基于ARM和GPRS的遠程監測終端設計

摘要：針對分布比較分散，場所不固定，或是環境比較惡劣的監測現場，提出了一種通用的遠程監測終端的設計方法。終端具有模塊化的數據采集功能，并采用ARM9處理器和Linux操作系統，用Qt／Embedded編寫終端應用程序，使其具有良好的人機交互界面，并對數據進行分析處理，采用GPRS(通用無線分組業務)無線通信技術將處理過的數據發往監測中心，存入數據庫。實際實驗證明，該終端數據處理速度快，精度高，實時性好，可以滿足一般監測現場的要求。
關鍵詞：遠程監測；ARM9；GPRS；嵌入式Linux；Qt／Embedded

隨著現代生產科技水平的發展，對監測技術的要求越來越高，形式趨于多樣化。在無人值守的變電站、水文站、氣象站等野外監測或是在交通運輸等行業中，因分布比較分散、環境惡劣，地點不固定，不便于用傳統方法實現集中控制和實時監測并且有線網絡的架設受到種種限制。在這些場合采用基于GPRS的無線網絡通信技術，具有無可比擬的優勢。將嵌入式應用系統與無線通信技術結合在一起是未來嵌入式應用的必然趨勢。GPRS(General Packet Radio Service)，即通用無線分組業務。
GPRS技術應用于遠程數據傳輸系統，具有以下幾個特點：1)永遠在線，接入速度快。分組交換接入時間少于1秒，可使遠程數據傳輸的效率大大提高：2)采用數據流量的計費方式，大大降低了用戶的使用費用；3)GPRS網絡覆蓋范圍廣，且支持TCP／IP協議，從而可實現與Intern et的無縫連接。

1 終端的整體結構設計
終端要完成3個任務，數據采集、數據處理和數據的無線傳輸。數據采集部分采用模塊化設計思想將采集模塊分為模擬量采集模塊，數字量采集模塊，開關量采集模塊等，每個模塊獨立的實現對特定采集信號的整流、調理、隔離等處理再轉換為數字量，各模塊采用統一的結構，選用相同的單片機處理器。各模塊采集的數據通過統一的SPI(serialperipleral interface)總線傳輸給ARM處理器。這樣的結構使終端使用更靈活，應用范圍更廣泛。數據處理部分采用ARM處理器對所采集的數據的類型、長度、有效范圍等進行處理，并通過液晶屏加觸摸屏完成人機交互功能。然后將處理好的數據通過GPRS無線網絡傳輸給上位機。終端的整體結構圖如圖1所示。

2 終端硬件設計
終端硬件主要由3部分組成。一是作為主處理器的ARM9處理器及其外圍電路包括電源電路、復位電路、外擴存儲器電路及用于人機互動的液晶屏、觸摸屏連接電路等。二是各個模塊的數據采集電路的設計，這里主要設計的是模擬量采集模塊，以及各個數據采集模塊與主處理器之間SPI連接方式。三是GPRS模塊外圍電路以及與主處理器的連接。端硬件設計示意圖如圖2所示。

2．1 終端主處理器
主處理器是系統的核心，要完成數據處理，存儲，傳輸，人機界面顯示等功能。結合工業現場的需求終端處理器采用以ARM9為內核的三星S3C2440處理器，它是一款基于ARM920T內核的16／32位RSIC結構的嵌入式微處理器，主頻400 MHz，最高可達533 MHz，具有2片外接32 M的板載SDRAM，片內外資源豐富，擴展性強。系統存儲擴展了2 MB的NorFlash用于存放bootloader系統引導程序，和64 MB的NandFlash。系統的人機交互平臺采用一個7寸液晶顯示頻和一個觸摸屏來完成。
2．2 數據采集部分硬件設計
數據采集模塊可分為模擬量采集模塊，數字量采集模塊，開關量采集模塊等，主要完成對底層數據的采集，這些模塊的單片機處理器統一采用Cygnal公司的C8051F021單片機，它的MCU是高度集成的片上系統。在一個芯片內集成了兩個多通道ADC子系統、電壓基準、SPI總線接口、8個8位的通用數字I／O端口和64 kBFLASH程序存儲器及與8051兼容的高速微控制器內核等，這些很好的滿足了模塊的設計要求。由于模塊設計結構上的相似性，這里主要介紹模擬量采集模塊部分。
工業現場采集的信號大部分是模擬量，如壓力、溫度、液位、流量等信號。這些信號經過現場儀表測量后一般統一輸出為4～20 mA，0～5 V，0～10 V范圍的電流電壓信號。通過模擬量采集模塊將這些模擬量轉換為數字量。單片機的A／D準換的電壓基準定為2．5 V，要將4～20 mA，0～5 V，0～10 V范圍的電流電壓信號統一為0～2．5 V以內的電壓信號，才能進入單片機完成模擬量到數字量的轉換。對于電流信號，在輸入端接一個250 Ω的精密便轉換為1～5 V的電壓信號了，對于電壓信號通過運算放大器按比例縮放到0～2．5 V范圍內即可。轉換電路如圖3所示。