CN105259834A - 一种固件可重构的手机数据采集控制器及方法 - Google Patents

Abstract

一种固件可重构的手机数据采集控制器及方法，利用微控制器芯片的在线固件烧写功能，提供智能手机对其进行固件烧写操作的接口，并对数据采集控制器的固件存储Flash存储单元空间进行分块，能够在一个微控制器中安装多个采集控制固件。由手机来启动微控制器对应的采集控制固件。当微控制器中未安装对应的采集控制固件时，则由手机自动从网上查找、下载相应的采集控制固件，并安装到数据采集控制器的空闲块区中。这既可以避免更换手机测量功能时对数据采集控制器采集控制固件的重新烧写，又可以避免将固件程序设计得十分复杂和庞大而带来的效率损失。

Description

一种固件可重构的手机数据采集控制器及方法

技术领域

本发明涉及到一种利用智能手机，通过蓝牙、OTG等形式连接外部传感器实现数据采集和控制的方法及装置。涉及到嵌入式数据采集控制器设计，单片机程序设计技术和手机程序设计技术。

背景技术

智能手机是电脑和手机的结合，既可以用来通话，又可以像电脑一样进行文字处理、视频播放和玩游戏等。用户可以在智能手机应用商店中查找自己所需的应用程序，下载并安装到智能手机中。文字处理、网页浏览等很多我们熟悉的计算机软件的功能现在都可以在智能手机软件上实现。因此，完全可以将传感器测量、控制中的计算机虚拟仪器技术和软件移植到智能手机上，从而形成一种新的手机仪器技术和测控技术。

无论是计算机、还是智能手机都是数字设备，都不能直接接入模拟量形式的传感器信号，必须先通过一个数据采集控制器将传感器信号转换为数字信号；对外控制则需要通过数据采集控制器提供的各类外部控制接口，对继电器开关、电机等进行控制。目前实现数据采集控制器技术相对成熟、成本低廉，仅名片大小的STM32、MSP430等微控制器设计的核心板就具有模拟输入/输出(ADC/DAC)和丰富的数字接口(GPIO、SPI、I2C、PWM等)接口，而价格不过一百元左右。市面流通的Arduino卡就是一个典型代表，目前已在世界各地的电子制作中广泛应用。

如果我们能将智能手机与STM32、MSP430等微控制器相结合，配置必要的传感器件，就可形成一个低成本的智能手机测量、控制、处理和显示装置，实现手机心电图机、血压计、PM2.5测量仪、甲醛浓度测量仪等一系列的应用。

对上述每一个测量应用，我们需要在智能手机上安装一个应用程序，同时在微控制器实现的数据采集控制器上也要安装一个对应的固件程序。在手机上安装多个应用程序没有问题，但在微控制器实现的数据采集控制器上则只能安装一个固件程序。当运行不同的手机测量程序时，需要更换数据采集控制器的固件程序，而传统的微控制器固件烧写方法需要通过计算机来完成，十分不便。因此，现在的许多手机测量应用的外部数据采集控制器功能往往是专用的，例如心电模块只能测量心电信号，温度模块只能测量温度，这在无形中提高了智能手机的测量应用成本。如果数据采集控制器为了兼容各类测量应用，则需要编写一个庞大而复杂的固件程序，这样不仅会对程序的运行效率造成影响，还不能够便捷地添加新的测量应用。

发明内容

针对上述问题，我们提出一种固件可重构的手机数据采集控制器，其特征在于，包括执行器和手机；

所述执行器包括微控制器、通信模块和固件模块；所述微控制器与通信模块相连；所述固件模块与微控制器相连，作为微控制器重构及正常运行的支撑；

所述微控制器包括数字接口、模拟接口以及Flash存储单元，用于完成外部传感器的驱动、数据采集控制、固件的存储；

所述通信模块一端连接微控制器，另一端与手机相连，用于手机与执行器进行通信；

所述固件模块包括重构子模块、标记子模块和采集控制子模块；其中重构子模块读取和更新标记子模块的信息；其中重构子模块完成采集控制子模块的固件重构操作；

所述重构子模块用于与手机执行握手协议、采集控制固件的烧写、以及向采集控制固件跳转操作；标记子模块用于标记采集控制固件存储信息；采集控制子模块，包括针对不同应用的采集控制固件，是由第三方预先编写的程序，用于完成数据采集控制任务，预先存储在微控制器中或者通过手机写入；

