基于嵌入式技術(shù)與WEB技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 基于MCF5272芯片的嵌入式Web Server

基于MCF5272芯片的嵌入式Web Server硬件配置如下：MCF5272（Cold Fire系列）32位處理器、4M字節(jié)的兩片16×1M位數(shù)據(jù)寬度FLASH、16M字節(jié)的兩片16×4M位數(shù)據(jù)寬度SDRAM、兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)10/100M自適應(yīng)快速以太網(wǎng)接口、一個(gè)BDM接口、各種狀態(tài)指示和電源等。 MCF5272微處理器是迄今為止摩托羅拉推出的最高集成度的Cold Fire微處理器。這款高集成的Cold Fire微處理器將10/100MB以太網(wǎng)控制器和一個(gè)USB模塊等通信外圍設(shè)備結(jié)合起來，提高了MCF5272集成通信微處理器集成水平。

它不僅提供了一套新的通信外圍設(shè)備，同時(shí)還包含了以往Cold Fire標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品所具備的廣受歡迎的通用外圍設(shè)備。

1.2 PTR2000+系列無線數(shù)傳模塊

PTR2000+為訊通科技出產(chǎn)的無線數(shù)傳模塊，具有接收發(fā)射合一、體積小、外圍器件少等優(yōu)點(diǎn)，可直接與MCU串口相接，也可以接計(jì)算機(jī)RS232接口，軟件編程非常方便。由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用者無需申請(qǐng)?jiān)S可證 。其標(biāo)準(zhǔn)DIP引腳間距，更適合嵌入式設(shè)計(jì)。

PTR2000+具有良好的產(chǎn)品特性，工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段433MHz，F(xiàn)SK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)；采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；具有兩個(gè)頻段，適合于需要多信道工作的特殊場(chǎng)合；工作速率最高可達(dá)20Kbit/s，也可在較低速率（如9600bps）下工作。

1.3 系統(tǒng)原理

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集發(fā)射終端和數(shù)據(jù)接收端組成。

數(shù)據(jù)采集發(fā)射終端主要以51系列單片機(jī)為核心，MCU的P1口控制多路選擇器，對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行選擇，選中的模擬信號(hào)進(jìn)入高速AD轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。MCU同時(shí)控制AD的采樣頻率和起始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入FIFO存儲(chǔ)器。按照規(guī)定的通信協(xié)議，MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，最后通過數(shù)傳模塊PTR2000+發(fā)射給遠(yuǎn)方接收端。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑪?shù)據(jù)發(fā)送完畢，MCU將PTR2000+轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)，接收主機(jī)的應(yīng)答信號(hào)或控制字。

圖1 數(shù)據(jù)采集端結(jié)構(gòu)框

PTR2000+通過RS-232將接收到的數(shù)據(jù)送入MCF5272嵌入式Web Server，MCF5272嵌入式Web Server接收完數(shù)據(jù)，將PTR2000+轉(zhuǎn)換為發(fā)射狀態(tài)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC循環(huán)碼校驗(yàn)。如果數(shù)據(jù)正確，就通過嵌入式操作系統(tǒng)的UDP/IP協(xié)議棧，將數(shù)據(jù)打包，保存到FLASH芯片的可寫JFFS文件系統(tǒng)之中，同時(shí)運(yùn)行web服務(wù)器，等待客戶服務(wù)端通過網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)；錯(cuò)誤，則向PTR2000+發(fā)送重發(fā)命令。MCF5272嵌入式Web Server通過以太網(wǎng)口接入Internet網(wǎng)絡(luò)，用戶可通過瀏覽器（例如：IE）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程配置、管理（如更改IP，重新啟動(dòng)系統(tǒng)等），并且可以調(diào)用封裝好的函數(shù)API直接對(duì)FLASH芯片的某幾個(gè)扇區(qū)進(jìn)行讀寫操作，可將配置的信息以及采集數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)FLASH芯片上。

圖2 數(shù)據(jù)接收端結(jié)構(gòu)框

上位PC機(jī)通過RS-232與BDM調(diào)試器相連，BDM調(diào)試器通過BDM口與Web Server相連，可以對(duì)Web Serve進(jìn)行初始化配置、調(diào)試和日常維護(hù)。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一。

