基于Windows CE 的嵌入式工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

摘　要：WindowsCE是面向32位處理器的模塊化搶先式多任務(wù)實時嵌入式操作系統(tǒng),以其緊湊、高效、可裁減等優(yōu)點適用于硬件資源受限的各種工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中。本文首先分析了WindowsCE.NET的技術(shù)特點和在工控領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)點，最后介紹了在井下膠帶輸送機集中監(jiān)控系統(tǒng)中,基于WindowsCE嵌入式操作系統(tǒng)與 PC104模塊的智能監(jiān)控分站的軟硬件設(shè)計開發(fā)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)，windows CE，嵌入式操作系統(tǒng)
 
1． 引言

    早期的嵌入式系統(tǒng)通常是以單個芯片為核心的系統(tǒng)，大部分應(yīng)用于一些工業(yè)控制系統(tǒng)中，功能簡單，成本低，通常沒有操作系統(tǒng)的支持。隨著微電子技術(shù)的進步，芯片的功能大大增強，16位和32位的嵌入式微處理器逐漸成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的主流。但是，只有嵌入式微處理器是不夠的，還需要有一個運行于嵌入式微處理器上的系統(tǒng)平臺，嵌入式操作系統(tǒng)便應(yīng)運而生。嵌入式操作系統(tǒng)要有良好的可移植性，能夠運行于不同的微處理器上；內(nèi)核開銷小、效率高、具有高度的模塊化和擴展性；可以提供多任務(wù)、多進程、多線程處理；有多種設(shè)備支持、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；向用戶提供大量應(yīng)用程序接口，應(yīng)用軟件開發(fā)工作變得規(guī)范，可實現(xiàn)模塊化編程。另一方面，隨著應(yīng)用對象的擴大和技術(shù)的進步，嵌入式操作系統(tǒng)傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域——工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)I(yè)控制系統(tǒng)的功能和性能提出了許多新的要求。例如，適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，熟悉和友好的用戶界面，統(tǒng)一的編程界面，強大的通信功能和多媒體功能等。很多軟件廠商迎合這種發(fā)展需要，推出了多種不同特點的嵌入式操作系統(tǒng)。

2．  Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)

    WindowsCE（簡稱WinCE）便是由微軟公司推出的一個面向嵌入式應(yīng)用的通用操作系統(tǒng)，由于它的3.0 及以前版本的實時性較差，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用較少，主要應(yīng)用在便攜式和信息家電領(lǐng)域。Windows CE.NET（簡稱WinCE.NET）是他的最新版本（也就是4.0），它的出現(xiàn)極大地改善了它的實時性能,和通訊能力，為Win CE進入工業(yè)控制領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。
    從系統(tǒng)的角度看，WinCE.NET 不僅僅是一個操作系統(tǒng)，他還包括多種微處理器以及板卡設(shè)備的支持、系統(tǒng)開發(fā)工具、應(yīng)用開發(fā)工具、集成的應(yīng)用程序等[1]，所有這些構(gòu)成了WinCE.NET的體系機構(gòu)，如圖1所示。

圖1 Windows CE.NET體系結(jié)構(gòu)

    從圖1中可以看出,一個基于WINCE的嵌入式系統(tǒng)可分為四個層次,從底層到上層分別是硬件層、硬件支持層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用程序?qū)?。硬件層是系統(tǒng)的硬件,包括微處理器和各種周邊設(shè)備。硬件支持層也成為硬件抽象層（BSP）,它提供了硬件和操作系統(tǒng)之間的接口,操作系統(tǒng)要訪問具體的硬件就可以通過BSP層提供的API進行訪問,而不必直接與硬件打交道。操作系統(tǒng)層中有WINCE的組件,用戶可以根據(jù)自己的需要進行定制,選擇需要的組件,去掉不必要的組件,這樣可以減小內(nèi)存需求,使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。應(yīng)用程序?qū)邮怯脩魹樘囟ǖ那度胧较到y(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序。

    Win.NET 的一個很明顯的特點就是可裁減、可配置，這就體現(xiàn)在操作系統(tǒng)層中：它有一個很小的內(nèi)核(NK.EXE)，基本實現(xiàn)六類功能調(diào)度、內(nèi)存管理、異常處理、系統(tǒng)內(nèi)通信機制、核心API和系統(tǒng)調(diào)試功能。其余功能在單獨模塊中實現(xiàn)，例如設(shè)備管理模塊（Device.exe）是設(shè)備管理的核心；數(shù)據(jù)存儲模塊（filesys.exe）提供基本的數(shù)據(jù)存儲能力，包括對象存儲和文件系統(tǒng)，圖形用戶界面模塊（GWES.exe）；另外還有通信模塊、驅(qū)動程序模塊、OAL/HAL模塊、Win32系統(tǒng)服務(wù)等等。在Windows CE操作系統(tǒng)的構(gòu)造工具Platform Builder 中，每一個模塊可以稱之為一個特性（Feature），系統(tǒng)提供的特性之間可能是獨立的也有可能有一些依賴關(guān)系，Platform Builder可以管理這些特性，并且可以跟蹤這些關(guān)系，通過增加或者刪除這些特性來配置系統(tǒng)，而背后的模塊組織、編譯、裝配等工作由PlatformBuilder 完成，最終生成一個結(jié)構(gòu)緊湊的可實際運行的系統(tǒng)鏡像文件。

