【正文】 組態(tài)工程就可以離開(kāi)開(kāi)發(fā)環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行在下位機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)了嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、確定性和安全性。嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的硬件平臺(tái)中包括了各種 I/O接口，可進(jìn)行模擬量采集、狀態(tài)量檢測(cè)、脈沖頻率檢測(cè)等操作，也可將計(jì)算所得的控制量和操作人員的控制命令通過(guò) D/A 或 DO 的方式輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來(lái)達(dá)到控制目的。 組態(tài)支撐模塊 嵌入式操作系統(tǒng) 板級(jí)支持包 硬件平臺(tái) 運(yùn)行環(huán)境 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)處理流程 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的組態(tài)支撐模塊包括數(shù)據(jù)管理模塊、圖形顯示模塊、通信模塊等，其中數(shù)據(jù)管理模塊作為核心來(lái)組織協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，完成應(yīng)用系統(tǒng)所指定的各項(xiàng)功能。此嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境可分為數(shù)據(jù)管理模塊、圖形顯示 模塊、通信模塊和 I/O 模塊，分別介紹其設(shè)計(jì)思想。 圖形顯示模塊首先根據(jù)數(shù)據(jù)管理模塊接收到的組態(tài)配置文件中有關(guān)圖形界面部分的配置參數(shù)來(lái)初始化人機(jī)界面，包括界面窗口的大小、位置和標(biāo)題欄，菜單按鈕的位置、標(biāo)題提示，以及系統(tǒng) 界面中其他圖形、文字顯示的初始化等。 I/O 模塊首先根據(jù)數(shù)據(jù)管理模塊接收到的組態(tài)配置 文件中有關(guān)輸入輸出部分的配置參數(shù)來(lái)初始化相關(guān)硬件。應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員在嵌入式組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中根據(jù)需要完成控制算法的選擇和參數(shù)配置，下載至運(yùn)行環(huán)境中就可以使生成的嵌入式 控制器按照要求完成控制功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備工作過(guò)程的精確控制和有序的調(diào)度管理。 A/D 轉(zhuǎn)換器使用 LP2210自帶的 10 位逐次逼近式 A/D，測(cè)量范圍是 0~。電路原理圖如 31 所示： 圖 31 A/D 采樣接口電路原理圖 脈沖信號(hào)檢測(cè)接口電路 為了使嵌入式控制器能夠測(cè)量控制生產(chǎn)過(guò)程中的傳送速度，本設(shè)計(jì)使用了一個(gè)光電轉(zhuǎn)速傳感器，把速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)輸入控制器。首先詳細(xì)介紹了嵌入式控制器組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境選用的 ARM7 微處理器和基于此微處理器的硬件平臺(tái)，以及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OSII。然后將采集到的數(shù)據(jù)、頻率值等保存在數(shù)據(jù)管理模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，由控制算法模塊調(diào)用；再把數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送來(lái)的控制量和命令，通過(guò) PWM 等輸出通道送至相應(yīng)設(shè)備，完成系統(tǒng)控制功能。 通信模塊通過(guò)調(diào)用 UART 驅(qū)動(dòng)程序來(lái)對(duì)串口進(jìn)行接收、發(fā)送操作，完成組態(tài)配置文件的 下載和嵌入式控制器中現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上傳等功能。它是數(shù)據(jù)處理中心，通信模塊發(fā)送來(lái)的配置文件、 I/O 模塊采集到的數(shù)據(jù)和操作人員的控制命令等所有數(shù)據(jù)都交由它來(lái)統(tǒng)一管理和調(diào)度，這樣體現(xiàn)了數(shù)據(jù)和代碼分離的特點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) (模擬量和識(shí)字量 )都交給數(shù)據(jù)管理模塊，由它來(lái)統(tǒng)一進(jìn)行管理。由 I/O 接 口輸入的模擬量和狀態(tài)量都會(huì)以一定的形式存入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便用戶查詢、分析被控對(duì)象的工作狀態(tài)；或是繪制實(shí)時(shí)曲線圖，使用戶更加直觀的看到被控對(duì)象的狀態(tài)變化。其中組態(tài)支撐模塊大多為組件式可伸縮配置結(jié)構(gòu)，一般包括：人機(jī)界面 HMI 模塊 (包括趨勢(shì)圖、報(bào)警及 報(bào)表等可選模塊 )、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、邏輯和流程控制 Control 模塊及通信、 Inter 模塊等。