基于ARM的傳感器校驗(yàn)儀GSM數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?/h1>
2012-10-12 13:28:44關(guān)克，陳陽，宋柏
制造業(yè)自動(dòng)化 2012年5期
關(guān) 克，陳 陽，宋 柏
GUAN Ke, CHEN Yang, SONG Bai
(西安科技大學(xué)，西安 710054)
0 引言
近年來，煤炭工作“安全為了生產(chǎn)，生產(chǎn)需要安全”的口頭語深入人心，基于一切從安全考慮，傳感器的按時(shí)標(biāo)校就顯得格外重要，國家對(duì)礦用氣體傳感器檢測有周期性的規(guī)定：“安全監(jiān)控設(shè)備必須定期進(jìn)行調(diào)試、校正，每月至少1次；甲烷傳感器、便攜式甲烷檢測報(bào)警儀等采用載體催化元件的甲烷檢測設(shè)備，每7天必須使用校準(zhǔn)氣體和空氣樣調(diào)校1次；每7天必須對(duì)甲烷超限斷電功能進(jìn)行測試。”但是一些煤礦安檢人員缺乏安全知識(shí)，疏于傳感器的按時(shí)校驗(yàn)，以至于事故發(fā)生。所以，為了防止不必要的事故發(fā)生，加強(qiáng)煤礦安全的監(jiān)管，傳感器校驗(yàn)儀的檢測結(jié)果以短信形式發(fā)送給上級(jí)監(jiān)管部門就顯得格外重要。
本文是基于ARM的傳感器校驗(yàn)儀對(duì)傳感器校驗(yàn)后通過GSM （Global System for Mobile communication）網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?采用功耗很低的嵌入式設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)目刂浦行?將檢測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通過SMS（Short Message sevice）服務(wù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收終端（手機(jī)）。本文中我們使用了Mz28 GSM通訊模塊和三星公司的S3C2440 的ARM 芯片。
1 檢測儀的設(shè)計(jì)原理
1.1 檢測儀設(shè)計(jì)要求
參照甲烷傳感器的技術(shù)要求和中華人民共和國安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器的檢驗(yàn)規(guī)則的規(guī)定智能氣體檢測儀符合以下要求：
1）檢測裝置要給傳感器提供9～24V可調(diào)直流電壓，以使氣體傳感器能在正常的工作電壓范圍內(nèi)工作（典型的甲烷傳感器最高工作電壓24V，最大輸入電流357mA）；
2）檢測裝置顯示出的傳感器工作電壓、工作電流值，準(zhǔn)確度不小于0.5級(jí)；
3）檢測裝置顯示出的傳感器輸出頻率值在[200，1000]kHz區(qū)間內(nèi)，穩(wěn)定度≤1×10-2；
4）檢測裝置顯示出的傳感器工作時(shí)間分度值在0.01s；
5）檢測裝置上配置的氣體流量計(jì)測量范圍在[30，300]mL/min區(qū)間內(nèi)，準(zhǔn)確度為2.5級(jí)。
1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)檢測儀器設(shè)計(jì)要求所述，檢測儀主電路采用按功能分類的模塊化設(shè)計(jì)思路，內(nèi)部配有主控模塊、信號(hào)處理模塊和供電模塊三大模塊部分。每一模塊又可以按功能劃分不同的功能電路。
圖1 傳感器校驗(yàn)儀主要硬件電路配置
圖1是傳感器主要硬件電路配置圖，如圖1所示主控模塊最核心的部分，它控制著整個(gè)儀器的運(yùn)行過程。主控模塊包括：主控芯片電路和主控門電路。
主控芯片電路擔(dān)負(fù)著整個(gè)檢測裝置的管理和控制任務(wù)，而且需要對(duì)所有信號(hào)參數(shù)進(jìn)行處理。主控芯片采用的是SumSung公司的ARM920T S3C2440芯片，ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA、BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，具有一套完整的系統(tǒng)外設(shè)，高性能低功耗。強(qiáng)大的FLASH和SDROM存儲(chǔ)容量保證了檢測數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。