所述手机为智能手机，安装有采集控制应用模块；

所述采集控制应用模块包括通信控制子模块、存储控制子模块、工作控制子模块，以及引导子模块；通信控制子模块与工作控制子模块相连，完成采集控制的数据交互；引导子模块分别与存储控制子模块、通信控制子模块相连，读取存储控制子模块中的执行器采集控制固件，完成执行器固件重构的引导；

通信控制子模块用于建立手机与执行器的通信连接和数据交互；

存储控制子模块用于从云端下载执行器采集控制固件，存储在手机存储器中；所述云端为第三方发布执行器的采集控制固件以及手机采集控制应用模块的互联网存储平台；

工作控制子模块负责将执行器采集、传入的数据进行显示、分析，以及包括启动、停止的控制操作；

引导子模块用于通过执行器重构子模块，执行与执行器的握手协议，读取执行器的标记子模块信息，将从云端下载的采集控制固件传送至执行器中，通过重构子模块进行烧写，指令完成从执行器的重构引导子模块向采集控制固件的跳转；

工作中，根据实际的采集控制应用需要，在执行器的微控制器模块中接入相应的传感器件，手机与执行器进行通信连接，手机通过读取执行器标记子模块信息，判定执行器是否存在相应的采集控制固件；是则开始执行数据采集控制任务；否则判断手机是否存有该采集控制固件，是则将该采集控制固件传送至执行器进行烧写，否则从云存储中下载相应的采集控制固件，再传送至执行器进行烧写；使执行器跳转至相应的采集控制固件，执行数据采集控制任务。

进一步的，所述的手机数据采集控制器中，固件模块中的采集控制固件是根据不的数据采集控制对象预先编写的，可从云端经手机传至执行器进行烧入。

进一步的，所述的手机数据采集控制器中，微控制器的Flash存储单元空间进行了分块，可以预先存储多个不同的采集控制固件。

进一步的，所述的手机数据采集控制器中，手机安装的采集控制应用模块，根据用户所要执行的采集控制任务，指令执行器跳转至相应的采集控制固件中，也可以由用户自己选择执行器所要跳转的采集控制固件。

进一步的，所述的手机数据采集控制器中，手机安装的采集控制应用模块的存储控制子模块能从云端下载手机端的采集控制应用模块，通过手机完成各子模块的功能更新。

总体而言，一种固件可重构的手机数据采集控制器及方法，利用微控制器芯片的在线固件烧写功能，提供智能手机对其进行固件烧写操作的接口，并对数据采集控制器的固件存储Flash存储单元空间进行分块，能够在一个微控制器中安装多个采集控制固件。由手机来启动微控制器对应的采集控制固件。当微控制器中未安装对应的采集控制固件时，则由手机自动从网上查找、下载相应的采集控制固件，并安装到数据采集控制器的空闲块区中。这既可以避免更换手机测量功能时对数据采集控制器采集控制固件的重新烧写，又可以避免将固件程序设计得十分复杂和庞大而带来的效率损失。

附图说明

图1是执行器固件可重构的数据采集控制器框架图；

图2是微控制器芯片Flash存储单元固件存放空间分配；

图3是手机智能手机框架图；

图4是固件重构引导模块工作流程图；

图5是手机操作执行器执行固件烧写工作流程；

图6是手机操作执行器执行已有固件应用程序工作流程；

图7是固件可重构的手机数据控制采集器的整体框架图；

图8是固件可重构的手机数据采集控制器的总体工作流程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

一种固件可重构的手机数据采集控制器，包括手机和执行器；

参见图1，固件可重构的数据采集控制器作为执行器，包括微控制器、通信模块和固件模块；

执行器的供电，采用microUSB接口，提供5伏电压供电，并由LM1117-3.3稳压芯片，将5伏电压转为3.3伏向微控制器供电；

所述通信模块，分为OTG有线通信模块和蓝牙无线通信模块；

所述OTG有线通信模块，采用FT232RL芯片，一端与微控制器芯片UART0通道相连，另一端与microUSB接口相连，实现手机与执行器的通信；其最高通信速率可达1Mbit/s，实现数据的高速传输；