2.1 系統(tǒng)軟件：包括嵌入式操作系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，是在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、硬件相關(guān)性、軟件固態(tài)化等方面有著突出特點(diǎn)的專用操作系統(tǒng)。由于Cold Fire系列芯片是沒有MMU （內(nèi)存管理單元Memory Management Unit）的處理器，而 uClinux是專為那些沒有MMU的嵌入式處理器開發(fā)的，所以本系統(tǒng)采用uClinux嵌入式操作系統(tǒng)。

uClinux是Linux的一個(gè)嵌入式版本，它是源代碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)，其內(nèi)核的二進(jìn)制映像文件可以做到小于512K。uClinux針對(duì)無MMU的處理器設(shè)計(jì)，支持多 任務(wù)，具有完備的TCP/IP協(xié)議棧并支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。uClinux還支持多種文件系統(tǒng)，如ROMFS、NFS和JFFS等。另外，uClinux可移植性很強(qiáng)，用戶通過重新配置、編譯內(nèi)核，很方便將其移植到68K、Dragon Ball、Cold Fire、Power PC、ARM等多種處理器計(jì)算平臺(tái)。當(dāng)前uClinux提供2.0和2.4兩個(gè)內(nèi)核版本。

本系統(tǒng)采用uClinux嵌入式操作系統(tǒng)主要需要解決以下三個(gè)問題：

第一，實(shí)時(shí)性問題。uClinux本身并沒有關(guān)注實(shí)時(shí)性問題，它并不是為了Linux的實(shí)時(shí)性而提出的。而本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集功能對(duì)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有一定要求。通過給uClinux打上其它Rt-linux的實(shí)時(shí)性補(bǔ)丁，就可以增強(qiáng)uClinux的實(shí)時(shí)性，滿足這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。

第二，JFFS文件系統(tǒng)的建立。uClinux系統(tǒng)采用Romfs作為根文件系統(tǒng)，Romfs文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫保存。而本系統(tǒng)中的嵌入式的Web Server在運(yùn)行過程中，要求能夠動(dòng)態(tài)地保存一些數(shù)據(jù)，并且當(dāng)系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)，保存的數(shù)據(jù)依然存在。所以我們需要充分發(fā)揮Flash可擦寫的優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，動(dòng)態(tài)地擦寫Flash來保存數(shù)據(jù)。通過建立JFFS文件系統(tǒng)，可以用Flash來保存數(shù)據(jù)，即將Flash作為系統(tǒng)的硬盤來使用。可以像操作硬盤上的文件一樣操作Flash芯片上的文件和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)可以實(shí)時(shí)保存到Flash芯片中，在系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)仍然存儲(chǔ)在Flash芯片中。為實(shí)現(xiàn)Flash上的JFFS文件系統(tǒng)，我們需要在內(nèi)核中加入對(duì)JFFS文件系統(tǒng)和Flash設(shè)備的支持，并針對(duì)具體的Flash 芯片修改設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，生成設(shè)備節(jié)點(diǎn)并將JFFS文件系統(tǒng)掛接到Flash 設(shè)備上。

第三，編寫各個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。主要包括串口驅(qū)動(dòng)程序、以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)程序、BDM調(diào)試接口驅(qū)動(dòng)程序和FLASH芯片驅(qū)動(dòng)程序。

2.2 嵌入式Web Server軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

嵌入式Web Server的軟件系統(tǒng)包括五個(gè)部分： ①HTTP引擎； ②虛擬文件系統(tǒng)； ③配置模塊； ④安全模塊； ⑤應(yīng)用程序接口模塊。

圖3 嵌入式Web Server軟件系統(tǒng)示意圖

其中HTTP引擎負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的請(qǐng)求、通過虛擬文件系統(tǒng)訪問靜態(tài)數(shù)據(jù)信息、通過應(yīng)用程序接口得到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息。

虛擬文件系統(tǒng)為嵌入式Web Server提供虛擬文件服務(wù)，虛擬文件系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)文件大小、修改時(shí)間等信息。對(duì)于存儲(chǔ)HTML文件需要的動(dòng)態(tài)信息建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存腳本的指針和腳本所調(diào)用函數(shù)的名稱。通過虛擬文件系統(tǒng)將Java、 GIF、 PDF、 HTML以及文本等文件形式編譯為Web服務(wù)器認(rèn)可的代碼，而獨(dú)立于具體的文件系統(tǒng)。

配置模塊使系統(tǒng)管理員可以從任何一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器上設(shè)置嵌入式Web Server參數(shù)，在系統(tǒng)啟動(dòng)中定義的配置環(huán)境變量包括并發(fā)連接數(shù)、Socket端口、主機(jī)名稱、根文件路徑、缺省初始文件以及非活動(dòng)超時(shí)和時(shí)區(qū)等。

配置模塊對(duì)標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器的開放使得安全問題更加重要，尤其是對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置和控制信息的訪問成為安全保護(hù)的重點(diǎn)。安全模塊通過在服務(wù)器上定義安全域和對(duì)每個(gè)安全域定義的用戶名和密碼實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感信息的保護(hù)。還可以對(duì)請(qǐng)求數(shù)據(jù)采取加密措施實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能。

