【文章內(nèi)容簡介】 .................... 35 控制器人機(jī)界面組態(tài) .......................................................................................... 36 控制器運(yùn)行檢驗(yàn) .................................................................................................. 37 本章小結(jié) ........................................................................................................................ 38 結(jié) 論 ........................................................................................................................................... 39 致 謝 ........................................................................................................................................... 40 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 41 附錄 A .......................................................................................................................................... 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，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?，F(xiàn)代工業(yè)對控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，可管理性和易用性提出了越來越高的要求，這使得常規(guī)儀表 逐漸被以嵌入式系統(tǒng)為核心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所替代。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。工業(yè)生產(chǎn)線上將廣泛應(yīng)用嵌入式控制技術(shù)和基于嵌入式技術(shù)的控制器。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)。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。因此，嵌入式系統(tǒng)將是今后的主流發(fā)展趨勢。 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)的通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制目的的方法越來越難以滿足實(shí)際的工程需要，這時(shí)，工程組態(tài) 軟件應(yīng)運(yùn)而生了。在嵌入式系統(tǒng)這一特殊環(huán)境中，需要對工程組態(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)組態(tài)軟件 組態(tài)一詞來源于英文單詞 configuration， “組態(tài)軟件 ”作為一個(gè)專業(yè)術(shù)語，到目前為止，并沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，它是伴隨著集散控制系統(tǒng) (Distributed Control System ，簡稱 DCS)的出現(xiàn)而引入工業(yè)控制領(lǐng)域的。從組態(tài)軟件的內(nèi)涵上說，組態(tài)軟件是指在軟件方面，操作人員根據(jù)應(yīng)用對象及控制任務(wù)的要 求配置用戶應(yīng)用軟件的過程，也就是把組態(tài)軟件視為 “應(yīng)用程序生成器 ”。從應(yīng)用角度講，組態(tài)軟件是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的監(jiān)控層，完成系統(tǒng)硬件與軟件的溝通、對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，起到在管理層和控制層之間上傳下達(dá)的作用。 在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中存在著兩大類可變因素：一是操作人員需求的變化；二是被控對象狀態(tài)的變化及被控對象所用硬件的變化。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)庫等 )，適應(yīng)系統(tǒng)對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。以這種方式構(gòu)建系統(tǒng)既 提高了系統(tǒng)的成套速度，又保證了系統(tǒng)軟件的成熟性和可靠性，使用起來方便靈活，而且便于修改和維護(hù)。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。 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，越來越得到專業(yè)人士的青睞。它的主要作用是實(shí)時(shí)控制、監(jiān)視、管理被控對象、數(shù)據(jù)處理等，或者輔助其他設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，完成各種自動(dòng)化處理的任務(wù)。 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。目前的嵌入式系統(tǒng)，無論是不裝操作系統(tǒng)的，還是裝有 Windows CE、 Linux等操作系統(tǒng)的，支持組態(tài)軟件的都很少，用戶如果需要開發(fā)一個(gè)嵌入式的監(jiān)控系統(tǒng)，一般都需要親自編程。這樣不僅開發(fā)工作量大、周期長，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。 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。它哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 從根本上改變了技術(shù)工控系統(tǒng)需要大量編程的開發(fā)方法。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、方便地開發(fā)出適應(yīng)各種場合的嵌入式系統(tǒng)是必然的。 目前國內(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。國外方面，Indusoft Web Studio 生產(chǎn)的嵌入式 HMI/SCADA 軟件據(jù)說是市場上第一個(gè)可以運(yùn)行于Windows CE 上的嵌入式組態(tài)軟件，它可以運(yùn)行于多種處理器上，如 ARM、 MIPS、 MIPSFP、SH PowerPC、 THUMB 等，而其他的一些嵌入式組態(tài)軟件則只能運(yùn)行于有限的幾種處理器上。 Progea 的 Movicon CE 可以在 Windows CE 下運(yùn)行。 