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摘 要 本文基于ZigBee无线传输协议和ARM9内核的硬件平台，采用WinCE嵌入式操作系统，设计了一款嵌入式无线数据数据采集系统，重点论述了数据采集模块和无线通信模块的硬件电路设计。从“WinCE应用程序设计、基于单片机数据采集模块程序设计、无线收发模块程序设计、上位机应用程序设计”四个方面，论述了系统的软件设计，并从“WinCE硬件中断、ARM开发板与上位机文件传输、ZigBee数据收发”三个方面进行了重点论述。系统已完成初步调试，结果良好。
关键词 无线数据采集系统 ZigBee协议 ARM9 WinCE CC2430
中图分类号：TP27文献标识码：A
Design of Embedded Wireless Data Collecting System
Based on the ZigBee Protocol and ARM9
YANG Xiaojian
(Wuxi City College of Vocational Technology, Wuxi, Jiangsu 214063)
Abstract Based on the hardware platform of ZigBee WTP and ARM9 kernel, this article introduces a kind of design of embedded wireless data collecting system. It mainly discusses the hardware electro circuit design of data collecting module and wireless communication module. And it discourses upon the system software design from the follow aspects: application program design of WinCE; program design based on the SCM data collecting module; wireless receiving and sending module program design and WINCC application program design. And it emphasizes on the WinCE hardware interrupt, ARM development board and WINCC file transportation; ZigBee data receiving and sending. The system is debugged and proved good.
Key words wireless data collecting system; ZigBee protocol; ARM9; WinCE; CC2430
0 引言
基于ARM9微处理器的嵌入式系统，具有体积小、能耗低、处理速度快、可靠性高等一系列优点，正越来越广泛的被应用于数据采集与处理领域。Zigbee程序的传输速度快、成本低、操作简单，如今，已经得到广泛应用。而固有的工业数据采集系统中，一般采用工控机作为数据采集和处理平台，工控机之间的数据交换存在便携性不强、通用性差等优点。因此构建基于ARM9微处理器平台和Zigbee的嵌入式无线数据采集系统，能更广泛的应用于各种数据采集场合，具有重要意义。
1 系统硬件设计
由图可以看出，整个系统分为三个模块：（1）基于 C805IF92O的数据采集模块；（2）基于S3C2440的ARM9开发板；（3）基于CC2430的无线通信模块。从图1中可以看到数据采集环境中采用了AD双级放大，可以有效提高系统的放大倍数，以及系统的微弱识别能力。极限的方法程度可以达到4096倍，最大采样频率为4K，对一般实验要求可以完全满足。而这种数据传输方式导致ZigBee协议数据传输速率慢，抵抗外界电磁干扰的程度低，在ZigBee协议的基础上还另外添加了一套基于TCP/IP协议的采用Socket文件传输协议，有利于实现上几位的文件传输。
1.1 基于S3C2440的ARM9开发板