應(yīng)用程序接口模塊實(shí)現(xiàn)和嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。在嵌入式Web Server中，應(yīng)用程序接口與嵌入式操作系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入系統(tǒng)的配置、監(jiān)視和控制，是嵌入式Web Server軟件系統(tǒng)的核心。而應(yīng)用程序接口模塊常見的有CGI（Common Gateway Interface）、SSI（Server Side Include）和HCPA（HTML-to-C Preprocessor Approach）等3種形式。

本系統(tǒng)應(yīng)用程序接口模塊采用CGI形式。CGI提供嵌入式Web Server一個(gè)執(zhí)行外部程序的通道，CGI程序經(jīng)過編譯成為可執(zhí)行文件，放在服務(wù)器端運(yùn)行。嵌入式Web Server根據(jù)用戶的請(qǐng)求調(diào)用相應(yīng)的CGI程序。并由嵌入式Web Server將CGI程序得到的動(dòng)態(tài)信息封裝到頁(yè)面中，發(fā)送到用戶瀏覽器上。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸

3.1 通信原理

在此系統(tǒng)中，基于無線方式的數(shù)據(jù)傳輸，決定了它有相對(duì)高的不可靠性，為了可靠通信，編程時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的通信協(xié)議，并采用數(shù)據(jù)幀號(hào)和CRC校驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的糾檢錯(cuò)。

Web Server和數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)傳輸采用半雙工方式，基于停止等待協(xié)議（stop and wait）的思想，將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀按先后順序附加上幀號(hào)，以保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。數(shù)據(jù)采集終端首先處于接收狀態(tài)，Web Server將控制字（A/D采樣頻率、采樣方式）發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端后，Web Server轉(zhuǎn)換為接收方式，等待終端發(fā)送確認(rèn)幀。數(shù)據(jù)采集終端接收到控制字，進(jìn)行CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)正確就向Web Server發(fā)送確認(rèn)幀，數(shù)據(jù)幀幀號(hào)清零，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。反之，則向Web ServerR發(fā)送重發(fā)請(qǐng)求。

數(shù)據(jù)開始傳輸，數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送第N幀數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢，轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)，等待Web Server發(fā)送確認(rèn)幀；Web Server接收到數(shù)據(jù)，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，將幀號(hào)與自身幀號(hào)比較，數(shù)據(jù)正確，將自身幀計(jì)數(shù)器加1，通知數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送第N+1幀數(shù)據(jù)。

3.2 通信協(xié)議

PTR2000+在無信號(hào)時(shí)，串口輸出的是隨機(jī)數(shù)據(jù)，為保證無線通信的可靠，必須定義一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包后傳輸，數(shù)據(jù)幀格式見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)幀格式

考慮到無線通信中的延遲效應(yīng)和數(shù)傳MODEM的發(fā)射接收轉(zhuǎn)換時(shí)間，為使接收建立正確的同步，需要在數(shù)據(jù)幀頭部加入5byte 的填充比特和同步碼。在整個(gè)數(shù)據(jù)通信中需要3種類型的的數(shù)據(jù)幀，即服務(wù)器發(fā)送的控制幀，數(shù)據(jù)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，和他們發(fā)送的確認(rèn)幀，長(zhǎng)度包括類型碼和數(shù)據(jù)幀字節(jié)數(shù)之和數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用16位CRC循環(huán)校驗(yàn)碼。

數(shù)據(jù)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)為48byte，當(dāng)采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器件，如AD1674時(shí)，每一路占用16 bit，對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行一次循環(huán)采集占用16個(gè)字節(jié)，因此48byte的數(shù)據(jù)幀可存儲(chǔ)3次循環(huán)采集的數(shù)據(jù)，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。?dāng)PRT2000+傳輸速率為19.3Kbit/s時(shí)，采用此通信協(xié)議對(duì)單路信號(hào)進(jìn)行采集，速率可達(dá)4Kbit/s，此系統(tǒng)可用于低速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膽?yīng)用范圍非常廣，涉及行業(yè)有電力、水利、公安、交通、石油、安防和金融等。上述設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式Web Server的無線數(shù)據(jù)采集，主要用于車輛遙測(cè)、遠(yuǎn)程無線抄表、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、非接觸RF智能卡、生物信號(hào)采集等低速率遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于其服務(wù)器的設(shè)計(jì)基于嵌入式技術(shù)與WEB技術(shù)，而數(shù)據(jù)采集部分采用無線傳輸技術(shù)。

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