嵌入式智能人機(jī)界面與PLC的通訊

近年來(lái)，“嵌入式”一詞越來(lái)越多的被人們提及，嵌入式產(chǎn)品被應(yīng)用到各行各業(yè)。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” 家發(fā)展的重點(diǎn)方向。

嵌入式系統(tǒng) (Embedded System)被定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、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，基于PLC，單片機(jī)等設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)，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，與之相應(yīng)的人機(jī)交互系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生，并得到同步發(fā)展?；谇度胧郊夹g(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。高可靠， 壽命，體積小，高性能，多線程，多任務(wù)，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。它能夠理想，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，使用方便。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)，醫(yī)療，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，相應(yīng)的，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。這里講的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，其硬件為嵌入式智能人機(jī)界面；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。本文后面主要介紹這個(gè)監(jiān)控應(yīng)用程序，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，已發(fā)展有多種嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux, VxWorks，WinCE.net等，完全可在其上開(kāi)發(fā)出圖文并茂、界面友好的應(yīng)用，以滿足監(jiān)控系統(tǒng)的種種要求。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)，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。本文介紹的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)算是一個(gè)實(shí)例吧。

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）。其嵌入式工業(yè)控制器是以Geode X86為核心處理器，包括網(wǎng)絡(luò)通訊，數(shù)據(jù)通信，大尺寸觸摸屏及液晶顯示的硬件平臺(tái)，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，物理層支持ProfiBus等現(xiàn)場(chǎng)總線，支持16位真彩TFT LCD顯示，有64M SDRAM內(nèi)存，64M FLASH閃存，據(jù)有USB接口，10/100M Ethernet網(wǎng)絡(luò)通訊接口，以及串口，并口，VGA口等通用接口。

下位機(jī)用日本OMRON公司的PLC，或SIMENS PLC，或施耐德NEZA PLC，或日本三菱公司的 PLC，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。

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；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。

人機(jī)界面的操作系統(tǒng)采用了微軟的WinCE.net。WinCE.net是為各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種緊湊，高效，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。其多線程、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。OEM開(kāi)發(fā)商可根據(jù)自己硬件組成的特點(diǎn)對(duì)WinCE.net進(jìn)行選擇裁剪，從而配置出穩(wěn)定高效并且是特有的WinCE.net操作系統(tǒng)和相應(yīng)的SDK開(kāi)發(fā)包。在應(yīng)用上，WinCE.net支持超過(guò)1000個(gè)公共Microsoft Win32 API和幾種附加的編程接口，用戶可利用它們來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。另外，微軟為開(kāi)發(fā)WinCE.net應(yīng)用程序的人員提供了與Visual C++類似、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。

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。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。

在應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)時(shí)，還可以利用微軟提供的測(cè)試模擬器（Emulator）。有了它可做到，即使沒(méi)有人機(jī)界面，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，可使用Microsoft eMbedded Visual c++開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的下載功能，通過(guò)串口或局域網(wǎng)，下載給人機(jī)界面。

工作時(shí)，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。兩者通過(guò)串口進(jìn)行通訊，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，向PLC等發(fā)送通訊命令，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，以圖表、動(dòng)畫(huà)，文字等的界面顯現(xiàn)出來(lái)，供用戶觀察。還可把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯、打印，甚至于向ERP等管理信息系統(tǒng)傳送。

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，通過(guò)觸摸鍵或觸摸鼠標(biāo)，向PLC發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。

這個(gè)應(yīng)用的執(zhí)行流程框圖為：

圖1 執(zhí)行流程框圖

4、畫(huà)面構(gòu)成

一般的工程監(jiān)控畫(huà)面有：文字顯示，生產(chǎn)工藝流程顯示（包括動(dòng)畫(huà)，柱狀圖顯示等），報(bào)警，人員操作，趨勢(shì)曲線等等。我們的系統(tǒng)架構(gòu)是做一個(gè)基于主對(duì)話框的程序。再將這些不同的畫(huà)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，打開(kāi)串口，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，通過(guò)主對(duì)話框的線程讀回命令的應(yīng)答，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)。這其中主要的技術(shù)就是串口通訊。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。WinCE.net下的串口通訊與Windows下的串口通訊原理相同。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，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

WinCE.net 是Win 32編程。串口在Win 32中是作為文件來(lái)進(jìn)行處理的，不是直接對(duì)端口進(jìn)行操作。對(duì)于串行通信，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WinCE.net所能支持的API函數(shù)只是Window API函數(shù)的子集。Windows有的，WinCE.net下不一定能使用。同時(shí)，WinCE.net字符集類似于Windows NT而不同于Windows 9x，它是基于Unicode的。這也是開(kāi)發(fā)程序過(guò)程中從WINDOWS轉(zhuǎn)到WinCE.net的程序員遇到問(wèn)題最多的地方。另外在Windows下常用的一些通訊控件如MSComm等在WinCE.net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。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)。

