基于嵌入式WinCE的遠程數據采集系統
WindowsCE是微軟嵌入式平臺的基礎，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統，其***版本WinCE 6.0 R3引入了Silverlight，使其性能更加出色，在數據采集系統方面，其采用了以EVOC 104-1541CLDN為核心的嵌入式遠程數據采集系統。
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***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。 #p#
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***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；***，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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