1 引言
傳統數據採集系統一般利用各種數據採集卡或是多串口卡，編制相應的定製軟件，將外 部信號採集到工控機或普通PC 機。由於硬件結構的限制，傳統的數據採集系統體積大、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。隨着計算機技術和網絡技術的發展，各種新的數據採集的實現方案不斷 出現，其中，以TCP/IP 通信機制的遠程數據採集系統具有較好的使用前景[1]。本文以基於 WinCE 的嵌入式設備爲核心，取代傳統意義上的PC 機，採用TCP/IP 通信機制搭建的遠程 數據採集系統，結合嵌入式設備和網絡技術的優點，將信號採集、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，特別適用於遠程、多參數的數據採集， 具有重要的使用價值和應用前景。
2 遠程數據採集系統總體結構
基於嵌入式 WinCE 的遠程數據採集系統如圖1 所示，主要的組成部分及其功能如下： （1）客戶端PC，主要進行遠程數據採集器的信息配置和數據監控等；（2）Linux 系統服務 器，主要負責與數據採集器通信，進行數據的接收、分析、處理、存儲和監視，以及採集器 配置文件的傳輸；（3）基於WinCE 的嵌入式數據採集器，主要根據遠程配置參數，多點、 多參數動態採集生產設備信息、環境信息以及操作人員信息，包括電流、電壓、壓力、產量、 溫度、溼度、班組號等。在遠程數據採集系統中，利用高可靠性的TCP/IP 協議完成配置文 件的更新和採集數據的傳輸，以及採集器遠程調試監控；利用嵌入式數據庫（SQL Server CE）保存採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 （合併複製）特性，當服務器網絡斷開後完成數據和配置文件的轉儲和備份，保證數據的完 整性；利用嵌入彙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。
基於嵌入式 WinCE 數據採集器採用成都明誠科技公司PXA255的3.5寸工控主板作爲硬件平臺。 3.5寸工控主板是一款可由+5V 電源供電的嵌入式應用型的ARM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： PXA255 處理器，工作於 400 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製，數據採集和傳輸等模塊的開發，實現遠程數 據採集。
3 基於嵌入式WinCE 開發平臺的定製
WinCE 嵌入式操作系統是一個緊湊、高效和可擴展的操作系統，其最大的特點是使用 了分層結構技術，使系統具有更好的可擴展性和定製性，使應用程序和操作系統獨立於具體 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爲硬件層，OEM 層，操作系 統層，應用程序層[2]。基於嵌入式WinCE 開發平臺的定製主要是對操作系統層和OEM 層進 行定製。
微軟提供了 PB（Platform. Builder）作爲定製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 定製，定製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製；然後，定製系統組件和服務，包括TCP/IP， FTP，MFC，Telnet 等，並根據硬件配置和操作系統的應用特性修改配置文件；最後，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。定製完成後，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採集模塊 和數據傳輸模塊。
4 基於嵌入式WinCE 數據採集模塊設計
數據採集模塊是整個數據採集器軟件設計的核心部分，可以採用與設備連接的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 採集。在本文開發的系統中，主要是通過PLC 採集設備信息，通過單片機採集溫度、溼度、 壓力傳感器的環境信息，通過基於嵌入式WinCE 採集器的人機交互界面直接採集生產現場 人員信息。
通過 PLC 採集設備信息時，數據採集器通過RS-232 接口以Host Link 通信協議與PLC 通訊。Host Link 通信協議採用“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（基於WinCE 的採集器）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，採用方式一；對於 經常需要監控的信號，如機器的運行溫度、轉速等，採用方式二。方式二的優點在於，僅當 下位機的數據發生變化時，PLC 才發起通信並上傳數據。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。本文僅以方式一爲例說明動態信號的採集過程。
採集器主動向 PLC 發出Host Link 命令幀到PLC，PLC 接收到命令幀後自動向上位機 發送應答信號，完成一次信號的採集過程。在Host Link 協議中，“@”爲起始符號；節點號 爲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”爲終止符，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。爲了避免讀線程調用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，採用多線程技 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()將命令寫入串口緩衝區，WaitCommEvent()等待串口*事件 集發生，ReadFile()讀取串口數據）；(3) 關閉串口，將採集的數據進行處理和存儲。
採集環境信息時，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，通過串口與嵌入式採集器根據自定義通信協議進行通信，完成溫度、溼度等數據的採 集。生產操作人員信息由嵌入式採集器的人機交互界面直接採集。
5 基於嵌入式WinCE 數據通訊模塊設計
數據通信模塊用於完成採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，爲程序的遠程調試和監控提供方便；傳輸採集數據； 同步更新採集器配置文件。數據通信模塊採用基於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。
在基於 WinCE 的TCP/IP 協議中，當接收到遠程控制終端命令時，採集器處於TCP 服 務器角色，以便多個控制終端向採集器發送命令。其通信實現流程爲：TCP 服務器首先調 用socket()函數建立流式套接字，然後調用bind()綁定本地地址，調用listen()函數進行* 客戶終端連接，一旦*到客戶終端連接後，服務器就調用accept()函數接收終端的連接請 求，並建立連接，同時服務器端啓動一個新線程，建立單獨的套接字實例與客戶終端進行通 訊。通信協議格式爲：命令名稱，參數表。例如在通信格式“PATHR1， 0”中，PATHR1 命令表示暫停數據採集線程，參數0 表示立即執行。服務器收到此 命令後會立即暫停數據採集模塊，並傳回命令的執行結果。
採集器與服務器進行數據傳輸和配置文件（主要關於採集信號的類型，名稱以及其它系 統配置信息）更新時，採集器處於TCP 客戶端角色。其通信實現流程爲：採集器調用socket() 函數建立流式套接字，然後調用connect()函數，請求與Linux 服務器建立TCP 連接，成功 建立連接後，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，採集器向服務器傳輸採集數據的通信協議格式爲：數據類型，採集 時間，數據名稱，數據值…；校驗值；服務器向採集器更新配置文件的通信協議格式 爲：數據類型，名稱，區域，採集點數…；校驗值。
6. 結束語
在微軟提供的 PB（Platform. Builder）集成開發環境中，根據分層技術定製了基於WinCE 的開發平臺，分別採用Host Link 協議和自定義協議設計了採集器與PLC 和單片機的數據採 集模塊，並實現了採集器與Linux 服務器的數據通訊模塊。作爲一種新型的數據採集系統， 以嵌入式WinCE 爲核心的遠程數據採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，與傳統的數據採集方案相比，特別適合於多點、多參數 的遠程數據採集，具有廣泛的應用前景。