主控門電路的作用是在主控芯片的控制下進(jìn)行某一線路通、斷的選擇，檢測裝置中包含的主控門電路有；按鍵開關(guān)、數(shù)字門芯片和固態(tài)繼電器。又由于固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)電流要求很大，而主控芯片的端口輸出電流無法滿足這一要求，因此在主控芯片和固態(tài)繼電器之間串接了74LS138、74LS04、ULN2003進(jìn)行逐級(jí)電流放大。
信號(hào)處理模塊包含信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路、信號(hào)存儲(chǔ)電路和信號(hào)傳輸電路。
信號(hào)采集電路主要負(fù)責(zé)電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)的采集。檢測裝置的信號(hào)處理電路主要是對(duì)電壓、電流的模擬信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)流、濾波等處理，檢測后的信號(hào)由存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)后通過信號(hào)傳輸電路傳輸。MZ28是中興通訊推出的GSM無線雙頻調(diào)制解調(diào)器，主要為語音傳輸、短消息發(fā)送和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。MZ28集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，特別適合于迅速開發(fā)基于GSM無線網(wǎng)絡(luò)的無線應(yīng)用產(chǎn)品。
1.3 串口控制SMS工作原理
ARM與GSM模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可設(shè)定，通常為19200bps。GSM的短信息業(yè)務(wù)SMS利用信令信道傳輸，這是GSM通信網(wǎng)所特有的。它不用撥號(hào)建立連接，把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送到短信息服務(wù)中心，經(jīng)短信服務(wù)中心完成存儲(chǔ)后再發(fā)送給最終的信宿。
現(xiàn)在市場上大多數(shù)手機(jī)均支持 GSM07. 05 規(guī)定的AT指令集。該指令集是ETSI（歐洲通信技術(shù)委員會(huì)）發(fā)布的，其中包含了對(duì)SMS的控制。利用GSM手機(jī)的串行接口，CPU向手機(jī)收發(fā)一系列的AT命令，就能控制GSM模塊收發(fā)SMS。必須注意的是，用ARM實(shí)現(xiàn)時(shí)，編程必須注意它發(fā)送指令與接收到的響應(yīng)都是字符的ASCII碼。常用到的AT指令例如AT+CMGR讀短消息、AT+CMGS發(fā)送短消息、AT+CMGF選擇短消息格式等。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)采集部分軟件流程
圖2 檢測部分軟件流程圖
智能氣體檢測儀開機(jī)后首先進(jìn)行按鍵掃描，當(dāng)用戶選擇了將要檢測的傳感器通路，檢測裝置進(jìn)入檢測程序。在進(jìn)入檢測程序時(shí)，為了采集到傳感器穩(wěn)定工作時(shí)的信號(hào)參數(shù)，檢測裝置首先等待3min時(shí)間，以便通入傳感器的氣流穩(wěn)定、傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定。時(shí)間過了3min后檢測裝置要啟動(dòng)電壓、電流、頻率檢測程序進(jìn)行信號(hào)采集工作，采集到的信號(hào)經(jīng)過簡單的處理過程后進(jìn)入主控芯片，主控芯片會(huì)根據(jù)有無上位機(jī)連接而選擇是儲(chǔ)存后直接顯示還是儲(chǔ)存后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 ARM發(fā)送AT指令軟件設(shè)計(jì)
