摘要:簡(jiǎn)要介紹了TCP/IP協(xié)議,給出了基于ARM嵌入式高速數(shù)據(jù)采集裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)以下位機(jī)作為客戶端,在A~f91RM9200和嵌入式Linux搭建的軟硬件平臺(tái)上運(yùn)行;將上位機(jī)作為服務(wù)器端,用VB6.0開發(fā)監(jiān)控平臺(tái)軟件;兩者通過TCP/IP實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸以及服務(wù)器監(jiān)控模式。
??? 隨著信息化的不斷發(fā)展,在工業(yè)自動(dòng)化、電力設(shè)備、通信管理、智能終端、智能小區(qū)等領(lǐng)域,對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、可靠性的要求也不斷地提高。以往傳統(tǒng)的單片機(jī)加采集卡的數(shù)據(jù)采集裝置已經(jīng)不能滿足人們使用的要求。隨著采集卡的采集頻率不斷地提升,其所屬平臺(tái)的工作頻率也應(yīng)跟上時(shí)代的步伐。同時(shí),在某些情況下,裝置的操控人員不可能到工作現(xiàn)場(chǎng)去執(zhí)行,所以有必要對(duì)采集裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)察和控制。在各種設(shè)備的通信方式中,由于以太網(wǎng)具有速度快、通用性好、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已13漸成為設(shè)備之間進(jìn)行通信的主要方式。本文提出了基于ARM的高速數(shù)據(jù)采集裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高速采集的同時(shí),能保證數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)時(shí)性,并對(duì)各幀數(shù)據(jù)嵌入時(shí)間標(biāo)志為后續(xù)數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備,最后能將數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地存儲(chǔ)到移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器上。該裝置包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模式和服務(wù)器監(jiān)控模式。
1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
??? 本裝置由硬件和軟件兩部分組成,如圖1所示。系統(tǒng)硬件由高速數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和采集模塊構(gòu)成。采集模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求,采用DMM一32一AT采集板。采集平臺(tái)采用ATMEL公司A791RM9200作為主控芯片,附帶16 kB的SDRAM和128 kB的ROM。該芯片融合了ARM920T ARM Thumb處理器,當(dāng)工作頻率為180 MHz時(shí)性能高達(dá)200 MIPS。帶有10/100 MB Base—T型以太網(wǎng)卡接口,USB 2.0全速(12 Mbps)主機(jī)/設(shè)備接口。內(nèi)含內(nèi)存管理單元MMU,含有調(diào)試通道的內(nèi)部仿真器,便于開發(fā)調(diào)試。由于AT91RM9200具有功能全、功耗低和工業(yè)級(jí)等優(yōu)點(diǎn),可以使系統(tǒng)能運(yùn)用到各種環(huán)境中。
?
???? 系統(tǒng)的下位機(jī)軟件選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改,使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的一種操作系統(tǒng),它既有無限的開放源代碼資源,又有嵌人式操作系統(tǒng)的特性。通過對(duì)內(nèi)核的重新配置、編譯,即可將其移植到Aqgl RM9200中;再建立BootLoader和文件系統(tǒng),形成基于ARM的嵌入式Linux操作系統(tǒng),最后在此平臺(tái)上開發(fā)運(yùn)用程序,實(shí)現(xiàn)裝置的各個(gè)功能。
?2 TCP/IP協(xié)議
??? 在因特網(wǎng)上,TCP/IP協(xié)議每時(shí)每刻保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。參考開放系統(tǒng)互連(OSI)模型,TCP/IP通常采用一種簡(jiǎn)化的四層模型,分別為:
① 應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層要有一個(gè)定義清晰的會(huì)話過程,如通常所說的Http、Ftp、Telnet等。在本系統(tǒng)中,下位機(jī)系統(tǒng)傳遞來自Ethernet和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù),應(yīng)用層只對(duì)大的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行打包拆包處理。
② 傳輸層。傳輸層讓網(wǎng)絡(luò)程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數(shù)據(jù),如定義網(wǎng)絡(luò)連接的端口號(hào)等,實(shí)現(xiàn)該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP。TCP服務(wù)提供了數(shù)據(jù)流傳輸、可靠性、有效流控制、全雙工操作和多路復(fù)用技術(shù)等,在本系統(tǒng)中使用TCP數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。
③ 網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的任一主機(jī)上,IP協(xié)議就是該層傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制。同時(shí)建立網(wǎng)絡(luò)間的互連,提供ARP地址解析協(xié)議,從而實(shí)現(xiàn)從IP地址到數(shù)據(jù)鏈路物理地址的映像。
