摘要：介紹以嵌入式智能工業(yè)控制人機(jī)界面為硬件平臺(tái)镐访，以嵌入式操作系統(tǒng)(暫不可見(jiàn))為應(yīng)用程序載體，在其上開(kāi)發(fā)的一套嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)蝌飘，給出了監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)虑治，通訊原理，以及人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)方法极炎。

關(guān)鍵詞：嵌入式潭女，人機(jī)界面，(暫不可見(jiàn)),監(jiān)控系統(tǒng)嫩柑，通訊

Abstract:This paper introduces a set of supervisory control and data acquisition,SCADA system .In system, hardware is embedded industrial HMI, operation system is (暫不可見(jiàn)).This paper describes the primary frame,commucication priciple,and some programme tips.

Key words:Embedded;HMI;(暫不可見(jiàn));SCADA ;Communication

1 引言

　　近年來(lái),“嵌入式”一詞越來(lái)越多的被人們提及捍秃，嵌入式產(chǎn)品被應(yīng)用到各行各業(yè)生香。與嵌入式相關(guān)的技術(shù)如嵌入式產(chǎn)品，嵌入式系統(tǒng)的研究等也被列為“十五”國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)方向印洒。

　　嵌入式系統(tǒng) (Embedded System)被定義為：以應(yīng)用為中心藐病，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪瞒谱，適應(yīng)對(duì)功能赏庙、可靠性、成本萤榔、體積鸯乃、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展跋涣，基于PLC,單片機(jī)等設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)缨睡，自動(dòng)化設(shè)備越來(lái)越普及，幾乎遍布所有自動(dòng)化領(lǐng)域陈辱，與之相應(yīng)的人機(jī)交互系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生宏蛉，并得到同步發(fā)展⌒灾茫基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)人機(jī)界面是人機(jī)交互系統(tǒng)中一顆耀眼的明星拾并。高可靠，長(zhǎng)壽命鹏浅，體積小嗅义，高性能，多線程隐砸，多任務(wù)之碗，強(qiáng)實(shí)時(shí)等特點(diǎn)使嵌入式工業(yè)人機(jī)界面越來(lái)越受到自動(dòng)化系統(tǒng)集成商，自動(dòng)化設(shè)備制造商的青睞季希。它能夠理想褪那，生動(dòng)地顯示PLC,單片機(jī)等工業(yè)設(shè)備上的數(shù)據(jù)信息，功能強(qiáng)大既芯，使用方便喷围。它作為PLC等控制設(shè)備的上端設(shè)備在用戶和機(jī)器之間架設(shè)了一條橋梁。該產(chǎn)品目前廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)职涛，醫(yī)療码杆，金融等行業(yè)的自動(dòng)化設(shè)備。

　　隨著越來(lái)越多的工程項(xiàng)目采用了嵌入式人機(jī)界面揖们，相應(yīng)的磁应，用戶對(duì)與嵌入式硬件配套使用的監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)等應(yīng)用軟件的需求也在增加。這也正是本文所要討論的問(wèn)題捣潭。這里講的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)部糠，其硬件為嵌入式智能人機(jī)界面猜休；其軟件為嵌入式操作系統(tǒng)，另加自己開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序提甚。本文后面主要介紹這個(gè)監(jiān)控應(yīng)用程序飞灰，重點(diǎn)介紹應(yīng)用程序中通訊部分的實(shí)現(xiàn)原理。

　　當(dāng)今疾捍，已發(fā)展有多種嵌入式操作系統(tǒng)奈辰，如Linux, VxWorks，(暫不可見(jiàn))等乱豆，完全可在其上開(kāi)發(fā)出圖文并茂奖恰、界面友好的應(yīng)用，以滿足監(jiān)控系統(tǒng)的種種要求宛裕。只是由于嵌入式技術(shù)相對(duì)是一門新興的領(lǐng)先技術(shù)瑟啃，涉足的人相對(duì)還比較少，所以這樣的應(yīng)用目前還比較少揩尸。本文介紹的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)算是一個(gè)實(shí)例吧蛹屿。

