基於ARM9和嵌入式Linux系統的多功能綜合通訊控制系統的框架

基於ARM9硬件平臺和嵌入式Linux系統的多功能綜合通訊控制系統的框架設計及各模塊的功能。系統採用符合POSIX．1標準的C語言編寫，實現了對下位機傳送數據幀的採集、分析和存儲，並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。

    伴隨着計算機技術的迅速發展，工業數據採集已由傳統的測控電路發展爲由微型計算機、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採集與控制系統。可是以微型計算機爲核心的數據採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。所以，以嵌入式系統爲平臺的數據採集和控制系統應運而生，嵌入式數據採集系統具有可靠性高、體積小、易擴展、開發週期短、成本低的特色使其的成爲將來的通訊控制發展趨勢。

1 系統工做原理及框架
    存儲板通電後，程序自啓動首先用Socket創建服務器等待PC端的配置信息，PC端按順序發送時間幀和手機號碼幀，當其中任何一個不知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，兩個配置幀都獲得正確的解析後打開與下位機通訊的串口ttys1，與GSM模塊通訊的串口ttys2和與PC端通訊的串口ttys3，而後設定內核定時器，將超時消息的處理設置爲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，而後用異步I／O函數Select監聽全部的輸入輸出，某個端口如有消息就會跳轉到相應的消息處理函數中，處理完後返回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，定時短信羣發模塊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爲接收並解析PC端的配置幀。首先程序用Socket創建知足TCP協議的服務器等待PC端發起的鏈接，若收到鏈接首先自定義握手協議。檢查正常後開始接收配置幀，程序根據接收配置幀的幀頭和幀尾來判斷爲時間幀仍是手機號碼幀，若肯定爲時間幀，在作完和校驗檢查數據後，提取出數據時間和與PC通訊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指令代表時間幀格式錯誤須要重發，若正確則向PC發送suCCess指令代表時間幀接收成功。PC端接收到success指令後開始發送手機號碼幀，若和校驗錯誤則向PC發送phone指令，若正確將轉入5 Byte的手機號碼轉換成11位用ASCII碼錶示的手機號，此後向PC端發送success指令代表手機號碼幀接收成功。

    2．2 定時短信羣發模塊

    定時短信羣發模塊的主要功能是將採集的數據解析後經過短信的模式通知用戶，其又分爲：GSM初始化模塊和短信羣發模塊。程序經過串口將AT指令發送給GSM模塊達到對其控制的目的。

    2．2．1 GSM初始化模塊

    此模塊的主要功能爲初始化GSM模塊的短信功能並羣發信息給用戶通知其GSM模塊正常工做。根據MG323的操做手冊在正常發送信息前依次執行如下步驟：(1)發送「AT」確認ARM與GSM模塊鏈接的串口正常。(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卡鑑權成功。(4)發送「AT+CNMI=1，1，2」設置短信通知方式。(5)發送「AT+CMGF’ =0」，設置短信格式爲PDU。(6)發送「AT+CSCA=+8613800290500」，設置短信息中心號碼。(7)發送「」AT+CSCS=＼「UCS2＼」，設置字符編碼爲USC2。

    在GSM對每條命令都回復OK代表設定成功後就代表GSM模塊能夠按照設定的功能工做，短信採用PDU格式的編碼，通常的PDU編碼由A～M 13項組成：A：短信息中心地址長度，2位16進制數(1 Byte)；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，用戶數據爲「GSM模塊初始化成功」，經過漢字UnICode轉換工具查找每一個字符對應的USC2編碼值填充到M字段，而後以Byte爲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 短消息羣發模塊

    因爲GSM初始化模塊已將其配置好，因此短信羣發模塊的主要功能就是提取當前主數據文件中存儲的最新一幀數據，和校驗正確後將其解析成數據並填充成PDU格式的短信羣發給用戶。這裏主要的難點在於將二進制表示的數據轉換成USC2編碼的字符，由於文件中的數據以Byte存儲，每一個數據佔2 Byte，因此首先將2 Byte型合併成一個短整型來表示一個完整數據，經過轉換將二進制數據轉換成USC2編碼的數據，其中頁面高度係數共佔6位，小數點佔1位，小數佔1位，溫度係數共佔6位，小數點佔1位，小數部分佔1位，以上兩個係數的整數部分不滿6位都在左側補0。

    爲最終在短信上收到的數據不會出現如0123．1 m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，這樣處理後便會使手機短信上的數據達到良好的效果。

    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下位機數據的數據同時響應PC端的指令，經過網口和串口發送數據。

    因爲在Linux中對如串口和網絡這些I／O操做的系統函數均爲阻塞函數，若隨意使用將致使程序阻塞在某個I／O中，用多線程實現雖然能夠解決阻塞問題，但同時帶來的代碼複雜度和多線程的同步處理問題會加大代碼設計難度。系統採用單進程設計，採用異步監聽函數select此函數能夠對全部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，處理完後繼續監聽，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，按輸入輸出分爲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通過和校驗，校驗正確後首先存儲在緩衝數據文件中並對其計數，達到緩衝數據文件的上限後，將緩衝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，緩衝數據文件在拷貝後清空，採用主數據和緩衝數據交替拷貝的方法能提升存儲效率並防止意外斷電形成的數據損失。主數據文件設置存儲軟上限，待主數據文件存儲滿後採用FIFO方案，從緩衝文件新接收的數據卸載主數據文件尾並將文件前移，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爲服務器端，在和PC創建鏈接前先進行軟件協定的握手，這樣確保了應用層的鏈接正常。服務器對於PC端發送的鏈接請求採用「一次鏈接，屢次處理，一次釋放」的原則，用單進程便能無缺地實現數據和指令的通訊，在收到PC端「transmit」指令後便從主數據文件開始以2 048 Byte的偏移量將數據發送給PC端，等到數據所有發送完後，向PC端發送「over」指令代表數據發送完畢。

    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相似，只是將創建服務器用socket發送換成普通的串口讀寫，一樣發送完數據後要發送「over」指令代表數據發送完畢。

    3 結束語

    在嵌入式Linux系統上實現了綜合通訊控制系統，他完成了對下位機數據採集以及對上位機的指令響應和數據傳輸的工做，同時利用GSM無線通訊模塊實現了定時短消息羣發的功能。此係統功能強大，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，將嵌入式系統用於通訊控制和數據採集具備廣闊的應用前景