運(yùn)行環(huán)境所在的嵌入式系統(tǒng)由硬件平臺(tái)和軟件部分組成，軟件又分為操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩個(gè)部分。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 。絕大多數(shù) μC/OSII 的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性。 μC/OSII是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，這就意味著，只要具備核實(shí)的系列軟件工具 (C 編譯、匯編、鏈接及下載 /固化 )，實(shí)際上就可以將 μC/OSII 嵌入到產(chǎn)品中作為產(chǎn)品的一部分。 μC/OSII 是用 ANSI 的 C 語(yǔ)言編寫(xiě) 的，包含一小部分匯編語(yǔ)言代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。單色 LCD 240X128dots 基于 ARM7TDMIS 核的微處理器 LCP2210 鍵盤(pán) UART RS232 串口 存儲(chǔ)器系統(tǒng) SARM Flash A/D 采樣接口電路 脈沖信號(hào)檢測(cè)接口電路 D/A輸出接口電路 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 而在嵌入式系統(tǒng)中，由于沒(méi)有 BIOS，系統(tǒng)加電后直接執(zhí)行嵌入式操作系統(tǒng)代碼，因此在嵌入式操作系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼中需要考慮目標(biāo)板的設(shè)計(jì)。它的用戶接口一般不提供操作命令，只是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。 嵌入式操作系統(tǒng)有以下幾大特點(diǎn)： 。這種干擾可能只是引起若干進(jìn)程中的一個(gè)被破壞，可以通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行的系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。 基于 ARM7 的硬件平臺(tái) 本課題選用了周立功單片機(jī)公司的產(chǎn)品 EasyARM2200 作為嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的研究基礎(chǔ)。 ARM 處理器當(dāng)前有 6 個(gè)產(chǎn)品系列： ARM ARM ARM9E、 ARM10E、ARM11 和 SecurCore，其中 ARM11 為最近推出的產(chǎn)品。這使得軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)成為可能。這種設(shè)計(jì)者編寫(xiě)程序，硬件設(shè)計(jì)者連接元件，兩者的設(shè)計(jì)不可能交互，必須單獨(dú)進(jìn)行。 嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn) 與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)一般具有體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)。是后來(lái)演化出來(lái)的一層結(jié)構(gòu)，也叫做硬件抽象層，是介于硬件與軟件之間的中間層次。 術(shù)語(yǔ) “嵌入式 ”反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個(gè)完整子系統(tǒng)，被嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個(gè)這樣的嵌入式系統(tǒng)。 所以，嵌入式組態(tài)軟件具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)前景，研制嵌入式組態(tài)軟件具有重要的意義，本課題將把設(shè)計(jì)好的嵌入式組態(tài) 軟件運(yùn)行環(huán)境用于配料稱重控制器的研發(fā)。由于運(yùn)行環(huán)境采用的一般是實(shí)時(shí)性強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行不需要人的干涉，所以很適合那些穩(wěn)定性、時(shí)尚性高的操作系統(tǒng)。 嵌入式組態(tài)軟件是相對(duì)于通用組態(tài)軟件來(lái)說(shuō)的，是從通用組態(tài)軟件發(fā)展而來(lái)的，因此它們之間有著很多相似之處，但也有很明顯的區(qū)別，從結(jié)構(gòu)上說(shuō)，嵌入式組態(tài)軟件和通用組態(tài)軟件一樣，都是由開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境組成。所以將嵌入式系統(tǒng)技術(shù) 與組態(tài)軟件及時(shí)相結(jié)合，行程一種類似于通用組態(tài)軟件的嵌入式組態(tài)軟件，使之能夠快速、高效、方便地開(kāi)發(fā)出適應(yīng)各種場(chǎng)合的嵌入式系統(tǒng)是必然的。組態(tài)軟件的另一大特點(diǎn)是實(shí)時(shí)多任務(wù)，數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理與算法實(shí)現(xiàn)、圖像顯示與人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢與管實(shí)時(shí)通信等多個(gè)任務(wù)要在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行。 