2 系統(tǒng)組成

　　我們所開(kāi)發(fā)的這套嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)是沈陽(yáng)鷺島資訊科技有限公司開(kāi)發(fā)的嵌入式智能工業(yè)控制人機(jī)界面（以下簡(jiǎn)稱人機(jī)界面）岩榆。其嵌入式工業(yè)控制器是以Geode X86為核心處理器错负，包括網(wǎng)絡(luò)通訊，數(shù)據(jù)通信勇边，大尺寸觸摸屏及液晶顯示的硬件平臺(tái)犹撒，在其上運(yùn)行 WinCE操作系統(tǒng)。提供20個(gè)通用IO點(diǎn)供用戶使用畴垃，物理層支持ProfiBus等現(xiàn)場(chǎng)總線栈站，支持16位真彩TFT LCD顯示，有64M SDRAM內(nèi)存鲫畸，64M FLASH閃存歇刺，據(jù)有USB接口，10/100M Ethernet網(wǎng)絡(luò)通訊接口,以及串口霜宙，并口章慌，VGA口等通用接口。

　　下位機(jī)用日本OMRON公司的PLC侈兄，或SIMENS PLC惨侵，或施耐德NEZA PLC，或日本三菱公司的 PLC版痪，等等當(dāng)前比較流行的PLC,當(dāng)然溫控表，單片機(jī),智能模塊等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備也可以狞荤。

　　控制對(duì)象（比如鍋爐等）的工作由上述控制設(shè)備（各種PLC等）控制什箭；而控制對(duì)象的狀態(tài)則用人機(jī)界面及在其上開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序進(jìn)行監(jiān)控棋捷。

　　人機(jī)界面的操作系統(tǒng)采用了微軟的(暫不可見(jiàn))。(暫不可見(jiàn))是為各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種緊湊最仑，高效藐俺，可伸縮的操作系統(tǒng)(OS)，主要面向各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品泥彤。其多線程欲芹、多任務(wù)、完全搶占式的特點(diǎn)是專門針對(duì)資源有限而設(shè)計(jì)的吟吝。OEM開(kāi)發(fā)商可根據(jù)自己硬件組成的特點(diǎn)對(duì)(暫不可見(jiàn))進(jìn)行選擇裁剪菱父，從而配置出穩(wěn)定高效并且是特有的(暫不可見(jiàn))操作系統(tǒng)和相應(yīng)的SDK開(kāi)發(fā)包。在應(yīng)用上剑逃，(暫不可見(jiàn))支持超過(guò)1000個(gè)公共Microsoft Win32 API和幾種附加的編程接口浙宜，用戶可利用它們來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。另外蛹磺，微軟為開(kāi)發(fā)(暫不可見(jiàn))應(yīng)用程序的人員提供了與Visual C++類似粟瞬、支持MFC的Microsoft eMbedded Visual C++語(yǔ)言。下面我們將介紹一下開(kāi)發(fā)過(guò)程的細(xì)節(jié)問(wèn)題萤捆。

3. 軟件流程

　　應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)是在個(gè)人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的裙品。個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)為WINDOWS 2000。應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Microsoft eMbedded Visual C++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境长笋。

　　在應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)時(shí)斩憾，還可以利用微軟提供的測(cè)試模擬器（Emulator）。有了它可做到未然，即使沒(méi)有人機(jī)界面否胸，也可進(jìn)行程序調(diào)試。

　　開(kāi)發(fā)最終生成的可執(zhí)行文件哮昧，可使用Microsoft eMbedded Visual c++開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的下載功能馆梦，通過(guò)串口或局域網(wǎng)，下載給人機(jī)界面仓貌。

　　工作時(shí)桐继，PLC等工控設(shè)備運(yùn)行它的控制程序，而人機(jī)界面則運(yùn)行這個(gè)下載的可執(zhí)行文件泉互。兩者通過(guò)串口進(jìn)行通訊蚤弃，但通訊的主動(dòng)方為人機(jī)界面。人機(jī)界面依監(jiān)控要求严钞，向PLC等發(fā)送通訊命令偿尘，PLC則作相應(yīng)的應(yīng)答。

　　人機(jī)界面從PLC上收到應(yīng)答的數(shù)據(jù)后，在觸摸屏上阔蛉，以圖表弃舒、動(dòng)畫，文字等的界面顯現(xiàn)出來(lái)状原，供用戶觀察聋呢。還可把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯、打印颠区，甚至于向ERP等管理信息系統(tǒng)傳送削锰。

