基于Windows CE的嵌入式網(wǎng)絡(luò )監控系統的設計與實(shí)現

布光系統是廣泛應用于電視演播廳、電影攝影棚、體育場(chǎng)館以及舞廳的一種機械化照明燈具及其控制系統,是為增強舞臺藝術(shù)效果的一種燈光控制設備。目前,布光系統存在的問(wèn)題是:人機界面差,操作復雜;不能實(shí)時(shí)檢測故障部位及原因,系統故障率大,難以維護;不能實(shí)現對被控對象的全部控制,只實(shí)現了單一、局部控制;缺乏形象的吊桿、燈具動(dòng)作顯示。

　　本文介紹的布光監控系統采用數字化分布嵌入式控制系統實(shí)現布光任務(wù)。在布光系統中采用基于Windows CE的嵌入式網(wǎng)絡(luò )監控系統。該系統實(shí)時(shí)性好,可靠性高;速度快,大容量的特性可以適應不斷增長(cháng)的系統數據處理需求;體積小,結構設計方便靈活,設備和軟件成本大幅下降;基于Windows的嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)相對普及,人才成本下降。

1 系統概述

　　應用于布光系統的嵌入式網(wǎng)絡(luò )監控系統為數字雙向串行通訊控制系統。整個(gè)系統由控制臺、網(wǎng)絡(luò )控制器、提升設備、燈具控制器四部分組成。其中控制臺由專(zhuān)用控制臺、備份控制臺和無(wú)線(xiàn)遙控三部分構成;網(wǎng)絡(luò )控制器負責網(wǎng)絡(luò )數據的傳輸,包括控制臺向下傳輸命令和下位機傳感器信號的返回,同時(shí)負責各控制臺之間的切換;提升設備由提升機控制器、提升機和吊桿構成;燈具控制器控制燈具實(shí)現不同的動(dòng)作。

　　系統總體框圖如圖1所示。

　　主控臺是系統的主要控制平臺,硬件由PC/104和液晶顯示器組成,同時(shí)使用Microsoft的Windows CE操作系統。備份控制臺由普通PC機實(shí)現,刪減主控制臺功能,保留部分必要的功能,起到備份數據和輔助控制的作用。遙控器是手持式輔助控制器,在100m內可以可靠有效地控制系統。無(wú)線(xiàn)遙控模塊采用單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體芯片nRF401。該芯片具有低發(fā)射功率和高接收靈敏度的特點(diǎn)。

　　網(wǎng)絡(luò )控制器負責主控臺、備份臺、遙控器三個(gè)控制臺直接控制權力的分配,同時(shí)負責由上而下控制命令的傳輸以及傳感器信息由下而上的傳遞。網(wǎng)絡(luò )控制器與主控臺和備份臺之間的通信分別采用RS-232串口和CAN總線(xiàn)實(shí)現。CAN總線(xiàn)具有抗干擾能力強和可靠性高的特點(diǎn)。

　　被控節點(diǎn)有兩種:一種是提升機控制器,采用變頻調速控制;另一種是燈具控制器。網(wǎng)絡(luò )控制器與被控節點(diǎn)之間通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。系統可控路數需達到1000路。因此,為了擴展CAN網(wǎng)的節點(diǎn)數,6個(gè)CAN總線(xiàn)中轉器與網(wǎng)絡(luò )控制器相連,每個(gè)中轉器下接6個(gè)CAN子網(wǎng),共有36個(gè)CAN總線(xiàn)子網(wǎng)。

2 Windows CE簡(jiǎn)介及其特點(diǎn)

　　主控制臺的操作系統采用微軟公司的嵌入式Windows CE 3.0。Windows CE是一種緊湊、高效、可伸縮的操作系統。主要面向各種嵌入式系統和產(chǎn)品。它具有多線(xiàn)程、多任務(wù)、完全搶占式的特點(diǎn),是專(zhuān)門(mén)為各種有很?chē)栏褓Y源限制的硬件系統設計的。它的模塊化設計使嵌入式系統和應用程序開(kāi)發(fā)者能夠方便地定制以適應一系列不同的產(chǎn)品。Windows CE操作系統包括以下主要模塊:

　　(1)內核模塊,支持進(jìn)程和線(xiàn)程處理及內存管理等基本服務(wù);

　　(2)內核系統接口模塊,允許應用軟件訪(fǎng)問(wèn)操作系統;

　　(3)文件系統模塊,支持持久穩固的信息存儲;

