嵌入式工业数据采集网络节点的开发探讨

摘 要：近年来，在微电子技术及计算机技术的快速发展下，嵌入式系统的应用领域也日益广泛，尤其是在工业控制、移动通信、信息家电等领域的应用。嵌入式系统集成了微控制器（或微处理器）的系统电路以及相应的专属软件，有效实现了操作效率与成本比例的最优化。在工业控制领域中，应用嵌入式系统可使工业控制的自动化程度大为提高，特别是RTOS（嵌入式实时操作系统）的不断进步，更加拓展了嵌入式系统的发展前景。本文主要对嵌入式Linux及ARM操作系统下，工业数据采集网络节点的开发进行了分析、研究。

关键词：嵌入式；网络节点；Linux；ARM；工业数据采集

中图分类号：TP274.2

随着微电子技术及信息技术的不断进步，实时数据在企业中的利用也日益增多，企业在生产运行、生产决策、故障诊断、设备监测等方面都应用到了实时数据。因此，保证实时数据的及时性、准确性、可靠性、稳定性，是工业控制系统必须满足的基本要求。嵌入式系统集成了微控制器（或微处理器）的系统电路以及相应的专属软件，有效实现了操作效率与成本比例的最优化。嵌入式系统的应用，可有效促进企业生产、经营自动化程度的提高。

1 嵌入式数据采集网络节点的特点

传统的工业控制系统在管理模式、数据采集方面大部分都应用了B/S与C/S结合的结构模式，其数据库都集中于S（Server）端，运行于各网络节点的应用程序不能加载数据库，虽然该方式能较好地保证数据一致性，然而其对S端可靠性有着较高的要求，同时也需要S端具有较高的数据处理能力，不但使网络传输消耗大大增加，也不利于系统的扩展。

嵌入式工业数据采集网络节点的出现，则很好地规避了数据库的集中管理，其通过在各网络节点设置分布式数据库，利用广播协议，实现分布数据库的高速刷新，进而保证了所有数据库数据的一致性。同时，分布数据库也涵盖了全网的动态数据，各网络节点只需要同其分布数据库进行数据交换，就可实现全网通信，其不仅不需编程与通讯，还较好地实现了数据采集、交换的高速响应。

2 嵌入式操作系统及微处理器的选择

嵌入式系统，是指利用计算机技术，以应用为目标，应用系统对功耗、体积、成本、可靠性、功能具有严格要求的一种专用操作系统。在嵌入式操作系统中，处理器是其核心硬件，根据应用方向及功能，主要分为MCU（嵌入式微控制器）、EMPU（嵌入式微处理器）、EDSP（嵌入式DSP处理器）、SOC（嵌入式片上系统）四种。在嵌入式工业数据采集网络节点的开发过程中，通常会从主流嵌入式操作系统中进行选择，比如pSOS、Linux、WinCE、uC/OS、VxWorks等，其中Linux的应用最为广泛。在选择微处理器时，需要考虑到数据库构建资源及网络功能要求。目前，市场上的主流微处理器有ARM、MIPS、X86、PowerPC等。其中ARM采用了先进的RISC结构，并且拥有完整的开发工具、软硬件设计、技术支持，其是嵌入式系统硬件平台的理想选择。

3 嵌入式数据采集网络节点的硬件设计

网络节点的核心处理器采用S3C2410型ARM（ARM9内核），支持内存管理单元，硬件部分主要包括处理器模块、存储器模块、数据传输模块以及电源、复位、驱动、时钟模块4个部分。硬件构成框架如图1所示。

在实现过程中，通常会将存储器模块与处理器模块封装在一个模块中，加上复位、时钟、电源等构成核心模板，在此基础上实现Linux，并以此为核心扩展组件，以提升程序开发效率。在电路设计中，会将模块、核心模块分开，核心模块设计采用“金手指”形式，设计为DIMM-200标准接口。