　　如須對(duì)PLC或控制對(duì)象進(jìn)行干預(yù)，也可在人機(jī)界面的觸摸屏上毕莱，通過(guò)觸摸鍵或觸摸鼠標(biāo)器贩，向PLC發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制央串。

這個(gè)應(yīng)用的執(zhí)行流程框圖為：


4 畫面構(gòu)成

　　 一般的工程監(jiān)控畫面有：文字顯示磨澡，生產(chǎn)工藝流程顯示（包括動(dòng)畫，柱狀圖顯示等）质和，報(bào)警队乔，人員操作，趨勢(shì)曲線等等甸诽。我們的系統(tǒng)架構(gòu)是做一個(gè)基于主對(duì)話框的程序拾肚。再將這些不同的畫面用子對(duì)話框表現(xiàn)出來(lái)。

　　主對(duì)話框負(fù)責(zé)初始化串口所惶，打開(kāi)串口奶匆，啟動(dòng)讀串口線程等；而各子對(duì)話框則定時(shí)或根據(jù)需要向串口發(fā)送各種命令桦溃，通過(guò)主對(duì)話框的線程讀回命令的應(yīng)答晕围，再在子對(duì)話框中以一定的形式提供給用戶，以供監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)呐相。這其中主要的技術(shù)就是串口通訊黑寻。下面我們重點(diǎn)講述通訊的實(shí)現(xiàn)。

5．通訊實(shí)現(xiàn)

　　人機(jī)界面提供的串口是符合通用標(biāo)準(zhǔn)的汞小。(暫不可見(jiàn))下的串口通訊與Windows下的串口通訊原理相同晶恨。都是應(yīng)用程序不直接控制硬件，而是通過(guò)操作系統(tǒng)提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序蛛挚，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞抗斤。

　　(暫不可見(jiàn)) 是Win 32編程。串口在Win 32中是作為文件來(lái)進(jìn)行處理的丈咐，不是直接對(duì)端口進(jìn)行操作瑞眼。對(duì)于串行通信龙宏，Win 32 提供了相應(yīng)的文件I/O函數(shù)與通信函數(shù)。

　　但是也要注意(暫不可見(jiàn))所能支持的API函數(shù)只是Window API函數(shù)的子集负拟。Windows有的烦衣，(暫不可見(jiàn))下不一定能使用歹河。同時(shí)掩浙，(暫不可見(jiàn))字符集類似于Windows NT而不同于Windows 9x，它是基于Unicode的秸歧。這也是開(kāi)發(fā)程序過(guò)程中從WINDOWS轉(zhuǎn)到(暫不可見(jiàn))的程序員遇到問(wèn)題最多的地方厨姚。另外在Windows下常用的一些通訊控件如MSComm等在(暫不可見(jiàn))下就不能正確使用了。

　　本監(jiān)控系統(tǒng)采用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通訊键菱。以下分幾個(gè)問(wèn)題介紹串口通訊及整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)谬墙。

5．1 打開(kāi)串口

　　首先是打開(kāi)串口，這是串口通訊的第一步经备。其代碼為：

BOOL CMainDlg::OnInitDialog()

{

......

m_hComm=CreateFile(_T("COM1:"),GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING,0,0); //打開(kāi)串口的操作,需要注意

(暫不可見(jiàn))系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)表達(dá)方式的細(xì)微不同育另，(暫不可見(jiàn))需要在串口后加上冒號(hào)；

SetupComm(m_hComm,1024,1024); //初始化串口的輸入瞒脆，輸出緩沖區(qū)參數(shù)衷谋；

SetCommState(m_hComm,&m_dcb) ; //配置串口參數(shù)；m_dcb為設(shè)置好的參數(shù)結(jié)構(gòu)纺闷；

......

SetCommTimeouts(m_hComm,&timeout); //設(shè)置通訊超時(shí)時(shí)間參數(shù)榜寸；

PurgeComm(m_hComm,PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR);

//清空輸入，輸出緩沖區(qū)的字符需复，為開(kāi)始接受數(shù)據(jù)怠竞，進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)做好準(zhǔn)備；

......