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。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
WinCE.net系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)表達(dá)方式的細(xì)微不同，WinCE.net需要在串口后加上冒號(hào)；
SetupComm(m_hComm,1024,1024); //初始化串口的輸入，輸出緩沖區(qū)參數(shù)；

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

PurgeComm(m_hComm,PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR);
//清空輸入，輸出緩沖區(qū)的字符，為開(kāi)始接受數(shù)據(jù)，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，它讓讀串口程序不停地在后臺(tái)運(yùn)行，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)；
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；
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；
{
case 子對(duì)話框1標(biāo)志:
子對(duì)話框1.ProcData(inBuffer,i); //不同對(duì)話框中對(duì)命令應(yīng)答的處理，ProcData為處理函數(shù)名；
break;
......
}
......
}

5.3 各子對(duì)話框發(fā)送寫(xiě)命令

各個(gè)子對(duì)話框根據(jù)需要，采用定時(shí)器的形式，定時(shí)向PLC發(fā)送命令。以O(shè)MRON PLC為例，在發(fā)送命令時(shí)，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；
GenXor(m_szCmd,result); //進(jìn)行校驗(yàn)碼計(jì)算，調(diào)用 GenXor 函數(shù)；
sprintf(szTailer,"%02X*\r",result); //OMRON PLC通訊協(xié)議以“*\r”結(jié)尾；
strcat(m_szCmd,szTailer); //形成完整的通訊協(xié)議命令字符串；
WriteFile(m_hComm, m_szCmd, strlen(m_szCmd),&dwWriten,NULL);
//將命令字符串寫(xiě)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；
int len=strlen(strSource); //命令協(xié)議字符串的長(zhǎng)度；
for(int i=0;iresult^=strSource[i]; //按位進(jìn)行異或；
}

5.4 顯示界面處理

最后，讀線程讀到的數(shù)據(jù)，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，并以動(dòng)畫(huà)，柱狀圖，趨勢(shì)曲線等表現(xiàn)出來(lái)。以所連接的為OMRON PLC為例，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；
....... //對(duì)獲得的變量值根據(jù)需要進(jìn)行處理，如以文字或動(dòng)畫(huà)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)，有一些技巧，如動(dòng)畫(huà)顯示時(shí)，可以用一個(gè)定時(shí)器控制圖片的輪番顯示。（在本系統(tǒng)中動(dòng)畫(huà)是通過(guò)CbitmapButton這個(gè)控件進(jìn)行顯示的。）
switch(m_iImage) // m_iImage為定義的動(dòng)畫(huà)顯示標(biāo)志；
{
case 1: //顯示第一幅圖片，同時(shí)將動(dòng)畫(huà)顯示標(biāo)志置為2；
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(huà)顯示標(biāo)志置為1；
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)，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，使讀上來(lái)的數(shù)形成一個(gè)循環(huán)數(shù)組，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，也就是實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線一直顯示20個(gè)點(diǎn)的信息，但因?yàn)槭褂昧搜h(huán)數(shù)組的技術(shù)，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)；
{
int index=(m_iBegin+m_iCount)%20; //計(jì)算循環(huán)數(shù)組的下標(biāo)，初始從0開(kāi)始；
m_aryValue=iValue; //為循環(huán)數(shù)組賦值；
m_iCount++; //循環(huán)數(shù)組的個(gè)數(shù)加1；
if(m_iCount>20) //判斷個(gè)數(shù)是否超過(guò)20個(gè)，如是，將下一個(gè)數(shù)組下標(biāo)從1開(kāi)始，依此類推；
{
m_iCount=20;
m_iBegin=(m_iBegin+1)%20;
}
......
}

通訊是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。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)。

6、結(jié)論

總之，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)：

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件的基本架構(gòu)

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。但在實(shí)際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)有許多企業(yè)，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，對(duì)他們來(lái)說(shuō)，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)，提供給用戶的是最終的運(yùn)行系統(tǒng)，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)，從時(shí)間，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，證明其運(yùn)行速度較快，比較穩(wěn)定。效果很好，比較適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。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(huà)面資源豐富的ET組態(tài)軟件，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)，還是用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)。

總之，可以看出，人機(jī)界面利用Microsoft eMbedded C++開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，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。借助這個(gè)軟、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