　　(4)圖形窗口和事件子系統模塊,控制圖形和Windows相關(guān)的圖形用戶(hù)界面;

　　(5)通信模塊,允許同其他設備進(jìn)行信息交換。

　　Windows CE支持多種外設和網(wǎng)絡(luò )系統,包括鍵盤(pán)、鼠標、觸摸屏、串行口、以太網(wǎng)卡、調制解調器、USB設備、音頻設備、并行口、打印機和存儲設備。Windows CE支持超過(guò)1000個(gè)常用的Microsoft Win32 API和一些附加的編程接口,可用于開(kāi)發(fā)應用程序。這些接口包括COM、MFC、ATL等。此外,Windows CE支持用于管理時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)響應的實(shí)時(shí)處理;各種串行通信和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù),包括支持USB;為Windows CE用戶(hù)提供Web服務(wù)的移動(dòng)頻道;用于進(jìn)程間通信的Automation和其他方法;還支持管理可安裝設備等可選組件。

　　對于Windows CE而言,原始設備制造商(OEM)能開(kāi)發(fā)硬件適配層OAL(OEM Adaptation Layer),其他開(kāi)發(fā)者可以開(kāi)發(fā)內部驅動(dòng)程序、可安裝驅動(dòng)程序及運行在嵌入式設備上的應用程序。獨立軟件提供商ISV(Independent Software Vendor)能獨立于硬件平臺開(kāi)發(fā)應用軟件。與其他操作系統比較,Windows CE具有下列優(yōu)越性:

　　(1)32位多線(xiàn)程、多任務(wù)、完全搶占式的操作系統;

　　(2)強大的圖形顯示功能支持,用戶(hù)能定制完全自己風(fēng)格的操作界面;

　　(3)支持大部分Win32 API，使得基于其他Windows的應用程序能方便地移植到Windows CE上;

　　(4)體積小,并能夠從ROM直接啟動(dòng),無(wú)需硬盤(pán),不存在系統崩潰和病毒感染問(wèn)題。

　　Windows CE是為便攜式電腦設計的新型平臺。它提供Windows操作系統的堅實(shí)子集。同時(shí),微軟公司為Windows CE的開(kāi)發(fā)提供了一套完整且功能強大的系列工具,從硬件調試到軟件開(kāi)發(fā)都為用戶(hù)提供了方便。

3 系統組成及結構

3.1 主控臺

　　主控臺是整個(gè)系統的核心,主要由PC/104系統、控制臺面板(鍵盤(pán))和液晶顯示器組成,需要接入互聯(lián)網(wǎng)。其結構如圖2所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò )控制器

　　網(wǎng)絡(luò )控制器硬件如圖3所示。

　　處理器采用美國德州儀器有限公司(TI)的MSP430,與主控臺通過(guò)RS-232通信,下層接CAN總線(xiàn)中轉器,同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊與遙控器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接。網(wǎng)絡(luò )控制器負責主控臺各部分權限的分配,并可以減少用于與控制臺通信的CAN卡的數量。

3.3 提升機控制器

　　提升機控制器硬件如圖4所示。

　　處理器采用Philips公司的89C51RD+單片機,用計數器讀碼盤(pán)轉過(guò)的角位移,向上位機發(fā)送時(shí)折算成線(xiàn)位移。同時(shí)采用霍爾傳感器采集三路電流值,對電機實(shí)現過(guò)流保護。

　　交流變頻電機控制部分采用光電式碼盤(pán)測量電機轉角,實(shí)現閉環(huán)控制,如圖5。

3.4 燈具控制器

　　每個(gè)燈配一個(gè)控制器。處理器選擇Philips公司帶A/D的80C552EFA單片機,其硬件結構如圖6所示。

　　燈具控制器接收并解釋上位機發(fā)來(lái)的命令,然后執行命令。若上位機需要返回值,則執行后向上位機發(fā)返回幀。采用中斷方式接收命令。主要功能有:

　　(1)AD采樣各個(gè)自由度的角位移量;

　　(2)根據設定位置值,通過(guò)算法把自由度調到相應位置;

　　(3)實(shí)現各自由度的限位功能;

　　(4)出現異常給上位機發(fā)異常命令。

4 網(wǎng)絡(luò )監控系統的實(shí)現

4.1 系統硬件特點(diǎn)

