嵌入式智能人機界面與PLC的通訊

近年來，“嵌入式”一詞越來越多的被人們提及，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)展的重點方向。

嵌入式系統(tǒng) (Embedded System)被定義為：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，基于PLC，單片機等設(shè)備的自動化系統(tǒng)，自動化設(shè)備越來越普及，幾乎遍布所有自動化領(lǐng)域，與之相應(yīng)的人機交互系統(tǒng)也應(yīng)運而生，并得到同步發(fā)展。基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)人機界面是人機交互系統(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)，強實時等特點使嵌入式工業(yè)人機界面越來越受到自動化系統(tǒng)集成商，自動化設(shè)備制造商的青睞。它能夠理想，生動地顯示PLC，單片機等工業(yè)設(shè)備上的數(shù)據(jù)信息，功能強大，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)自動化系統(tǒng)，醫(yī)療，金融等行業(yè)的自動化設(shè)備。

隨著越來越多的工程項目采用了嵌入式人機界面，相應(yīng)的，用戶對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界面；其軟件為嵌入式操作系統(tǒng)，另加自己開發(fā)的應(yīng)用程序。本文后面主要介紹這個監(jiān)控應(yīng)用程序，重點介紹應(yīng)用程序中通訊部分的實現(xiàn)原理。

當今，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)相對是一門新興的領(lǐng)先技術(shù)，涉足的人相對還比較少，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)算是一個實例吧。

2、系統(tǒng)組成

我們所開發(fā)的這套嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，上位機是沈陽鷺島資訊科技有限公司開發(fā)的嵌入式智能工業(yè)控制人機界面（以下簡稱人機界面）。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，在其上運行 WinCE操作系統(tǒng)。提供20個通用IO點供用戶使用，物理層支持ProfiBus等現(xiàn)場總線，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，等等當前比較流行的PLC，當然溫控表，單片機，智能模塊等工業(yè)現(xiàn)場控制設(shè)備也可以。

控制對象（比如鍋爐等）的工作由上述控制設(shè)備（各種PLC等）控制；而控制對象的狀態(tài)則用人機界面及在其上開發(fā)的應(yīng)用程序進行監(jiān)控。

人機界面的操作系統(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)、完全搶占式的特點是專門針對資源有限而設(shè)計的。OEM開發(fā)商可根據(jù)自己硬件組成的特點對WinCE.net進行選擇裁剪，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開發(fā)包。在應(yīng)用上，WinCE.net支持超過1000個公共Microsoft Win32 API和幾種附加的編程接口，用戶可利用它們來開發(fā)應(yīng)用程序。另外，微軟為開發(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++語言。下面我們將介紹一下開發(fā)過程的細節(jié)問題。

3、軟件流程

應(yīng)用程序開發(fā)是在個人計算機上進行的。個人計算機的操作系統(tǒng)為WINDOWS 2000。應(yīng)用程序的開發(fā)平臺是Microsoft eMbedded Visual C++集成開發(fā)環(huán)境。

在應(yīng)用程序開發(fā)時，還可以利用微軟提供的測試模擬器（Emulator）。有了它可做到，即使沒有人機界面，也可進行程序調(diào)試。

開發(fā)最終生成的可執(zhí)行文件，可使用Microsoft eMbedded Visual c++開發(fā)環(huán)境提供的下載功能，通過串口或局域網(wǎng)，下載給人機界面。

工作時，PLC等工控設(shè)備運行它的控制程序，而人機界面則運行這個下載的可執(zhí)行文件。兩者通過串口進行通訊，但通訊的主動方為人機界面。人機界面依監(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、動畫，文字等的界面顯現(xiàn)出來，供用戶觀察。還可把這些數(shù)據(jù)進行存貯、打印，甚至于向ERP等管理信息系統(tǒng)傳送。

如須對PLC或控制對象進行干預，也可在人機界面的觸摸屏上，通過觸摸鍵或觸摸鼠標，向PLC發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)相應(yīng)的控制。

這個應(yīng)用的執(zhí)行流程框圖為：

圖1 執(zhí)行流程框圖

4、畫面構(gòu)成

一般的工程監(jiān)控畫面有：文字顯示，生產(chǎn)工藝流程顯示（包括動畫，柱狀圖顯示等），報警，人員操作，趨勢曲線等等。我們的系統(tǒng)架構(gòu)是做一個基于主對話框的程序。再將這些不同的畫面用子對話框表現(xiàn)出來。

主對話框負責初始化串口，打開串口，啟動讀串口線程等；而各子對話框則定時或根據(jù)需要向串口發(fā)送各種命令，通過主對話框的線程讀回命令的應(yīng)答，再在子對話框中以一定的形式提供給用戶，以供監(jiān)控現(xiàn)場作業(yè)。這其中主要的技術(shù)就是串口通訊。下面我們重點講述通訊的實現(xiàn)。

5、通訊實現(xiàn)

人機界面提供的串口是符合通用標準的。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，而是通過操作系統(tǒng)提供的設(shè)備驅(qū)動程序，來進行數(shù)據(jù)傳遞。

WinCE.net 是Win 32編程。串口在Win 32中是作為文件來進行處理的，不是直接對端口進行操作。對于串行通信，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，WinCE.net字符集類似于Windows NT而不同于Windows 9x，它是基于Unicode的。這也是開發(fā)程序過程中從WINDOWS轉(zhuǎn)到WinCE.net的程序員遇到問題最多的地方。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)實現(xiàn)串口通訊。以下分幾個問題介紹串口通訊及整個系統(tǒng)的實現(xiàn)。

