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摘要：应用4G无线网絡通信及嵌入式技术设计了一款无线数采控制器，该数采控制器采用S3C2440作为主控制器。阐述了系统的硬件和软件结构，硬件设计介绍了硬件的构成及功能；软件设计包括Linux嵌入式系统驱动程序开发、调试，应用程序软件的开发、调试等。
关键词：4G无线网络通信；嵌入式系统；数采控制器；S3C2440；Linux
中图分类号：TP929.5 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.020
引言
數据采集系统应用范围越来越广，功能越来越全，更需要一种高效、简洁、高性价比的无线传输方式。随着无线通讯网络技术的迅速发展，无线通讯网络的通信带宽逐渐增大、通信速率增大、通信质量也有较大提高，使得数据通过无线网络传输变得高效、实时性强、错误率低。目前，在生活中我们使用的无线网络通讯种类中，使用最宽、最广的就是4G通信，本文设计了一套由嵌入式与4G无线通信模块构成的无线数据采集传输系统，可以满足多数环境的需要。
1 系统的总体方案
应用4G无线网络通信及嵌入式技术设计了一款无线数采控制器。无线数采控制器采用ARM9架构的S3C2440芯片作为CPU，USR-G401t型4G无线移动通信网络模块实现4G无线通信，SP485芯片实现RS485通信，开关量输入输出信号通过光耦芯片进行隔离，SD卡作为数据临时存储，操作系统选择嵌入式Linux，同时对该设备硬件、软件实现作详细的研究分析。下图是4G无线数采控制器的结构。
如图1所示的4G无线数采控制器，图中可以看出，该设备包括：16路继电器输出模块，16路开关量信号输入模块，1路4G无线通信模块，2路RS-485通信模块（通过应用程序软件可以实现各种协议的485通信，可实现和各种仪表及PLC进行通信），1路SD卡模块（用于少量数据的存储）。
2 硬件设计
2.1 核心板电路设计
核心板上包括了S3C2440芯片、Flash存储芯片（K9F1216UOA） 、ROM存储芯片
（HY57V561620FTP-H）、时钟电路元件及电源电路电子元件等。核心板设计成独立的板卡，将所有功能引脚引出后给主板使用，采用6层电路PCB板。Flash存储电路分为Nor Flash和Nand Flash两种存储电路，Nor Flash的存储容量为16MB（用来存储引导程序），Nand Flash的存储容量为1GB（系统设计时，根据现场的应用情况使用该容量完全满足系统运行要求），SDRAM的存储容量为512MB核心板的设计主要是为实现版块的公用性，可以使用于不同的主板。内存及Flash存储要能够满足系统稳定运行的最小需求，同时要求具有较好散热性能。
2.2 主板电路设计
2.2.1 主板继电器输出部分
在现场中设备所有外部电源及开关量信号都是直流24V，考虑到继电器的输出能力及稳定性等，在设计继电器输出时也设计为24V电源驱动，干接点输出。
输出信号电路的设计时采用TLP521光耦合器进行隔离，以避免外部的高压或反向电压的注入烧毁核心元器件。根据手册可以选择光耦合器输入信号端的电阻大小即为15011左右的电阻作为限流使用，如图2所示。
2.2.2 主板SD卡部分
由于系统采用4G网络进行数据传输，由于4G网络存在不稳定性，故有些数据不能够实时的传输到中控中心，在设计时考虑了SD卡，用来存储一些重要的数据。SD卡的设计如图3所示。
DATO、DAT1、DAT3、CMD信号线都采用10KΩ电阻上拉至3.3V，目的是增强电路的驱动能力，nCD信号用于检测SD卡是否插入，当卡没有插入卡座时，该引脚为高电平，当卡完全插入卡座的时候，nCD被拉为低电平。WP信号脚是用来检测SD卡是否有写保护，原理和卡的插入检测是一样的，故采用R49下拉电阻接地。
2.2-3 串口通讯电路