ARM與GSM模塊（MZ28）的軟件接口就是ARM通過發(fā)送對(duì)應(yīng)正確的AT指令對(duì)GSM模塊進(jìn)行操作的技術(shù)。指令的執(zhí)行過程就是ARM發(fā)送，手機(jī)接收的過程，其中AT指令如表1所示。
表1 AT指令執(zhí)行過程
2.3 PDU模式中文短信發(fā)送設(shè)計(jì)
目前短信收發(fā)的編碼格式主要有兩種：Text模式和PDU(protocol description unit)模式，PDU串表面上是一串ASCII碼數(shù)字，由“0”～“9”、“A”～“F”這些數(shù)字和字母組成，它們是8位的十六進(jìn)制數(shù)。PDU串不僅包含可顯示的消息本身，還包含很多其他信息?，F(xiàn)在我們要發(fā)送一條PDU格式的中文短信息內(nèi)容是“合格”，地區(qū)的SMSC號(hào)碼是（短信中心號(hào)碼）+8613800371500，目標(biāo)號(hào)碼+8613572807856，，則從ARM發(fā)送到GSM模塊的PDU串可以是“0891683108301705F011000D91683175827058F6000801065408683C”。對(duì)照PDU編碼的規(guī)范，各段含義如表2所示。
表2 PDU各段編碼規(guī)范含義表
另外“合格”、“不合格”通過Unicode編碼后為“5408683C”和“4E 0D 5408683C”。
2.4 ARM發(fā)送短消息流程圖
校驗(yàn)儀器的檢測數(shù)據(jù)通過和規(guī)定數(shù)據(jù)的比較發(fā)送“合格”和“不合格”，首先確定SIM卡是否注冊(cè)，其次選擇短信發(fā)送格式為PDU格式，OK成功后再次通過Unicode編碼后根據(jù)AT命令A(yù)T+CREG=N（合格和不合格任一個(gè)Unicode碼）返回“＞”后輸入PDU碼0891683108301705F011000D91683175827058F6000801065408683C，PDU碼以^z結(jié)束，如果發(fā)送成功，會(huì)返回“+CMGS:0～255任一個(gè)數(shù)字”，返回OK。如果其中有一環(huán)節(jié)出錯(cuò)并且超過了重試次數(shù)后報(bào)警并且重新啟動(dòng)。
圖3 短信息發(fā)送軟件流程圖
3 結(jié)束語
近幾年來，利用移動(dòng)運(yùn)營商提供的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。尤其是基于ARM的GSM數(shù)據(jù)傳輸以短信形式的應(yīng)用也備受關(guān)注。本文通過基于ARM的傳感器校驗(yàn)儀檢測數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)向上級(jí)部門發(fā)送短信，加強(qiáng)了煤礦傳感器的按時(shí)檢測，從而加強(qiáng)了煤礦的安全。本方案，既考慮了數(shù)據(jù)傳輸效率，又意識(shí)到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀荆S著煤礦行業(yè)全民自動(dòng)化的興起，這種方案的前景會(huì)越來越廣闊。
[1]張新城,李慶亮.基于GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M],計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2006:27-14.
[2]三恒星科技.ARM9原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.
[3]三星.S3C2440A芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].
[4]王健,等.基于DSP和ARM的嵌入式多媒體通信終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2006,29(2):56-57,80.
[5]張綺文,謝建雄,謝勁心.ARM嵌入式常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.
[6]胡紹忠,程健.采用GPRS的無線數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)[J].信息化縱橫,2009,(10).