5.1 打開串口

首先是打開串口，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); //打開串口的操作,需要注意
WinCE.net系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)表達方式的細微不同，WinCE.net需要在串口后加上冒號；
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)置通訊超時時間參數(shù)；

PurgeComm(m_hComm,PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR);
//清空輸入，輸出緩沖區(qū)的字符，為開始接受數(shù)據(jù)，進入監(jiān)控狀態(tài)做好準備；
......
}

5.2 讀串口線程

其次是啟動讀串口線程，它讓讀串口程序不停地在后臺運行，而不影響前臺程序的工作。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)當以"\r"結(jié)尾；
inBuffer[i]=0; //字符串結(jié)束標志；
switch(m_iDlgType) // m_iDlgType為代表不同對話框的標志變量；
{
case 子對話框1標志:
子對話框1.ProcData(inBuffer,i); //不同對話框中對命令應(yīng)答的處理，ProcData為處理函數(shù)名；
break;
......
}
......
}

5.3 各子對話框發(fā)送寫命令

各個子對話框根據(jù)需要，采用定時器的形式，定時向PLC發(fā)送命令。以O(shè)MRON PLC為例，在發(fā)送命令時，根據(jù)OMRON PLC的通訊協(xié)議，還需對發(fā)送的命令字符串加校驗碼。這些程序代碼為：

void 子對話框1類::OnTimer(UINT nIDEvent)
{
......
strcpy(m_szCmd,"@00RR00000001"); //OMRON PLC的命令字符串；
GenXor(m_szCmd,result); //進行校驗碼計算，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);
//將命令字符串寫入串口;
......
}
以下為上面所調(diào)用的計算校驗碼的代碼：
void GenXor(LPCSTR strSource,char& result) //為計算校驗碼的函數(shù)，進行異或運算：
{
result=0; //為校驗碼賦初值；
int len=strlen(strSource); //命令協(xié)議字符串的長度；
for(int i=0;iresult^=strSource[i]; //按位進行異或；
}

5.4 顯示界面處理

最后，讀線程讀到的數(shù)據(jù)，交由對應(yīng)的子對話框進行處理。要對這些數(shù)據(jù)進行分析，并以動畫，柱狀圖，趨勢曲線等表現(xiàn)出來。以所連接的為OMRON PLC為例，其代碼為：


void子對話框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；
....... //對獲得的變量值根據(jù)需要進行處理，如以文字或動畫等形式在子對話框中進行顯示；
}
在進行界面處理時，有一些技巧，如動畫顯示時，可以用一個定時器控制圖片的輪番顯示。（在本系統(tǒng)中動畫是通過CbitmapButton這個控件進行顯示的。）
switch(m_iImage) // m_iImage為定義的動畫顯示標志；
{
case 1: //顯示第一幅圖片，同時將動畫顯示標志置為2；
CBitmapButton控件變量.LoadBitmaps(圖片標志1);
m_iImage=2;
break;
case 2: //顯示第二幅圖片，同時將動畫顯示標志置為1；
CBitmapButton控件變量.LoadBitmaps(圖片標志2);
m_iImage=1;
break;
}

在顯示實時曲線時，采用循環(huán)數(shù)組的方式，在內(nèi)存中開辟一定大小的空間，使讀上來的數(shù)形成一個循環(huán)數(shù)組，在界面上動態(tài)的顯示出來。

本系統(tǒng)中以20個模擬量為一個數(shù)組大小，也就是實時趨勢曲線一直顯示20個點的信息，但因為使用了循環(huán)數(shù)組的技術(shù)，所以看上去很有動感。

void 子對話框類::循環(huán)數(shù)組函數(shù)(int iValue) // iValue為從命令應(yīng)答中解析出來的有效數(shù)據(jù)；
{
int index=(m_iBegin+m_iCount)%20; //計算循環(huán)數(shù)組的下標，初始從0開始；
m_aryValue=iValue; //為循環(huán)數(shù)組賦值；
m_iCount++; //循環(huán)數(shù)組的個數(shù)加1；
if(m_iCount>20) //判斷個數(shù)是否超過20個，如是，將下一個數(shù)組下標從1開始，依此類推；
{
m_iCount=20;
m_iBegin=(m_iBegin+1)%20;
}
......
}

通訊是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。我們的實踐證明，以上四步是實現(xiàn)整個監(jiān)控系統(tǒng)基本之要點。

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：

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)軟件的開發(fā)商也紛紛開發(fā)出了嵌入式版的組態(tài)軟件。但在實際應(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，需要的人機界面的數(shù)量又比較大，對他們來說，按這里介紹的方法，針對企業(yè)自身的生產(chǎn)工藝特點進行開發(fā)，提供給用戶的是最終的運行系統(tǒng)，不需要用戶再進行組態(tài)的二次開發(fā)。這樣的系統(tǒng)對這樣的用戶來說，從時間，價格或性能上來說都比較適合。本系統(tǒng)在鷺島公司研發(fā)的LEODO嵌入式工業(yè)控制人機界面上經(jīng)過了測試運行，證明其運行速度較快，比較穩(wěn)定。效果很好，比較適合工業(yè)現(xiàn)場使用。當然LEODO品牌的人機界面也內(nèi)置了一套簡明實用，畫面資源豐富的ET組態(tài)軟件，用戶可根據(jù)實際情況決定自己用高級語言開發(fā)，還是用組態(tài)軟件開發(fā)。

總之，可以看出，人機界面利用Microsoft eMbedded C++開發(fā)應(yīng)用程序，與在Windows系統(tǒng)下用Microsoft Visual C++開發(fā)程序，有許多相象的地方。借助這個軟、硬件平臺，多數(shù)用戶完全可以開發(fā)出適合自己需要的應(yīng)用程序