网络表系统中数据收集转发器的研究与实现（可编辑）

网络表系统中数据收集转发器的研究与实现（可编辑） 网络表系统中数据收集转发器的研究与实现 武汉理工大学 硕士学位论文 网络表系统中数据收集转发器的研究与实现 姓名:张鑫 申请学位级别:硕士 专业:计算机软件与理论 指导教师:何克右 20090501 武汉理I:人学硕十学位论文 摘要 在抄表系统中，嵌入式系统的引入及其应用己经成了一个新的发展热点问 题。而嵌入式操作系统的应用是近年来嵌入式系统向高端发展的趋势。嵌入式 操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度和控制协调等工作， 能够通过装卸模块进行功能配置，体现所在系统的特征。燃气网络表系统中的 数据收集转发器是基于gC,OS(II嵌入式实时操作系统研发的，其具体架构是基 度，又提高了系统运行的可靠性，并且片上资源丰富，性价比高，可靠性好。 数据收集转发器先通过RS(485总线将用户燃气表的相关信息收集，然后通过 GPRS网络将燃气表相关信息送给服务器，以实现远程自动无线抄表功能。 本文在对数据收集转发器研究与实现的过程中主要做了以下工作: 主控制器及其相关外围电路的硬件，把实时、多任务的嵌入式gC,OS(II操 作系统移植到LPC2114上，构成后续开发的软件平台。 2 通过对各种串口通信方式的优缺点的比较，最终选择了RS(485作为终端 网络通信，并在此基础上设计了数据收集转发器与燃气表具的通信命令帧，具 体编写了数据收集转发器通过RS(485与燃气表具通信的驱动程序。 3’ 针对GPRS无线通信的优点，本文在研究了GPRS的工作 原理的基础上， 设计了与服务器无线通信的通信命令帧。针对GPRS无线通信的容易掉线的缺 点，通过向服务器发送心跳包帧来保持GPRS的实时在线。在编写通信接口驱动 程序时，由于采用查询的方式，容易出现掉帧和响应时间慢的现象，所以本文 都采用中断的方式来实现，有效地解决了上述现象，从而保证了通信的稳定。 4 对于从燃气表具抄上的数据存储的安全性，本文考虑了各种因素，最终 选择把数据存储在E2PROM，并对12C总线通信的各种模式进行了研究与实验。 编写了针对本文用到的E2PROM的驱动。 本文研究的数据收集转发器通过了RS(485通信、GPRS通 信的实时性、可靠 性等在内的系列测试。投入使用的结果表明:本课题所设计的数 据收集转发器 能够准确、可靠地完成数据收集、数据处理、数据传输等功能， 完全满足了网 络燃气表远程监控的要求。 关键词: 武汉理:【人学硕十学何论文 ABSTRACT The ofembeddedis ahotissueinmeter system using becoming readingsystem( The ofembedded isthe of directionembedded application operatingsystem system isa which embedded developing(Embeddedoperatingsystemsystem sustaining containsthebottomdrive systemapplication(Itusually software，kernel， communicationand userinterfaceofthe protocolgraphical takes of and workofall operatingsystemchargedistributing， attemperingcontrolling hardwareand callachievefunction or software，and configurationbyloading the of modules，in characterofthe and unloading person system(Datacollecting deviceisbasedonembeddedrealtime inthe transmitting operatingsystem‖C,OS-II NetworkMeter materialframeworkisbasedon framework System，The ARM7， the which inARM enhance and the running,zC,OS-IIchip，can runningspeedreliability if ontheboardis and is system(Thememory large hJigh， capabilitycompareprice etc(Thedata and deviceconcentratestheuser collecting reliability transmitting gas instrument’S informationthe line the gasquantity by RS-485bus firstly,thethrough GPRS informationwillbe tOthe ordertoachieve network，the given server,in wirelessautomaticmeter function( long-range reading Themainworkofthis istomakearesearchonthe and designing development realizationofdata and as device(Theachievementsare collectingtransmitting follows: 1(The ofdata and the design