基于嵌入式WinCE的远程数据采集系统

1 引言

    传统数据采集系统一般利用各种数据采集卡或是多串口卡，编制相应的定制软件，将外 部信号采集到工控机或普通PC 机。由于硬件结构的限制，传统的数据采集系统体积大、实 时性差、信号衰减严重、外挂设备数量有限，无法满足微型化、大容量、高实时性、多参数 和高稳定性的要求。随着计算机技术和网络技术的发展，各种新的数据采集的实现方案不断 出现，其中，以TCP/IP 通信机制的远程数据采集系统具有较好的使用前景[1]。本文以基于 WinCE 的嵌入式设备为核心，取代传统意义上的PC 机，采用TCP/IP 通信机制搭建的远程 数据采集系统，结合嵌入式设备和网络技术的优点，将信号采集、信号传输和数据处理相对 分离，提高了系统的抗干扰能力、实时性和高安全性，特别适用于远程、多参数的数据采集， 具有重要的使用价值和应用前景。

2 远程数据采集系统总体结构

    基于嵌入式 WinCE 的远程数据采集系统如图1 所示，主要的组成部分及其功能如下： （1）客户端PC，主要进行远程数据采集器的信息配置和数据监控等；（2）Linux 系统服务 器，主要负责与数据采集器通信，进行数据的接收、分析、处理、存储和监视，以及采集器 配置文件的传输；（3）基于WinCE 的嵌入式数据采集器，主要根据远程配置参数，多点、 多参数动态采集生产设备信息、环境信息以及操作人员信息，包括电流、电压、压力、产量、 温度、湿度、班组号等。在远程数据采集系统中，利用高可靠性的TCP/IP 协议完成配置文 件的更新和采集数据的传输，以及采集器远程调试监控；利用嵌入式数据库（SQL Server CE）保存采集数据和服务器传送的远程配置文件；利用SQL Server CE 提供的RDA和Replication （合并复制）特性，当服务器网络断开后完成数据和配置文件的转储和备份，保证数据的完 整性；利用嵌入汇编控制的硬件看门狗技术保证系统运行的高稳定性；利用可扩展的IDE 接口可以保证大容量数据的存储。

    基于嵌入式 WinCE 数据采集器采用研祥公司EVOC 104-1541CLDN(B)作为硬件平台。 EVOC 104-1541CLDN(B)是一款可由+5V 电源供电的嵌入式应用型的 All-in-one Geode 586 的主机板，能够提供嵌入式操作系统运行所需的核心硬件资源。主要的硬件资源包括： NS GX1 处理器，工作于 2.2V/333 MHz 时的功率为1.4W，速度最高可达333 MHz； 1 个10M 以太网口，2 个通用异步串行口（UART）；2 个USB 数据接口；1 个LCD 控制器；1 个 64MSDRAM；1 个CF 卡接口；以及键盘接口和IDE 接口等。利用上述的核心硬件资源， 在集成开发环境中，可以进行开发平台的定制，数据采集和传输等模块的开发，实现远程数 据采集。

3 基于嵌入式WinCE 开发平台的定制

    WinCE 嵌入式操作系统是一个紧凑、高效和可扩展的操作系统，其最大的特点是使用 了分层结构技术，使系统具有更好的可扩展性和定制性，使应用程序和操作系统独立于具体 硬件，以适应各种特殊的应用环境。操作系统从逻辑上可以分为硬件层，OEM 层，操作系 统层，应用程序层[2]。基于嵌入式WinCE 开发平台的定制主要是对操作系统层和OEM 层进 行定制。

    微软提供了 PB（Platform. Builder）作为定制WinCE 操作系统的集成开发环境。PB 环 境支持多种功能模块和硬件接口，可以根据目标设备的具体硬件配置进行WinCE 的裁剪和 定制，定制wince 平台的流程如图2 所示。首先，通过安装和创建设备驱动程序对网卡、串 口、显示驱动、USB 和电源驱动等硬件进行定制；然后，定制系统组件和服务，包括TCP/IP， FTP，MFC，Telnet 等，并根据硬件配置和操作系统的应用特性修改配置文件；最后，生成 操作系统映像文件，通过网口或串口将其下载到目标设备中运行。定制完成后，导出应用程序开发工具包SDK。根据导出的SDK 开发包，运用EVC 开发工具可以编制数据采集模块 和数据传输模块。

4 基于嵌入式WinCE 数据采集模块设计

    数据采集模块是整个数据采集器软件设计的核心部分，可以采用与设备连接的PLC、 单片机、工控机以及人机交互界面等，完成生产设备信息、环境信息及生产操作人员信息的 采集。在本文开发的系统中，主要是通过PLC 采集设备信息，通过单片机采集温度、湿度、 压力传感器的环境信息，通过基于嵌入式WinCE 采集器的人机交互界面直接采集生产现场 人员信息。