    對系統(tǒng)設(shè)計者而言,需要自行開發(fā)的是應(yīng)用程序和直接與硬件有關(guān)的部分,包括硬件系統(tǒng)本身、OAL、設(shè)備驅(qū)動程序[2]。

3．  Win CE在嵌入式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

　　WinCE.NET 適應(yīng)了工業(yè)控制操作系統(tǒng)對嚴(yán)格的實時處理功能，高可靠性，良好的開放性，對人機界面、開發(fā)環(huán)境、可操作性、成本等方面的要求。這可以從以下幾個方面說明：

（1） 實時性

    盡管windows CE 操作系統(tǒng)以前的版本提供一些RTOS性能，但是自Windows CE 3.0以來內(nèi)核的許多重大改變才使的Windows CE的實時性能得到重大改變。 Windows CE.NET 實時能力的設(shè)計目標(biāo)參考了大量GMPTG的調(diào)查研究，它的設(shè)計目標(biāo)可以適應(yīng)大部分（95％）硬實時系統(tǒng)的需求：1ms定時周期的誤差約為100us，在200MHz的X86系統(tǒng)下可以期望達到50us。實時能力的另一個重要指標(biāo)是中斷延時，在Window CE.NET 中 中斷延時和處理方式密切相關(guān)，ISR延時非常短，IST延時較長。

（2） 可靠性

　　Windows CE內(nèi)核具有內(nèi)存管理功能，可以檢查出應(yīng)用造成的系統(tǒng)異常，抑制由于應(yīng)用不正常直接破壞系統(tǒng)的危險性。所以Windows CE比一般的實時系統(tǒng)健壯。

（3） 人機界面

Window CE 不僅支持圖形和窗口，具有多媒體功能，而且還可以利用豐富靈活的控件庫在Windows CE環(huán)境下為嵌入式應(yīng)用建立各種圖形用戶界面，完全可以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對人機界面的要求。

（4） 開放性

　　Windows CE具有良好的通信能力，廣泛支持各種通信硬件、局域網(wǎng)連接以及撥號連接，并提供與PC、內(nèi)部網(wǎng)以及Internet的連接，包括用于應(yīng)用級數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備至設(shè)備間的互連。可以內(nèi)嵌WEB和FPT服務(wù)器，使工業(yè)監(jiān)控設(shè)備具有IT功能[3]。

（5） 開發(fā)成本和開發(fā)環(huán)境

　　Windows CE的開發(fā)成本低，生成和調(diào)試工具方便易用。Windows CE Platform Builder 4.0提供了迅速創(chuàng)建Windows CE嵌入式系統(tǒng)需要的全部軟件工具。Platform Builder主要包括Windows CE Add-on Pack（插件包）、各種調(diào)試工具及Embedded Visual Tools（由面向嵌入式系統(tǒng)開發(fā)而進行優(yōu)化的Embedded Visual Basic和Embedded Visual C++組成）。

    正是基于以上幾點，在輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的智能監(jiān)控分站開發(fā)中，采用了強大的WinCE.NET作為系統(tǒng)開發(fā)平臺。

4. 礦井下嵌入式監(jiān)控器的設(shè)計與開發(fā)

    井下膠帶輸送機監(jiān)控系統(tǒng)，是一種適用于煤礦井下有甲烷和煤塵爆炸危險環(huán)境中的，采用本安設(shè)計的，通用型、高性能、高可靠性的工業(yè)自動化系統(tǒng)，它采用模塊化的設(shè)計和快插技術(shù)，集檢測、控制、安全保障、通訊、管理與一體可實現(xiàn)礦井下皮帶運輸機，工作面刮板運輸機，破碎機、轉(zhuǎn)載機的集中控制、監(jiān)控的通訊等，以及全礦井集中控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

 圖2輸送機集中監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

    整個監(jiān)控系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)，頂層是中央監(jiān)控管理層；中間層主要有監(jiān)控分站組成，稱為前置監(jiān)控層；底層有兩種總線：Linie 和 AST 總線，Linie總線用于上位機與礦井下控制器及控制器與控制器之間的連接。AST總線用于控制器與智能IO單元、非智能單元之間的連接。

