嵌入式控制器组态软件运行环境的设计及应用学士学位论文(编辑修改稿)

嵌入式控制器组态软件运行环境的设计及应用学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

.................... 35 控制器人机界面组态 .......................................................................................... 36 控制器运行检验 .................................................................................................. 37 本章小结 ........................................................................................................................ 38 结 论 ........................................................................................................................................... 39 致 谢 ........................................................................................................................................... 40 参考文献 ....................................................................................................................................... 41 附录 A .......................................................................................................................................... 42 附录 B .......................................................................................................................................... 44 附录 C .......................................................................................................................................... 45 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 1 第 1 章 绪 论 本课题的研究背景 自计算机技术从 20 世纪 90 年代进入充满机遇的 “后 PC”时代以来，控制系统正在向网络化，数字化迅猛发展，这使得控制技术与嵌入式技术的结合更加紧密。 现代工业对控制系统的可扩展性，可管理性和易用性提出了越来越高的要求，这使得常规仪表 逐渐被以嵌入式系统为核心的计算机系统所替代。 嵌入式系统在工业控制中的广泛应用，极大地提高了工业生产的信息化、现代化和自动化水平。 工业生产线上将广泛应用嵌入式控制技术和基于嵌入式技术的控制器。 目前，各种各样的新型嵌入式系统在应用数量上已经远远超于通用计算机。 在工业生产中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人正在逐渐改变着传统的工业生产方式。 因此，嵌入式系统将是今后的主流发展趋势。 随着工业自动化尤其是远程监控系统的发展，传统的通过程序设计实现控制目的的方法越来越难以满足实际的工程需要，这时，工程组态 软件应运而生了。 在嵌入式系统这一特殊环境中，需要对工程组态软件进行特殊的设计，以满足系统环境的需要，由此产生了一种特殊的工控组态软件 ——嵌入式组态软件。 嵌入式系统组态软件 组态一词来源于英文单词 configuration， “组态软件 ”作为一个专业术语，到目前为止，并没有一个统一的定义，它是伴随着集散控制系统 (Distributed Control System ，简称 DCS)的出现而引入工业控制领域的。 从组态软件的内涵上说，组态软件是指在软件方面，操作人员根据应用对象及控制任务的要 求配置用户应用软件的过程，也就是把组态软件视为 “应用程序生成器 ”。 从应用角度讲，组态软件是自动控制系统中的监控层，完成系统硬件与软件的沟通、对现场的实时监测与控制，起到在管理层和控制层之间上传下达的作用。 在工业过程控制系统中存在着两大类可变因素：一是操作人员需求的变化；二是被控对象状态的变化及被控对象所用硬件的变化。 而组态软件正式在保持软件平台执行代码不变的基础上通过改变软件配置信息 (包括图形文件、硬件配置文件、实时数据库等 )，适应系统对两大可变因素的要求，构建新的监控系统的平台软件。 以这种方式构建系统既 提高了系统的成套速度，又保证了系统软件的成熟性和可靠性，使用起来方便灵活，而且便于修改和维护。 组态软件的另一大特点是实时多任务，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图像显示与人机对话、实时数据的存储、查询与管实时通信等多个任务要在一个系统中同时运行。 嵌入式系统近些年发展迅速，在工业控制领域内更是如此，越来越得到专业人士的青睐。 它的主要作用是实时控制、监视、管理被控对象、数据处理等，或者辅助其他设备运转，完成各种自动化处理的任务。 然而纵观工控行业，虽然嵌入式硬件设备很多，但嵌 入式应用软件却极度缺乏，严重地限制了嵌入式系统在工控行业的应用和推广，制约着嵌入式系统的发展。 目前的嵌入式系统，无论是不装操作系统的，还是装有 Windows CE、 Linux等操作系统的，支持组态软件的都很少，用户如果需要开发一个嵌入式的监控系统，一般都需要亲自编程。 这样不仅开发工作量大、周期长，而且系统运行的稳定性也较差，同时以后系统的软件升级与维护也比较困难。 另一方面，组态软件已经在工业控制领域发展了十几年，并且取得了巨大的成功。 它哈尔滨远东理工学院学士学位论文 2 从根本上改变了技术工控系统需要大量编程的开发方法。 所以将嵌入式系统技术 与组态软件及时相结合，行程一种类似于通用组态软件的嵌入式组态软件，使之能够快速、高效、方便地开发出适应各种场合的嵌入式系统是必然的。 目前国内外的嵌入式组态技术尚处于发展初期，相应的软件产品并不多。 