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。 μC / OSII。 利用設(shè)計(jì)好的嵌入式控制器組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境組態(tài)生成了一個(gè)配料稱重控制器，并檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)效果。 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )進(jìn)度安排： 查閱中外文文獻(xiàn)資料，寫(xiě)出文獻(xiàn)綜述階段： 2020 年 12 月 10 日 —— 2020 年 1 月 10 日 調(diào)查、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、研究階段： 2020 月 1 月 11 日 —— 2020 年 3 月 31 日 設(shè)計(jì)（論文）撰寫(xiě)與整理階段： 2020 年 4 月 1 日 —— 2020 年 5 月 31 日 指導(dǎo)教師意見(jiàn)與要求： 簽字： 年 月 日 主任意見(jiàn)： 簽字： 年 月 日 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 I 摘 要 自計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入“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。 in the analysis of the overall embedded configuration software structure, details the functions and data processing operating environment to plete the process, and embedded configuration software operating environment design ideas。嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用，極大地提高了工業(yè)生產(chǎn)的信息化、現(xiàn)代化和自動(dòng)化水平。從組態(tài)軟件的內(nèi)涵上說(shuō)，組態(tài)軟件是指在軟件方面，操作人員根據(jù)應(yīng)用對(duì)象及控制任務(wù)的要 求配置用戶應(yīng)用軟件的過(guò)程，也就是把組態(tài)軟件視為 “應(yīng)用程序生成器 ”。 然而縱觀工控行業(yè)，雖然嵌入式硬件設(shè)備很多，但嵌 入式應(yīng)用軟件卻極度缺乏，嚴(yán)重地限制了嵌入式系統(tǒng)在工控行業(yè)的應(yīng)用和推廣，制約著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。 Progea 的 Movicon CE 可以在 Windows CE 下運(yùn)行。 但是通用 組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境大都是基于 Windows 操作系統(tǒng)的，系統(tǒng)難以裁剪、固化、不能用于對(duì)可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性要求很高的控制系統(tǒng)中。 本課題的研究意義 通用組態(tài)軟件已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域取得了巨大的成功，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也越來(lái)越得到工控專業(yè)人士的青睞，所以兩者的結(jié)合時(shí)其發(fā)展的必然趨勢(shì)。 ，對(duì)已有硬 件平臺(tái)的外圍接口電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，增加了 A/D 采樣接口、脈沖信號(hào)檢測(cè)接口和 D/A 輸出接口電路。是支撐整個(gè)嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境，它由嵌入式微處理器最小系統(tǒng)擴(kuò)展外圍電路和輸入 /輸出設(shè)備等部分組成。負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)中全部軟硬件資源的分配與回控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動(dòng)：提供用戶程序接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；為用戶擴(kuò)展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺(tái)。 各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了嵌入式系統(tǒng)行業(yè)是不可壟斷的、高度分散的， 充滿競(jìng)爭(zhēng)、機(jī)遇與創(chuàng)新，即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，也沒(méi)有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場(chǎng)。軟件通過(guò)編寫(xiě)程序運(yùn)行在微處理器上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全或大部分功能，硬件則主要通過(guò) “板級(jí) ”專用電路為軟件運(yùn)行提供平臺(tái)。 