}



5．2讀串口線程

　　其次是啟動(dòng)讀串口線程拓郑，它讓讀串口程序不停地在后臺(tái)運(yùn)行哨遭，而不影響前臺(tái)程序的工作。與此有關(guān)的代碼為：

BOOL CMainDlg::OnInitDialog()

{

......

ReadFile(m_hComm,inBuffer+iBufLen,INBUFFERLEN-iBufLen,&dwBytes,NULL); //從串口讀數(shù)據(jù)节霸；

iBufLen+=dwBytes;

for(int i=0;i{

if(inBuffer[i>=="\r") //以連接的設(shè)備為OMRON PLC為例,其通訊協(xié)議規(guī)定應(yīng)答應(yīng)當(dāng)以"\r"結(jié)尾骑跳；

inBuffer[i>=0; //字符串結(jié)束標(biāo)志；

switch(m_iDlgType) // m_iDlgType為代表不同對(duì)話框的標(biāo)志變量萤皂；

{

case 子對(duì)話框1標(biāo)志:

子對(duì)話框(暫不可見(jiàn))cData(inBuffer,i); //不同對(duì)話框中對(duì)命令應(yīng)答的處理撒穷，ProcData為處理函數(shù)名；

break;

......

}

......

}



5．3各子對(duì)話框發(fā)送寫命令

　　各個(gè)子對(duì)話框根據(jù)需要裆熙，采用定時(shí)器的形式端礼，定時(shí)向PLC發(fā)送命令。以O(shè)MRON PLC為例入录，在發(fā)送命令時(shí)蛤奥，根據(jù)OMRON PLC的通訊協(xié)議，還需對(duì)發(fā)送的命令字符串加校驗(yàn)碼。這些程序代碼為：

void 子對(duì)話框1類::OnTimer(UINT nIDEvent)

{

......

strcpy(m_szCmd,"@00RR00000001"); //OMRON PLC的命令字符串凡桥；

GenXor(m_szCmd,result); //進(jìn)行校驗(yàn)碼計(jì)算蟀伸，調(diào)用 GenXor 函數(shù)；

sprintf(szTailer,"%02X*\r",result); //OMRON PLC通訊協(xié)議以“*\r”結(jié)尾缅刽；

strcat(m_szCmd,szTailer); //形成完整的通訊協(xié)議命令字符串啊掏；

WriteFile(m_hComm, m_szCmd, strlen(m_szCmd),&dwWriten,NULL);

//將命令字符串寫入串口;

......

}

以下為上面所調(diào)用的計(jì)算校驗(yàn)碼的代碼：

void GenXor(LPCSTR strSource,char& result) //為計(jì)算校驗(yàn)碼的函數(shù)，進(jìn)行異或運(yùn)算：

{

result=0; //為校驗(yàn)碼賦初值衰猛；

int len=strlen(strSource); //命令協(xié)議字符串的長(zhǎng)度迟蜜；

for(int i=0;iresult^=strSource[i>; //按位進(jìn)行異或；

}


5．4顯示界面處理

　　最后忧绊，讀線程讀到的數(shù)據(jù)略匕，交由對(duì)應(yīng)的子對(duì)話框進(jìn)行處理。要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析基列，并以動(dòng)畫熟督，柱狀圖，趨勢(shì)曲線等表現(xiàn)出來(lái)军笑。以所連接的為OMRON PLC為例雨株，其代碼為：

　　void子對(duì)話框1類::ProcData(char *buffer, int len)

{

......sscanf(buffer+7,"%04X",&wData); //根據(jù)OMRON PLC的命令規(guī)約，從應(yīng)答中將需要的數(shù)據(jù)取出到變量wData中标晤；

....... //對(duì)獲得的變量值根據(jù)需要進(jìn)行處理歇决，如以文字或動(dòng)畫等形式在子對(duì)話框中進(jìn)行顯示；

}

　　在進(jìn)行界面處理時(shí)蕴轩，有一些技巧芹蟹，如動(dòng)畫顯示時(shí)，可以用一個(gè)定時(shí)器控制圖片的輪番顯示搁突。（在本系統(tǒng)中動(dòng)畫是通過(guò)CbitmapButton這個(gè)控件進(jìn)行顯示的绍绽。）

switch(m_iImage) // m_iImage為定義的動(dòng)畫顯示標(biāo)志；

{

case 1: //顯示第一幅圖片经磅，同時(shí)將動(dòng)畫顯示標(biāo)志置為2泌绣；

CBitmapButton控件變量.LoadBitmaps(圖片標(biāo)志1);

m_iImage=2;

break;

case 2: //顯示第二幅圖片，同時(shí)將動(dòng)畫顯示標(biāo)志置為1预厌；

CBitmapButton控件變量.LoadBitmaps(圖片標(biāo)志2);

m_iImage=1;

break;