国外方面，Indusoft Web Studio 生产的嵌入式 HMI/SCADA 软件据说是市场上第一个可以运行于Windows CE 上的嵌入式组态软件，它可以运行于多种处理器上，如 ARM、 MIPS、 MIPSFP、SH PowerPC、 THUMB 等，而其他的一些嵌入式组态软件则只能运行于有限的几种处理器上。 Progea 的 Movicon CE 可以在 Windows CE 下运行。 国内的嵌入式组态软件还相当的少，比较有影响的有亚控公司的组态王嵌入式版和北京昆仑通态的 MCGSE。 组态王嵌入式版 是亚控公司在组态王 基础上，为嵌入式应用开发的产品，具有功能强、通信方便、操作简便等优点。 MCGSE(Monitor and Control Generated System forEmbedded，嵌入式通用监控系统 )是一种用于快速构造和生成嵌入式计算机监控系统的组态软件。 它通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流 程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。 嵌入式组态软件是相对于通用组态软件来说的，是从通用组态软件发展而来的，因此它们之间有着很多相似之处，但也有很明显的区别，从结构上说，嵌入式组态软件和通用组态软件一样，都是由开发环境和运行环境组成。 开发环境用于人机界面设计、硬件参数配置、实时数据库设计等系统配置工作，然后将设计好的应用软件投入运行环境运行。 从功能上说，在工控行业它们都是用于完成对被控对象的监视、控制和数据采集，都具备实时多任务的能力。 但是通用 组态软件的开发环境和运行环境大都是基于 Windows 操作系统的，系统难以裁剪、固化、不能用于对可靠性、实时性和安全性要求很高的控制系统中。 而且由于这些组态软件都是 PCBased 的，不适合应用在对体积、功耗和成本等有严格要求的场合。 嵌入式组态软件则不同，它的开发环境一般基于通用性较强的 Windows 平台上，而运行环境却具有多样性，它的硬件平台可以试 PC/104 那样标准的嵌入式应用平台，也可以是为具体应用专门设计的平台；它的操作系统有 WinCE、 μCLinux、 VxWorks、 μC/OSII 等多种选择。 嵌入 式组态软件运行环境的软硬件都具有可裁剪性，可根据具体应用进行伸缩性配置。 开发环境设计好的配置文件和操作系统都固化在 ROM、 Flash等会存储器中，而不是工控机的磁盘等载体中。 由于运行环境采用的一般是实时性强的嵌入式操作系统，系统运行不需要人的干涉，所以很适合那些稳定性、时尚性高的操作系统。 另外，嵌入式系统体积小。 ，功耗低，也更适合特定现场的控制。 本课题的研究意义 通用组态软件已经在工业控制领域取得了巨大的成功，嵌入式系统技术也越来越得到工控专业人士的青睐，所以两者的结合时其发展的必然趋势。 嵌入式组态 软件不具备嵌入式软件开发经验的用户能够在极短的时间内，快速开发完成一个嵌入式系统，同时又保证了整个系统的小体积，低成本，高实时性和高可靠性。 同时，嵌入式组态软件的研制也是迫切需要的。 虽然国内有众多嵌入式硬件厂家，市场上也有多种可用的嵌入式操作系统，但是方便用户开发嵌入式控制系统的平台少之又少。 目前国内外的嵌入式组态软件还处于发展时期，成熟的产品还不多，离用户对嵌入式组态软件的需求还有很大差距。 所以，嵌入式组态软件具有广泛的应用前景和市场前景，研制嵌入式组态软件具有重要的意义，本课题将把设计好的嵌入式组态 软件运行环境用于配料称重控制器的研发。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 3 本课题的主要工作 本课题将嵌入式系统技术与通用组态软件技术结合在一起，提出一种嵌入式控制器组态软件运行环境，它可以根据不同的组态配置文件生成不同功能的嵌入式控制器，不用编程，大大缩短了嵌入式产品投放市场的时间，而且使产品具有丰富的人机界面，强大的控制功能，并能够存储一定数量的历史数据。 本课题的研究内容如下： ，根据实际情况选择了设计组态软件运行环境需要的硬件平台和嵌入式操作系统。 ，对已有硬 件平台的外围接口电路进行重新设计，增加了 A/D 采样接口、脉冲信号检测接口和 D/A 输出接口电路。 32 位 CPU 的多任务潜力，满足嵌入式组态软件实时多任务的要求，选择了嵌入式实时操作系统 μC/OSII 来对运行环境中的软件各部分进行管理，因此对于μC/OSII 在 ARM7 微处理器上的移植及其 μC/OSII 下的外设驱动开发需进行深入研究。 ，需对组态支撑模块的设计进行研究，它主要包括数据管理模块、图形显示模块、通信模块、 I/O 模块和控制 算法模块等。 在嵌入式控制器组态软件运行环境的设计完成后，利用它设计生成一个配料称重控制器，以检验设计效果。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 4 第 2 章 嵌入式组态软件运行环境系统分析 嵌入式系统 嵌入式系统定义 所谓嵌入式系统 (Embedded System)， IEEE 的定义是：用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置 (原文为 devices used to control， monitor， or assist the operation of equipment， machinery or plants)。 术语 “嵌入式 ”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整子系统，被嵌入的系统中可以共存多个这样的嵌入式系统。 嵌入式系统结构 经过几十年的发展，嵌入式系统自底向上逐渐演化为 4 层结构。 是支撑整个嵌入式系统运行的硬件环境，它由嵌入式微处理器最小系统扩展外围电路和输入 /输出设备等部分组成。 单独一个嵌入式微处理器是不能工作的，它还必须包括供电电路、时钟信号、复位系统和必要的存储器组成最小系统才能正常工作。 扩展外围电路通常根据应用领域的差别而有所不同，一般包括 A/D、 D/A、 I/O 和通信接口等 ，有的还包括音频、图像控制器。 输入 /输出设备主要是指人机交互接口，如键盘、 LCD 和触摸屏等。 是后来演化出来的一层结构，也叫做硬件抽象层，是介于硬件与软件之间的中间层次。 板级支持包通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供底层的硬件信息，并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。 负责嵌入式系统中全部软硬件资源的分配与回控制与协调等并发的活动：提供用户程序接口，使用户获得良好的工作环境；为用户扩展新的系统功能提供软件平台。 它具有规模小、可裁剪、可固化和实时性强等 特点。 是运行于嵌入式操作系统之上的各个人物，每个人物均有一个优先级，操作系统根据各个任务的要求，进行资源管理、消息管理、任务调度。