　　嵌入式網(wǎng)絡(luò )監控系統是可移動(dòng)的小型化控制系統。硬件是研華公司的PCM-3350 PC/104及LCD顯示器。與一般的臺式PC系統相比,PC/104嵌入式系統體積小,結構緊湊,系統模塊化;與單片機系統相比,PC/104資源豐富,運算速度快,產(chǎn)品系列化,可靠性高,可以充分利用豐富的軟件資源和成熟高效的應用開(kāi)發(fā)平臺,有利于提高開(kāi)發(fā)效率和系統的可靠性,適合數據量大、數據類(lèi)型多的數據采集和處理系統。

4.2 系統功能

　　主控臺負責用戶(hù)命令向下的傳遞并顯示下層向上反饋的信息。因此,監控系統與底層設備有大量的數據交換,需要處理大量的實(shí)時(shí)信息,對實(shí)時(shí)性的要求比較高。而采用嵌入式操作系統Windows CE 3.0可以滿(mǎn)足系統對實(shí)時(shí)性的要求。

　　同時(shí),網(wǎng)絡(luò )監控系統需要接入互聯(lián)網(wǎng),以便實(shí)現遠程網(wǎng)絡(luò )通信功能,進(jìn)行遠程診斷。遠程診斷的目的就是能將現場(chǎng)設備的狀況及時(shí)傳到維修中心的計算機網(wǎng)絡(luò )上,維修中心能夠對設備進(jìn)行監控,及時(shí)了解設備出現的故障,指導現場(chǎng)人員對設備進(jìn)行維修。因此,系統需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )把現場(chǎng)系統的一些特殊工作狀態(tài)信息傳遞到現場(chǎng)控制室和遠端的維修中心。此外,本地系統工作時(shí)也需要實(shí)時(shí)監測系統的運行狀態(tài),給出各個(gè)提升機和燈具的狀態(tài)信息,有錯誤及時(shí)報警,并報告故障位置和故障類(lèi)型,使系統易于維護和檢修。

4.3 圖形用戶(hù)界面設計

　　操作人員通過(guò)監控系統實(shí)現對整個(gè)數字布光系統的控制。為了克服以往系統不易操作,吊桿、燈具運行狀態(tài)顯示不形象的缺點(diǎn),本文所實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )監控系統在其人機交互界面中以三維動(dòng)畫(huà)方式顯示吊桿和燈具的動(dòng)態(tài)運行過(guò)程,同時(shí)在界面中顯示描述吊桿及燈具運動(dòng)位置和運動(dòng)速度的具體參數。系統的操作也相對簡(jiǎn)單。

4.4 串口通信程序

　　主控制臺與下層網(wǎng)絡(luò )控制器的通信通過(guò)PC/104的RS-232串口實(shí)現。

　　基于Windows CE的設備采用RS-232-C標準與串行設備和其他計算機通過(guò)串行連接交換數據。Windows CE支持基于Windows的臺式機上用于串行通信的標準函數。主要有CreateFile()、CloseHandle()、GetCommState()、SetCommState()、 SetupComm()、PurgeComm()、SetCommMask()、WaitCommEvent()、ClearCommError()、ReadFile()、WriteFile()等函數。這些函數可以用于打開(kāi)、關(guān)閉和操作串行口,傳送和接收數據以及管理連接。

　　在具體的串行通信程序開(kāi)發(fā)中,采用事件驅動(dòng)方式。為了實(shí)時(shí)響應事件,創(chuàng )建專(zhuān)門(mén)的監視輔助線(xiàn)程,有數據到達時(shí)依靠事件驅動(dòng),讀入數據并運行相應的接收數據處理程序,以完成相應的工作。

4.5 網(wǎng)絡(luò )功能

　　當現場(chǎng)工作系統出現難以解決的故障時(shí),現場(chǎng)工作人員可以通過(guò)Internet將故障信息發(fā)送到維修中心。首先由現場(chǎng)用戶(hù)輸入服務(wù)器的IP地址和端口號,然后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )通信模塊,創(chuàng )建Winsock套接字,綁定IP地址和端口號,與維修中心的服務(wù)器正處于偵聽(tīng)狀態(tài)的套接字連接,從而將故障信息從現場(chǎng)傳遞到維修中心的服務(wù)器,讓維修人員及時(shí)地了解系統的運行狀態(tài)并診斷故障原因。

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展,網(wǎng)絡(luò )在工控領(lǐng)域中的影響越來(lái)越大。本文介紹的數字布光監控系統將網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與嵌入式系統相結合,使得系統在操作、安裝、維護等各方面都變得相當簡(jiǎn)單。同時(shí),系統在安全性,可靠性等方面也有了很大的提高。