【正文】 .............. 42 附錄 B .......................................................................................................................................... 44 附錄 C .......................................................................................................................................... 45 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒 論 本課題的研究背景 自計(jì)算機(jī)技術(shù)從 20 世紀(jì) 90 年代進(jìn)入充滿機(jī)遇的 “后 PC”時(shí)代以來(lái)，控制系統(tǒng)正在向網(wǎng)絡(luò)化，數(shù)字化迅猛發(fā)展，這使得控制技術(shù)與嵌入式技術(shù)的結(jié)合更加緊密。在嵌入式系統(tǒng)這一特殊環(huán)境中，需要對(duì)工程組態(tài)軟件進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)環(huán)境的需要，由此產(chǎn)生了一種特殊的工控組態(tài)軟件 ——嵌入式組態(tài)軟件。 嵌入式系統(tǒng)近些年發(fā)展迅速，在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)更是如此，越來(lái)越得到專業(yè)人士的青睞。 目前國(guó)內(nèi)外的嵌入式組態(tài)技術(shù)尚處于發(fā)展初期，相應(yīng)的軟件產(chǎn)品并不多。開(kāi)發(fā)環(huán)境用于人機(jī)界面設(shè)計(jì)、硬件參數(shù)配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等系統(tǒng)配置工作，然后將設(shè)計(jì)好的應(yīng)用軟件投入運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行。另外，嵌入式系統(tǒng)體積小。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 本課題的主要工作 本課題將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與通用組態(tài)軟件技術(shù)結(jié)合在一起，提出一種嵌入式控制器組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境，它可以根據(jù)不同的組態(tài)配置文件生成不同功能的嵌入式控制器，不用編程，大大縮短了嵌入式產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，而且使產(chǎn)品具有豐富的人機(jī)界面，強(qiáng)大的控制功能，并能夠存儲(chǔ)一定數(shù)量的歷史數(shù)據(jù)。 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)自底向上逐漸演化為 4 層結(jié)構(gòu)。板級(jí)支持包通過(guò)特定的上層接口與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對(duì)硬件的直接操作。 嵌入式系統(tǒng)和具有應(yīng)用緊密結(jié)合在一起，使得它的升級(jí)換代和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法被稱為 “軟硬件分離設(shè)計(jì) ”。此方法中，對(duì)于某個(gè)特定功能的軟硬件劃分主要是取決于性能、功率、大小和靈活性等設(shè)計(jì)指標(biāo)，沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。進(jìn)一步的產(chǎn)品來(lái)自于合作伙伴，例如 Intel Xscale。 EasyARM2200 開(kāi)發(fā)板是一款功能強(qiáng)大的 32 位 ARM 單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，采用了NXP 公司以 ARM7TDMIS 為內(nèi)核、總線開(kāi)放的單片機(jī) LPC2210. LPC2210是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 16/32位 ARM7TDMIS CPU的微控制器，144 腳 LQFP 封裝， 、 I/。其次提高了開(kāi)發(fā)效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件一般都固化在 ROM、 Flash 等中，其存儲(chǔ)容量有限，所以嵌入式操作系統(tǒng)必須做到規(guī)模小以滿足嵌入式系統(tǒng)硬件的限制。由于沒(méi)有人為干預(yù)，而嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境一般又較 PC 運(yùn)行環(huán)境惡劣。 、可移植。至今， μC/OSII 已在照相機(jī)行業(yè)、航空業(yè)、高端音響、醫(yī)療器械、電子樂(lè)器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)及工業(yè)機(jī)器人等眾多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。 (scalable)。也就是說(shuō) ，用戶總是能知道 μC/OSII 的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行了多長(zhǎng)時(shí)間，并且執(zhí)行時(shí)間不依賴于用戶應(yīng)用程序任務(wù)數(shù)目的多少。中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時(shí)掛起。嵌入式操作系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)牟眉艉鸵浦玻沟媚軌蜻m應(yīng)所用的硬件平臺(tái)，應(yīng)用軟件主要是指嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的實(shí)現(xiàn)部分。詳細(xì)的架構(gòu)如圖 23 所示： 圖 23 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行結(jié)構(gòu)框圖 這里，嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的硬件平臺(tái)是第 2 章中介紹的 EasyARM2200，嵌入式操作系統(tǒng)選擇的是 μC/OSII。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤或超過(guò)設(shè)定的限值時(shí)，能夠進(jìn)行報(bào)警處理。數(shù)據(jù)可簡(jiǎn)單處理后直接送給圖形顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；也可經(jīng)過(guò)特定控制算法得到控制量，再由 I/O 模塊輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)；還可做一定時(shí)段的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，方便查詢或是繪制曲線圖。當(dāng)數(shù)據(jù)的接口定義和處理方式發(fā)生改變時(shí)，一般只需要修改本管理模塊的相關(guān)部分的代碼就可以實(shí)現(xiàn)。 