1 引言
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般利用各種數(shù)據(jù)采集卡或是多串口卡，編制相應(yīng)的定制軟件，將外 部信號(hào)采集到工控機(jī)或普通PC 機(jī)。由于硬件結(jié)構(gòu)的限制，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體積大、實(shí) 時(shí)性差、信號(hào)衰減嚴(yán)重、外掛設(shè)備數(shù)量有限，無(wú)法滿足微型化、大容量、高實(shí)時(shí)性、多參數(shù) 和高穩(wěn)定性的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種新的數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)方案不斷 出現(xiàn)，其中，以TCP/IP 通信機(jī)制的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較好的使用前景[1]。本文以基于 WinCE 的嵌入式設(shè)備為核心，取代傳統(tǒng)意義上的PC 機(jī)，采用TCP/IP 通信機(jī)制搭建的遠(yuǎn)程 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將信號(hào)采集、信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)處理相對(duì) 分離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力、實(shí)時(shí)性和高安全性，特別適用于遠(yuǎn)程、多參數(shù)的數(shù)據(jù)采集， 具有重要的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。
2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
基于嵌入式 WinCE 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器的信息配置和數(shù)據(jù)監(jiān)控等；（2）Linux 系統(tǒng)服務(wù) 器，主要負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集器通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、分析、處理、存儲(chǔ)和監(jiān)視，以及采集器 配置文件的傳輸；（3）基于WinCE 的嵌入式數(shù)據(jù)采集器，主要根據(jù)遠(yuǎn)程配置參數(shù)，多點(diǎn)、 多參數(shù)動(dòng)態(tài)采集生產(chǎn)設(shè)備信息、環(huán)境信息以及操作人員信息，包括電流、電壓、壓力、產(chǎn)量、 溫度、濕度、班組號(hào)等。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，利用高可靠性的TCP/IP 協(xié)議完成配置文 件的更新和采集數(shù)據(jù)的傳輸，以及采集器遠(yuǎn)程調(diào)試監(jiān)控；利用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL Server CE）保存采集數(shù)據(jù)和服務(wù)器傳送的遠(yuǎn)程配置文件；利用SQL Server CE 提供的RDA和Replication （合并復(fù)制）特性，當(dāng)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)后完成數(shù)據(jù)和配置文件的轉(zhuǎn)儲(chǔ)和備份，保證數(shù)據(jù)的完 整性；利用嵌入?yún)R編控制的硬件看門(mén)狗技術(shù)保證系統(tǒng)運(yùn)行的高穩(wěn)定性；利用可擴(kuò)展的IDE 接口可以保證大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
基于嵌入式 WinCE 數(shù)據(jù)采集器采用研祥公司EVOC 104-1541CLDN(B)作為硬件平臺(tái)。 EVOC 104-1541CLDN(B)是一款可由+5V 電源供電的嵌入式應(yīng)用型的 All-in-one Geode 586 的主機(jī)板，能夠提供嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)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(shí)的功率為1.4W，速度最高可達(dá)333 MHz； 1 個(gè)10M 以太網(wǎng)口，2 個(gè)通用異步串行口（UART）；2 個(gè)USB 數(shù)據(jù)接口；1 個(gè)LCD 控制器；1 個(gè) 64MSDRAM；1 個(gè)CF 卡接口；以及鍵盤(pán)接口和IDE 接口等。利用上述的核心硬件資源， 在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)平臺(tái)的定制，數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)饶K的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù) 據(jù)采集。
3 基于嵌入式WinCE 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的定制
