵌入式微处理器，主频400 MHz，最高可达533 MHz，具有2片外接32 M的板载SDRAM，片内外资源丰富，扩展性强。系统存储扩展了2 MB的NorFlash用于存放bootloader系统引导程序，和64 MB的NandFlash。系统的人机交互平台采用一个7寸液晶显示频和一个触摸屏来完成。
2．2 数据采集部分硬件设计
数据采集模块可分为模拟量采集模块，数字量采集模块，开关量采集模块等，主要完成对底层数据的采集，这些模块的单片机处理器统一采用Cygnal公司的C8051F021单片机，它的MCU是高度集成的片上系统。在一个芯片内集成了两个多通道ADC子系统、电压基准、SPI总线接口、8个8位的通用数字I／O端口和64 kBFLASH程序存储器及与8051兼容的高速微控制器内核等，这些很好的满足了模块的设计要求。由于模块设计结构上的相似性，这里主要介绍模拟量采集模块部分。
工业现场采集的信号大部分是模拟量，如压力、温度、液位、流量等信号。这些信号经过现场仪表测量后一般统一输出为4～20 mA，0～5 V，0～10 V范围的电流电压信号。通过模拟量采集模块将这些模拟量转换为数字量。单片机的A／D准换的电压基准定为2．5 V，要将4～20 mA，0～5 V，0～10 V范围的电流电压信号统一为0～2．5 V以内的电压信号，才能进入单片机完成模拟量到数字量的转换。对于电流信号，在输入端接一个250 Ω的精密便转换为1～5 V的电压信号了，对于电压信号通过运算放大器按比例缩放到0～2．5 V范围内即可。转换电路如图3所示。

各个数据采集模块与主处理器通过SPI总线进行通信。SPI总线是Motorola公司提出的一种高速全双工串行通信总线，它容许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信。SPI接口只有MISO(主入从出)、MOSI(主出从人)、SCLK(时钟)和CS(片选)4个信号组成，在芯片上只占用4条线，大大节省了芯片资源。主处理器与各采集模块的SPI通信方式为一主多从的方式，即ARM主处理器的作为主设备，各数据采集模块作为从设备，主设备驱动串行时钟发起通信。主设备使用片选信号CS指明与哪个模块采集模块传送数据。通信时，主设备的MISO为输入，MOSI为输出，从设备的MISO为输出，MOSI为输入，在主设备时钟的控制下，主设备与从设备的双向移位寄存器同时进行数据交换，完成一次数据的传输。主处理器与各模块的通信结构图如图4所示。