所述OTG有线通信模块，通过OTG数据线将手机与执行器相连接，其优点在于在能够进行数据传输的同时为固件可重构的数据采集卡的电源模块提供5伏电源供电，无需配备外部供电电源；

所述蓝牙无线通信模块，采用HC06蓝牙串口从模块，一端与微控制器芯片UART1通道相连，另一端以无线的方式与智能手机蓝牙设备相连，进行手机与执行器的数据通信；

所述微控制器，采用ADI公司的ADuC7126精密模拟微控制器，提供数字接口、模拟接口以及Flash存储单元；

所述模拟接口，利用微控制器芯片ADC采集传感器模拟信号；

所述模拟接口，利用微控制器芯片DAC提供模拟信号输出；

所述数字接口，通过操作SPI、I2C、UART、GPIO、PWM等，驱动并采集不同通信接口类型的数字传感器，并通过UART与通信模块相连实现与手机通信；

所述固件模块，利用微控制器芯片Flash存储单元进行采集控制固件的存放；具体存放空间分配参见图2，一般地可以存放10个采集控制固件，对于所要存储空间较大的采集控制固件的特殊情况，可以占用多个存放采集控制固件的存储空间；Flash存储单元空间分配分为以下三个部分：

(1)标记子模块，用于记录采集控制固件信息；本实施例中占用Flash5KB空间，负责记录一个采集控制固件的信息，其信息数据包存储结构参见表1；其中，采集控制固件ID，用于标识采集控制固件的版本；数据包长度，用于指示该数据包所占用的Flash空间大小；采集控制固件起始地址，即标记该固件存储在Flash中的起始地址；采集控制固件大小，用于标识该固件占用Flash的空间；固件简要描述，用于对该采集控制固件进行简要描述；固件更新异常标志，用于记录该采集控制固件是否在烧写过程中存在固件在烧写过程中掉电中断以及Flash空间不足的异常状况。

表1

(2)重构子模块，本实施例中分配19KB的Flash空间，负责与手机执行握手协议，通过解析手机所传输的特定的操作指令集，完成采集控制固件的烧写、存储状态指示以及采集控制固件跳转操作。

(3)采集控制子模块，为针对不同应用的采集控制固件，由第三方提供，用于完成指定的采集控制任务。

参见图3，手机为安装了采集控制应用模块的智能手机；

所述采集控制应用模块包括通信控制子模块、存储控制子模块、工作控制子模块，以及引导子模块；

所述通信控制子模块，包括OTG有线通信接口以及蓝牙无线通信接口；

存储控制子模块，包括操作存储卡以及操作云端储存，用于从云端下载新的执行器采集控制固件存放至本地存储卡中，以及下载新的手机应用程序通过手机进行安装更新；

所述工作控制子模块，数据通过OTG有线通信或者蓝牙无线通信传输至手机，通过编写手机仪器端显示控件对所采集的数据进行画图显示；同时，通过编程，在手机端编写时域分析和频域分析算法，便于观察信号的波形特征；

所述引导子模块，用于执行与执行器的握手协议，读取执行器的固件信息，将从云端下载的采集控制固件传送至执行器中进行烧写，操作执行器完成从重构子模块向采集控制固件的跳转。

执行器重构子模块，参见图4，其工作流程如下：

(1)等待手机执行通信握手阶段，本实施例规定其握手协议为，手机发送“0x490x410x50”至执行器，正确接收握手后，执行器反馈手机“0x4F0x4B0x21”指示握手成功，否则反馈“0x450x450x52”指示握手失败；

(2)进入等待手机发送数据包阶段，手机与执行器的通信采用特定的数据包进行通信，其数据包格式参见表2；

数据包头ID用于标志数据包开始；

数据长度范围5至517长度，即操作指令长度加上操作地址长度再加上数据包具体数据长度的总和，单位为byte；

操作指令分为三种，烧写操作为向微控制器芯片Flash中进行写操作，用于执行采集控制固件的重构烧写，以及对标记子模块信息的更新；跳转操作指示微控制器程序运行PC指针无返回地跳转至采集控制固件的中断向量表中，即完成重构子模块向采集控制固件之间的跳转，此时操作地址即为采集控制固件的存储在Flash的首地址，数据包具体数据一栏不填写数据；读取操作指示执行器向手机发送标记子模块信息，此时操作地址为标记子模块存储的首地址，数据包具体数据一栏不填写数据；