现场需要采集数据，这些数据如果采用4?20mA的模拟信号采集，采集器得设计很多的模拟信号的采集通道。故我们在设计时就考虑采用通信的方式进行数据的采集，可以减少现场的布线及后期的维护工作，且可以保证数据的可靠性。设计通信时，我们采用两线制RS485串行通信，MODBUSRTU通信协议进行通信，其实现电路原理图如图4所示。
2.3 4G无线模块电路设计
无线网卡采用现有模块化电路，电源由主板供应，主板可以提供给该子版块稳定的3.8V电源。4G无线网卡选用USR-G40U，采用USB接口模式进行通信。4G无线模块USIM卡电路如图5。
USIM卡的接口速率为3.25MHz左右，因此USIM卡座的布局应该取最近于USR-G401T位置，避免走线过长，最好对各信号线作地线包络。CLK、IO、RESET这三个信号需要增加47pF的电容用于滤除天线信号的干扰，CLK、IO、RESET及VCC这四个信号都需要进行防静电保护措施。USIM卡接口ESD（Electro-Static Dischang即静电释放）防护，如上图所示，电路中采用了瞬态电压抑制二极管（TVS）来作为板卡的静电防护，PCB板布线的时候TVS要尽量的靠近SIM卡放置。
3 软件设计
该控制器采用嵌入式设计，在选择嵌入式操作系统时，我们选择开源Linux操作系统，内核版本为Linux-2.6.30.4。
3.1 驱动程序的编写
嵌入式设备基本都是根据需求完全定制化开发的，故不能够找到完整的驱动程序支持系统，这就需要我们进行驱动程序的开发，驱动程序的开发软件我们可以在网络上找到很多软件来建立开发环境，本次我们使用的是Eclipse软件来开发我们的驱动程序。开发完成后我们需要在内核系统中添加对驱动程序的支持，然后配置内核，完成后编译成功后烧写到设备才能能够运行。 进行设备驱动程序的开发，其开发流程如图6所示。
3.2 应用程序的设计
应用程序的实现是建立在操作系统及驱动程序的基础之上，通过操作系统接口及设备驱动程序的接口应用Eclipse开发环境开发需要的应用程序。操作系统提供了需要的大部分功能接口函数，而要获取外部设备的数据则需要通过驱动程序接口来应用外设备进行数据交换。
设备设计的是无人值守的，故在设计时无论出现任何诱因导致设备故障或者死机时，都要尽量能够保证应用程序的复位、数据的恢复，最坏的情况下要能够保证设备能够自动重启。复位、初始化所有的外设、驱动程序、应用程序，并启动继续进行工作，必要时要能夠将故障前的运行状态再次导入驱动及应用程序，继续运行故障前的作业。设计软件时应该充分应用看门狗，以实现设备的自复位功能，实现设备的“自修复”、“无故障”工作状态。
系统在实现各个子功能及业务流程后，设备还不能够按照项目需求运行，设备还在不能够运行起来，只实现了各部分的功能，还需要一个管理应用程序，将之前设计的各种功能、各种业务进行统一的管理，将各个子功能的业务综合的统一起来、结合起来实现项目需求，这就是所要开发的设备数采应用程序。其实以上所有的应用程序都是该数采应用程序的子程序，数采应用程序协调着各个外设的工作，处理着各个外设的数据，其数据采集系统应用程序的业务流程图如图7所示。
4 控制器的性能评估、测试
4.1 硬件性能测试
设备在现场运行时和在实验阶段完全不一样的，实验阶段使用的电源、信号等都是相当的平稳的，没有较大波动，也不存在雷击、过压、欠压、过流、欠流、静电、摔撞、电磁干扰、温度、湿度、冷露、结冰、鼠虫等影响，故设备都能够正常的运行，但是在现场引用的过程中往往出现的考究设备性能的远远不只以上情况。故在测试硬件性能上要对设备的供电、信号输入/输出、通讯接口等进行相应的测试，以保证设备在一定的外部干扰环境下能够稳定、可靠的运行。
4.2 软件性能测试
软件会受到硬件的新增、删除、更改、故障的影响，会受到使用者的操作的影响，还会受到软件自身运行的影响，同时还会受到数据拷贝过程中数据丢失、数据溢出、数据损坏的影响，在实际使用时往往还会遇到很多其他因素的影响导致软件的崩溃。故在测试软件性能上我们要对各种情况下软件运行的状态进行测试评估，进行多种复杂情况下的软件测试评估，在一定的范围内要保证设备的软件能够稳定、可靠的运行。
5 结束语