如何簡(jiǎn)潔有效地開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于各種不同環(huán)境的嵌入式系統(tǒng)，是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。內(nèi)核執(zhí)行 ARMv4指令集，有一條 3 級(jí)流水線，可使取指、譯碼、執(zhí)行三個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，并使處理和存儲(chǔ)器系統(tǒng)連續(xù)操作，能提供 ，主頻在 20MHz133MHz之間。C 接口 (400Kbps)和 2 個(gè)SPI 接口 PLL可實(shí)現(xiàn)最大為 60MHz的 CPU操作頻率 ，可配配置優(yōu)先級(jí)和向量地址 I/O 口 (可承受 V電壓 )， 12 個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳 (EINT 和 CAP 功能 ) 個(gè)低功耗模式：空閑和掉電，通過(guò)外部中斷可將處理器從掉電模式中喚醒 /禁止外部功能來(lái)優(yōu)化功耗 EasyARM2200 開(kāi)發(fā)板的硬件配置如下 : ，可選用多種兼容芯片 針 JTAG 接口，支持 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 位 SRAM， 16M 位 Flash 網(wǎng)卡芯片和 RJ45 以太網(wǎng)接口 個(gè) RS232 串口， 1 個(gè)支持標(biāo)準(zhǔn) Modem IDE 硬盤(pán)接口和 CF 存儲(chǔ)卡接口 個(gè)按鍵和 8 個(gè) LED 八段碼 接口和 PWM 輸出接口 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖 21 所示： 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介 在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的初期，由于硬件資源有限 (微處理器運(yùn)算速度低， ROM/RAM 容量小等 )，系統(tǒng)規(guī)模小，控制功能簡(jiǎn)單，軟件部分一般不包括嵌入式操作系統(tǒng)，只是針對(duì)具體的應(yīng)用編寫(xiě)軟件代碼。每個(gè)任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件做出響應(yīng) 的能力。因此要求嵌入式操作系統(tǒng)有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在一些進(jìn)程被損壞時(shí)可以進(jìn)行 修復(fù)、清楚等操作。另外由于硬件平臺(tái)的多樣性，所以嵌入式操作系統(tǒng)還要具有較好的可移植性，來(lái)適應(yīng)不同 的微處理器。源代碼標(biāo)有詳盡的注解清晰易讀、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)。 (preemptive)。每個(gè)任務(wù)都有自己?jiǎn)为?dú)的棧。 。 開(kāi)發(fā)環(huán)境一般包括工程管理器 (包括項(xiàng)目、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備等的管理 )、畫(huà)面組態(tài) (包括趨勢(shì)圖、報(bào)警和報(bào)表 )、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、控制系統(tǒng)組態(tài) (包括邏輯控制、流程控制、調(diào)試仿真工具 )、編譯下載系統(tǒng)等。它具有以 下以下主要功能： 。嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的軟件部分內(nèi)置了多種控制算法，例如數(shù)字 PID 算法、針對(duì)純滯后對(duì)象的大林算法等，用戶可以根據(jù)被控對(duì)象的特性來(lái)選擇合適的算法 。運(yùn)行環(huán)境的數(shù)據(jù)與代碼是分離的，并且體現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)。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)。若同意接收，則通信模塊會(huì)把接收到的組態(tài)配置文件暫存于一個(gè)緩沖區(qū)間內(nèi)，待校驗(yàn)無(wú)誤后傳給數(shù)據(jù)管理模塊用于配置嵌入式控制器；若不同意接收，則回復(fù)上位機(jī)取消發(fā)送。這里 控制算法模塊式為了使嵌入式控制器能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，滿足用戶的應(yīng)用需要，而編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)程序。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 第 3 章嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境具體設(shè)計(jì) 嵌入式控制器硬件平臺(tái)建立 在第 2 章中已經(jīng)介紹了本嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的硬件平臺(tái) ——EasyARM2200，但僅靠 EasyARM2200 不能完全滿足要求，還需要根據(jù)具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)外圍接口電路