基于单片机的操作平台数据采集网关设计与实现

摘要：由于传统网关无法实现数据实时交换，数据传输速率较低，为此提出基于单片机的操作平台数据采集网关设计与实现研究。首先，结合单片机具有的显著优势对网关结构选型设计；其次，参照一体化设计理念，对数据采集网关的内部运行机制进行规划；最后，选择适用于操作平台数据采集网关的通信协议，实现操作平台数据采集设备之间的数据交换，以此完成网关设计。经实验证明，应用本文设计的网关操作平台数据采集设备的数据传输效率高于传统网关。

关键词：单片机；操作平台；数据采集；网关设计；运行机制

0 引言

目前，对于操作平台来说，数据采集处理方式一般采用分散控制系统（Distributed Control System ， DCS ）。然而在应用这种系统的过程中，不仅需要遵循大量的数据信息调用协议，还需要处理较多的无用与冗余数据，从而会影响信息处理的效率，甚至在传输数据信息的过程中会出现“信息孤岛” 。在设计传统网关的过程中，不仅需要投入大量的资金，还要为网关连接的每一个路径配备一套协议。尽管这种方式可以在某种程度上实现对操作平台的互联，但由于数据量的不断增加，传统网关存在的协议与领域单一化问题，已无法满足操作平台应用的实际需求。为实现对操作平台数据传输网络的有效连接，本文引进单片机设备，利用其设备具有的集成优势，达到对不同类型数据或大规模数据进行高效处理的目的。

1 基于单片机的操作平台数据采集网关设计

1.1 基于单片机设计网关结构选型

在设计操作平台数据采集网关的过程中，引进具有高集成性能的单片机，利用其核心处理器进行网关数据的只读处理。本文也将结合单片机具有的显著优势开展对网络选型的设计，以此完成对网关结构的规划。为保障网关能够正常工作，对单片机结构与性能进行分析，可参照如图 1 所示的结构。

结合图 1 所示结构，对网关可实现的相关性能进行设计与规划，如表 1 所示。

1.2 规划数据采集网关内部运行机制

在完成对网关基础结构设计的条件下，对操作平台内数据采集网关的内部运行机制进行规划。在规划过程中，参照一体化设计理念，对其消息机制进行设计。

（ 1 ）大循环机制。当操作平台中具备某种嵌入式结构时，通常采用对数据进行中断处理的方式，用于对外界传达信号及时做出反应。在此基础上，根据不同的消息类型调用执行指令，以此种方式提高网关中 CPU 的运行效率，从而缩短CPU 的等待时长。

（ 2 ）消息机制。此部分内容是协议转换必须实现的，因此网关在处理采集的已知信息时，需要对事件进行预先定义。并且在处理过程中，需要对已知的事件进行预先处理，即调用处理函数，或者当识别到采集的信息被触发任务后，执行采集数据预处理指令，以此进行消息的“出 / 入”处理。

（ 3 ）节拍中断机制。为确保操作平台采集数据时间的精准控制，提出采用单机片时钟控制中断时长的方式，解决由于时间转换造成的误差。

1.3 选择操作平台数据采集网关通信协议

在完成上述相关工作后，需要选择适用于操作平台数据采集网关的通信协议，以此种方式完成下机位传输串口数据的有效处理。对通信协议的选择过程，可以近似看成一种对底层设备传输报文协议的分析。在分析过程中，一旦出现串口协议数据帧差异，便需要定向提取数据帧，直到检验到结束符的具体位数，才能在以太网的支撑下从操作平台进行传输。

本文将 RTU 协议与 TCP 转换协议进行对比：前者倾向于从以太网首端进行网络传输，结合网络 IP 地址进行操作平台应用层数据的采集与获取，在完成对数据信息的校验后，结合功能码与 MBPA 首部功能，执行网关通信；后者在实际应用中，更加倾向于对地址域功能码的处理，并在此基础上实施 CRC 验证，验证通过后便可以实现对网关的通信。

根据两种不同通信协议的功能，结合网关主程序的全局文件数据采集需求，选择下机位数据，将 RTU 协议作为主协议，并在 IP 地址的处理下，嵌入网关的微处理结构中，以此实现对网关的良好通信。

2 对比实验

实验以某操作平台为实验对象，利用本文设计的操作平台数据采集网关与传统网关连接操作平台内的设备。实验环境设计如下：1 台 PC 机，处理器为 IntelR6500 ，运行系统为Windows XR2010。将基于单片机的操作平台数据采集网关通过串口安装在操作平台设备与设备之间，利用 LOJ 监控中心监测操作平台上的数据传输情况，并对监测数据进行记录。根据记录的数据信息，分析操作平台的数据传输速率，数据传输速率越高各个设备之间的连接越有效，因此实验将其作为实验结果，对两种操作平台的数据采集网关进行对比分析，实验结果如表 2 所示。

从表 2 可以看出，应用本文设计网关后，设备之间的数据传输速率比传统网关高，并且高于最低限值，说明设计网关可以较好地实现操作平台数据采集设备之间的连接，能够及时有效地传输数据；而应用传统网关后，操作平台的数据传输速率不仅低于设计网关，而且低于最低限值，因此实验证明了本文设计网关相比于传统网关更适用于采集数据。