collectingtransmittingdevice， including ARM7-based14 asmain LPC21 controllerand hardware chip peripheral circuit，has beenfinished(The has real-time，multi―task embedded,zC,OS― IIoperatingsystem tothe 14 a been LPC21tocreate transplantedmicroprocessor follow―updevelopment ofsoftware platform( 2(Inthis choosetheRS一485 thesis，we terminalnetworkcommunication by the and ofvariousserial comparingadvantagesdisadvantages we thecommunicationdata―framebetweenthe meterandthedata design gas H 武汉理j丁:人学硕十学位论文 and device( collectingtransmitting allusiontothe 3(In ofGPRSwireless thesis advantages communications，the the based thecommunicationdata―frameof server ontheresearchofGPRS designs allusiontothe ofGPRSwireless WorkingPrinciple(In disadvantage thesismaintainthereal―timeonlinewiththemethodof a droppingeasily,the sending heartbeatdata-??frametotheserver(Thereare and alwaysframe--droppingresponding in thecommunicationinterface we method，SO slowlyprogramming usingquerying use toresolve the andensurethe of interruption effectivelyproblem stability communication( 4(Thisthesis thedatatheEzPROMforthe on ofdata storages security reading from meter various and 12Cbus factors，researches gas byconsidering experiments communicationofthevarious thedriver( modes，and programs Inthis and devicehas aseriesof thesis，data collectingtransmittingcompleted thereal-timeand ofRS-485、 GPRScommunicationsetc( reliabilityexperiments Thedata and deviceCall and the collectingtransmittingcompleteaccuratelyreliably functionofdata andtransmissionmeet the collection、processionetc，and fully control oftheNetMeter requirements System( Words:dataand Key collecting transmitting GPRS，12C ? 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ( 戽 ( 研究生签名:垒蝗也 日期:’兰翌乞:,:』垒 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 保密的论文在解密后应遵守此规定 6 研究生签名:玉龟盛导师签名:4互杰益 日期:兰竺2:,:』6日期:兰竺2:,:Z 研究生签名:』龟盛导师签名:4季杰益 武汉理1:大学硕+学位论文 第1章绪论 1(1课题研究的背景和意义 随着人民生活水平的不断提高，对居住环境和住宅安全的要求也越来越高， 客观上要求我们在小区管道燃气的设计中应用不同类型的表具，采用多种抄表 计费方式来适应这种趋势的需要。由此产生了入户抄表、设置室外燃气表箱抄 Circuit 卡表智能计费和远程智能自动抄表等多种 表、户内安装lC Integrated 抄表计费方式。入户抄表所需的抄表人员多，劳动效率低，工作强度大，且工 作人员入户抄表，影响了住户安宁的生活气氛;虽然设置室外燃 气表箱抄表方 便，但管线长、接点多，工程安装费用大，潜在泄漏点多，日常维护的工作量 大，且影响建筑物外观;IC卡燃气表则存在着质量不稳定问题，统计难以准确， 影响当月生产成本的核算。这些问题不但影响到企业的经济效益，而且在一定 程度上影响了管道燃气的正常发展。 PacketRadio Service 移动网络系统中提供的无线IP Intemet 服务网络平台上构建远程无线抄表系统。其优点是网络覆盖范围广、永久在线、 自由切换、数据带宽、适应性强、性价比高，同时也可以解决其它抄表方式存 在的不稳定问题。 在自动抄表的这一类系统的实际应用中，数据收集转发器起到连接终端设 备与远程服务器的作用，以满足终端设备与远程服务器端的通信，解决了终端 设备代价成本问题。