开发板采用北京蓝海微芯公司的LJD2440-II。开发板的CPU是主频为400MHz的Samsung公司的 S3C2440A，外部存储器包括：两片32MB的HY57V561620芯片构成64MB的SDRAM存储器，用于运行系统主程序；采用两片K9F1208共64M作为系统的NAND Flash，用于存储操作系统内核、Bootloader的启动代码和用户程序。同时，开发板集成了串口、10M的以太网口、红外通讯口、存储接口（包括一个SD卡接口，可直接接2G的SD卡；一个IDE口挂接硬盘）、LCD和触摸屏接口（开发板标配了东华的自带4线模拟电阻式触摸屏和硬件驱动的3.5#TFT型LCD，用于人机交互）、SPI接口、IIC接口、JTAG调试接口等。开发板支持WinCE和Linux双系统，在本系统的设计中将用到WinCE嵌入式操作系统，在文后将论述。
1.2 基于 C805IF92O的数据采集模块
实际上，S3C2440的处理内部只有2个通道的10位AD转换接口，且最大的方法倍数仅为128倍，根本没有办法满足实验的需求，所以，对于该部分数据的采取，本次实验使用了基于单片机的AD采集放大模块。主要数据模块组成如图2所示。数据采集模块中的AD转换电路（图左）、SPI控制芯片（图中）及低通滤波电路（图右）如图3所示。从图左可以看出，当CS被拉低的时候，通过A0-A2三个端口输入一个3位的数字量可方便实现对放大倍数的调节。图中的主要功能则是将8通道的数据进行片选，并以串行总线SPI的方式与MCU进行通信。图右中选择MAX74XX的原因是因为它的抗干扰能力较强，2个时钟信号使得用户可以根据外部时钟，按照100:1的比例严格控制截止频率的大小。
1.3 基于CC2430的无线通信模块
如今，ZigBee技术已经比较成熟，价格也随之下降，其传输距离远， 10-250kb/S的数据传输效率高，可以直接满足实验的需求，所以，对于无限数据传输的部分，我们采取 ZigBee协议的无线传输方式。该系统是通过发送ZigBee的多节点，数据根据16位的MAC地址在无线局域网内进行传输，从理论上讲，其系统传输的速度可以达到250KB/s，实践中速度也可以达到10KB/s，一般实验的要求可以满足。在TCP/IP协议中，以太网的数据传输使用硬件地址(MAC)来进行识别，其中ARP（地址解析协议）完成IP地址和数据链路层使用的硬件地址之间的转换，因此为了保证Zigbee网关在以太网中的通信，首先要实现ARP协议的功能。Zigbee网络中的节点数理论上最多可达65536个，每个节点同样有自己唯一的MAC地址(64位长地址或16位短地址)。
参考TCP/IP下的实现机制，我们实现了Zigbee协议中的适配层和ARP,实现IP地址到Zigbee节点地址的映射。无线通信模块采用了CC243O无线通信模块。该模块为增强型的ZigBee模块，集成了符合ZigBee协议标准的射频收发器和微处理器，它的通信距离远，抗干扰能力强，并能进行多点对多点，一点对多点的透明传输，又可组成星型和MESH型的网状网络结构。在电路的设计上，为了保证数据是发送过程中数据不被遗失，问藏在无线数据模块中增加了SD卡控制电路，可将接收的数据转存至SD卡内部。在接收模块为了实现与上位机数据的高速读取，采用了RS232转USB电路。CC2430的电路设计原理图如图4所示，RS232转USB的电路原理图如图5所示。SD卡电路图这里不再赘述。
2 系统软件设计
本数据采集系统所采用的嵌入式操作系统为WinCE。正常的嵌入式系统开发中需要进行WinCE内核定制与移植，具体包括Boatloader开发、OAL层设计与内核的移植等环节，但由于本系统中采用的是成熟的开发平台，这一部分即可以使用已有的WinCE系统。本采集系统的软件部分主要分为四个部分，WinCE应用程序设计，主要包含了单片机数据采集模块程序设计，无线数据模块程序设计，上位机通信模块设计。
2.1 WinCE应用程序设计
（1）中断服务程序设计。Wince应用程序是通过与硬件设备直接进行数据传输，而数据之间的交换主要是通过OEM层，为了使程序的编写更加容易操作，我们可以在Wince环境下的硬件驱动程序，通过中断硬件的方式，使程序可以直接与硬件进行交换，以此来减少程序编写人员的工作压力。Wince下硬件中断程序的流程图如图6所示。在识别设数据采集模块这一外部设备之前，必须将其中断向量添加到中断向量表中，主要通过函数LoadIntChainHandler（）来实现。
（2）SPI总线控制器设置。单片机采集模块与数据发送模块以及ARM开发板之间采用的均是基于SPI数据总线实现数据传输，为了确保数据传输的有效和准确性，首先要制定一个完善的命令集。本次系统的命令集就是：0X01：设置采样频率；0x02设置放大倍数；0x03设置通道个数；0x04与0x05分别为启动和关闭AD转换； 0x06与0x07分别为开始于停止与ARM开发板的数据传输。部分无线模块控制命令集：0x08为设置设备IEEE地址；0x09为网络信道选择；0x0a为安全等级设置；0x10与0x11分别为读取RAM和Flash中指定地址的一个字节。