國內(nèi)的嵌入式組態(tài)軟件還相當(dāng)?shù)纳伲容^有影響的有亞控公司的組態(tài)王嵌入式版和北京昆侖通態(tài)的 MCGSE。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)用開發(fā)的產(chǎn)品，具有功能強(qiáng)、通信方便、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。 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。它通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流 程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案。 嵌入式組態(tài)軟件是相對于通用組態(tài)軟件來說的，是從通用組態(tài)軟件發(fā)展而來的，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，嵌入式組態(tài)軟件和通用組態(tài)軟件一樣，都是由開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境組成。開發(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。從功能上說，在工控行業(yè)它們都是用于完成對被控對象的監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集，都具備實(shí)時(shí)多任務(wù)的能力。 但是通用 組態(tài)軟件的開發(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、不能用于對可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性要求很高的控制系統(tǒng)中。而且由于這些組態(tài)軟件都是 PCBased 的，不適合應(yīng)用在對體積、功耗和成本等有嚴(yán)格要求的場合。嵌入式組態(tài)軟件則不同，它的開發(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。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。開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)好的配置文件和操作系統(tǒng)都固化在 ROM、 Flash等會(huì)存儲(chǔ)器中，而不是工控機(jī)的磁盤等載體中。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)。另外，嵌入式系統(tǒng)體積小。，功耗低，也更適合特定現(xiàn)場的控制。 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。嵌入式組態(tài) 軟件不具備嵌入式軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的用戶能夠在極短的時(shí)間內(nèi)，快速開發(fā)完成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，同時(shí)又保證了整個(gè)系統(tǒng)的小體積，低成本，高實(shí)時(shí)性和高可靠性。 同時(shí)，嵌入式組態(tài)軟件的研制也是迫切需要的。雖然國內(nèi)有眾多嵌入式硬件廠家，市場上也有多種可用的嵌入式操作系統(tǒng)，但是方便用戶開發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)的平臺(tái)少之又少。目前國內(nèi)外的嵌入式組態(tài)軟件還處于發(fā)展時(shí)期，成熟的產(chǎn)品還不多，離用戶對嵌入式組態(tài)軟件的需求還有很大差距。 所以，嵌入式組態(tài)軟件具有廣泛的應(yīng)用前景和市場前景，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)。 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)。 本課題的研究內(nèi)容如下： ，根據(jù)實(shí)際情況選擇了設(shè)計(jì)組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境需要的硬件平臺(tái)和嵌入式操作系統(tǒng)。 ，對已有硬 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)檢測接口和 D/A 輸出接口電路。 32 位 CPU 的多任務(wù)潛力，滿足嵌入式組態(tài)軟件實(shí)時(shí)多任務(wù)的要求，選擇了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OSII 來對運(yùn)行環(huán)境中的軟件各部分進(jìn)行管理，因此對于μC/OSII 在 ARM7 微處理器上的移植及其 μC/OSII 下的外設(shè)驅(qū)動(dòng)開發(fā)需進(jìn)行深入研究。 ，需對組態(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。 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。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 第 2 章 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境系統(tǒng)分析 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)定義 所謂嵌入式系統(tǒng) (Embedded System)， IEEE 的定義是：用于控制、監(jiān)視或者輔助操作的機(jī)器、設(shè)備或裝置 (原文為 devices used to control， monitor， or assist the operation of equipment， machinery or plants)。 術(shù)語 “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)。 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)自底向上逐漸演化為 4 層結(jié)構(gòu)。 。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。單獨(dú)一個(gè)嵌入式微處理器是不能工作的，它還必須包括供電電路、時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位系統(tǒng)和必要的存儲(chǔ)器組成最小系統(tǒng)才能正常工作。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。輸入 /輸出設(shè)備主要是指人機(jī)交互接口，如鍵盤、 LCD 和觸摸屏等。 。是后來演化出來的一層結(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。板級(jí)支持包通過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)的要求完成對硬件的直接操作。 。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)。它具有規(guī)模小、可裁剪、可固化和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等 特點(diǎn)。 。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