一般情況下，通信模塊會(huì)利用簡(jiǎn)單的握手信號(hào)來(lái)保持上位機(jī)和嵌入式控制器之間的通信狀態(tài)。 所謂 “控制算法 ”，即控制的思想和方法，是解決一確定類問(wèn)題的任意一種特殊的方法。然后介紹了嵌入式組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要介紹了嵌入式組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境，并對(duì)嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了逐層分析。脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)光電耦合器件，輸入 LPC2210 的定時(shí)器引腳，此引腳能夠被設(shè)置為捕獲脈沖信號(hào)并可編程檢測(cè)脈 沖信號(hào)頻率。 A/D 采樣接口電路 配料稱重控制器要采集的模擬量主要是壓力傳感器轉(zhuǎn)化來(lái)的重量值，這里采用了硅壓阻式壓力傳感器，量程為 0~100 公斤，對(duì)應(yīng)的電流為 0~10mA。每種控制算法都應(yīng)包括相關(guān)組態(tài)配置參數(shù)，例如， PID 控制算法需設(shè)計(jì)比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)、給定量、測(cè)量量和輸出量等組態(tài)配置參數(shù)。 I/O 模塊通過(guò)對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器和 PWM 脈寬調(diào)制器等底層外設(shè)的驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)被控對(duì)象的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量輸出等操作。 圖形顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì) LCD 的驅(qū)動(dòng)，并利用 ZLG/GUI 來(lái)完成嵌入式控制器的人家界面顯示 和被控對(duì)象狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，以滿足操作人員直觀、方便地監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的要求。所以，在設(shè)計(jì)嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境時(shí)，要根據(jù)所用的硬件平臺(tái)充分考慮到平臺(tái)中各種設(shè)備具體應(yīng)用情況，編寫(xiě)通用的控制程序，體現(xiàn)組態(tài)配置文件中的數(shù)據(jù)與運(yùn)行環(huán)境中的代碼分離，以數(shù)據(jù)配置、驅(qū)動(dòng)代碼的設(shè)計(jì)思想。常用的通信方式 有串口通信，以太網(wǎng)等。 。運(yùn)行環(huán)境本身沒(méi)有任何意義，必須 與開(kāi)發(fā)環(huán)境生成的配置文件一起作為一個(gè)整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。它的每一種功能、每一個(gè)函數(shù)及每一行代碼都經(jīng)過(guò)了考驗(yàn)與測(cè)試。使用 μC/OSII的?？臻g校驗(yàn)函數(shù)，可以確定每個(gè)任務(wù)到底需要多少?？臻g。 。 μC/OSII 源碼絕大部分是用移植性很強(qiáng)的 ANSI C 寫(xiě)的，與微處理器硬件相關(guān)的部分是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)的。考慮到版權(quán)費(fèi)用，源代碼開(kāi)放和獲取渠道等問(wèn)題，本課題的研究將使用 μC/OSII 作為嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的操作系統(tǒng)。當(dāng)一個(gè)微處理器最初啟動(dòng)時(shí)，它首先執(zhí)行一個(gè)預(yù)定地址處的指令。 。 32位 CPU比 8 位、 16 位 CPU 運(yùn)行快，另外它本來(lái)就 是為運(yùn)行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，特別適于運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。首先，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。 ARM7 系列處理器主要用于對(duì)功耗和成本要求比較苛刻的消費(fèi)類產(chǎn)品和嵌入式設(shè)備，包括 Inter 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備以及移動(dòng)電話、 PDA 等無(wú)線設(shè)備。 1990 年 ARM 公司成立于英國(guó)劍橋，主要從事芯片知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP)核的設(shè)計(jì)。由于軟硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程割裂和最初的功能劃分不協(xié)調(diào)等原因，可能會(huì)暴露出很多問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)重新開(kāi)發(fā)。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 根據(jù)嵌入式系統(tǒng)硬件多樣化和軟硬結(jié)合緊密的特點(diǎn)，目前比較常用的開(kāi)發(fā)方法有兩種：軟硬件分離設(shè)計(jì)方法和軟硬件協(xié) 同設(shè)計(jì)方法。 。擴(kuò)展外圍電路通常根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的差別而有所不同，一般包括 A/D、 D/A、 I/O 和通信接口等 ，有的還包括音頻、圖像控制器。 ，需對(duì)組態(tài)支撐模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，它主要包括數(shù)據(jù)管理模塊、圖形顯示模塊、通信模塊、 I/O 模塊和控制 算法模塊等。 同時(shí)，嵌入式組態(tài)軟件的研制也是迫切需要的。嵌入式組態(tài)軟件則不同，它的開(kāi)發(fā)環(huán)境一般基于通用性較強(qiáng)的 Windows 平臺(tái)上，而運(yùn)行環(huán)境卻具有多樣性，它的硬件平臺(tái)可以試 PC/104 那樣標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式應(yīng)用平臺(tái)，也可以是為具體應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的平臺(tái)；它的操作系統(tǒng)有 WinCE、 μCLinux、 VxWorks、 μC/OSII 等多種選擇。組態(tài)王嵌入式版 是亞控公司在組態(tài)王 基礎(chǔ)上，為嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，具有功能強(qiáng)、通信方便、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。這樣不僅開(kāi)發(fā)工作量大、周期長(zhǎng)，而且系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也較差，同時(shí)以后系統(tǒng)的軟件升級(jí)與維護(hù)也比較困難。 