本文研究了一种低成本的网络表系统中数据收集转发器的 软硬件技术实现，同时采用了数据收集转发器也减轻了相关工作人员的劳动， 提高了工作效率。 1(2研究课题在国内外发展的现状 远程自动抄表系统11卅是不需要人员到达现场，使用计算机技术、通信技术、 网络技术和微电子技术相结合，通过一定的网络设备建立通讯联系，具有高度 武汉理‘r大学硕七学位论文 集成性，集软件、硬件为一体，对各种范围内燃气实时用量信息以及各种故障 信息数据自动正确采集、传输、统计及综合分析的系统。具有抄收速度快、计 算精度高、抄表同时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。采用网络 表系统可以降低抄表人员的劳动强度、降低人为因素造成的抄表误差，并能迅 速的统计实时线损。 根据燃气发展趋势，实现自动抄表主要有两种方式:一是通过燃气表本身 来解决，即是采用IC卡等形式的用户在售气机上买气将卡插入自己的表中即可 用气，预先将使用的气量在售气机内，实现先买气后使用:另一种就是利 用自动抄表系统来解决。目前，世界上大多数国家都以后者的发展为主。 国外在90年代初，就有了实际应用。据美国《电世界》1994年10月号 摘要:在1994年初，北美地区装设了314063块具有自动抄表功能的电能表， 加拿大的Quebec水电局也己经安装了64000个自动抄表单元。 我国远程自动抄表系统的起步比国外晚。20世纪80年代初才开始研究远 程自动抄表系统。但是近年来，国内远程自动抄表技术发展迅速，并形成了多 种自动化抄表方式并存的格局。主站系统结构己从单机、双机系统发展到网络 式的主站系统结构，操作系统也己从DOS Disk OperatingSystem 发展到 统计、用气考核、远程控制、计费及银行联网等功能，有的系统还具有可以通 过实时用气统计监测用户偷气行为的功能。 1(3课题的主要研究内容 数据收集转发器涉及的主要技术包括:嵌入式实时操作系统、嵌入式开发 和测试技术、终端设备以及通信技术。深入学习和研究了以下内容: 11学习与研究在网络环境下数据收集转发的相关技术。主要包括:通信技 术、数据的存储技术。 21分析研究数据收集转发器的体系结构、功能，对它的硬件结构进行设计。 整个数据收集转发器由终端网络接口模块、通信接口模块、数据存储模块、最 小系统模块等组成。 2 武汉理I:人学硕十学位论文 3 分析研究数据收集转发器的软件结构和系统的总体结构，设计存储方式、 各端的通信方式和命令帧的设计，软件系统的总体设计主要有:基于ARM AdvancedRISC Machines 7的启动引导程序、与串口通信模块、解析模块、 抄表和控制模块。详细设计的各个功能模块的逻辑结构，实现基于开发板的前 后台系统。 4’ 研究嵌入式软件的测试方法，采用合适的方法和工具先对系统的各个功 能模块测试，检测各个功能模块是否正常工作，然后对整个系统测试，验证系 统逻辑上是否正常。 5 深入研究实时操作系统,l,C,OS(II MicroC,OperatingSystem 的内核及 和‖C,OS(II的可剪裁移植。‖C,OS(II是源码公开的实时操作系统，改写源代码， 使之符合自己的要求，裁减掉不需要的部分，使操作系统变得小巧、灵活、并 且能满足系统的需要。实现基于,比C,OS(II内核的数据收集转发器。 1(4论文的结构 论文分为以下七章: 第1章绪论。介绍了研究背景、国内外研究现状以及本文研究的内容和完 成的工作; 第2章数据收集转发器总体设计。讨论了数据收集转发器的特征，分析了 网络表系统中数据收集转发器的技术手段。针对本文拟研究的网 络表系统中的 数据收集转发器总体设计进行了研究，首先论述了数据收集转发器的设计 原则，并针对这些原则设计了软硬件的实现方案，然后对软硬件分别进行了研 究设计，完成整体架构的设计; 第3章终端网络接口模块。介绍了RS(485网络通信，设计与实现了网络 终端接口模块驱动，介绍了,让C,OS(II内核移植。 第4章通信接口模块。研究了GPRS通信，设计与实现了数据收集转发器 的通信接口模块驱动。 第5章数据存储模块。研究了12C InterCircuit 总线通信协议， Integrated 实现了数据收集转发器的数据存储模块驱动。 第6章数据收集转发器的测试与分析。对数据收集转发器的基本功能作了 测试，并总结分析了测试结果: 第7章总结。对本文所做的工作进行了总结，并对本文不够完善的地方指 出了未来的研究方向。 3 武汉理I:大学硕十学位论文 第2章数据收集转发器总体设计 2(1数据收集转发器概述 数据收集转发器【5】是一种对表具进行连续、长时间、自动、实时监测，并进 行分析、处理、存储、数据转发以及自动报警的中继设备。在数据收集转发器 出现之前，主要通过人工的手段收集和统计数据，不能及时的发现偷气，漏气 等现象。采用了数据收集转发器，可以对所有表具实行连续、时实监控，报告 表具当前的状态并针对表具的状态提供相应的解决办法。 数据收集转发器无论完成什么功能，它一般都具有以下特点中的几种或全 部功能; 1 实时监测表具:在表具发生掉线、状态改变就要主动向服务器报告表具 掉线、状态改变，即时对表具进行维修。 2 实时的了解表具的数据:当前情况下立即了解表具的数据，应有立即抄 上表具的数据的功能。 3 存储数据:把抄上来的数据存储在数据收据转发器中。 4 有条件接收:有条件接收的核心是加扰和加密，数据收集转发器应具有 解扰和解密功能。 2(2数据收集转发器关键问题 数据收集转发器的作用就是通过终端网络对表具进行定时和周期的数据收 集和存储以及对表具状态进行实时的监控，并且通过通信网络接收服务器对数 据收集转发器的配置设置和向服务器的转发数据。 因此，数据收集转发器的关键问题包括网络通信、数据存储、命令帧设计 以及对软硬件的选型。