    通过 PLC 采集设备信息时，数据采集器通过RS-232 接口以Host Link 通信协议与PLC 通讯。Host Link 通信协议采用“主从总线”方式通信，根据主动权的不同有两种实现形式， 一种是通信主动权在上位机（基于WinCE 的采集器）一方，即方式一；另一种是主动权在 下位机（PLC），即方式二。根据传输信号的性质不同，两种方式可以结合使用。针对本系 统的特点，对需要用户动态配置的信号，如设备当日产量、运行时间等，采用方式一；对于 经常需要监控的信号，如机器的运行温度、转速等，采用方式二。方式二的优点在于，仅当 下位机的数据发生变化时，PLC 才发起通信并上传数据。这种通信方式可以大幅度减少上 位机的监视时间，提高系统的实时响应能力。本文仅以方式一为例说明动态信号的采集过程。

    采集器主动向 PLC 发出Host Link 命令帧到PLC，PLC 接收到命令帧后自动向上位机 发送应答信号，完成一次信号的采集过程。在Host Link 协议中，“@”为起始符号；节点号 为PLC 的编号(00-31)；识别码说明Host Link 命令帧的功能；FCS 包含2 个字符，是帧的校 验码，即从帧起始到报文结束之前数据的异或运算结果，用来检查帧的传送结果是否正确； “*”和“CR”为终止符，表明帧结束[3]。在本系统中，WinCE 中提供了操作文件IO 函数 和通信函数来操作串口，进行串口通信。为了避免读线程调用WaitCommEvent()函数时造成 程序阻塞，提高CPU 的利用率和通信程序的实时性，改善系统的整体性能，采用多线程技 术实现异步串口读写的模拟[4,5]。串口通信的主要步骤如图3 所示，(1) 调用函数CreateFile() 打开串口，函数SetCommState()配置串口参数；(2)调用函数CreateThread()创建读写线程， 模拟异步读写串口（WriteFile()将命令写入串口缓冲区，WaitCommEvent()等待串口*事件 集发生，ReadFile()读取串口数据）；(3) 关闭串口，将采集的数据进行处理和存储。

    采集环境信息时，用AT89C51 单片机、A/D 转换模块、加外围电路构成的小型单片机 系统，通过串口与嵌入式采集器根据自定义通信协议进行通信，完成温度、湿度等数据的采 集。生产操作人员信息由嵌入式采集器的人机交互界面直接采集。

5 基于嵌入式WinCE 数据通讯模块设计

    数据通信模块用于完成采集器与上层服务器之间的通信，其主要功能包括，接受远程控 制终端的命令，控制程序的运行状态，为程序的远程调试和监控提供方便；传输采集数据； 同步更新采集器配置文件。数据通信模块采用基于WinCE 的TCP/IP 协议，能够保证在传输 过程中数据的准确性和可靠性；嵌入式系统硬件抗干扰能力强，能够保证系统长期稳定运行。

    在基于 WinCE 的TCP/IP 协议中，当接收到远程控制终端命令时，采集器处于TCP 服 务器角色，以便多个控制终端向采集器发送命令。其通信实现流程为：TCP 服务器首先调 用socket()函数建立流式套接字，然后调用bind()绑定本地地址，调用listen()函数进行* 客户终端连接，一旦*到客户终端连接后，服务器就调用accept()函数接收终端的连接请 求，并建立连接，同时服务器端启动一个新线程，建立单独的套接字实例与客户终端进行通 讯。通信协议格式为：命令名称，参数表。例如在通信格式“PATHR1， 0”中，PATHR1 命令表示暂停数据采集线程，参数0 表示立即执行。服务器收到此 命令后会立即暂停数据采集模块，并传回命令的执行结果。

    采集器与服务器进行数据传输和配置文件（主要关于采集信号的类型，名称以及其它系 统配置信息）更新时，采集器处于TCP 客户端角色。其通信实现流程为：采集器调用socket() 函数建立流式套接字，然后调用connect()函数，请求与Linux 服务器建立TCP 连接，成功 建立连接后，同服务器进行数据传输和配置文件更新。数据传输和配置文件更新需要自定义 TCP 通信协议，采集器向服务器传输采集数据的通信协议格式为：数据类型，采集 时间，数据名称，数据值…；校验值；服务器向采集器更新配置文件的通信协议格式 为：数据类型，名称，区域，采集点数…；校验值。

6. 结束语

    在微软提供的 PB（Platform. Builder）集成开发环境中，根据分层技术定制了基于WinCE 的开发平台，分别采用Host Link 协议和自定义协议设计了采集器与PLC 和单片机的数据采 集模块，并实现了采集器与Linux 服务器的数据通讯模块。作为一种新型的数据采集系统， 以嵌入式WinCE 为核心的远程数据采集系统充分发挥了嵌入式硬件设备的特点，系统实时 性强、稳定性好，功耗小，成本低，与传统的数据采集方案相比，特别适合于多点、多参数 的远程数据采集，具有广泛的应用前景。