在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中存在著兩大類可變因素：一是操作人員需求的變化；二是被控對(duì)象狀態(tài)的變化及被控對(duì)象所用硬件的變化。目前，各種各樣的新型嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用數(shù)量上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于通用計(jì)算機(jī)。 detailed analysis of the embedded configuration software used by the operating environment configuration support module design priorities and key technologies. Using designed embedded controller configuration software operating environment configuration to generate a batch weighing controller, and test the design effect. The experiments show that the operating environment can be generated to meet the requirements of the embedded controller configuration files, depending on the configuration, the whole process without a lot of programming, and can be designed according to the needs of different manmachine interface, control functions can also be free of the deletion, fully reflects the configuration software features. Keywords: embedded controller。隨著工業(yè)自動(dòng)化尤其是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的通過(guò)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制目的的方法越來(lái)越難以滿足實(shí)際的工程需要，這時(shí)，工程組態(tài)軟件應(yīng)運(yùn)而生了。在嵌入式這一特殊環(huán)境中，需要對(duì)工控組態(tài)軟件進(jìn)行特殊的 設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)環(huán)境的需要，由此產(chǎn)生了一種特殊的工控組態(tài)軟件 —— 嵌入式組態(tài)軟件。 configuration。在工業(yè)生產(chǎn)中，使用嵌入式技術(shù)的數(shù)字機(jī)床，智能工具，工業(yè)機(jī)器人正在逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式。而組態(tài)軟件正式在保持軟件平臺(tái)執(zhí)行代碼不變的基礎(chǔ)上通過(guò)改變軟件配置信息 (包括圖形文件、硬件配置文件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等 )，適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)兩大可變因素的要求，構(gòu)建新的監(jiān)控系統(tǒng)的平臺(tái)軟件。 另一方面，組態(tài)軟件已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展了十幾年，并且取得了巨大的成功。 MCGSE(Monitor and Control Generated System forEmbedded，嵌入式通用監(jiān)控系統(tǒng) )是一種用于快速構(gòu)造和生成嵌入式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。嵌入 式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的軟硬件都具有可裁剪性，可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行伸縮性配置。雖然國(guó)內(nèi)有眾多嵌入式硬件廠家，市場(chǎng)上也有多種可用的嵌入式操作系統(tǒng)，但是方便用戶開(kāi)發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)的平臺(tái)少之又少。 在嵌入式控制器組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的設(shè)計(jì)完成后，利用它設(shè)計(jì)生成一個(gè)配料稱重控制器，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。輸入 /輸出設(shè)備主要是指人機(jī)交互接口，如鍵盤(pán)、 LCD 和觸摸屏等。是運(yùn)行于嵌入式操作系統(tǒng)之上的各個(gè)人物，每個(gè)人物均有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，操作系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度及異常處理等工作。 。 。它本身并不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體 、軟件和 OEM 廠商來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片。 本課題采用了 ARM7TDMIS 內(nèi)核的微處理器。長(zhǎng)期以來(lái)，前后臺(tái) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在遇到強(qiáng)干擾時(shí)，運(yùn)行的程序可能產(chǎn)生異常、出錯(cuò)、跑飛甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。如果還是采用以前的前后臺(tái)方式，則無(wú)法發(fā)揮32 位 CPU的優(yōu)勢(shì)。包含弱交互性和強(qiáng)穩(wěn)定性兩層意思。通常這個(gè)位置是只讀內(nèi)存。 μC/OSII 讀作 “micro C O S 2”，意為 “微控制器操作系統(tǒng)版本 2”。匯編語(yǔ)言寫(xiě)的部分已經(jīng)壓到最低限度，以使μC/OSII 便于移植到其他微處理器上。 μC/OSII 可以管理 64 個(gè)任務(wù)，其中建議保留 8 個(gè)給系統(tǒng)任務(wù)，這樣用戶的應(yīng)用程序最多可有 56 個(gè)任務(wù)，賦予每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須是不相同的，所以 μC/OSII 不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法 (roundrobin scheduling)。 。 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境整體架構(gòu) 嵌入式組態(tài)軟件結(jié)構(gòu) 嵌入式組態(tài)軟件和通用組態(tài)軟件一樣，都由開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境組成。一旦組態(tài)工作完成，并且將組態(tài)好的工程通過(guò)串口或以太網(wǎng)下載到下位機(jī)的運(yùn)行環(huán)境中，