【導(dǎo)讀】第二章嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計………………………要領(lǐng)域，已深入到社會的方方面面。近年來，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。該平臺將嵌入式實時操作系統(tǒng)、嵌入式組。態(tài)軟件、軟PLC等有機地結(jié)合起來，為嵌入式控制系統(tǒng)提供一個完整的運行環(huán)境。的分析，同時闡述了嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺課題及研究意義。件等主要模塊的實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，本文通過一個實例對平臺進行了詳細的測試，該測試實例基于PC104標準嵌入式板和嵌入式RTAI實時操作系統(tǒng)。該平臺具有實時性強、易于裁剪、組態(tài)靈活等特點。最后，本文對嵌入式控制系

　　

【正文】 糊 PID 控制算法、智能 PID 控制算法等 )，還允許用戶自行嵌入控制算法，具有仿真環(huán)境等等。軟 PLC 的運行環(huán)境是軟 PLC 的核心，完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作，通 常由 I/O 接口、通信接口、系統(tǒng)管理器、錯誤管理器、調(diào)試內(nèi)核和編譯器組成。 目前國際上比較流行的軟 PLC 產(chǎn)品有 KWsoftware 公司的 MULTIPROG wt3 CJ International 公司的 ISaGRAF、 Wonderware 公司的 InControl 等。 控制系統(tǒng)應(yīng)用程序（軟 PLC，控制算法，人機界面） 同步管理 實時數(shù)據(jù)管理 配置管理 驅(qū)動程序接口 操作系統(tǒng)接口 硬件驅(qū)動程序 硬件驅(qū)動程序 嵌入式實時操作系統(tǒng) 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 （ 1） KWsoftware 公司的 MULTIPROG wt32 KWsoftware 公司的 MULTIPROG wt32 完全符合 IEC11313 國際標準，開發(fā)環(huán)境集成化，類似 VC++ 的開發(fā)界面，支持五種 編程語言 (包括兩種文本語言 ST、 IL 和三種圖形語言 LD、 FBD、 SFC)，其中 LD、 FBD、 SFC 三種圖形編程非常方便直觀，仿真程序比較完善，但不支持五種編程語言之間的相互轉(zhuǎn)換。 （ 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準 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，源程序在仿真運行時可以進行監(jiān)控 ，可以運行在任何一種工業(yè)計算機、微處理器、或配有 I/O 模塊的 PLC 中，但不完全符合 IEC11313 國際標準，開發(fā)環(huán)境為非集成化的多窗口界面。 （ 3） Wonderware 公司的 InControl Wonderware 公司的 InControl 支持 LD、 SFC、 ST 三種編程語言，開發(fā)環(huán)境集成化，編程簡單，每個程序以文件形式進行管理。在本系統(tǒng)中，我們也要創(chuàng)建一個軟 PLC 系統(tǒng)的運行環(huán)境，充分借鑒世界上已經(jīng)出現(xiàn)的軟 PLC 系統(tǒng)的優(yōu)點，并結(jié)合本平臺，搭建一個基于 Linux 環(huán)境下的軟 PLC 環(huán)境。 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)和運行系統(tǒng)兩部分，它們是相互獨立而又密不可分的兩個應(yīng)用程序，可以分別單獨運行。 (1)軟 PLC開發(fā)系統(tǒng)：實際上就是一個 PLC編程器，提供用戶一個可以利用標準 PLC編程語言 (比如梯形圖 )編寫控制應(yīng)用程序的環(huán)境。 (2)軟 PLC運行系統(tǒng)：這一部分是軟 PLC的核心，完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作。運行系統(tǒng)的作用是執(zhí)行開發(fā)環(huán)境編譯后產(chǎn)生的目標代碼，實現(xiàn)控制功能。開發(fā)系統(tǒng)位于 PC機上，開發(fā)后生成目標應(yīng)用文件。運行系統(tǒng)位 于嵌入式系統(tǒng)上，從開發(fā)系統(tǒng)中下載目標應(yīng)用文件，根據(jù)該文件信息組織運行系統(tǒng)內(nèi)的模塊進行運行。這樣的結(jié)構(gòu)，在開發(fā)系統(tǒng)下可充分利用 PC機豐富的資源，有效提高開發(fā)效率。而對于運行系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)的實時性、可移植性等要求，直接將其運行在嵌入式系統(tǒng)之上。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，行系統(tǒng)組成。 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 24 軟 PLC系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu) 當(dāng)前 PLC在國際市場上已成為廣受歡迎的工業(yè)控制產(chǎn)品，用 PLC設(shè)計自動控制系統(tǒng)已成為世界 潮流。嵌入式軟 PLC是嵌入式系統(tǒng)和軟 PLC在工業(yè)控制中介和發(fā)展的必然產(chǎn)物。嵌入式軟 PLC是當(dāng)前開放式控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，克服了硬PLC的諸多缺點，憑借其執(zhí)行速度快、可跨平臺運行等優(yōu)點必將在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。隨著嵌入式軟 PLC技術(shù)的進一步完善，它在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域?qū)⒕哂懈訌V闊的發(fā)展前景，并且產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟效益。 