数据收集转发器要与终端表具、远程服务器通信就要设 计双方的通信命令帧。数据收集转发器要与远程服务器通信，就要通过GPRS 通信技术与远程服务器通信，数据收集转发器要有GPRS模块提供通信接口; 数据收集转发器负责接收从远程服务器传送进来的命令帧，并对命令帧进行解 4 武汉理lj人学硕十学位论文 析，根据功能进行相应的操作。数据收集转发器与终端表具通过终端网络进行 通信。数据收集转发器负责向终端表具发送命令帧，然后接收终端网络接口返 回的数据，并存储数据。 因为数据收集转发器的功能比较单一，因此对硬件和软件的要求不是特别 高，一般由一片主控制器芯片即可以完成整个控制。这个主控制器的选择范围 比较宽广，可以是ARM等等各种控制器芯片，根据数据收集转发器预期的功能 Unit 芯片作为主控制器，控制外围功能模块，以实现预期的所有功 Processing 能，也方便以后对外围功能的扩充。 2(3数据收集转发器设计方案 本文研究的数据收集转发器主要用于燃气网络表系统中，研究与实现这样 一种数据收集转发器: 1 实现网络表系统中的数据收集转发器，该实现基于软硬件极小环境，数据收 集转发器起到连接终端设备与远程服务器的作用，以满足终端设备与远程服务 器端的通信，解决了终端设备代价成本问题。 21实现基于实时操作系统内核,zC,OS(II的数据收集转发器，以提高系统的实 时性和稳定性。 2(3(1设计原则 本文研究的网络表系统中的数据收集转发器综合考虑系统的可行性、实用 性、性价比、安全可靠性等问题，在设计时候遵循以下原则: 1 可行性原则:可行性原则是指设计的数据收集转发器在技术上切实可 行，也就是采用的主控芯片运行速度以及片上资源满足设计需求、外围模块在 功能、速度和性能上既要满足设计需求又要能被主控芯片所支持。 2 实用性原则:实用性原则是指设计的数据收集转发器具有实用价值，要 满足数据收集转发器的基本功能:收集、存储、转发数据。在此基础上，根据 需求进行功能扩展，以满足以后对功能上的新增需求，并有市场可行性。 31性价比原则:性价比原则是指在确定了数据收集转发器的需求功能之 5 武汉理-1:人学硕t学位论文 后，以经济实用性为前提，尽量使投资代价最少。器件的选型上以够用为， 在满足需求的基础上优化设计方案，使器件发挥最优性能。 4 安全可靠性原则:安全可靠性原则是指设计的数据收集转发器必须是能 够长期安全运行，不能出现漏电、电击穿、电磁干扰等威胁到人身安全问题; 数据收集转发器在任何情况下，死机、丢失数据、破坏数据等问 题出现的情况 应尽可能减少，要能保证数据收集转发器是一个可靠的产品。 5’l可扩展性原则:可扩展性原则是指数据收集转发器的功能可能升级换 代。在硬件上，要能够进行功能扩展，即要有功能扩展的接口;在软件上，数 据收集转发器在需要的时候能进行升级和改进。使研究和开发具有连续性，为 以后的产品换代提供便利。 61投资保护性原则:投资保护性原则是指采用的技术要具有主流性，以保 护用户的投资。在硬件上，器件的选择要在满足需求的前提下大众化，也即各 个器件要是市场上供应充分，较长期间内不会停产的器件;在软 件上，与主流 技术兼容，充分利用现有技术资源，便于技术更新，也降低了开发风险。 2(3(2设计方案选择 本文研究的数据收集转发器基于以上几点原则来进行设计开发: 1 根据实用性原则，先确定数据收集转发器的功能:数据收集转发器的基 本功能是收集燃气表具上的数据，并且存储在数据收集转发器中，并通过通信 网络把数据传送给远程服务器。因此数据收集转发器必须有通信功能和数据存 储功能。 1(通信功能 数据收集转发器，要能够与燃气表具、服务器通信。通信可以采用多种方 Serial 式。常见的通信方式有USB UniversalBus 方式、串口方式、GPRS无 线通信方式等。 串口通信16J时，串口按位发送和接收字节。尽管比按字节的并行通信慢，但 是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据，它很简单并且 能够实现远距离通信。串行通信的协议有两类，异步通信和同步通信。其接口 标准有EIA 6 武汉理1:人学硕士学位论文 用两根线发送和接收信号，对比RS(232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距 接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS(485接口 方便地建立起设备网络。因此我们选择RS(485与表具通信。 GPRS通信具有资源利用率高、按通信的数据流量计费、传输速度高、接入 时间短和实时在线等特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势， forMobile 特别适合于频发小数据量的实时传输，而且由于GSM Global System 全球性无线接入。这将使访问服务变得非常简单、快速，因此我们选择GPRS 方式与服务器通信。 2(存储功能 数据收集转发器需要保存燃气表具上抄取的数据信息，所以，需要有一个 外设存储芯片，作为数据收集转发器的数据存储，用来保存从表具上抄取的信 息。在本文研究的系统中，由于数据量不是很多，所以采用双字节地址的E2PROM Erasable Read ElectricallyProgrammableOnly 够很好的满足系统对数据存储功能的需求。 因此为了实现这些功能，数据收集转发器必须具备终端网络接口、通信接 口和数据存储单元。 2( 根据可行性原则，考虑到需要实现的功能，本文选用的主控芯片100MHZ 以内即可，综合市场上现有的芯片性价比，本文选用LPC2114为主控芯片，这 以满足设计需求。