    可以看出，監(jiān)控智能分站是頂層和底層信息的樞紐，負(fù)責(zé)檢測和控制信號的上傳下達，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有賴于智能分站的穩(wěn)定運行。因此，在筆者開發(fā)的井下膠帶輸送機監(jiān)控分站,從硬件和軟件上考慮了他的穩(wěn)定性。主控計算機采用了研華PC/104總線結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品PCM-3350 嵌入式ＣＰＵ模塊和PCM-3612 RS485/422串行通訊卡。PCM-335內(nèi)置美國國家半導(dǎo)體公司的GX1-233 MHz嵌入式處理器，自帶10/100Base-T 網(wǎng)卡，板載 LCD 控制器支持36位圖像，帶有2個串口和1個并口、1個軟驅(qū)接口、1個CF卡電子盤接口和1個IDE接口，主板功耗小于10W。具體設(shè)計中采用了一塊基板,在其上引出CPU模塊的ＰＣ104總線,把PC104模塊當(dāng)作一塊普通的應(yīng)用功能板插在基板上,在基板上再插上其它具體的功能板,如Ｉ/Ｏ模板、Ａ/Ｄ模板等,就構(gòu)成了一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    此方法的特點是：采用基板將嵌入式計算機和其它PC104模塊連接起來而代替以往將Ｉ/Ｏ擴展板直接插入到計算機中的辦法,它體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法。另外，根據(jù)煤礦行業(yè)電氣設(shè)備要求,在硬件方面,設(shè)計了達到本安要求信號量采集板和模擬量采集轉(zhuǎn)換板,用于采集系統(tǒng)各種狀態(tài)量;采用大尺寸彩色液晶顯示屏和不銹鋼小鍵盤作為人機接口。

    PCM3350上運行WinCE操作系統(tǒng)。WINCE的開發(fā)平臺Plateform Builder 4.0主要用來進行相應(yīng)的操作系統(tǒng)配置和編譯，由于微軟提供的標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動不支持多串口共享中斷，而系統(tǒng)又沒有足夠的中斷供多串口使用，所以必須根據(jù)設(shè)置好3612的中斷和基地址開發(fā)相應(yīng)的可共享中斷的多串口驅(qū)動。有了串口驅(qū)動，將其加入到用戶組件庫中，然后再的加入相應(yīng)的網(wǎng)卡，LCD顯示，CF卡，USB驅(qū)動,以及一些應(yīng)用服務(wù)如：MFC類庫，硬盤驅(qū)動，另外加入Web Server用于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問。這些都確定后，然后配置相應(yīng)的內(nèi)存和上面各種功能的相應(yīng)注冊表鍵值，然后編譯操作系統(tǒng)鏡像并下載，進行相應(yīng)的操作系統(tǒng)功能測試就可以了。

　　該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用MCGS嵌入版組態(tài)軟件。它是基于Windows CE實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的專門應(yīng)用于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用組態(tài)軟件。運行時，監(jiān)控系統(tǒng)將通過串口按照串行協(xié)議從控制器周期讀取數(shù)據(jù)并存儲在組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫中，并以圖形、文本、動畫等形式顯示在液晶屏上，然后通過工業(yè)以太網(wǎng)上位機查詢和數(shù)據(jù)同步[4]。
    由于采用了Wince.NET 嵌入式操作系統(tǒng)，使監(jiān)控系統(tǒng)的實時性和可靠性的到保障，而且MCGS嵌入版組態(tài)軟件使Wince.Net 用戶界面得到進一步加強。整個系統(tǒng)的軟件部分可以存儲在一片32M的CF卡中，具有體積小、防塵、抗震等優(yōu)點，可以在各種惡略環(huán)境下長期工作。

5. 總結(jié)

　　到目前為止，工業(yè)控制系統(tǒng)中的自動化設(shè)備仍然受專用硬件或工業(yè)化PC平臺的限制。專用硬件通常十分耐用，并能抗惡劣環(huán)境，但是只能用于單一的、特定的用途。雖然工業(yè)化PC比專用硬件更具有靈活性，但是由于振動、灰塵、潮濕、高溫以及其它環(huán)境問題的影響，工業(yè)化PC平臺經(jīng)常會出現(xiàn)故障和數(shù)據(jù)丟失。Windows CE操作系統(tǒng)是一個適合下一代互連工業(yè)自動化設(shè)備的理想小體積嵌入平臺。WinCE還具有很強的實時性能，支持確定性的響應(yīng)時間控制。Windows CE能從閃存啟動，從而避免了暴露在灰塵、高溫和震動環(huán)境下，使它可以適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。基于Windows CE的嵌入式控制系統(tǒng)提供統(tǒng)一的、可伸縮的解決方案，將專用硬件的耐用性與PC的靈活性結(jié)合在一起。因此Windows CE在工業(yè)控制領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

參考文獻

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[2]胡虛懷 鄭若忠， WindowsCE的結(jié)構(gòu)與特征分析[J] 計算機時代 2000年01期
[3]劉少情，吳慧中，王國中 基于WindowsCE 3.0的嵌入式系統(tǒng)開發(fā) [J]計算機與現(xiàn)代化 2002年 第2期（78）P31-P35
[4]基于Web及Windows CE的HMI 測控技術(shù)1999 18卷 第6期