基于ARM9内核的便携式信息采集器设计

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摘要：数据检测系统是集计算机、通信及电子技术、工业控制为一体的综合测控系统。文章提出了基于嵌入式数据检测系统的硬件结构和软件设计方法，在硬件上采用arm9微处理器技术，并移植μC/OS-Ⅱ实时操作系统，同时将嵌入式数据检测系统应用到室外环境信息采集中。

关键词：嵌入式微处理器；μC/OS-Ⅱ；嵌入式数据检测系统

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)09-2175-02

随着科技的发展，检测问题已经广泛的应用到各个领域。当前流行的数据检测系统大多采用PCI数据采集卡，但是这种方式并不适用于任何场合，比如在工业测控现场检测大型设备时，由于机房到现场距离较远，布线困难，信号在传送过程中有一定程度的衰减，所以使用基于PCI总路线的数据采集卡不能发挥其实时传输、高速采集的特点。

本文介绍的基于ARM内核的室外环境信息采集器能够很好的解决上述问题。基于ARM9内核的室外环境信息采集器可实时采集大量信息并实时地向数据中心传输数据，避免了存储空间太小而限制数据采集量的问题。其中GPRS网络是基于TCP/IP数据分组协议数据传输业务，能有效地把GPRS网络和Internet网络连接在一起，使得分组数据在两种网络之间自由传输，室外环境信息采集器把采集到的信息通过Internet网络实时传输到远程监控中心，进行分析处理。

1 环境信息采集器硬件设计

信息采集器的工作原理是：系统启动后首先对S3C2410X进行初始化配置；然后对GPS模块、GPRS模块、传感器模块进行初始化设定；若需要进行数据采集，则通过GPS模块采集地理信息，再将采集到室外环境属性信息（如温度、湿度等）存储到相应的数据存储单元，把同一次采集的地理信息、环境属性信息附加上采集时间一起存储；如果需传送数据，则把数据用TCP/IP协议打包，经GPRS模块MC35把数据传送到远程数据中心。监控中心可通过网络向数据采集器发送命令，并对各模块和系统运行的参数进行设置。其电路结构如图1所示。

1.1ARM9嵌入式处理器S3C2410X

S3C2410X是16/32位RISC嵌入式微处理器[1]，主要应用在高性价比和低功耗的场合。运行频率一般是203Hz。它具有丰富的片上资源： SDRAM控制器；2个USB主机接口，一个USB设备接口；2个SPI接口；3个通道的UART；4个通道的DMA；16K高速缓存（cache），一个LCD控制器（支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏）；4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟；8通道的10位ADC；触摸屏接口；I2S总线接口。在本系统中使用了该处理器的多个功能模块，结构紧凑，大大减少了系统的复杂度。

1.2 数据采集模块

GPS模块采用河南友利华高科技开发有限公司开发的GSU-36 GPS OEM板，用来采集经度、纬度地理信息，其具有18接收通道，外接电源为2.3~3.6V DC，接收和发送的数据为反相CMOS电平[2]，通过反相器与S3C2410X相连[2]。

由于GPS采集的地理信息数据和室外环境属性数据信息量较大，片外数据存储器扩展为64K 6264存储器以便于存储临时数据。

1.3 GPRS通信模型

GPRS模块采用SIEMENS公司研制的工业级的移动台设备MC35进行GPRS通信[3]，内含SIEMENS移动引擎（Cellular Engine）电路模块，支持包括GPRS数据、语音、传真和短消息在内的所有移动台功能[2]。电源电压为3.3~4.8V DC，MC35支持AT指令集（ITU-T V.25 ter）、GPRS07.07AT指令集。工作频段为EGSM900和GSM1800，兼容GSM Phase2/2+标准，支持3V SIM卡，串行接口采用AT命令通过（CMOS 电平）双向总线传输命令和数据。

1.4 人机交互通道

人机交互通道的设计采用点阵液晶显示模块和4×4矩阵键盘的组合形式。液晶选用信利的MG12864-7型点阵液晶模块，其显示容量为128×64个点，体积只有54cm×50cm×6.5cm,内部带有10V电压产生器和EL背光逆变器，使用单5V电源供电。

液晶模块的工作电压是5V，S3C2410X的I/O口电压是3.3V，需要在处理器和液晶模块之间加一片总线收发器74LVC4245。键盘采用4×4的矩阵键盘接口，采用节省口线的“行扫描法”方法来检测键盘，只需要8根口线，系统选取PF口作为检测键用端口，并设定PF0-PF3为输出扫描的端口，PF4-PF7为键盘读入口[3]。

1.5 其它功能模块

GPS模块和GPRS模块供电电压选为3.3VDC，电源输出的为5V电压，需经转换为3.3V，其5V转换3.3V电路如图2所示。

实时时钟日历芯片采用美国DALLAS公司DS12C887，用来提供实时时钟。它能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决子“千年”问题。 DS12C887中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久。

2 环境信息采集器软件设计

软件设计采用嵌入式实时操作系统uC／OS―II[4]，并使用ARM 和Thumb指令集混合编译来优化代码密度。首先将实时操作系统uC／OS一Ⅱ移植到S3C2410X嵌入式微处理器上，将系统所要完成的功能细化为几个核心任务，由uC／OS一Ⅱ实时内核进行调度，实现了多任务的并行执行，系统的可靠性和实时性得到大幅提升。信息采集部分放在定时器中断程序中执行，在设置好的时间间隔内不停的采集数据。第一步是采集室外环境的光照、风速、温度、湿度等环境属性信息，存储在相应的单元中并更新环境属性信息缓冲区的属性信息；第二步是采集地理信息，包括经度、纬度等，也存储在相应的单元并更新地理信息缓冲区的信息；第三步是把环境属性信息、地理方位信息和时间一起按顺序存储在相应的非易失性数据存储器。

GPRS通信子程序可实时的把数据传到数据中心，传输方式有两种：手动和自动。手动的方式是把最近采集到的数据一起传输到数据中心；自动传输方式则是在数据采集完成之后，马上就把数据传输到数据中心，其执行原理如下：①按照TCP/IP协议把采集到的数据进行封装；并设置通信的波特率发送指令AT+IPR=4800，把波特率设置为4800b/s；②测试GPRS业务是否开通，发送指令AT+CGATT=1，如果返回OK，则GPRS连接成功，如果返回ERROR，则连接GPRS失败，需重新连接；③设置接入网关，定义连接类型和后台服务器接入点的名称，发送指令AT+CGDCONT=1，IP，“CMNET”；④设置PPP协议数据的传输状态，发送指令AT+CGDATA=1，成功开始发送数据；数据发送完毕，发送+++把模块从数据模式或在线PPP模式转换为命令模式，发送指令ATH0结束连接状态。其数据传输示意图如图3所示。

3 结论

文章提出了基于ARM9内核的嵌入式数据检测系统，并将其引入到室外环境信息检测中，实现了对室外环境信息的实时远程检测，具有数据检测的实时性、检测精度高、自动化程度高、人机界面生动直观，操作简单，等特点。该系统具有良好的工程推广价值，已在发酵罐自动化改造中取得了良好的效果。

参考文献：

[1] 贾智平,张瑞华.嵌入式系统原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,2005:149-233.

[2] 仲志燕.基于ARM 内核的便携式农田信息采集器[J].电脑知识与技术,2010,1(6):7170-7172.

[3] 缪兵.基于ARM9内核的嵌入式检测系统设计[J].仪表技术与传感器,2010,1:70-75.

[4] 马增强,燕延,宗昌富.基于GPRS的数据采集系统的研究[J].微计算机信息,2005,21(8-3):104-105.