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本文是基于ARM的傳感器校驗(yàn)儀對(duì)傳感器校驗(yàn)后通過GSM （Global System for Mobile communication）網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?采用功耗很低的嵌入式設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)目刂浦行?將檢測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通過SMS（Short Message sevice）服務(wù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收終端（手機(jī)）。本文中我們使用了Mz28 GSM通訊模塊和三星公司的S3C2440 的ARM 芯片。
1 檢測儀的設(shè)計(jì)原理
1.1 檢測儀設(shè)計(jì)要求
參照甲烷傳感器的技術(shù)要求和中華人民共和國安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器的檢驗(yàn)規(guī)則的規(guī)定智能氣體檢測儀符合以下要求：
1）檢測裝置要給傳感器提供9～24V可調(diào)直流電壓，以使氣體傳感器能在正常的工作電壓范圍內(nèi)工作（典型的甲烷傳感器最高工作電壓24V，最大輸入電流357mA）；
2）檢測裝置顯示出的傳感器工作電壓、工作電流值，準(zhǔn)確度不小于0.5級(jí)；
3）檢測裝置顯示出的傳感器輸出頻率值在[200，1000]kHz區(qū)間內(nèi)，穩(wěn)定度≤1×10-2；
4）檢測裝置顯示出的傳感器工作時(shí)間分度值在0.01s；
5）檢測裝置上配置的氣體流量計(jì)測量范圍在[30，300]mL/min區(qū)間內(nèi)，準(zhǔn)確度為2.5級(jí)。
1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)檢測儀器設(shè)計(jì)要求所述，檢測儀主電路采用按功能分類的模塊化設(shè)計(jì)思路，內(nèi)部配有主控模塊、信號(hào)處理模塊和供電模塊三大模塊部分。每一模塊又可以按功能劃分不同的功能電路。
圖1 傳感器校驗(yàn)儀主要硬件電路配置
圖1是傳感器主要硬件電路配置圖，如圖1所示主控模塊最核心的部分，它控制著整個(gè)儀器的運(yùn)行過程。主控模塊包括：主控芯片電路和主控門電路。
主控芯片電路擔(dān)負(fù)著整個(gè)檢測裝置的管理和控制任務(wù)，而且需要對(duì)所有信號(hào)參數(shù)進(jìn)行處理。主控芯片采用的是SumSung公司的ARM920T S3C2440芯片，ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA、BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，具有一套完整的系統(tǒng)外設(shè)，高性能低功耗。強(qiáng)大的FLASH和SDROM存儲(chǔ)容量保證了檢測數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。
主控門電路的作用是在主控芯片的控制下進(jìn)行某一線路通、斷的選擇，檢測裝置中包含的主控門電路有；按鍵開關(guān)、數(shù)字門芯片和固態(tài)繼電器。又由于固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)電流要求很大，而主控芯片的端口輸出電流無法滿足這一要求，因此在主控芯片和固態(tài)繼電器之間串接了74LS138、74LS04、ULN2003進(jìn)行逐級(jí)電流放大。
信號(hào)處理模塊包含信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路、信號(hào)存儲(chǔ)電路和信號(hào)傳輸電路。
信號(hào)采集電路主要負(fù)責(zé)電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)的采集。檢測裝置的信號(hào)處理電路主要是對(duì)電壓、電流的模擬信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)流、濾波等處理，檢測后的信號(hào)由存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)后通過信號(hào)傳輸電路傳輸。MZ28是中興通訊推出的GSM無線雙頻調(diào)制解調(diào)器，主要為語音傳輸、短消息發(fā)送和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。MZ28集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，特別適合于迅速開發(fā)基于GSM無線網(wǎng)絡(luò)的無線應(yīng)用產(chǎn)品。
1.3 串口控制SMS工作原理