④ 鏈路層。由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機(jī)器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成,實(shí)現(xiàn)這一層的協(xié)議并屬于TCP/IP協(xié)議組。在本系統(tǒng)中這部分功能由ARM控制網(wǎng)卡芯片DM9161E實(shí)現(xiàn)。
???? 在本系統(tǒng)中,利用TCP/IP協(xié)議中的TCP(傳輸控制協(xié)議)、IP(網(wǎng)絡(luò)報(bào)文協(xié)議)、ARP(地址解析協(xié)議)及簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議成功地實(shí)現(xiàn)了ARM裝置和服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。既提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋直WC了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性,同時(shí)也擴(kuò)展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行О霃健?/P>
3 下位機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)
??? 下位機(jī)作為客戶端,它和服務(wù)器的TCP/IP通信是通過對(duì)套接字編程實(shí)現(xiàn)的。套接字是網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元,最早是作為BSD規(guī)范提出來的,現(xiàn)已成為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)下TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程標(biāo)準(zhǔn)。套接字提供了不同主機(jī)間進(jìn)程雙向通信的端點(diǎn),這些進(jìn)程在通信前各自建立一個(gè)Socket,并通過對(duì)Socket的 寫操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。下文將討論的Winsock也是一個(gè)用于Windows系列操作系統(tǒng)的Sockets版本 。
??? 在Linux提供的3種套接字中,本文選擇流式套接字。流式套接字是最常用的套接字類型,其傳輸特點(diǎn)為:面向鏈接、無差錯(cuò)、發(fā)送先后順序一致、包長(zhǎng)度不限和非重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)信息包。TCP/IP協(xié)議簇中的TCP協(xié)議使用此類接口。下位機(jī)與服務(wù)器通信實(shí)現(xiàn)如圖2所示。
?
① Socket()函數(shù):用于創(chuàng)建一個(gè)套接字描述符。
#include
#include
Socket
— ID=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
ff PF—INET OR AF—INET Intemet IP Protocal SOCK—STREAM選擇流式套接字
② Connect()函數(shù):用于與遠(yuǎn)端服務(wù)器建立一個(gè)TCP連接請(qǐng)求。
Status=connect(Socket—ID,(struc sockaddr})&Server—Addr,sizeof(struct sockaddr));
∥ 一定要指定服務(wù)器的IP地址和端口號(hào),可帶參數(shù)運(yùn)行程序時(shí)指定,也有默認(rèn)的lP和端口號(hào)
if(status!= 一1)∥ 一1:連接過程出錯(cuò)
{.? ..}
③ Write()函數(shù):從套接字緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)。
int Net— Send— SysConfig(int Conn—ID,char Cmdname)
∥向服務(wù)器反饋工作狀態(tài)即執(zhí)行服務(wù)器下達(dá)的命令情況
∥Conn—ID為已經(jīng)建立的套接字描述符
{
status=write(Conn—ID,sendbuff,len);
∥向服務(wù)器發(fā)送信息
}
④ Read()函數(shù):從套接字緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)
int Receive_ Command(int Conn—ID)
{?
return len=read(Conn—ID,NetBuf,REC—BUFF_SIZE);
∥成功返回實(shí)際收到的字節(jié)總數(shù),出錯(cuò)返回一1
}
⑤ Close()函數(shù):用于關(guān)閉一個(gè)套接字描述符。
close(Socket—ID); //關(guān)閉連接下位機(jī)的開發(fā)都是在Linux環(huán)境下用交叉編譯器ARM.Linux—gcc編譯通過。
4 上位機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)
??? 服務(wù)器監(jiān)控軟件是用Visual Basic 6.0來編寫的。在Visual Basic(以下簡(jiǎn)稱VB)中,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)是非常方便的。VB除了提供豐富的控件外,還提供了各種API來進(jìn)行更為高級(jí)的運(yùn)用程序的開發(fā)。本裝置通過Winsock控件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。Winsock控件對(duì)用戶是不可見的,它提供了訪問TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。在編寫客戶或服務(wù)器運(yùn)用程序時(shí),不必了解TCP的細(xì)節(jié)或低級(jí)的Win—sock API。通過設(shè)置控件的屬性并調(diào)用其方法就可連接到一個(gè)遠(yuǎn)程客戶/服務(wù)器端,并且雙向交換數(shù)據(jù)。
在本系統(tǒng)中作為服務(wù)器的運(yùn)用軟件,在Winsock控件的屬性設(shè)置上要注意:
① Protocol屬性。返回或設(shè)置Winsock控件所使用的協(xié)議(TCP或UDP)。
UDPFrmMain.Winsock— Server.Protocol:sckTCPProtocol
∥選擇TCP協(xié)議,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/P>