而且因为这款芯片应用范围非常广，属于普及型的芯片，因 此价格相比其他同类性能的处理器芯片来说十分低廉，价格很低。所以，本文 选用它来作为主控制器比较符合本文的研究目的。 3 根据最优性价比原则，各个接1:3的功能要求分析如下: 1(终端网络接口 输距离远，RS(485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力 增强，即抗噪声干扰性好，增加了设备的个数，从10个增加到32个。能够满 足设计的需求和扩充，所以本文采用RS(485芯片。 7 武汉理:r人学硕士学位论文 2(通信接口 要实现与远程服务器的通信，本文采用GPRS通信方式，选用的是索尼爱立 的模块也可降低开发周期和成本。 3(存储接口 可以把数据很快的存储到E2PROM中的相对应的数据存储区中，存储芯片选用 双地址字节的AT24C256，可能很好的满足数据的存储和备份。 41根据可扩展性原则，硬件和软件都必须是可更新的。所以，本文研究的 数据收集转发器在硬件上采用分模块设计方法，数据收集转发器的各个接口都 由模块来实现，并且硬件连接要经过优化，主控制器的引脚资源得以最大限度 的利用。分模块设计方法将主控制器的引脚划分为各个功能块，己用的和未用 的引脚块清晰分明，在需要扩展功能时，只需要将功能模块与主 控制器空闲引 脚进行适当连接即可，使得扩展变得很方便。在软件上，本文研究的数据收集 转发器采用分层设计方法，整个软件系统分为引导程序、OS OperatingSystem 、 应用程序层三个部分，各个部分分层清晰，功能明确，扩展时候按照需要扩展 的功能在各个层次软件上增加对应的功能。 51根据投资保护性原则，本文研究的数据收集转发器的硬件芯片均采用最 常用的芯片，一般不会出现突然被芯片厂商宣布停产的情况发生。软件部分则 采用aC,OS(II，这种嵌入式实时操作系统既满足了成本最低化的要求，又是当 今比较热门的研究领域，而且还是开源软件，能够很好满足数据收集转发器的 功能需求，同时在技术上能时刻紧跟发展脚步。 2(4数据收集转发器硬件架构 在以现代通信、网络技术为基础的远程抄表应用系统中，带有实时的数据 采集与设备监控的终端设备把采集到的数据进行预处理，并把处理后的数据转 发给服务器端，服务器端对数据做相应的处理，并根据这些信息做相应的操作 完成业务处理，并提供面向该应用的信息服务。这类集实时数据采集、远程监 控、信息服务于一体的应用系统有很多，其体系结构主要包括以下两种:一、 终端设备采集并处理数据，并通过网络直接转发到服务器端进行数据的处理， 8 武汉理I:人学硕十学位论文 这种方式的实时性很高，处理速度快，但是服务器的通信频繁，并且终端设备 的成本代价过高。二、终端设备采集并处理数据，由于很多终端设备基本集中 于一个小的范围内，可把采集并处理后的数据存储到数据收集转发设备中，并 对数据做进一步的处理，然后通过网络把数据转发到服务器端，这的方式的极 大的降低了成本代价，并且数据集中处理。第二种方式典型的系统如:网络流 量表系统，它采用这种三级模式:终端设备、数据收集转发设备、服务器。数 据收集转发器的整体概念图如图2-1所示: 扣固搿-觚-'ZT嗍---数斟黥? 图2-1数据收集转发器的整体概念图 数据收集转发器通过485网络与燃气表具通信，把所辖燃气表具的数据收 集并存储，通过GPRS与远程服务器无线通信，把燃气表具的上数据上传至远 程服务器，而且数据收集转发器实时监控并报告燃气表具的状态。 2(4(1数据收集转发器硬件架构 由功能分析知，数据收集转发器至少由3个模块构成:终端网络接口模块、 通信接口模块、数据存储模块。另外，因为数据收集转发器属于嵌入式系统， 嵌入式系统大多都是在最小系统模块上加上实现各个功能的外围模块而构成， 所以本文描述的数据收集转发器也需要最小系统模块，这样一共就是四个大的 模块，如图2(2所示。 9 武汉理I:人学硕十学位论文 图2(2数据收集转发器硬件模块构成图 最小系统模块也是整个数据收集转发器的主控模块，它控制其他三个模块 协调工作。终端网络接口模块外接燃气表具，以把最小系统模块 传送的通信命 令帧以广播方式发送至所有的燃气表具，燃气表具接收到命令后判断是否是自 己的命令，然后把燃气表的数据回传最小系统模块处理;通信接口模块外接 GPRS模块，最小系统模块接收远程服务器发送来的命令帧，把数据存储模块中 的数据上传至服务器，同时可以更改数据收集转发器的配置;数据存储模块存 储燃气表具的数据和扫描设备传上来的初始化数据等。 2(4(2数据收集转发器的硬件工作流程 数据收集转发器的模块工作流程图，如图2(3所示: 打馅搜箭 图2-3模块工作流程图 10 武汉理r大学硕十学位论文 电源上电后，最小系统模块启动，LPC2114开始工作，此时外围模块也同 时开始工作。通信接口模块进行连接，如果是第一次开机，就要把初始化的数 据传送给服务器。服务器发送命令帧给最小系统模块，读取E2PROM中的数据， 传送给服务器。终端网络接口模块接收命令抄取燃气表具中的数据，根据功能 码的不同把数据存储到不同的分区中。而数据存储模块是通过12C总线，把通信 接口模块和网络终端接口模块的数据帧解析后产生的有效数据存储到E2PROM， 当远程服务器需要数据时就会从中读取。 2(4(3数据收集转发器模块设计方案 数据收集转发器包括最小系统模块、终端网络接口模块、通信接口模块和数 据存储模块四个模块，对它们的设计方案描述如下: 最小系统模块是每一个嵌入式系统正常运行所需要的最小配置，组成虽然 各有区别，但大体上是相同的，一般都有主控芯片、电源、时钟、RAM,ROM、 FLASH以能很好的满足系统代码存储和运行的需求，所以本文研究的数据收集 转发器没有用到片外RAM和FLASH。最小系统模块结构图如图2(4 所示。 