摘 要：設汁了基于ARM的智能電表和空調系統(tǒng)參數的多數據監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件采用博創(chuàng)公司的嵌入式微控制器PXA270平臺，軟件使用了Modbus協(xié)議讀取智能電表和空調端監(jiān)測數據，上位機利用Linux Socket『艤]絡編程和c#編程實現監(jiān)測。該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的數據{ 測系統(tǒng)具有更好的安全性和實時性，同時硬件的體積更小，功耗更低，擴展性更慢。

0 引 言

    在實際工業(yè)控制應用中，經常需要對現場的智能電表、空調等多種設備進行監(jiān)測，通過采集相應設備的運行參數隨時了解、跟蹤設備運行狀態(tài) ，進而進行分析和診斷。結合具體項目，本文設計了一種基于嵌入式系統(tǒng)ARM 的多數據監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)以嵌入式Linux和博創(chuàng)公司的嵌入式微控制器PXA270為核心平臺，通過將RS一485采集的數據轉換成符合RS一232標準的數據，保存在嵌入式微處理器的Flash中，經過網絡傳輸將數據傳給E位機，完成對電表、空調的監(jiān)測任務。整個系統(tǒng)建立在嵌入式結構上，具有更好的實時性和穩(wěn)定性，同時硬件的體積更小，功耗更低，擴展性更強。

1 系統(tǒng)硬件設計

1．1 系統(tǒng)總體設計方案
    系統(tǒng)的總體設計思想是通過RS一232／485轉換器將RS一485采集的電表參數、空調參數轉換成符合RS一232標準的數據，保存在嵌入式微處理器Flash中，經Linux Socket網絡編程，采用TCP協(xié)議和上位機建立網絡連接，將數據文件發(fā)送給上位機，上位機運用C#語言編程實現監(jiān)測數據的實時顯示，同時建立數據庫保存監(jiān)測數據，從而完成對電表、空調數據的監(jiān)測任務。其中Rs一485對電表、空調參數的讀取是通過Modbus協(xié)議發(fā)送相關的指令實現的。
1．2 系統(tǒng)硬件電路
    該設計主要硬件電路包括數據采集模塊、PXA270處理器、外圍接口電路、電源及復位電路等幾個部分。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

     ARM 處理系統(tǒng)采用博創(chuàng)公司的Xscale PXA270處理器，其主頻為520 MHz，加入了In SpeedStep動態(tài)電源管理技術，在保證CPU性能的情況下可zui大限度地降低設備功耗，采用網絡接口實現了數據信息的網絡化管理。操作系統(tǒng)采用Linux，使用的是Linux 2．6．9內核。系統(tǒng)的根文件采用針對Flash無緩沖機制的JFFS2文件系統(tǒng)。

    為了利用PC上現有的RS一232接口，通常使用RS一232／485轉換器。該轉換器一般通過邏輯門電路控制RxD、TxD和GND信號，自動對半雙工的RS一485串口進行控制。通過該轉換器，就可以像開發(fā)通用的RS一232串口一樣來快速開發(fā)基于RS一485串口的通信軟件。

2 系統(tǒng)軟件設計

    軟件部分包括系統(tǒng)引導驅動程序otLoad—er、嵌入式操作系統(tǒng)ARM—Linux的移植、文件系統(tǒng)、用戶應用程序4個部分，其中核心部分是用戶應用程序的編寫和調試。用戶應用程序包括通過Modbus協(xié)議對采集得到的電表參數、空調參數的讀取和保存，Linux Socket編程實現文件的發(fā)送，以及上位機監(jiān)測端圖形化界面的C}≠語言編程實現。

2．1 采集數據的讀取和保存
    該部分實現電表和空調數據的讀取，并保存在嵌入式微處理器Flash中。數據的讀取通過Modbus協(xié)議向電表和空調發(fā)送相關指令獲得，得到的數據通過調用fwrite（）函數寫入定義在嵌入式微處理器Flash的文件中。主要包括串口屬性設置，CRC（Cyclic Redundancy Check）校驗碼實現方法，采用Modbus協(xié)議獲得需要的數據，并寫入嵌入式微處理器Flash的文件中。

2．1．1 設置串口屬性
    串口設置主要是設置struct termios結構體成員值。通過對Cwcflag的賦值，可以設置波特率、字符大小、數據位、停止位、奇偶校驗位和硬件流控等。
系統(tǒng)對于串口屬性的設置如下：
（1）打開串El fd= open（“／dev／ttySO”，0一RDWR I O～ NOCTFY I O— NDELAY）。
（2）為安全起見和以后調試程序方便，先保存原先串口的配置：tcgetattr（fd，&newtio）。
（3）設置波特率為9 600 baud／s。一般情況下，用戶需要將輸入輸出函數的波特率設置成相同。函數在成功時返回“0”，失敗時返回“一1”。
（4）設置字符大小。沒有現成可用函數，需要位掩碼。一般先去除數據位中的位掩碼，再重新按要求設置。
（5）設置奇偶校驗位。先激活c—cflag中的校驗位使能標志PARENB和判斷是否要進行偶校驗，同時還要激活c_iflag中的奇偶校驗使能。
（6）設置停止位。通過激活c_cflag中的cS．TOPB實現。
（7）設置zui少字符和等待時間。在對接收字符和等待時間沒有特殊要求的情況下，可以將其設置為“0”。
（8） 激活配置。利用tcsetattr（fd，TC—SANOW，&newtio）函數。這里newtio是termios類型的變量，SANOW 表示改變的配置立即生效。