4 嵌入式数据采集网络节点的软件设计

软件设计的任务包括建立开发平台、开发Berkeley DB数据库程序，其中数据库程序主要包括节点故障恢复、数据处理、网络通讯及串行通讯程序。

4.1 建立开发环境

要在ARM操作系统中建立数据库程序，首先需要创建开发环境。Berkeley DB可视作程序库，创建开发环境也就是编译Berkeley DB，利用编译获得的API函数，编写数据库系统。在编译Berkeley DB后，所得的API函数能适应多种操作系统（Linux、Windows等），本文分别在嵌入式Linux、Linux、Windows下创设了开发环境。

4.2 实现数据库的应用函数

在创建开发环境以后，可对API函数进行直接调用，与此同时，还需要根据需要，根据API函数编制出应用函数，建立数据库系统，实现数据的管理与存储。

4.3 设计应用程序

根据设计要求，可根据功能将应用程序分为4个模块：一是串行通讯程序，该程序主要用于接收、存储串口485、232的数据，可应用C语言进行编写；二是网络通讯程序，该模块是网络节点的核心程序，其主要用于实现数据的网络传输，且为双向传输，包括数据接收及广播；三是数据处理程序，该程序主要用于实现提取暂存队列数据，释放数据所占内存空间，同时将提取数据存储到数据库中；四是故障恢复程序。当在系统运行过程中，若节点出现故障，该程序可使各节点可对故障节点的相关信息进行记录，在节点恢复正常后，又可自动恢复故障时间段中的数据，以确保各节点分布数据库中数据的一致性。

5 网络节点实现的功能

在嵌入式系统环境下，运用工业以太网技术进行网络控制，实现实时数据的可靠、稳定、高速传输，其能有效促进工业控制网络技术的发展。嵌入式工业数据采集网络节点最终实现的功能有：

第一，网络节点中配置了CAN、RS485、RS323总线和网络接口模块，以便在控制网络中顺利接入各种通讯设备，实现即插即用。在该系统中，可将核心模块嵌入应用电路，同智能设备组成一个完整的分布数据库监控平台。

第二，通过运行嵌入式Linux，建立多个分布式数据库，各分布式数据均包含了全网数据，同时各分布数据库都拥有自己的IP地址，其能对节点进行任意的增删和即插即用，极大地扩展了网络节点的通讯距离和容量。此外，在分布数据库中，还可以进行历史查询，利用数据广播，实现了全网数据库的高速刷新，刷新时间可达到毫秒级，从而保障了全网数据的一致性。

第三，在每个网络节点中，都嵌入了通讯协议，实现了网络通讯的自动化、无编程化，有效节省了软件编程成本，也使其他软件编程变得更为简单。每一个分布数据库都包含了整个网络的动态数据，各节点通过与自己的数据库进行数据交换，就能实现全网通信。

6 总结

嵌入式工业数据采集网络节点，综合运用了以太网技术、数据库技术和嵌入式系统，其较好地融合了控制网络技术和数据库技术，通过在工业控制层嵌入分布数据库，实现了对全网历史数据、实时数据的管理与查询，其使工业数据采集摆脱了对服务器数据库的依赖，实现了数据存储的稳定性、高效性，同时有效提升了服务性能、降低了成本，嵌入式网络节点必然会成为工业现场控制网络的主流发展趋势。

参考文献：

[1]王珏，谭辉，黄亮.工业CT用数据采集与传输系统设计及实现[J].仪器仪表学报，2009，30（4）：722-727.

[2]陈尧.基于嵌入式Linux的工业数据采集设备以太网端口设计与实现[J].电脑编程技巧与维护，2013（16）：68，96.

[3]何景波.基于Linux的嵌入式应用系统技术研究[D].中北大学，2009.

[4]刘昊.面向制造执行系统的RFID嵌入式数据采集终端研究[D].北京工业大学，2010.

[5]刘溯.基于ZigBee技术的工业数据采集系统设计及实现[D].哈尔滨工业大学，2011.

作者简介：陈震（1976-），辽宁辽阳人，讲师，硕士，研究方向：计算机应用技术。

作者单位：辽宁建筑职业学院信息工程系，辽宁辽阳 111000