操作地址为32位小端模式，指示所要操作的首地址；

数据包具体数据长度为0至512，单位byte，在执行烧写操作将其写入相应Flash地址位置中，数据包具体数据的存储模式同为小端模式；

校验位用于确保数据包数据的准确性，其数值大小与除去数据包头ID外其他所有数据的十六进制相加，和的低八位等于零；

表2

(3)校验、解析数据包阶段，一旦发生错误，执行器便会将反馈信息发送至手机，提示手机重新发送；

(4)成功解析数据包后，根据数据包的操作指令，执行相应操作；

烧写操作阶段，通过识别数据包的操作地址来判定所执行的是执行采集控制固件的烧写还是记录标记子模块信息的更新，并识别其操作地址是否正确，是则执行烧写操作，否则在操作地址有误的情况下，向手机进行反馈，停止烧写操作；烧写操作以微控制器芯片Flash一个扇区(512byte空间)为单位进行烧写，并以小端模式在Flash中存储；所涉及到的扇区，先执行扇区擦除操作，再进行烧写，以操作地址为首地址，依次递增向所存储区域进行烧写；

跳转操作阶段，在操作地址正确的情况下，先读取该操作地址对应的标记子模块信息，判定该采集控制固件在烧写过程中是否发生异常；否则反馈与手机，不执行跳转语句；是则利用函数指针，将操作地址赋予该指针，禁用微控制器中断，并将采集控制固件中断向量表存放于微控制器芯片SRAM内存地址0x40000至0x4003F处，利用微控制器重映射寄存器REMAP，将SRAM前64byte的存储空间重映射至以0x00000000为起始地址的物理空间中，最后调用函数指针，执行微控制器PC指针无返回跳转；

读取操作阶段，根据操作地址，将该地址所处扇区的标记子模块信息发送至手机；若操作地址为0x00000000，则将标记子模块所在的5KB区域信息，全部发送至手机；

(5)重构子模块，以微控制器运行程序的PC指针成功跳转至采集控制固件结束。

手机采集控制应用模块的引导子模块，分为执行采集控制固件烧写以及执行已有采集控制固件两个部分；

执行采集控制固件烧写工作流程参见图5，利用OTG或者蓝牙传输建立手机与执行器的连接；向执行器发送握手协议，等待执行器反馈握手成功；选择所要烧写的采集控制固件文件进行打包；鉴于编译后的机器码在函数之间跳转采用的是绝对地址程序跳转，手机通过识别采集控制固件的复位跳转绝对地址，来判定该固件所要存放的Flash位置；

执行固件烧写之前，为标识采集控制固件是否烧写正常，先通过表2中手机与执行器的传输数据包格式，将该固件标记子模块的采集控制固件异常标志标记为0x01；执行固件烧写操作，将所打包的采集控制固件文件依次发送至执行器，并根据执行器的反馈，判定数据包是否发送正常，若有异常则进行重新发送；固件烧写完成，将该固件标记子模块的固件异常标志标记为0x00，表示固件正常烧写成功；该固件的标记子模块其余信息，通过读取与该固件同名的txt格式文件信息写入其中，该文件一并与采集控制固件文件上传至云存储供用户下载，并有选择地在固件烧写完毕后，将该固件的文件信息写入其中；

执行已有采集控制固件工作流程参见图6，利用OTG或者蓝牙传输建立手机与执行器的连接；向执行器发送握手协议，等待执行器反馈握手成功；通过表2中手机与执行器的传输数据包格式，并根据表1中标记子模块信息数据包存储结构，对执行器返回的信息进行解析，并显示在手机仪器屏幕上；选择执行器所要执行的采集控制固件，判断其在烧写过程中是否正常，在烧写过程正常的情况下，向执行器发送跳转操作的指令，完成程序的跳转，否则将切换至采集控制固件烧写流程，进行重新烧写。

参见图7，一种固件可重构的手机数据采集控制器及方法的整体框架如下：

开发技术人员通过云端存储发布新的执行器采集控制固件，以及更新相应的手机端采集控制应用模块来拓展手机以及固件可重构的数据控制采集器的应用功能；手机主要负责从云端下载执行器采集控制固件、操作执行器执行固件重构、对执行器所采集的数据进行显示分析以及发送相应的控制指令；执行器根据具体的采集控制固件，完成对传感器件的驱动、数据采集控制以及将数据传送至手机。