2．1．2 CRC校驗碼的實現方法
    CRC利用生成多項式產生校驗位進行編碼。CRC運算時，首先將一個16 bit的寄存器預置為全1，然后連續(xù)把數據幀中的每個字節(jié)中的8 bit與寄存器的當前值進行運算，僅每個字節(jié)的8個數據位參與生成CRC，起始位和終止位以及可能使用的奇偶位都不影響CRC。在生成CRC時，每個字節(jié)的8 bit與寄存器中的內容進行“異或”運算，然后將結果向低位移位，高位則用“0”補充，zui低位（LSB）移出并檢測。如果是1，該寄存器就與一個預設固定值（0A001H）進行一次“異或”運算；如果zui低位為0，不作任何處理。上述處理重復進行，直到執(zhí)行完8次移位操作。當zui后一位（第8位）移完后，下一個8 bit與寄存器的當前值進行異或運算，同樣進行上述的另一個8次移位異或操作。當數據幀中的所有字節(jié)都作了處理，生成的zui終值為CRC值。

 2．1．3 通過RS一485通信采集數據

    系統(tǒng)采用Modbus．RTU ，通信應用格式如表1所示。Modbus協(xié)議詳細定義了數據序列和校驗碼，這些都是特定數據交換的必要內容。

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    以電表數據的監(jiān)測進行說明。該系統(tǒng)需要獲得與儀表工作相關的系統(tǒng)參數 ，包括PT 低字（0104H）、FF 高字（0105H）、PT2（0106H）、CT（0107H）、CT （0108H）等；監(jiān)測參數，包括值和有功電能E。 （010CH與OIDH）、值和無功電能E l（010EH與010FH）、A相電壓U。（0110H）、B相電壓u2（0111H）、C相電壓u3（0112H）、線電壓U 2（0113H）、線電壓U2（O114H）、線電壓u （0115H）、相（線）電流I（0116H）、相（線）電流I （0117H）、相（線）電流I（0118H）、相電壓均值U （0119H）、線電壓均值U （011AH）、電流均值I （011BH）、系統(tǒng)有功功率P（011CH）、系統(tǒng)無功功率Q（011DH）、系統(tǒng)視在功率S（011EH）。按照Modbus．RTU協(xié)議通信應用格式，采用03號功能碼（獲得一個或多個寄存器的當前二進制值），可定義如下數組分別讀取上面兩組對應數據：
unsigned char txBufl[]={0xl1，0x03，OxO1，0x04，0x00，0x05，0x16，0xa0}；
unsigned char txBuf2[]={0xl1，0x03，0x01，0x0c，0x00，0x19，0xf，0xff}；

涉及的主要過程描述如下：
（1）首先調用系統(tǒng)函數socket（int family，int type，int protoco1）創(chuàng)建TCP套接字。系統(tǒng)選用流式套接字SOCK—STREAM，它提供了一種面向連接的服務。
（2）bind將socket與本機上的一個端口相關聯(lián)，可以在該端口監(jiān)聽服務請求，listen（）函數使socket處于被動的監(jiān)聽模式，并為該socket建立一個輸入數據隊列，將到達的服務請求保存在此隊列中，直到程序處理它們。
（3）accept（）函數讓服務器接收客戶的連接請求。在建立好輸入隊列后，服務器就調用ac—cept（）函數，然后睡眠并等待客戶的連接請求。
（4）初次建立連接，需要完成電表記錄時間與上位機時間的同步。具體實現方法是：以PXA270微處理器為核心的終端，通過sendto（）給上位機發(fā)送事先約定好的保存在S指向的數組中的字符串，上位機在收到字符串后給終端發(fā)送時間，終端接收時間，調用函數mktime（）和set—timeo~ay（）完成時間同步。
（5）調用open（）函數打開保存在終端Flash的電表數據記錄文件，并利用sendto（）函數進行發(fā)送，每次發(fā)送完成都調用remove（）函數將已經發(fā)送的記錄數據清空。
（6）關閉socket套接字close（sock~）。

2．3 上位機監(jiān)測端
    利用C精言通過Socket建立TCP連接，上位機在收到監(jiān)測終端初次連接時事先約定好的保存在S指向的數組中的字符串后，發(fā)送系統(tǒng)時問給終端，進行時間同步，應用SQL Se~er 2000建立數據庫，之后不斷間隔性接收終端發(fā)送來的監(jiān)測數據并存人數據庫，供分析使用。編寫圖形化界面，顯示的監(jiān)測數據。上位機編程流程圖如圖3所示。實時監(jiān)測圖形化界面如圖4所示。

3 結 語
     該系統(tǒng)實現了智能電表、空調參數多數據量的監(jiān)測，主要完成了嵌入式操作系統(tǒng)ARM·Linu的移植，通過Modbus協(xié)議獲得終端監(jiān)測數據，并保存在嵌入式微處理器Flash中，實現數據文件的發(fā)送以及上位機對數據的處理顯示。經試驗，系統(tǒng)zui終正常運行。

    與傳統(tǒng)的數據監(jiān)i貝0系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有更好的安全性和實時性，同時硬件的體積更小，功耗更低，擴展性更強。對系統(tǒng)稍加修改，可以同時實現I／／O設備、UPS等更多數據量的實時監(jiān)測，因此具有很強的實用意義。

2．1．4 采集數據的存儲
    該系統(tǒng)對監(jiān)測數據進行循環(huán)采集，并將數據實時保存。通過調用定義的子函數void sent—re．ceive（char txBuf[]，char Bum）讀取數據，打開建立在Flash中的record文件，通過fwrite函數將讀取的數據寫入文件中。在保存數據的同時需要將讀取數據的時間localtime（&timep）一起記錄。

2．2 數據文件的發(fā)送
    將保存在微處理器Flash中的數據文件通過socket編程建立TCP連接 I，發(fā)送給上位機。數據文件發(fā)送流程圖如圖2所示。