發布日期：2022-04-17 點擊率：60
1 引言 傳統數據采集系統一般利用各種數據采集卡或是多串口卡，編制相應的定制軟件，將外 部信號采集到工控機或普通PC 機。由于硬件結構的限制，傳統的數據采集系統體積大、實 時性差、信號衰減嚴重、外掛設備數量有限，無法滿足微型化、大容量、高實時性、多參數 和高穩定性的要求。隨著計算機技術和網絡技術的發展，各種新的數據采集的實現方案不斷 出現，其中，以TCP/IP 通信機制的遠程數據采集系統具有較好的使用前景[1]。本文以基于 WinCE 的嵌入式設備為核心，取代傳統意義上的PC 機，采用TCP/IP 通信機制搭建的遠程 數據采集系統，結合嵌入式設備和網絡技術的優點，將信號采集、信號傳輸和數據處理相對 分離，提高了系統的抗干擾能力、實時性和高安全性，特別適用于遠程、多參數的數據采集， 具有重要的使用價值和應用前景。 2 遠程數據采集系統總體結構 基于嵌入式 WinCE 的遠程數據采集系統如圖1 所示，主要的組成部分及其功能如下： （1）客戶端PC，主要進行遠程數據采集器的信息配置和數據監控等；（2）Linux 系統服務 器，主要負責與數據采集器通信，進行數據的接收、分析、處理、存儲和監視，以及采集器 配置文件的傳輸；（3）基于WinCE 的嵌入式數據采集器，主要根據遠程配置參數，多點、 多參數動態采集生產設備信息、環境信息以及操作人員信息，包括電流、電壓、壓力、產量、 溫度、濕度、班組號等。在遠程數據采集系統中，利用高可靠性的TCP/IP 協議完成配置文 件的更新和采集數據的傳輸，以及采集器遠程調試監控；利用嵌入式數據庫（SQL Server CE）保存采集數據和服務器傳送的遠程配置文件；利用SQL Server CE 提供的RDA和Replication （合并復制）特性，當服務器網絡斷開后完成數據和配置文件的轉儲和備份，保證數據的完 整性；利用嵌入匯編控制的硬件看門狗技術保證系統運行的高穩定性；利用可擴展的IDE 接口可以保證大容量數據的存儲。 基于嵌入式 WinCE 數據采集器采用研祥公司EVOC 104-1541CLDN(B)作為硬件平臺。 EVOC 104-1541CLDN(B)是一款可由+5V 電源供電的嵌入式應用型的 All-in-one Geode 586 的主機板，能夠提供嵌入式操作系統運行所需的核心硬件資源。主要的硬件資源包括： NS GX1 處理器，工作于 2.2V/333 MHz 時的功率為1.4W，速度最高可達333 MHz； 1 個10M 以太網口，2 個通用異步串行口（UART）；2 個USB 數據接口；1 個LCD 控制器；1 個 64MSDRAM；1 個CF 卡接口；以及鍵盤接口和IDE 接口等。利用上述的核心硬件資源， 在集成開發環境中，可以進行開發平臺的定制，數據采集和傳輸等模塊的開發，實現遠程數 據采集。 3 基于嵌入式WinCE 開發平臺的定制 WinCE 嵌入式操作系統是一個緊湊、高效和可擴展的操作系統，其最大的特點是使用 了分層結構技術，使系統具有更好的可擴展性和定制性，使應用程序和操作系統獨立于具體 硬件，以適應各種特殊的應用環境。操作系統從邏輯上可以分為硬件層，OEM 層，操作系 統層，應用程序層[2]。基于嵌入式WinCE 開發平臺的定制主要是對操作系統層和OEM 層進 行定制。 微軟提供了 PB（Platform. Builder）作為定制WinCE 操作系統的集成開發環境。PB 環 境支持多種功能模塊和硬件接口，可以根據目標設備的具體硬件配置進行WinCE 的裁剪和 定制，定制wince 平臺的流程如圖2 所示。首先，通過安裝和創建設備驅動程序對網卡、串 口、顯示驅動、USB 和電源驅動等硬件進行定制；然后，定制系統組件和服務，包括TCP/IP， FTP，MFC，Telnet 等，并根據硬件配置和操作系統的應用特性修改配置文件；最后，生成 操作系統映像文件，通過網口或串口將其下載到目標設備中運行。定制完成后，導出應用程序開發工具包SDK。根據導出的SDK 開發包，運用EVC 開發工具可以編制數據采集模塊 和數據傳輸模塊。 4 基于嵌入式WinCE 數據采集模塊設計 數據采集模塊是整個數據采集器軟件設計的核心部分，可以采用與設備連接的PLC、 單片機、工控機以及人機交互界面等，完成生產設備信息、環境信息及生產操作人員信息的 采集。在本文開發的系統中，主要是通過PLC 采集設備信息，通過單片機采集溫度、濕度、 壓力傳感器的環境信息，通過基于嵌入式WinCE 采集器的人機交互界面直接采集生產現場 人員信息。 通過 PLC 采集設備信息時，數據采集器通過RS-232 接口以Host link 通信協議與PLC 通訊。