本文设计了一种基于4G无线网络通信的数采控制器，该数采控制器可以在不同的应用场合有效的采集数据，可以应用到农业、工业、医疗等生产生活的各个领域。本系统有较好的应用性和可移植性，有一定的理论和应用价值。
关键词：4G无线网络通信；嵌入式系统；数采控制器；S3C2440；Linux
中图分类号：TP929.5 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.020
引言
數据采集系统应用范围越来越广，功能越来越全，更需要一种高效、简洁、高性价比的无线传输方式。随着无线通讯网络技术的迅速发展，无线通讯网络的通信带宽逐渐增大、通信速率增大、通信质量也有较大提高，使得数据通过无线网络传输变得高效、实时性强、错误率低。目前，在生活中我们使用的无线网络通讯种类中，使用最宽、最广的就是4G通信，本文设计了一套由嵌入式与4G无线通信模块构成的无线数据采集传输系统，可以满足多数环境的需要。
1 系统的总体方案
应用4G无线网络通信及嵌入式技术设计了一款无线数采控制器。无线数采控制器采用ARM9架构的S3C2440芯片作为CPU，USR-G401t型4G无线移动通信网络模块实现4G无线通信，SP485芯片实现RS485通信，开关量输入输出信号通过光耦芯片进行隔离，SD卡作为数据临时存储，操作系统选择嵌入式Linux，同时对该设备硬件、软件实现作详细的研究分析。下图是4G无线数采控制器的结构。
如图1所示的4G无线数采控制器，图中可以看出，该设备包括：16路继电器输出模块，16路开关量信号输入模块，1路4G无线通信模块，2路RS-485通信模块（通过应用程序软件可以实现各种协议的485通信，可实现和各种仪表及PLC进行通信），1路SD卡模块（用于少量数据的存储）。
2 硬件设计
2.1 核心板电路设计
核心板上包括了S3C2440芯片、Flash存储芯片（K9F1216UOA） 、ROM存储芯片
（HY57V561620FTP-H）、时钟电路元件及电源电路电子元件等。核心板设计成独立的板卡，将所有功能引脚引出后给主板使用，采用6层电路PCB板。Flash存储电路分为Nor Flash和Nand Flash两种存储电路，Nor Flash的存储容量为16MB（用来存储引导程序），Nand Flash的存储容量为1GB（系统设计时，根据现场的应用情况使用该容量完全满足系统运行要求），SDRAM的存储容量为512MB核心板的设计主要是为实现版块的公用性，可以使用于不同的主板。内存及Flash存储要能够满足系统稳定运行的最小需求，同时要求具有较好散热性能。
2.2 主板电路设计
2.2.1 主板继电器输出部分
在现场中设备所有外部电源及开关量信号都是直流24V，考虑到继电器的输出能力及稳定性等，在设计继电器输出时也设计为24V电源驱动，干接点输出。
输出信号电路的设计时采用TLP521光耦合器进行隔离，以避免外部的高压或反向电压的注入烧毁核心元器件。根据手册可以选择光耦合器输入信号端的电阻大小即为15011左右的电阻作为限流使用，如图2所示。
2.2.2 主板SD卡部分
由于系统采用4G网络进行数据传输，由于4G网络存在不稳定性，故有些数据不能够实时的传输到中控中心，在设计时考虑了SD卡，用来存储一些重要的数据。SD卡的设计如图3所示。
DATO、DAT1、DAT3、CMD信号线都采用10KΩ电阻上拉至3.3V，目的是增强电路的驱动能力，nCD信号用于检测SD卡是否插入，当卡没有插入卡座时，该引脚为高电平，当卡完全插入卡座的时候，nCD被拉为低电平。WP信号脚是用来检测SD卡是否有写保护，原理和卡的插入检测是一样的，故采用R49下拉电阻接地。
2.2-3 串口通讯电路
现场需要采集数据，这些数据如果采用4?20mA的模拟信号采集，采集器得设计很多的模拟信号的采集通道。故我们在设计时就考虑采用通信的方式进行数据的采集，可以减少现场的布线及后期的维护工作，且可以保证数据的可靠性。设计通信时，我们采用两线制RS485串行通信，MODBUSRTU通信协议进行通信，其实现电路原理图如图4所示。