（3）TCP/IP协议设置及数据传输。该部分是为了实现ARM开发板与上位机的通讯。上几位的数据传输采用的是SOCKET的文件传输协议，其程序流程图如图7所示。为了保证上机位之间的全双工的通信，采用了2个不同的线程和2个套接字信息来促进与上机位的信息传输。另外，由于本系统中任务较多，采用了多线程技术用于充分利用系统资源。线程之间的优先级别从高到低依次是：SPI传输线程→数据保存线程→ADCBuf（缓存）→TCP/IP接收与发送、数据显示、无线模块SPI数据传输。
2.2 基于单片机数据采集模块程序设计
本系统数据采集模块采用的是基于C8051F920的单片机核心，在集成开发工具Silicon Laboratories IDE 中，用C编程。数据采集程序流程如图8所示。
2.3 无线收发模块程序设计
系统无线收发模块采用的是高性能低功耗的CC2430无线通信模块。在使用缓冲发射模式的过程中，利用IEEE802.15.4媒介对数字格式进行控制，并向短地址发送一个信息包。缓冲接收模式下，首先用信息包接收和FIFO中断，通过FIFO的中断服务功能接受信息包，其中RXFIFO缓冲溢出以及一些不合法的数据都会被中断服务模式处理掉，现代信息包接受使用的是CC2430自动应答。ZigBee数据收发流程图如图9所示。
3 结束语
本文所研究基于ARM9和Zigbee无线传输协议的数据采集系统，将数据的分析和处理、以及总结统计、数据实时显示等功能集成到ARM处理芯片的嵌入式系统之上，可以有效提高实验效率。目前该系统已初步完成系统调试，下一步的主要工作是将其积极应用于列车上的一系列测力和测方位角试验。
参考文献
[1] 张彭朋,何娜.基于MSP430和CC2500的USB无线数据采集系统[J].电子设计工程,2010.18（2）:12-14.
[2] 李联富,刘飞.基于S3C2410的无线数据采集系统[J].现代电子技术,2009（24）.
[3] 肖广兵,唐慧强.基于TC35I的无线数据采集系统的设计[J].通信技术,2009.42（4）：189-191.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词 无线数据采集系统 ZigBee协议 ARM9 WinCE CC2430
中图分类号：TP27文献标识码：A
Design of Embedded Wireless Data Collecting System
Based on the ZigBee Protocol and ARM9
YANG Xiaojian
(Wuxi City College of Vocational Technology, Wuxi, Jiangsu 214063)
Abstract Based on the hardware platform of ZigBee WTP and ARM9 kernel, this article introduces a kind of design of embedded wireless data collecting system. It mainly discusses the hardware electro circuit design of data collecting module and wireless communication module. And it discourses upon the system software design from the follow aspects: application program design of WinCE; program design based on the SCM data collecting module; wireless receiving and sending module program design and WINCC application program design. And it emphasizes on the WinCE hardware interrupt, ARM development board and WINCC file transportation; ZigBee data receiving and sending. The system is debugged and proved good.