图2_4最小系统模块 电源芯片的作用是把直流电源电压降低后稳定输出，供给各个器件;时钟 晶振提供给各个器件一个基准脉冲，使各个器件能够协同工作;片内RAM是系 武汉理r人学硕十学位论文 统的内存，程序和代码在此处运行;片内FLASH储存整个系统的程序和数据， 以便在掉电时候也不会丢失它们;发光二极管的作用是外界系统己经上电 了，以及GPRS在线:按键是电源开关，控制电源的通断。 超小LQFP64封装;16KB片内SRAM;128 宽度接r]lDil速器可实现高达60MHz工作频率，可加密;全球 首个实现可加密 Embedded Monitor软件对前台，任 ICE可实现断点和观察点，当使用片内Real 务进行调试时，中断服务程序可继续运行，嵌入式跟踪宏单元 ETM 支持对 执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。多个串行接口，包括2个 16C550工业标 准UART Universal kHz Asynchronous 和2个SPI SerialInterface 接口。通过片内PLL Phase Peripheral LockingLoop 可实现最大为60MHz的CPU操作频率。向量中断控制器，可配置优先级和向 量地址。多达46个通用I,O口 可承受5V电压 ，9个边沿或电平触发的外部中 断引脚，片内晶振频率范围:10,25MHz，2个低功耗模式:空闲和掉电，通过 V? 外部中断将处理器从掉电模式中唤醒，CPU操作电压范围:1(65,1(95 V 1(8 0(15 V 。 低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TrL电 路连接。根据每个RS(485接口芯片的驱动器能驱动多少个标准RS(485负载， 它是能抗静电或抗雷击的芯片。 Control 都集中在一块集成的芯片内，内嵌TCP,IP Transfer 且GR47价格相对比较便宜，比较适合本文研究的数据收集转发器，通过与 16C550工业标准UART相连接通信。 256Kbit串行电可擦的可编程只读存储器，具有结构紧凑、存储容量大等特点， 适合本文研究的数据收集转发器。 12 武汉理I:人学硕十学位论文 2(5数据收集转发器软件架构 2(5(1数据收集转发器总体软件结构 数据收集转发器需要的软件有三类:引导代码、OS软件、应用程序软件。 嵌入式系统不带OS平台的，一般称为lji『后台系统。而本系统为了满足实时性和 系统的响应速度，采用带OS的平台，而常用的引导代码主要分为开源的和不开 源的。开源的引导代码比如U(BOOT，不开源的引导代码多为各个公司自己开 发的针对某,个特定平台的代码。本文研究的数据收集转发器采用飞利浦的 ARM7处理器芯片，针对飞利浦芯片架构的编写引导代码。 2(5(2数据收集转发器软件结构 数据收集转发器软件结构如图2(5所示: 上层应用软件一 系统调用( 内核和设备驱动一 操作系统层一 引导代码一 引导代 码层一 ? 0 硬 件一 图2(5数据收集转发器软件结构 引导代码初始化好硬件后，载入内核，系统控制权转交给内核和驱动，上 层应用软件调用操作系统层API来运行具体的应用软件。 2(5(2(1引导代码层 引导代码【11-12】的作用主要是初始化必须的硬件，然后加载ac,os(II内核， ItC,OS-II内核运行起来，引导代码就不再起作用，直到硬重启或者软重启的时 13 武汉理I:大学硕十学位论文 候才重新从引导代码开始运行。 在ARM系统上电复位后，需要设置中断向量表、初始化各模式堆栈、设置 系统时钟频率等，而这些过程都是针对ARM内部寄存器结构的操作，用C语言 编程是很难实现的。因此在转到应用程序的C编写之前，需要用ARM的汇编语 言编写启动代码，由启动代码完成系统初始化以及跳转到用户C程序。在ARM 设计开发中，启动代码的编写是一个极重要的过程。虽然启动代码随具体的目 标系统和开发系统有所区别，但通常包含以下部分: 1 向量表定义 条跳转指令，通过这条指令使PC指针指向相应的中断服务程序入口，继而执行 相应的中断处理程序。 2 地址重映射及中断向量表的转移 ARM7处理器在复位后，从地址O读取第一条指令并执行，因此系统上电 令。为了加快对中断的处理以及实现在不同操作系统模式下对中断的处理，这 非常灵活的存储器地址分配特性。 31堆栈初始化 启动代码中各模式堆栈空间的设置是为中断处理和程序跳 转时服务的。当 系统响应中断或程序跳转时，需要将当前处理器的状态和部分重要参数保存在 一段存储空间中，所以对每个模式都要进行堆栈初始化工作，给每个模式的SP 定义一个堆栈基地址和堆栈的容量。堆栈的初始化有两种方法:第一种方法是 结合ADS开发套件中的分散加载文件来定义堆栈。第二种方法是最简单也是最 常用的一种就是直接进入对应的处理器模式，为SP寄存器指定相应的值。 钔设置系统时钟频率 时钟是芯片各部分正常工作的基础，应该在进入mainoi函数前设置。部分 电路获得一个较高频率的时钟。"C2H4内部的PLL电路接受的输入时钟频率 14 武汉理T人学硕十学位论文 14又集成了一个额外的分频器。PLL的 低外设运行速度使功耗降低 ，LPC21 此期间中断必须是被禁止的 。 5’ 中断寄存器的初始化 FIQ中断请求的优先级最高，其次是IRQ中断请求，非向量IRQ的优先级最低。 VIC Vector Interrupt 寄存器控制，当对应位设置位1时，则此中断为FIQ中断，否则为IRQ中断。 中断，否则为非向量IRQ中断。FIQ中断是专门用来处理那些需要及时响应的 特殊事件，尽可能地只给FIQ分配一个中断源。 6’ 进入C应用程序 系统各部分的初始化基本完成，从启动代码转入到应用程序的main0函数入口。 