2.3 4G无线模块电路设计
无线网卡采用现有模块化电路，电源由主板供应，主板可以提供给该子版块稳定的3.8V电源。4G无线网卡选用USR-G40U，采用USB接口模式进行通信。4G无线模块USIM卡电路如图5。
USIM卡的接口速率为3.25MHz左右，因此USIM卡座的布局应该取最近于USR-G401T位置，避免走线过长，最好对各信号线作地线包络。CLK、IO、RESET这三个信号需要增加47pF的电容用于滤除天线信号的干扰，CLK、IO、RESET及VCC这四个信号都需要进行防静电保护措施。USIM卡接口ESD（Electro-Static Dischang即静电释放）防护，如上图所示，电路中采用了瞬态电压抑制二极管（TVS）来作为板卡的静电防护，PCB板布线的时候TVS要尽量的靠近SIM卡放置。
3 软件设计
该控制器采用嵌入式设计，在选择嵌入式操作系统时，我们选择开源Linux操作系统，内核版本为Linux-2.6.30.4。
3.1 驱动程序的编写
嵌入式设备基本都是根据需求完全定制化开发的，故不能够找到完整的驱动程序支持系统，这就需要我们进行驱动程序的开发，驱动程序的开发软件我们可以在网络上找到很多软件来建立开发环境，本次我们使用的是Eclipse软件来开发我们的驱动程序。开发完成后我们需要在内核系统中添加对驱动程序的支持，然后配置内核，完成后编译成功后烧写到设备才能能够运行。 进行设备驱动程序的开发，其开发流程如图6所示。
3.2 应用程序的设计
应用程序的实现是建立在操作系统及驱动程序的基础之上，通过操作系统接口及设备驱动程序的接口应用Eclipse开发环境开发需要的应用程序。操作系统提供了需要的大部分功能接口函数，而要获取外部设备的数据则需要通过驱动程序接口来应用外设备进行数据交换。
设备设计的是无人值守的，故在设计时无论出现任何诱因导致设备故障或者死机时，都要尽量能够保证应用程序的复位、数据的恢复，最坏的情况下要能够保证设备能够自动重启。复位、初始化所有的外设、驱动程序、应用程序，并启动继续进行工作，必要时要能夠将故障前的运行状态再次导入驱动及应用程序，继续运行故障前的作业。设计软件时应该充分应用看门狗，以实现设备的自复位功能，实现设备的“自修复”、“无故障”工作状态。
系统在实现各个子功能及业务流程后，设备还不能够按照项目需求运行，设备还在不能够运行起来，只实现了各部分的功能，还需要一个管理应用程序，将之前设计的各种功能、各种业务进行统一的管理，将各个子功能的业务综合的统一起来、结合起来实现项目需求，这就是所要开发的设备数采应用程序。其实以上所有的应用程序都是该数采应用程序的子程序，数采应用程序协调着各个外设的工作，处理着各个外设的数据，其数据采集系统应用程序的业务流程图如图7所示。
4 控制器的性能评估、测试
4.1 硬件性能测试
设备在现场运行时和在实验阶段完全不一样的，实验阶段使用的电源、信号等都是相当的平稳的，没有较大波动，也不存在雷击、过压、欠压、过流、欠流、静电、摔撞、电磁干扰、温度、湿度、冷露、结冰、鼠虫等影响，故设备都能够正常的运行，但是在现场引用的过程中往往出现的考究设备性能的远远不只以上情况。故在测试硬件性能上要对设备的供电、信号输入/输出、通讯接口等进行相应的测试，以保证设备在一定的外部干扰环境下能够稳定、可靠的运行。
4.2 软件性能测试
软件会受到硬件的新增、删除、更改、故障的影响，会受到使用者的操作的影响，还会受到软件自身运行的影响，同时还会受到数据拷贝过程中数据丢失、数据溢出、数据损坏的影响，在实际使用时往往还会遇到很多其他因素的影响导致软件的崩溃。故在测试软件性能上我们要对各种情况下软件运行的状态进行测试评估，进行多种复杂情况下的软件测试评估，在一定的范围内要保证设备的软件能够稳定、可靠的运行。
5 结束语
本文设计了一种基于4G无线网络通信的数采控制器，该数采控制器可以在不同的应用场合有效的采集数据，可以应用到农业、工业、医疗等生产生活的各个领域。本系统有较好的应用性和可移植性，有一定的理论和应用价值。