WinCE 嵌入式操作系統(tǒng)是一個(gè)緊湊、高效和可擴(kuò)展的操作系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是使用 了分層結(jié)構(gòu)技術(shù)，使系統(tǒng)具有更好的可擴(kuò)展性和定制性，使應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)獨(dú)立于具體 硬件，以適應(yīng)各種特殊的應(yīng)用環(huán)境。操作系統(tǒng)從邏輯上可以分為硬件層，OEM 層，操作系 統(tǒng)層，應(yīng)用程序?qū)覽2]。基于嵌入式WinCE 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的定制主要是對(duì)操作系統(tǒng)層和OEM 層進(jìn) 行定制。
微軟提供了 PB（Platform. Builder）作為定制WinCE 操作系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。PB 環(huán) 境支持多種功能模塊和硬件接口，可以根據(jù)目標(biāo)設(shè)備的具體硬件配置進(jìn)行WinCE 的裁剪和 定制，定制wince 平臺(tái)的流程如圖2 所示。首先，通過(guò)安裝和創(chuàng)建設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)W(wǎng)卡、串 口、顯示驅(qū)動(dòng)、USB 和電源驅(qū)動(dòng)等硬件進(jìn)行定制；然后，定制系統(tǒng)組件和服務(wù)，包括TCP/IP， FTP，MFC，Telnet 等，并根據(jù)硬件配置和操作系統(tǒng)的應(yīng)用特性修改配置文件；最后，生成 操作系統(tǒng)映像文件，通過(guò)網(wǎng)口或串口將其下載到目標(biāo)設(shè)備中運(yùn)行。定制完成后，導(dǎo)出應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具包SDK。根據(jù)導(dǎo)出的SDK 開(kāi)發(fā)包，運(yùn)用EVC 開(kāi)發(fā)工具可以編制數(shù)據(jù)采集模塊 和數(shù)據(jù)傳輸模塊。
4 基于嵌入式WinCE 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計(jì)的核心部分，可以采用與設(shè)備連接的PLC、 單片機(jī)、工控機(jī)以及人機(jī)交互界面等，完成生產(chǎn)設(shè)備信息、環(huán)境信息及生產(chǎn)操作人員信息的 采集。在本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中，主要是通過(guò)PLC 采集設(shè)備信息，通過(guò)單片機(jī)采集溫度、濕度、 壓力傳感器的環(huán)境信息，通過(guò)基于嵌入式WinCE 采集器的人機(jī)交互界面直接采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 人員信息。
通過(guò) PLC 采集設(shè)備信息時(shí)，數(shù)據(jù)采集器通過(guò)RS-232 接口以Host link 通信協(xié)議與PLC 通訊。Host link 通信協(xié)議采用“主從總線”方式通信，根據(jù)主動(dòng)權(quán)的不同有兩種實(shí)現(xiàn)形式， 一種是通信主動(dòng)權(quán)在上位機(jī)（基于WinCE 的采集器）一方，即方式一；另一種是主動(dòng)權(quán)在 下位機(jī)（PLC），即方式二。根據(jù)傳輸信號(hào)的性質(zhì)不同，兩種方式可以結(jié)合使用。針對(duì)本系 統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)需要用戶動(dòng)態(tài)配置的信號(hào)，如設(shè)備當(dāng)日產(chǎn)量、運(yùn)行時(shí)間等，采用方式一；對(duì)于 經(jīng)常需要監(jiān)控的信號(hào)，如機(jī)器的運(yùn)行溫度、轉(zhuǎn)速等，采用方式二。方式二的優(yōu)點(diǎn)在于，僅當(dāng) 下位機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，PLC 才發(fā)起通信并上傳數(shù)據(jù)。這種通信方式可以大幅度減少上 位機(jī)的監(jiān)視時(shí)間，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。本文僅以方式一為例說(shuō)明動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集過(guò)程。
采集器主動(dòng)向 PLC 發(fā)出Host link 命令幀到PLC，PLC 接收到命令幀后自動(dòng)向上位機(jī) 發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，完成一次信號(hào)的采集過(guò)程。在Host link 協(xié)議中，“@”為起始符號(hào)；節(jié)點(diǎn)號(hào) 為PLC 的編號(hào)(00-31)；識(shí)別碼說(shuō)明Host link 命令幀的功能；FCS 包含2 個(gè)字符，是幀的校 驗(yàn)碼，即從幀起始到報(bào)文結(jié)束之前數(shù)據(jù)的異或運(yùn)算結(jié)果，用來(lái)檢查幀的傳送結(jié)果是否正確； “*”和“CR”為終止符，表明幀結(jié)束[3]。在本系統(tǒng)中，WinCE 中提供了操作文件IO 函數(shù) 和通信函數(shù)來(lái)操作串口，進(jìn)行串口通信。為了避免讀線程調(diào)用WaitCommEvent()函數(shù)時(shí)造成 程序阻塞，提高CPU 的利用率和通信程序的實(shí)時(shí)性，改善系統(tǒng)的整體性能，采用多線程技 術(shù)實(shí)現(xiàn)異步串口讀寫(xiě)的模擬[4,5]。串口通信的主要步驟如圖3 所示，(1) 調(diào)用函數(shù)CreateFile() 打開(kāi)串口，函數(shù)SetCommState()配置串口參數(shù)；(2)調(diào)用函數(shù)CreateThread()創(chuàng)建讀寫(xiě)線程， 模擬異步讀寫(xiě)串口（WriteFile()將命令寫(xiě)入串口緩沖區(qū)，WaitCommEvent()等待串口*事件 集發(fā)生，ReadFile()讀取串口數(shù)據(jù)）；(3) 關(guān)閉串口，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。