嵌入式軟 PLC的設(shè)計總體 框圖 硬件平臺 實時操作系統(tǒng) 硬件驅(qū)動程序 I/O 端子 人機界面 軟PLC運行程序 實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)核 I/O 驅(qū)動模塊 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 人機界面數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫配置文件 梯形圖配置文件 開發(fā)系統(tǒng) 運行系統(tǒng) IEC61131— 3 編程語言 PLC 目標代碼 軟 PLC 運行虛擬機 I/O 接口 外部設(shè)備 標準OPC 接口 人機界面 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 許多控制系統(tǒng)要求嵌入式系統(tǒng)能夠把實時動態(tài)的各種數(shù)據(jù)信息以圖形、表格 、文字、畫面的方式有機地結(jié)合在一起顯示在操作屏或者顯示器上，同時用戶可用鍵盤、鼠標、觸摸屏 等 完成對應(yīng)用軟件的全部操作，包括菜單選擇、畫面切換、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)前 /后翻頁、報表生成及打印、故障查詢及復(fù)位、文件管理、參數(shù)設(shè)定等等。這就需要一個好的人機界面系統(tǒng)來支持。 人機界面是用戶和系統(tǒng)交互的平臺，圖形界面直接面向用戶。作為嵌入式系統(tǒng)的圖形界面，與標準的圖形界面如 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。目前在嵌入式 Linux系統(tǒng)圖形用戶界面領(lǐng)域，國內(nèi)外也有非常多的自由軟件供可以參考和借鑒，如OpenGUI、 MicroWindows、 Qt、 MiniGUI 等輕量級 GUI，它們都具有類似于Windows的操作界面和風(fēng)格，并且在 API使用和應(yīng)用程序的架構(gòu)上也非常相似。 （ 1） OpenGUI OpenGUI在 Linux系統(tǒng)上存在已經(jīng)很長時間了。最初的名字為 FastGL，只支持 256 色的線性顯存模式，但目前也支持其他顯示模式，并且支持多種操作系統(tǒng)平臺，例如 MSDOS、 QNX 和 Linux 等，但支持 x86 硬件平臺。 OpenGUI分為三層，最低層是由匯編編寫的快速圖形引擎；中間層提供了圖形繪制 API，包括線條、矩形、圓弧等，并且兼容 Borland 的 BGIAPI；第三層用 C++編寫，提供完整的 GUI對象集。 OpenGUI 采用 LGPL 條款發(fā)布，比較適合于基于 x86 平臺的實時系統(tǒng)，可移植性稍差，目前的發(fā)展也基本停滯。 （ 2） MicroWindows MicroWindows是一個開放源碼的項目，目前由美國 Century Software公司主 持開發(fā)。它是一個基于典型客戶 /服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的 GUI系統(tǒng)，基本分為三層，最低層是面向圖形輸出和鍵盤、鼠標或觸摸屏的驅(qū)動程序；中間層提供底層硬件的抽象接口，并進行窗口管理；最高層分別提供兼容于 X Window 和 Windows CE的 API。 （ 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。因為 Qt是 KDE等項目使用的 GUI支持庫，所以有許多基于 Qt的XWindow程序可以非常方便地移植到 Qt/Embedded 版本上。但由于 Qt/Embedded 的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，所以很難進行系統(tǒng)裁剪、擴充、定制和移植，對系統(tǒng)要求比較高。 （ 4） MiniGUI MiniGUI是由飛漫軟件工作室開發(fā)的一個自由軟件項目，其目標是為基于 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 Linux的實時嵌入式系統(tǒng)提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。它占用資源少，性能和可靠性高，易于裁剪，越來越受到嵌入式圖形界面開發(fā)的歡迎。MiniGUI共有兩個版本： MiniGUIThreads和 MiniGUILite。 MiniGUIThreads是 MiniGUI 的最初版本，所有的應(yīng)用程序都運行在同一個地址空間，這大大提高了程序之間的通訊效率，但這種基于線程的結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了系統(tǒng)整體的脆弱 —— 如果某個線程因為非法的數(shù)據(jù)訪問而終止運行，則整個進程都將受到影響。MiniGUILite 版本解決了這個問題，它不再使用線程庫，可以同時運行多個基于 MiniGUILite 的應(yīng)用程序，即多個進程，并且提供前后臺進程的切換。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。 與軟 PLC系統(tǒng)類似，嵌入式組態(tài)軟件也分為開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境。其中，開發(fā)環(huán)境位于宿主機，運行環(huán)境位于目標機 ，其總體結(jié)構(gòu)如圖 25所示 ： 圖 25人機界面組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)圖 組態(tài)界面編輯器 系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)資源庫 用戶代碼 組態(tài)描述文件 系統(tǒng)資源配置 編譯連接程序 目標機資源庫 組態(tài)執(zhí)行環(huán)境 界面元素管理 數(shù)據(jù)庫管理 消息管理 解析器 通信管理 操作系統(tǒng) /圖形界面 實時數(shù)據(jù)管理與通信平臺 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 本章詳細討淪了整個嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺的總體設(shè)計思想和軟件架構(gòu)，并針 對 其某些關(guān)鍵的組成部分提出了其各自的軟件結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)計方案。通過本章的論述，我們完全可以從總體 上 了解整個平臺的設(shè)計思想和框架體系結(jié)構(gòu)，從而為最終實現(xiàn)該 平 臺奠定堅實的基礎(chǔ) 。