ARM與GSM模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可設(shè)定，通常為19200bps。GSM的短信息業(yè)務(wù)SMS利用信令信道傳輸，這是GSM通信網(wǎng)所特有的。它不用撥號(hào)建立連接，把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送到短信息服務(wù)中心，經(jīng)短信服務(wù)中心完成存儲(chǔ)后再發(fā)送給最終的信宿。
現(xiàn)在市場上大多數(shù)手機(jī)均支持 GSM07. 05 規(guī)定的AT指令集。該指令集是ETSI（歐洲通信技術(shù)委員會(huì)）發(fā)布的，其中包含了對(duì)SMS的控制。利用GSM手機(jī)的串行接口，CPU向手機(jī)收發(fā)一系列的AT命令，就能控制GSM模塊收發(fā)SMS。必須注意的是，用ARM實(shí)現(xiàn)時(shí)，編程必須注意它發(fā)送指令與接收到的響應(yīng)都是字符的ASCII碼。常用到的AT指令例如AT+CMGR讀短消息、AT+CMGS發(fā)送短消息、AT+CMGF選擇短消息格式等。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)采集部分軟件流程
圖2 檢測部分軟件流程圖
智能氣體檢測儀開機(jī)后首先進(jìn)行按鍵掃描，當(dāng)用戶選擇了將要檢測的傳感器通路，檢測裝置進(jìn)入檢測程序。在進(jìn)入檢測程序時(shí)，為了采集到傳感器穩(wěn)定工作時(shí)的信號(hào)參數(shù)，檢測裝置首先等待3min時(shí)間，以便通入傳感器的氣流穩(wěn)定、傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定。時(shí)間過了3min后檢測裝置要啟動(dòng)電壓、電流、頻率檢測程序進(jìn)行信號(hào)采集工作，采集到的信號(hào)經(jīng)過簡單的處理過程后進(jìn)入主控芯片，主控芯片會(huì)根據(jù)有無上位機(jī)連接而選擇是儲(chǔ)存后直接顯示還是儲(chǔ)存后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 ARM發(fā)送AT指令軟件設(shè)計(jì)
ARM與GSM模塊（MZ28）的軟件接口就是ARM通過發(fā)送對(duì)應(yīng)正確的AT指令對(duì)GSM模塊進(jìn)行操作的技術(shù)。指令的執(zhí)行過程就是ARM發(fā)送，手機(jī)接收的過程，其中AT指令如表1所示。
表1 AT指令執(zhí)行過程
2.3 PDU模式中文短信發(fā)送設(shè)計(jì)
目前短信收發(fā)的編碼格式主要有兩種：Text模式和PDU(protocol description unit)模式，PDU串表面上是一串ASCII碼數(shù)字，由“0”～“9”、“A”～“F”這些數(shù)字和字母組成，它們是8位的十六進(jìn)制數(shù)。PDU串不僅包含可顯示的消息本身，還包含很多其他信息?，F(xiàn)在我們要發(fā)送一條PDU格式的中文短信息內(nèi)容是“合格”，地區(qū)的SMSC號(hào)碼是（短信中心號(hào)碼）+8613800371500，目標(biāo)號(hào)碼+8613572807856，，則從ARM發(fā)送到GSM模塊的PDU串可以是“0891683108301705F011000D91683175827058F6000801065408683C”。對(duì)照PDU編碼的規(guī)范，各段含義如表2所示。
表2 PDU各段編碼規(guī)范含義表
另外“合格”、“不合格”通過Unicode編碼后為“5408683C”和“4E 0D 5408683C”。
2.4 ARM發(fā)送短消息流程圖
校驗(yàn)儀器的檢測數(shù)據(jù)通過和規(guī)定數(shù)據(jù)的比較發(fā)送“合格”和“不合格”，首先確定SIM卡是否注冊(cè)，其次選擇短信發(fā)送格式為PDU格式，OK成功后再次通過Unicode編碼后根據(jù)AT命令A(yù)T+CREG=N（合格和不合格任一個(gè)Unicode碼）返回“＞”后輸入PDU碼0891683108301705F011000D91683175827058F6000801065408683C，PDU碼以^z結(jié)束，如果發(fā)送成功，會(huì)返回“+CMGS:0～255任一個(gè)數(shù)字”，返回OK。如果其中有一環(huán)節(jié)出錯(cuò)并且超過了重試次數(shù)后報(bào)警并且重新啟動(dòng)。
圖3 短信息發(fā)送軟件流程圖
3 結(jié)束語
近幾年來，利用移動(dòng)運(yùn)營商提供的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。尤其是基于ARM的GSM數(shù)據(jù)傳輸以短信形式的應(yīng)用也備受關(guān)注。本文通過基于ARM的傳感器校驗(yàn)儀檢測數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)向上級(jí)部門發(fā)送短信，加強(qiáng)了煤礦傳感器的按時(shí)檢測，從而加強(qiáng)了煤礦的安全。本方案，既考慮了數(shù)據(jù)傳輸效率，又意識(shí)到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀荆S著煤礦行業(yè)全民自動(dòng)化的興起，這種方案的前景會(huì)越來越廣闊。
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