}

　　在顯示實(shí)時(shí)曲線時(shí)阿迈，采用循環(huán)數(shù)組的方式，在內(nèi)存中開(kāi)辟一定大小的空間轧叽，使讀上來(lái)的數(shù)形成一個(gè)循環(huán)數(shù)組苗沧，在界面上動(dòng)態(tài)的顯示出來(lái)。

　　本系統(tǒng)中以20個(gè)模擬量為一個(gè)數(shù)組大小炭晒，也就是實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線一直顯示20個(gè)點(diǎn)的信息待逞，但因?yàn)槭褂昧搜h(huán)數(shù)組的技術(shù)甥角，所以看上去很有動(dòng)感。

void 子對(duì)話框類::循環(huán)數(shù)組函數(shù)(int iValue) // iValue為從命令應(yīng)答中解析出來(lái)的有效數(shù)據(jù)识樱；

{

int index=(m_iBegin+m_iCount)%20; //計(jì)算循環(huán)數(shù)組的下標(biāo)嗤无，初始從0開(kāi)始；

m_aryValue[index>=iValue; //為循環(huán)數(shù)組賦值怜庸；

m_iCount++; //循環(huán)數(shù)組的個(gè)數(shù)加1咸婿；

if(m_iCount>20) //判斷個(gè)數(shù)是否超過(guò)20個(gè)，如是例杰，將下一個(gè)數(shù)組下標(biāo)從1開(kāi)始拟晋，依此類推；

{

m_iCount=20;

m_iBegin=(m_iBegin+1)%20;

}

......

}


　　通訊是本系統(tǒng)的關(guān)鍵侥丝。我們的實(shí)踐證明，以上四步是實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)基本之要點(diǎn)榛湖。


6．結(jié)論

    總之贬打，本監(jiān)控系統(tǒng)軟件的基本架構(gòu)可以以下面這幅圖直觀的表示出來(lái)：

　　隨著嵌入式操作系統(tǒng)的興起，各組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)商也紛紛開(kāi)發(fā)出了嵌入式版的組態(tài)軟件巫邻。但在實(shí)際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)有許多企業(yè)猫荤，他們的生產(chǎn)控制流程比較固定，需要的人機(jī)界面的數(shù)量又比較大溺察，對(duì)他們來(lái)說(shuō)瞭芬，按這里介紹的方法，針對(duì)企業(yè)自身的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)矫评，提供給用戶的是最終的運(yùn)行系統(tǒng)卜壕，不需要用戶再進(jìn)行組態(tài)的二次開(kāi)發(fā)。這樣的系統(tǒng)對(duì)這樣的用戶來(lái)說(shuō)烙常，從時(shí)間轴捎，價(jià)格或性能上來(lái)說(shuō)都比較適合。本系統(tǒng)在鷺島公司研發(fā)的LEODO嵌入式工業(yè)控制人機(jī)界面上經(jīng)過(guò)了測(cè)試運(yùn)行蚕脏，證明其運(yùn)行速度較快侦副，比較穩(wěn)定。效果很好驼鞭，比較適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用秦驯。當(dāng)然LEODO品牌的人機(jī)界面也內(nèi)置了一套簡(jiǎn)明實(shí)用，畫面資源豐富的ET組態(tài)軟件挣棕，用戶可根據(jù)實(shí)際情況決定自己用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)译隘，還是用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)。

　　總之穴张，可以看出细燎，人機(jī)界面利用Microsoft eMbedded C++開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序两曼，與在Windows系統(tǒng)下用Microsoft Visual C++開(kāi)發(fā)程序，有許多相象的地方玻驻。借助這個(gè)軟瞳胸、硬件平臺(tái)，多數(shù)用戶完全可以開(kāi)發(fā)出適合自己需要的應(yīng)用程序冷吏。

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