Host link 通信協議采用“主從總線”方式通信，根據主動權的不同有兩種實現形式， 一種是通信主動權在上位機（基于WinCE 的采集器）一方，即方式一；另一種是主動權在 下位機（PLC），即方式二。根據傳輸信號的性質不同，兩種方式可以結合使用。針對本系 統的特點，對需要用戶動態配置的信號，如設備當日產量、運行時間等，采用方式一；對于 經常需要監控的信號，如機器的運行溫度、轉速等，采用方式二。方式二的優點在于，僅當 下位機的數據發生變化時，PLC 才發起通信并上傳數據。這種通信方式可以大幅度減少上 位機的監視時間，提高系統的實時響應能力。本文僅以方式一為例說明動態信號的采集過程。 采集器主動向 PLC 發出Host link 命令幀到PLC，PLC 接收到命令幀后自動向上位機 發送應答信號，完成一次信號的采集過程。在Host link 協議中，“@”為起始符號；節點號 為PLC 的編號(00-31)；識別碼說明Host link 命令幀的功能；FCS 包含2 個字符，是幀的校 驗碼，即從幀起始到報文結束之前數據的異或運算結果，用來檢查幀的傳送結果是否正確； “*”和“CR”為終止符，表明幀結束[3]。在本系統中，WinCE 中提供了操作文件IO 函數 和通信函數來操作串口，進行串口通信。為了避免讀線程調用WaitCommEvent()函數時造成 程序阻塞，提高CPU 的利用率和通信程序的實時性，改善系統的整體性能，采用多線程技 術實現異步串口讀寫的模擬[4,5]。串口通信的主要步驟如圖3 所示，(1) 調用函數CreateFile() 打開串口，函數SetCommState()配置串口參數；(2)調用函數CreateThread()創建讀寫線程， 模擬異步讀寫串口（WriteFile()將命令寫入串口緩沖區，WaitCommEvent()等待串口*事件 集發生，ReadFile()讀取串口數據）；(3) 關閉串口，將采集的數據進行處理和存儲。 采集環境信息時，用AT89C51 單片機、A/D 轉換模塊、加外圍電路構成的小型單片機 系統，通過串口與嵌入式采集器根據自定義通信協議進行通信，完成溫度、濕度等數據的采 集。生產操作人員信息由嵌入式采集器的人機交互界面直接采集。 5 基于嵌入式WinCE 數據通訊模塊設計 數據通信模塊用于完成采集器與上層服務器之間的通信，其主要功能包括，接受遠程控 制終端的命令，控制程序的運行狀態，為程序的遠程調試和監控提供方便；傳輸采集數據； 同步更新采集器配置文件。數據通信模塊采用基于WinCE 的TCP/IP 協議，能夠保證在傳輸 過程中數據的準確性和可靠性；嵌入式系統硬件抗干擾能力強，能夠保證系統長期穩定運行。 在基于 WinCE 的TCP/IP 協議中，當接收到遠程控制終端命令時，采集器處于TCP 服 務器角色，以便多個控制終端向采集器發送命令。其通信實現流程為：TCP 服務器首先調 用socket()函數建立流式套接字，然后調用bind()綁定本地地址，調用listen()函數進行* 客戶終端連接，一旦*到客戶終端連接后，服務器就調用accept()函數接收終端的連接請 求，并建立連接，同時服務器端啟動一個新線程，建立單獨的套接字實例與客戶終端進行通 訊。通信協議格式為：命令名稱，參數表。例如在通信格式“PATHR1， 0”中，PATHR1 命令表示暫停數據采集線程，參數0 表示立即執行。服務器收到此 命令后會立即暫停數據采集模塊，并傳回命令的執行結果。 采集器與服務器進行數據傳輸和配置文件（主要關于采集信號的類型，名稱以及其它系 統配置信息）更新時，采集器處于TCP 客戶端角色。其通信實現流程為：采集器調用socket() 函數建立流式套接字，然后調用connect()函數，請求與Linux 服務器建立TCP 連接，成功 建立連接后，同服務器進行數據傳輸和配置文件更新。數據傳輸和配置文件更新需要自定義 TCP 通信協議，采集器向服務器傳輸采集數據的通信協議格式為：數據類型，采集 時間，數據名稱，數據值…；校驗值；服務器向采集器更新配置文件的通信協議格式 為：數據類型，名稱，區域，采集點數…；校驗值。 6. 結束語 在微軟提供的 PB（Platform. Builder）集成開發環境中，根據分層技術定制了基于WinCE 的開發平臺，分別采用Host link 協議和自定義協議設計了采集器與PLC 和單片機的數據采 集模塊，并實現了采集器與Linux 服務器的數據通訊模塊。作為一種新型的數據采集系統， 以嵌入式WinCE 為核心的遠程數據采集系統充分發揮了嵌入式硬件設備的特點，系統實時 性強、穩定性好，功耗小，成本低，與傳統的數據采集方案相比，特別適合于多點、多參數 的遠程數據采集，具有廣泛的應用前景。
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