Key words wireless data collecting system; ZigBee protocol; ARM9; WinCE; CC2430
0 引言
基于ARM9微处理器的嵌入式系统，具有体积小、能耗低、处理速度快、可靠性高等一系列优点，正越来越广泛的被应用于数据采集与处理领域。Zigbee程序的传输速度快、成本低、操作简单，如今，已经得到广泛应用。而固有的工业数据采集系统中，一般采用工控机作为数据采集和处理平台，工控机之间的数据交换存在便携性不强、通用性差等优点。因此构建基于ARM9微处理器平台和Zigbee的嵌入式无线数据采集系统，能更广泛的应用于各种数据采集场合，具有重要意义。
1 系统硬件设计
由图可以看出，整个系统分为三个模块：（1）基于 C805IF92O的数据采集模块；（2）基于S3C2440的ARM9开发板；（3）基于CC2430的无线通信模块。从图1中可以看到数据采集环境中采用了AD双级放大，可以有效提高系统的放大倍数，以及系统的微弱识别能力。极限的方法程度可以达到4096倍，最大采样频率为4K，对一般实验要求可以完全满足。而这种数据传输方式导致ZigBee协议数据传输速率慢，抵抗外界电磁干扰的程度低，在ZigBee协议的基础上还另外添加了一套基于TCP/IP协议的采用Socket文件传输协议，有利于实现上几位的文件传输。
1.1 基于S3C2440的ARM9开发板
开发板采用北京蓝海微芯公司的LJD2440-II。开发板的CPU是主频为400MHz的Samsung公司的 S3C2440A，外部存储器包括：两片32MB的HY57V561620芯片构成64MB的SDRAM存储器，用于运行系统主程序；采用两片K9F1208共64M作为系统的NAND Flash，用于存储操作系统内核、Bootloader的启动代码和用户程序。同时，开发板集成了串口、10M的以太网口、红外通讯口、存储接口（包括一个SD卡接口，可直接接2G的SD卡；一个IDE口挂接硬盘）、LCD和触摸屏接口（开发板标配了东华的自带4线模拟电阻式触摸屏和硬件驱动的3.5#TFT型LCD，用于人机交互）、SPI接口、IIC接口、JTAG调试接口等。开发板支持WinCE和Linux双系统，在本系统的设计中将用到WinCE嵌入式操作系统，在文后将论述。
1.2 基于 C805IF92O的数据采集模块
实际上，S3C2440的处理内部只有2个通道的10位AD转换接口，且最大的方法倍数仅为128倍，根本没有办法满足实验的需求，所以，对于该部分数据的采取，本次实验使用了基于单片机的AD采集放大模块。主要数据模块组成如图2所示。数据采集模块中的AD转换电路（图左）、SPI控制芯片（图中）及低通滤波电路（图右）如图3所示。从图左可以看出，当CS被拉低的时候，通过A0-A2三个端口输入一个3位的数字量可方便实现对放大倍数的调节。图中的主要功能则是将8通道的数据进行片选，并以串行总线SPI的方式与MCU进行通信。图右中选择MAX74XX的原因是因为它的抗干扰能力较强，2个时钟信号使得用户可以根据外部时钟，按照100:1的比例严格控制截止频率的大小。
1.3 基于CC2430的无线通信模块
如今，ZigBee技术已经比较成熟，价格也随之下降，其传输距离远， 10-250kb/S的数据传输效率高，可以直接满足实验的需求，所以，对于无限数据传输的部分，我们采取 ZigBee协议的无线传输方式。该系统是通过发送ZigBee的多节点，数据根据16位的MAC地址在无线局域网内进行传输，从理论上讲，其系统传输的速度可以达到250KB/s，实践中速度也可以达到10KB/s，一般实验的要求可以满足。在TCP/IP协议中，以太网的数据传输使用硬件地址(MAC)来进行识别，其中ARP（地址解析协议）完成IP地址和数据链路层使用的硬件地址之间的转换，因此为了保证Zigbee网关在以太网中的通信，首先要实现ARP协议的功能。Zigbee网络中的节点数理论上最多可达65536个，每个节点同样有自己唯一的MAC地址(64位长地址或16位短地址)。