采集環(huán)境信息時(shí)，用AT89C51 單片機(jī)、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、加外圍電路構(gòu)成的小型單片機(jī) 系統(tǒng)，通過(guò)串口與嵌入式采集器根據(jù)自定義通信協(xié)議進(jìn)行通信，完成溫度、濕度等數(shù)據(jù)的采 集。生產(chǎn)操作人員信息由嵌入式采集器的人機(jī)交互界面直接采集。
5 基于嵌入式WinCE 數(shù)據(jù)通訊模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)通信模塊用于完成采集器與上層服務(wù)器之間的通信，其主要功能包括，接受遠(yuǎn)程控 制終端的命令，控制程序的運(yùn)行狀態(tài)，為程序的遠(yuǎn)程調(diào)試和監(jiān)控提供方便；傳輸采集數(shù)據(jù)； 同步更新采集器配置文件。數(shù)據(jù)通信模塊采用基于WinCE 的TCP/IP 協(xié)議，能夠保證在傳輸 過(guò)程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；嵌入式系統(tǒng)硬件抗干擾能力強(qiáng)，能夠保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
在基于 WinCE 的TCP/IP 協(xié)議中，當(dāng)接收到遠(yuǎn)程控制終端命令時(shí)，采集器處于TCP 服 務(wù)器角色，以便多個(gè)控制終端向采集器發(fā)送命令。其通信實(shí)現(xiàn)流程為：TCP 服務(wù)器首先調(diào) 用socket()函數(shù)建立流式套接字，然后調(diào)用bind()綁定本地地址，調(diào)用listen()函數(shù)進(jìn)行* 客戶終端連接，一旦*到客戶終端連接后，服務(wù)器就調(diào)用accept()函數(shù)接收終端的連接請(qǐng) 求，并建立連接，同時(shí)服務(wù)器端啟動(dòng)一個(gè)新線程，建立單獨(dú)的套接字實(shí)例與客戶終端進(jìn)行通 訊。通信協(xié)議格式為：命令名稱，參數(shù)表。例如在通信格式“PATHR1， 0”中，PATHR1 命令表示暫停數(shù)據(jù)采集線程，參數(shù)0 表示立即執(zhí)行。服務(wù)器收到此 命令后會(huì)立即暫停數(shù)據(jù)采集模塊，并傳回命令的執(zhí)行結(jié)果。
采集器與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和配置文件（主要關(guān)于采集信號(hào)的類型，名稱以及其它系 統(tǒng)配置信息）更新時(shí)，采集器處于TCP 客戶端角色。其通信實(shí)現(xiàn)流程為：采集器調(diào)用socket() 函數(shù)建立流式套接字，然后調(diào)用connect()函數(shù)，請(qǐng)求與Linux 服務(wù)器建立TCP 連接，成功 建立連接后，同服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和配置文件更新。數(shù)據(jù)傳輸和配置文件更新需要自定義 TCP 通信協(xié)議，采集器向服務(wù)器傳輸采集數(shù)據(jù)的通信協(xié)議格式為：數(shù)據(jù)類型，采集 時(shí)間，數(shù)據(jù)名稱，數(shù)據(jù)值…；校驗(yàn)值；服務(wù)器向采集器更新配置文件的通信協(xié)議格式 為：數(shù)據(jù)類型，名稱，區(qū)域，采集點(diǎn)數(shù)…；校驗(yàn)值。
6. 結(jié)束語(yǔ)
在微軟提供的 PB（Platform. Builder）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，根據(jù)分層技術(shù)定制了基于WinCE 的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，分別采用Host link 協(xié)議和自定義協(xié)議設(shè)計(jì)了采集器與PLC 和單片機(jī)的數(shù)據(jù)采 集模塊，并實(shí)現(xiàn)了采集器與Linux 服務(wù)器的數(shù)據(jù)通訊模塊。作為一種新型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 以嵌入式WinCE 為核心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分發(fā)揮了嵌入式硬件設(shè)備的特點(diǎn)，系統(tǒng)實(shí)時(shí) 性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，功耗小，成本低，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案相比，特別適合于多點(diǎn)、多參數(shù) 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，具有廣泛的應(yīng)用前景。
