基于ARM的城市供水站分布式监控系统.doc

基于ARM的城市供水站分布式监控系统城市供水系统担任着为整个社会提供安全的生活工业用水以及合理调度用水环节、保障用水合理性的重要职责，是整个社会正常运行的命脉。而各个供水站又是整个供水系统中最为核心的工作部分。因此，城市供水站监控系统就显得特别重要[1]。??? 当前城市供水站监控系统多以单片机为核心，将外部传感器数据进行A/D转换后接入单片机，其精度可达12位，数据经过处理后用点阵显示屏显示。单片机为8位中央处理器，这对于要求较高的领域显得稍有不足。下位机与上位机之间多采用串口进行通信。串行485接口采用差分方式传输，传输距离最大可达1 200 m，但此距离速率只能达到100 Kb/s，且485在任何时刻只允许一个下位机向上位机传递数据，使得这种通信方式受到了一定限制。??? 嵌入式处理器和以太网技术的飞速发展为这些问题提供了解决的途径。??? 嵌入式处理器处理速度快、精度高、扩展接口丰富，且具有良好的人机交互性。以太网通信技术则以其实时性强、通信速度快、兼容性强、网络布线方便的优点，越来越受到人们的青睐。本文以ARM嵌入式处理器为核心，搭载WinCE嵌入式系统，结合TCP/IP通信协议，设计出基于ARM和TCP/IP的城市供水站高速数据采集系统。并对下位机数据采集程序、上位机程序以及系统通信的实现进行了详细的叙述[2-3]。1 系统的总体架构及硬件设计1.1 系统的总体架构??? 数据采集与监控系统的下位机以ARM9系列的三星S3C2440A嵌入式处理器为核心，处理器的主频400 MHz，最高达533 MHz，处理速度快，内置8路10位A/D转换器，最高转换频率为2.5 MHz，数据采集速度和精度都很高。在ARM9的基础之上搭载WinCE嵌入式操作系统，该操作系统具有与Windows XP相似的界面和操作，操作起来更加简便快捷；支持多系列的微型处理器，包括ARM系列，使下位机在硬件和软件方面得到了完美的融合。下位机接收传感器采集的数据，然后通过TCP/IP协议与上位机进行通信，上位机得到下位机传来的数据后进行数据存储、显示、报警操作。上位机进行远程监控并完成对各个下位机信息的汇总和分析处理等功能，系统结构如图1所示。 1.2 系统的硬件设计??? 城市供水站分布式监控系统要测量的物理量主要有各个供水站电机的电流、电压、温度等参数，以及供水站的流量、进出口压力、水温等水质的参数。要根据各种物理量以及其所处的具体工作环境选取合适的传感器[4]。??? 由图2可见，下位机硬件以ARM9为核心，其内置的A/D转换接口用来接收外部传感器的数据，搭载的TFT显示屏作为下位机的显示，同时其各个扩展接口可以提供其他的资源及为以后扩展所用。 ??? 传感器采集的外部数据经过放大、滤波等消除干扰的操作后接入ARM内部A/D转换器，在嵌入式系统中进行处理，并在下位机显示屏上进行显示和相应地人机操作。下位机扩展在板64 MB SDRAM内存和在板128 MB Nand Flash存储并支持32 GB的外部SD扩展槽，满足本机运行以及存储要求。扩展的RJ-45接口作为与上位机进行通信的接口。IIC总线以及其他接口作为扩展和其他功能用。??? TCP/IP协议使用客户端/服务器(C/S)模式进行通信，其通信是点对点的，在网络中几乎可以实现无差错的数据传输，可靠性较高，速度快。由于与网络相关的路由和网关等技术的发展，使得多路通信的实现变得简单方便。 ?? 下位机ARM扩展了网络RJ-45网络接口，使上下位机之间实现TCP/IP通信变得更加简单。??? 每个供水站的下位机在将数据处理完毕之后，通过RJ-45网络接口与上位机相连，多处下位机通过路由器接入网络，然后再与上位机进行通信。其结构图如图1。2 供水站分布式监控系统的软件设计??? 供水站分布式监控系统的软件设计包括下位机地址映射、下位机数据处理及显示、数据通信以及上位机程序的实现。2.1 下位机地址映射与实现??? 下位机搭载WinCE操作系统，ARM数据采集是通过GPIO来操作相应的寄存器，WinCE系统则将GPIO的实地址映射到虚拟地址空间，通过对虚拟地址空间的操作来完成对GPIO及其他片内资源的控制。要在WinCE中操作ARM中的GPIO，就必须按照BSP中的基地址找到相应的虚拟地址。这就需要对其进行地址映射。图3为地址映射原理图。 ??? 地址映射的方法有2种：一是流驱动方法，即在流驱动中将物理地址进行相应地映射，将流驱动添加到底层映像中来实现。另一种方法是在外部WinCE程序中将物理地址与虚拟地址进行相应地映射，只需对外部程序进行操作，对内核没有影响，由于下位机数据采集部分并不复杂，所以采用第二种方法进行实现。??? 要实现地址映射，首先将所