参见图8，一种固件可重构的手机数据采集控制器的实现方法如下：

数据采集控制器连接相应的传感器件，接通电源，启动执行器重构引导模块，以及启动手机引导子模块，通过有线或无线通信方式将手机与执行器进行连接，并进行握手；手机读取执行器标记子模块信息，判定执行器是否存在相应的采集控制固件，是则直接命令执行器跳转至该采集控制固件，开始执行数据采集控制任务，否则查看本机是否存在该采集控制固件文件，是则将其传送至执行器进行烧写操作，否则先从云存储中下载该采集控制固件，再将其传送至执行器进行烧写操作，最后命令执行器跳转至该采集控制固件。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，本领域的技术人员容易理解，本发明实施例和说明书中所描述的指示说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种固件可重构的手机数据采集控制器，其特征在于，包括执行器和手机；

所述执行器包括微控制器、通信模块和固件模块；所述微控制器与通信模块相连；所述固件模块与微控制器相连，作为微控制器重构及正常运行的支撑；

所述微控制器包括数字接口、模拟接口以及Flash存储单元，用于完成外部传感器的驱动、数据采集控制、固件的存储；

所述通信模块一端连接微控制器，另一端与手机相连，用于手机与执行器进行通信；

所述固件模块包括重构子模块、标记子模块和采集控制子模块；其中重构子模块读取和更新标记子模块的信息；其中重构子模块完成采集控制子模块的固件重构操作；

所述重构子模块用于与手机执行握手协议、采集控制固件的烧写、以及向采集控制固件跳转操作；标记子模块用于标记采集控制固件存储信息；采集控制子模块，包括针对不同应用的采集控制固件，是由第三方预先编写的程序，用于完成数据采集控制任务，预先存储在微控制器中或者通过手机写入；

所述手机为智能手机，安装有采集控制应用模块；

所述采集控制应用模块包括通信控制子模块、存储控制子模块、工作控制子模块，以及引导子模块；通信控制子模块与工作控制子模块相连，完成采集控制的数据交互；引导子模块分别与存储控制子模块、通信控制子模块相连，读取存储控制子模块中的执行器采集控制固件，完成执行器固件重构的引导；

通信控制子模块用于建立手机与执行器的通信连接和数据交互；

存储控制子模块用于从云端下载执行器采集控制固件，存储在手机存储器中；所述云端为第三方发布执行器的采集控制固件以及手机采集控制应用模块的互联网存储平台；

工作控制子模块负责将执行器采集、传入的数据进行显示、分析，以及包括启动、停止的控制操作；

引导子模块用于通过执行器重构子模块，执行与执行器的握手协议，读取执行器的标记子模块信息，将从云端下载的采集控制固件传送至执行器中，通过重构子模块进行烧写，指令完成从执行器的重构引导子模块向采集控制固件的跳转；

工作中，根据实际的采集控制应用需要，在执行器的微控制器模块中接入相应的传感器件，手机与执行器进行通信连接，手机通过读取执行器标记子模块信息，判定执行器是否存在相应的采集控制固件；是则开始执行数据采集控制任务；否则判断手机是否存有该采集控制固件，是则将该采集控制固件传送至执行器进行烧写，否则从云存储中下载相应的采集控制固件，再传送至执行器进行烧写；使执行器跳转至相应的采集控制固件，执行数据采集控制任务。

2.如权利要求1所述的手机数据采集控制器，其特征在于，所述固件模块中的采集控制固件是根据不的数据采集控制对象预先编写的，可从云端经手机传至执行器进行烧入。

3.如权利要求1所述的手机数据采集控制器，其特征在于，所述微控制器的Flash存储单元空间进行了分块，可以预先存储多个不同的采集控制固件。

4.如权利要求1所述的手机数据采集控制器，其特征在于，手机安装的采集控制应用模块，根据用户所要执行的采集控制任务，指令执行器跳转至相应的采集控制固件中，也可以由用户自己选择执行器所要跳转的采集控制固件。

5.如权利要求1所述的手机数据采集控制器，其特征在于，手机安装的采集控制应用模块的存储控制子模块能从云端下载手机端的采集控制应用模块，通过手机完成各子模块的功能更新。