2(5(2(2操作系统层 11,比C,OS(II介绍 要求比较高的地方，比如军方系统、航天航空系统、路由器系统等，如果用在 本文研究的数据收集转发器上，一方面不需要那么强的实时性， 另一方面价格 太高，不太合适。而WinCE虽然比较适合消费类电子产品，但它也是商用的， 需要不菲的版权费。虽然Linux也是开源的软件，但相对于数据收集转发器的功 能需求，采用Linux会对硬件有更高的需求，并且内核较大。所以，最终选择开 源嵌入式实时操作系统,l,C,OS(II。 113-14l是一个微型的实时操作系统，包括了一个操作系统最基本的 ,比C,OS(II 一些特性，如任务调度、任务通信、内存管理、中断管理等，而且这是一个代 码完全开放的实时操作系统，简单明了的结构和严谨的代码风 格，可以以最快 的速度了解操作系统的概念、结构和模块工作原理，它具有以下特点: 武汉理1:人学硕十学位论文 1 ,比C,OS(II最主要的特点就是源码公开: 2 ‖C,OS(II是一个占先式的内核，即已经准备就绪的高优先级任务可以剥 夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。 3 ,比C,OS(II和Linux等分时操作系统不同，它不支持时间片轮转法。 4 ,比C,OS(II对共享资源提供了保护机制。 操作系统层主要是内核和驱动，驱动是,比C,OS(II内核开发所需要作的主要 工作，驱动层向下驱动硬件工作，向上提供函数接口给内核，并最终被上层应 用程序调用。 设备驱动程序使操作系统为上层应用软件隐藏下层硬件设备的细节。 ‖C,OS(II内核是没有任何自带的驱动，都需要移植、修改或是重写驱动代码， 本文所实现的驱动都由自己编写，主要包括串口驱动、12C驱动等。 21,llC,OS(II内核的移植 1 移植规划 编译器的选择，针对ARM处理器核的C语言编译器l”】有很多，如SDT、 GCC虽然支持广泛，并且很多开发套件使用它作为编译器，与ADS 比较其编译 效率低，这对充分发挥芯片性能很不利，所以最终使用ADS编译程序和调试。 任务模式的取舍，ARM7处理器具有用户、系统、管理、中止、未定义、 中断和快中断7种模式，其中除用户模式外，其他均为特权模式。管理、中止、 未定义、中断和快中断与相应异常相联系，任务使用这些模式不太适合。而系 统模式除了是特权模式外，其它与用户模式一样，因而可选的给任务使用的模 式只有用户模式和系统模式。为了尽量减少任务代码错误对整个程序的影响， 缺省的任务模式定为用户模式，可选为系统模式，同时提供接口使任务可以在 这两种模式间切换。 指令集和16位Thumb指令集，两种指令集有不同的应用范转。为了最大限度地 支持芯片的特性，任务使用任意一个指令集并自由切换，而且不同的任务使用 不同的指令集。 2 移植gC,OS(II 移植,比C,OS(II 16 武汉理J:人学硕十学位论文 CPU CPU 语言头文件 、OS C(C C程序源文件 及OSA(ASM 汇编程序 源文件 。gC,OS-II中要移植的代码见表2―1。 表2―1,比C,OS―II移植的代码 移植内容 类型 所属文件 描述 BOOLEAN、lNT8U、INT8S、INTl6U、 与编译无关的 数据类型 OS_CPU(H INTl6S、lNlr32U、INT32S、FP32、FP64 数据类型 堆栈的数据类 OS OS――STK 数据类型 CPU(H 型 OS―ENTER_C:RrHCAL0 开关中断的代 宏 OS― CPU(H OS_EXIT_CRITICAL0 码 定义堆栈拉长 OS―(STK_GROWTH 常量 OS_CPU(H 方向 任务切换时执 OS3KSK_SW0 函数 os_cPu(H 行的代码 任务堆栈初始 OSTaskStklnit0 函数 OS_CPU_C(C 化函数 OSlnitHookBegin0、OSInitHookEnd0、 ,,C,OS??II在执 OSTaskCreateHook0、OSTaskDelHook0、 行某些操作时 函数 OSTaskSwHookO、OSTaskStatHook0、 调用的用户函 OS―CPU_C(C OSTCBlnitHook0、OSTimeTickHook、 数，一般为空 OSTaskldleHook0 进入多任务环 函数 境时运行优先 OSStartHighRdY0 OS_CPU?SM 级最高的任务 中断退出时的 OSIntCtxSw0 函数 OS_CP鳗石(ASM 任务切换 时钟节拍中断 中断服务程序 A(ASM OSTicklSR0 OS_CPU 服务程序 由于各种ARM芯片的中断系统不一样，时钟节拍中断服务程序没有移植， 类型的定义，因为它们与处理器类型有关，隐含着不可移植性。代之用移植性 强的整数数据类型，如上表所示。 为了使底层接口函数与处理器状态无关，同时在任务调用相应的函数不需 17 武汉理l:人学硕十学位论文 要知道函数位置，本移植使用软中断指令SWI作为底层接口，使用不同的功能 号区分不同的函数。用软中断作为操作系统的底层接口就需要在C语占中使用 SWI指令。在ADS中，有一个关键字swi，用它声明一个不存在的函数，则调 用这个函数就在调用这个函数的地方插入一条SWI指令，并且可以指定功能号。 同时，这个函数也可以有参数和返回值，其传递规则与一般函数一样。软中断 功能号分配如表2(2。 表2-2软件中断功能表 功能号 接口函数 简介 0x00 Void 任务级任务切换函数 OS】KSKSW void Ox01 运行优先级最高的任务，由 _OSStartHighRdy void OSStartHighRdy产生 0x02 VoidOS 关中断 ENTER――CRITICAL void Ox03 VoidOS 开中断 EXrr―CRITICJ?void Ox80 Void 任务切换到系 统模式 ChangeToSYSMode void 0x81 Void 任务切换到用 户模式 ChagneToUSRMode void 0x82 Void 任务代码是 ARM代码 TasklsARM INT8Updo 0x83 Void 任务代码是 THUMB代码 TasklsTHUMB INT8Uprio 在启动代码中要将软中断异常处理程序挂接到内核，是通过修改异常向量 表来完成。