② LocalPort屬性。返回或設(shè)置所用到的本地端口。對(duì)客戶來說,該屬性指定發(fā)送數(shù)據(jù)的本地端口;對(duì)于服務(wù)器來說,是指定偵聽的本地端口。
FrmMain.W insock— Server.LocalPort=LocalPort— ID∥服務(wù)器端口號(hào),最好大于1 000
③ State屬性。返回控件的狀態(tài),設(shè)計(jì)時(shí)只讀。用在判斷監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),根據(jù)狀態(tài)改變各個(gè)按鍵指示
燈的狀態(tài),提高操作安全性。其設(shè)置如下:
Connected— State=FrmMain.W insock— Server.State
Select Case Connected— State
Case 0 StatusBar1.Panels(3).Text= “關(guān)閉”
Case 1 StalusBar1.Panels(3).Text=“打開”
Case 2 StatusBar1.Panels(3).Text=“偵聽”
4.1 Winsock控件方法
Winsock控件方法主要有以下幾種:
① Listen方法。在運(yùn)用程序初始化時(shí)創(chuàng)建套接
字并將其設(shè)置為偵聽狀態(tài),等待客戶機(jī)的連接請(qǐng)求。
Private Sub Form_ Load()
FrmMain.Winsock— Server.Listen
End Sub
② Accept方法。當(dāng)有新連接時(shí)就會(huì)出現(xiàn)ConnectionRequest
事件,處理該事件時(shí),運(yùn)用程序應(yīng)該用Accept方法接收連接。
∥當(dāng)遠(yuǎn)程客戶機(jī)(AT91RM9200)發(fā)出請(qǐng)求連接時(shí)發(fā)生
Private Sub Winsock
—
Server
— Connecti0nRequest( ByVal
requestID As Long)
If W insock
— Server.State < > sckClosed Then W insock—
Server.Close保證Winsock控件不是處于Close狀態(tài)
W insock— —
Server.Accept requestlD
∥服務(wù)器接收客戶機(jī)(A'I-91 RM9200)的請(qǐng)求
End Sub
③ SendData方法。服務(wù)器給客戶機(jī)發(fā)送控制命
令,如開始執(zhí)行、停止、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存等,實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶機(jī)的
遠(yuǎn)程控制。
本函數(shù)按TCP模式按二進(jìn)制方式發(fā)送數(shù)據(jù)包給
客戶機(jī),函數(shù)成功返回true,出錯(cuò)返回false。
Public Function Send— Data—
To— kehu(Winsock—Server As
Winsock,Data—
Buff()As Byte)As Boolean
On Error GoTo Er
_
Part
Send— Data— To—
kehu : False
If Connect Then //Connect是一個(gè)定義的全局變量,
保證在Winsock控件在連接狀態(tài)
W insock— . Server.Se ndData Data_ Buf
End If
Send— Data— To— kehu=True
Exit Function
Err_ Pa~:
Send— Data— To— kehu = False
MsgBox“發(fā)送數(shù)據(jù)出錯(cuò)!錯(cuò)誤代碼=”+CStr(Er)+
“ :”+Error,vbExclamation,“錯(cuò)誤提示”
Exit Function
End Function
4.2 Winsoek控件事件
Winsock控件事件分為以下2種。
① DataArrival事件:該事件是通信的核心部分。當(dāng)給客戶端發(fā)送完命令后,接收客戶端返回的命令執(zhí)行情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)察。如果是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存命令時(shí),還要完成接收客戶機(jī)上傳的采集數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)的服務(wù)器存儲(chǔ),進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性,其流程如圖3所示。接收到FTP頭數(shù)據(jù)包后, P傳輸數(shù)據(jù)的格式定義如圖4所示。
② Error事件:只要后臺(tái)處理中出現(xiàn)錯(cuò)誤(例如連接失敗、收發(fā)數(shù)據(jù)失敗)事件都會(huì)出現(xiàn),方便我們對(duì)程序的監(jiān)控和調(diào)試。
在后臺(tái)處理中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)發(fā)生:
Private Sub W insock— Server_
Eror(ByVal Number As Inte.
ger,Description As String,ByVal Se ode As Long,ByValSource As String,ByVal HelpFile As String,ByVal Help—Context As Long,CancelDisplay As Boolean
MsgBox“網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行出錯(cuò)!代碼=”+CStr(Err)+“:”
+Error,vbCritical,“錯(cuò)誤信息”
Exit Sub
End Sub
5 結(jié)束語
??? 基于ARM的高速數(shù)據(jù)采集裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計(jì),從硬件和軟件兩方面看是可行的,實(shí)際制板調(diào)試結(jié)果很好地完成了遠(yuǎn)程通信任務(wù)。對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了新的解決方案。隨著以太網(wǎng)的日益普及,該方案有著很強(qiáng)的實(shí)踐意義。
評(píng)論
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