参考TCP/IP下的实现机制，我们实现了Zigbee协议中的适配层和ARP,实现IP地址到Zigbee节点地址的映射。无线通信模块采用了CC243O无线通信模块。该模块为增强型的ZigBee模块，集成了符合ZigBee协议标准的射频收发器和微处理器，它的通信距离远，抗干扰能力强，并能进行多点对多点，一点对多点的透明传输，又可组成星型和MESH型的网状网络结构。在电路的设计上，为了保证数据是发送过程中数据不被遗失，问藏在无线数据模块中增加了SD卡控制电路，可将接收的数据转存至SD卡内部。在接收模块为了实现与上位机数据的高速读取，采用了RS232转USB电路。CC2430的电路设计原理图如图4所示，RS232转USB的电路原理图如图5所示。SD卡电路图这里不再赘述。
2 系统软件设计
本数据采集系统所采用的嵌入式操作系统为WinCE。正常的嵌入式系统开发中需要进行WinCE内核定制与移植，具体包括Boatloader开发、OAL层设计与内核的移植等环节，但由于本系统中采用的是成熟的开发平台，这一部分即可以使用已有的WinCE系统。本采集系统的软件部分主要分为四个部分，WinCE应用程序设计，主要包含了单片机数据采集模块程序设计，无线数据模块程序设计，上位机通信模块设计。
2.1 WinCE应用程序设计
（1）中断服务程序设计。Wince应用程序是通过与硬件设备直接进行数据传输，而数据之间的交换主要是通过OEM层，为了使程序的编写更加容易操作，我们可以在Wince环境下的硬件驱动程序，通过中断硬件的方式，使程序可以直接与硬件进行交换，以此来减少程序编写人员的工作压力。Wince下硬件中断程序的流程图如图6所示。在识别设数据采集模块这一外部设备之前，必须将其中断向量添加到中断向量表中，主要通过函数LoadIntChainHandler（）来实现。
（2）SPI总线控制器设置。单片机采集模块与数据发送模块以及ARM开发板之间采用的均是基于SPI数据总线实现数据传输，为了确保数据传输的有效和准确性，首先要制定一个完善的命令集。本次系统的命令集就是：0X01：设置采样频率；0x02设置放大倍数；0x03设置通道个数；0x04与0x05分别为启动和关闭AD转换； 0x06与0x07分别为开始于停止与ARM开发板的数据传输。部分无线模块控制命令集：0x08为设置设备IEEE地址；0x09为网络信道选择；0x0a为安全等级设置；0x10与0x11分别为读取RAM和Flash中指定地址的一个字节。
（3）TCP/IP协议设置及数据传输。该部分是为了实现ARM开发板与上位机的通讯。上几位的数据传输采用的是SOCKET的文件传输协议，其程序流程图如图7所示。为了保证上机位之间的全双工的通信，采用了2个不同的线程和2个套接字信息来促进与上机位的信息传输。另外，由于本系统中任务较多，采用了多线程技术用于充分利用系统资源。线程之间的优先级别从高到低依次是：SPI传输线程→数据保存线程→ADCBuf（缓存）→TCP/IP接收与发送、数据显示、无线模块SPI数据传输。
2.2 基于单片机数据采集模块程序设计
本系统数据采集模块采用的是基于C8051F920的单片机核心，在集成开发工具Silicon Laboratories IDE 中，用C编程。数据采集程序流程如图8所示。
2.3 无线收发模块程序设计
系统无线收发模块采用的是高性能低功耗的CC2430无线通信模块。在使用缓冲发射模式的过程中，利用IEEE802.15.4媒介对数字格式进行控制，并向短地址发送一个信息包。缓冲接收模式下，首先用信息包接收和FIFO中断，通过FIFO的中断服务功能接受信息包，其中RXFIFO缓冲溢出以及一些不合法的数据都会被中断服务模式处理掉，现代信息包接受使用的是CC2430自动应答。ZigBee数据收发流程图如图9所示。
3 结束语
本文所研究基于ARM9和Zigbee无线传输协议的数据采集系统，将数据的分析和处理、以及总结统计、数据实时显示等功能集成到ARM处理芯片的嵌入式系统之上，可以有效提高实验效率。目前该系统已初步完成系统调试，下一步的主要工作是将其积极应用于列车上的一系列测力和测方位角试验。
参考文献
[1] 张彭朋,何娜.基于MSP430和CC2500的USB无线数据采集系统[J].电子设计工程,2010.18（2）:12-14.
[2] 李联富,刘飞.基于S3C2410的无线数据采集系统[J].现代电子技术,2009（24）.
[3] 肖广兵,唐慧强.基于TC35I的无线数据采集系统的设计[J].通信技术,2009.42（4）：189-191.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文