编写中断服务程序代码时，关键在于把程序与芯片的相关中断源挂 接，使芯片在产生相应的中断后会调用相应的处理程序，而这需要做两件事情: 增加汇编接口的支持和初始化向量中断控制器。完成了这些事后，下面就是编 写自己的应用程序了。 2(5(2(3应用程序层 应用程序层位于操作系统层之上，它主要实现的是对各方通信数据的处理， 其中包括: 1 实现对各方通信数据的接收和发送 2 对接收到的数据的解析及重组相应数据帧 3 存储有效数据 在应用程序层的具体实现过程中都会调用到操作系统中所 提供的相关函数 接口。 18 武汉理l:人学硕十学位论文 第3章终端网络接口模块 3(1 1 RS-485通信和ARM7LPC214介绍 RS(485[18】收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑 制共模干扰的能力， 加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mv的电压，故传输 信号能在千米 以外得到恢复。使用RS(485总线，一对双绞线就能实现多站联 网，构成分布式 系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到 了广泛的应用。 距离的理论值如表3(1: 表3-1最大传输距离 波特率 最大传输距离 1800m 2400Bps 4800Bps 1200m 9600Bps 800m 的应用中由于信号的衰减不能达到最远的距离。由于本文研究的数据收集转发 器用于小区的燃气表具的数据抄取，所以在实际的使用中没有问题。 RISC 位微处理器家族的成员之一，ARM处理器具有优异的性能但功耗却很低，使用 令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。使它具有高的指令吞 吐量、出色的实时中断响应、小的高性价比的处理器宏单元特点。 有7种操作模式:用户模式是ARM程序通常执行的状态用于执行大多数应用 程序，快速中断FIQ模式支持数据传输或通道处理，中断IRQ模式用于通用中 19 武汉理1人学硕十学位论文 断处理， 超级用户模式是操作系统一种受保护的模式，中止模式在数据或指令 预取指中止时进入该模式，系统模式是操作系统一种特许的用户模式，未定义 模式当执行未定义的指令时进入该模式。除了用户模式之外其它模式都被归为 特权模式，特权模式用于服务中断异常或者访问受保护的资源。 LPC2114的结构框图如图3-1所示: 虹三 董[三] 立逍二[k。 虹三芷 ― 三一 虹三璃 „„l„“„一^―7 譬嚣[三]。o。虹三] M，”[三]三 目 图3-1LPC2114结构框图 3 2终端网络接口模块硬件连接图 终端通信1”1就是一个数据收集转发器与不超过32块终 端燃气表具挂接在一 间通过此网络进行数据通讯。 武汉理I:人学硕十学位论文 同使用一个通信接口的网络连接形式，实现一对多的通信，可使数据收集转发 器同时连接多个表具。连接形式有直接连接和网络连接两种方式，从一般意义 而言，直接连接的连接距离和连接数量受到控制单元电路的限制，采用网络连 接时，这种限制会宽松很多。当表具采用集中挂装形式时，两种连接方式均可 使用;采用按楼层分布式挂表形式时，网络连接方式具有明显的优势。另外， 采用网络连接形式，可以更好地隔离各个部件之间的相互影响，在维修维护过 程中，有利于查找故障发生点。 后用一GPIO管脚为RS(485的接收数据和发送数据提供信号，并且系统电源为 RS(485提供电源。 RS(485芯片。采用单一电源+5 V工作，额定电流为300,uA，采用半双工通讯方 都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出 和TXD相连即可;,RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当瓜E为逻辑O 时，器件处于接收状态;当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为485 可:A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时， 代表发送的数据为1;当A的电平低于B端时，代表发送的数据为O。在与 发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选1200的电阻。二极管 D2起反向保护作用，R39、R40电阻分别是上拉和下拉电阻，提高带负载能力， 2、3管脚短接，写和读操作，根据同一个信号控制，J13连接燃气表具。终端网 络接口电路图如图3(2所示: 21 武汉理Tj人学硕十学何论文 图3(2终端网络接口终端网络接口电路图 3(3终端网络接口模块的软件设计 终端网络燃气表具一般保持通信接收态，等待接收数据收集转发器发出的 命令，当发出命令后，各终端表燃气具都能收到相同命令，但只有被呼叫的终 端表具会响应该命令，执行相应操作或回传数据给数据收集转发器，未被呼叫 的终端燃气表具不会做出回应。数据收集转发器与燃气表具通信要先初始化串 口、串口初始化后再对定时器、RTC时钟和121等进行初始化，然后根据中断的 类型来进行相应的抄表。终端网络接口模块软件流程图如图3―3所示: