【正文】 基于上面對幾種嵌入式 GUI的分析和比較，本系統(tǒng)在 Linux環(huán)境下，我們采用 MiniGUI作為圖形界面支持環(huán)境。 （ 3） Qt/Embedded Qt/Embedded 是著名的 Qt 庫開發(fā)商 TrollTech公司發(fā)布的面向嵌入式系統(tǒng)的 Qt版本。作為嵌入式系統(tǒng)的圖形界面，與標(biāo)準(zhǔn)的圖形界面如 Windows界面有著非常大的區(qū)別，它一般要求圖形界面系統(tǒng)盡可能小，占用資源少；具有較高的系統(tǒng)性能；并具有良好的可配置性和高可靠性；同時也要保證 API簡單和易于編程。軟 PLC系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)見圖 24，整個系統(tǒng)由開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)，行系統(tǒng)組成。 借鑒傳統(tǒng) PLC的結(jié)構(gòu)，整個嵌入式軟 PLC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也分為 開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩部分，它們是相互獨(dú)立而又密不可分的兩個應(yīng)用程序，可以分別單獨(dú)運(yùn)行。 軟 PLC 由開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境組成。 RTAI 由于其對 Linux 內(nèi)核代碼修改較小，因此可以非常方便的移植到新版本的核心，同時又由于其采用模塊方式擴(kuò)展實(shí)時特性，因此一些新的特性可以非常方便的加入其中，這也使得 RTAI 得到了不斷的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)這一目的的技術(shù)關(guān)鍵在于對中斷控制硬件的軟件仿真。 （ 6） RTLinux 硬件平臺 硬件抽象層 實(shí)時操作系統(tǒng)核心 I/O 管理，文件系統(tǒng)，驅(qū)動程序 驅(qū)動程序編程接口 內(nèi)存管理模塊 系統(tǒng)API 網(wǎng)絡(luò)模塊 圖形驅(qū)動函數(shù)庫 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 RTLinux 是在 Linux 基礎(chǔ)上改寫的具有硬實(shí)時處理能力的實(shí)時操作系統(tǒng)。 （ 3）進(jìn)程同步與互斥問題 Linux 采用了信號量的方法來保證進(jìn)程的互斥與同步，由于頻繁的信號加鎖及解鎖操作會影響系統(tǒng)的整體性能，因此 Linux 采用了粗粒度的策略， 信號的加鎖及解鎖會有較長間隔。 實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。 實(shí)時操作系統(tǒng)具有正確性、實(shí)時性、高度可靠性、適應(yīng)性、安全性特點(diǎn)。 3）定 時讀取數(shù)據(jù) 對于某些隨時發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，典型的如模擬量數(shù)據(jù)，驅(qū)動程序應(yīng)能定時進(jìn)行采集，并主動提交數(shù)據(jù)。 硬件驅(qū)動程序分析 前面提到，平臺中的硬件驅(qū)動程序主要是實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)庫與硬件實(shí)際 I/O 量的同步， 可 以說硬件驅(qū)動程序是實(shí)時數(shù)據(jù)管理平臺與真實(shí)硬件設(shè)備之間的橋梁。 （ 9）用戶應(yīng)用程序 用戶可以調(diào)用平臺提供的編程接口，包括實(shí)時操作系統(tǒng)以及控制軟件等提供的接口，編寫人機(jī)界面應(yīng)用程序、 PLC 應(yīng)用程序等，完成某個特定的控制任務(wù)。 （ 6）人機(jī)界面 一個優(yōu)秀的系統(tǒng)平臺應(yīng)該要提供強(qiáng)大的人機(jī)界面環(huán)境，人機(jī)界面類似于標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件的運(yùn)行環(huán)境，用戶將組態(tài)好的程序編譯后即可在該環(huán)境下運(yùn)行。 （ 3）硬件驅(qū)動程序 我們這里談的硬件驅(qū)動程序與嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序有所不同，設(shè)備驅(qū)動程序主要為應(yīng)用程序與硬件設(shè)備通信之間的數(shù)據(jù)交換 (如讀、寫 )提供服務(wù)。隨著 I/O 量的不斷增大，掃描時間也越來越長，從而使得實(shí)時性難以保障。 （ 2） 區(qū)分實(shí)時與非實(shí)時任務(wù) 在控制系統(tǒng)的應(yīng)用 中 ，并非所有的任務(wù)都是實(shí)時的，有許多任務(wù)如人機(jī)界面等并不要求具有較強(qiáng)的實(shí)時性。 第二章 嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計(jì) 平臺設(shè)計(jì)需 求分析及設(shè)計(jì)目標(biāo) 本課題的主要目標(biāo)是建立一套完整的嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺，該平臺建構(gòu)于嵌入式硬件平臺之上，包括嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)、軟 PLC 系統(tǒng)、嵌入式組態(tài)軟件等等，希望將這些軟件有機(jī)的結(jié)合起來，并通過開放的軟件接口最終形成一套完整的應(yīng)用系統(tǒng)軟件平臺。面對這樣的控制系統(tǒng) 開發(fā)，僅僅熟悉嵌入式操作系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，其還需要 開 發(fā)者完成許多與控制系統(tǒng)相關(guān)的軟件開發(fā)工作。然而，基于嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)遠(yuǎn)非目前常用的工業(yè)控制組態(tài)軟件 開發(fā)可比，其對開發(fā)人員的要求甚 高 (2)組態(tài)軟件不同于 PC 機(jī)上的組態(tài)軟件，嵌入式組態(tài)運(yùn)行于實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)， 運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，軟件體積小、速度快、成本低，具有強(qiáng)大的通訊功能，且用戶開發(fā)方便，使用操作簡單。在許多工業(yè)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，工業(yè) PC 總是和一些專用的控制系統(tǒng)如智能化儀表、單片機(jī)控制器、 PLC 等等配合使用，從而形成復(fù)雜的控制系統(tǒng)。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 第三階段是通用的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)階 段，是以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 它主要由嵌入式微處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等部分組成，集軟硬件于一體，用于實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能 。最后，本文對嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺需要進(jìn)一步完善和發(fā)展的相關(guān)功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并展望了嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用前景及發(fā)展方向。近年來，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。基于分析的結(jié)果，本文詳細(xì)討論了嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺中嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)、實(shí)時數(shù)據(jù)庫管理與通信、人機(jī)界面軟件等主要模塊的實(shí)現(xiàn)。 RTAI。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡便、價格很低，以前在國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但是已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高效的、需要大容量存儲介質(zhì)的現(xiàn)代化工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域的需求。 從嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展我們可以看出，嵌入式系統(tǒng)最早用于工業(yè)控制系統(tǒng)，但隨著發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不斷擴(kuò)大，目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到家用市場、工業(yè)市場、商業(yè)市場、通訊市場和國防市場，應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)的產(chǎn)品形態(tài)豐富多樣，如掌上 PDA、機(jī)頂盒、數(shù)字電視、數(shù)字音像設(shè)備、手機(jī)、可視電話、車載智能設(shè)備、微波爐、數(shù)控機(jī)床、商業(yè)終端、教育終端、智能控制設(shè)備等等。 工業(yè)控制系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)最早就用于工業(yè)控制系統(tǒng)，但由于工業(yè)控制系統(tǒng)的封閉性和廠家山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 壟斷性問題，一些嵌入式系統(tǒng)的最新研究成果，尤其是建立在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上的嵌入式系統(tǒng)并沒有在工業(yè)控制領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用，許多嵌入式的控制系統(tǒng)基本上還是沿襲嵌入式系統(tǒng)發(fā) 展的早期成果。 可以想象，隨著嵌入式控制 系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式控制系統(tǒng)將在一定程度上取代現(xiàn)有的工業(yè) PC 控制系統(tǒng)，在微型 TDCS(集散控制系統(tǒng) )、現(xiàn)場總線系統(tǒng)、 PLC控制系統(tǒng)、智能化儀表等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。深入研究這些課題并且加以實(shí)現(xiàn)，將有助于提高我們知識的廣度和深度。顯然，這些開發(fā)基本 上 都局限在最早期的嵌入式開發(fā)階段，與 目前 先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)相距甚遠(yuǎn) 。如果提供一套完整的軟件平臺，由平臺完成那些復(fù)雜的但具有通用山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 性的核心軟件，這樣控制 設(shè)備 的開發(fā)人員就可以僅僅關(guān)注應(yīng)用系統(tǒng)本身，而不必在嵌入式操作系統(tǒng)和控制軟件核心力一面花費(fèi)更多的精力，從而為其最終實(shí)現(xiàn)完整的控制系統(tǒng)設(shè)備提供了非常方便而快捷的開發(fā)手段，提高了工作效率，并縮短了產(chǎn)品上市時 間 本文的主要工作和創(chuàng)新 根據(jù)對 目 前控制系統(tǒng)軟件及相關(guān)資料 的分析，作者認(rèn)為，本課題所提出的嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺是一個全新的概念， 它 與現(xiàn)有的控制軟件存在很大差別，現(xiàn)有開發(fā)的一些控制系統(tǒng)軟件如軟 PLC 系統(tǒng)、嵌入式組態(tài)軟件等，其往往局限于某一方面的應(yīng)用，而且軟件的通用性和開放性也存在很大問題。論文一方面考慮了該平臺的實(shí)現(xiàn)功能和關(guān)鍵 特性，另一方面也綜合了常見的軟件設(shè)計(jì)思想和技術(shù)。同時，我們認(rèn)為，為保證整個系統(tǒng)性能的高效，必須要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，我們稱之為實(shí)時數(shù)據(jù)庫管理平臺，所有的應(yīng)用組件都工作在該平臺基礎(chǔ)上，通過該平臺與底層 I/O 數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。 嵌入式控制系統(tǒng)平臺總體框架如圖 21 所示。運(yùn)行庫環(huán)境一般指標(biāo)準(zhǔn)語言如 C 語言的運(yùn)行庫，其中包括基本的運(yùn)行庫函數(shù)以及針對操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。 （ 8）網(wǎng)絡(luò)通信 主要負(fù)責(zé)獲取從網(wǎng)絡(luò)上傳來的實(shí)時數(shù)據(jù)，并更新實(shí)時數(shù)據(jù)庫，同時也負(fù)責(zé)將本地的實(shí)時數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)上去。 平臺的關(guān)鍵軟件分析 從前面的軟件架構(gòu)可以看出，整個軟件平臺是非常龐大的，而且每個組成部山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 分其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)也非常復(fù)雜。典型的配置接口包括變量名、變量描述、變量類型以及相應(yīng)的變量值。而在被動模式下， 驅(qū) 動程序不 主動采集數(shù)據(jù)，其所有數(shù)據(jù)存取操作是山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 由實(shí)時數(shù)據(jù)庫管理程序進(jìn)行驅(qū)動的。用戶的其他應(yīng)用程序都建立在實(shí)時操作系統(tǒng)之上。但當(dāng)它進(jìn)入核心態(tài)時 (比如通過系統(tǒng)調(diào)用 )，則其它用戶態(tài)進(jìn)程優(yōu)先級再高 (包括實(shí)時進(jìn)程 )也不能搶占它。 近些年來，人們對 Linux 內(nèi)核的實(shí)時改造提出了一 些解決方案和設(shè)想。 RTLinux 把 Linux 的系統(tǒng)內(nèi)核當(dāng)作在一個小的實(shí)時系統(tǒng)上運(yùn)行的一個任務(wù)來對待。 RTHAI 將 RTAI 需要在 Linux 中修改的部分定義成一組程序界面， RTAI 只使用這組界面和 Linux 溝通。而且，它們通常嚴(yán)守技術(shù)秘密，這無疑同時也限制了其發(fā)展。 （ 2） CJ International 公司的 ISaGRAF CJ International 公司的 ISaGRAF 通過變量交叉表可查詢變量的使用情況，可以方便加入用任何標(biāo)準(zhǔn) PLC 語言編寫的功能塊，也可嵌入用 C 語言編寫的功能塊，可以編譯生成適用于不同 CPU 的代碼，仿真程序比較完善，源程序在仿真運(yùn)行時可以進(jìn)行監(jiān)控 ，可以運(yùn)行在任何一種工業(yè)計(jì)算機(jī)、微處理器、或配有 I/O 模塊的 PLC 中，但不完全符合 IEC11313 國際標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)環(huán)境為非集成化的多窗口界面。運(yùn)行系統(tǒng)位 于嵌入式系統(tǒng)上，從開發(fā)系統(tǒng)中下載目標(biāo)應(yīng)用文件，根據(jù)該文件信息組織運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)的模塊進(jìn)行運(yùn)行。 嵌