基于Windows CE 的嵌入式工業(yè)監控系統

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

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

    早期的嵌入式系統通常是以單個(gè)芯片為核心的系統，大部分應用于一些工業(yè)控制系統中，功能簡(jiǎn)單，成本低，通常沒(méi)有操作系統的支持。隨著(zhù)微電子技術(shù)的進(jìn)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設計的主流。但是，只有嵌入式微處理器是不夠的，還需要有一個(gè)運行于嵌入式微處理器上的系統平臺，嵌入式操作系統便應運而生。嵌入式操作系統要有良好的可移植性，能夠運行于不同的微處理器上；內核開(kāi)銷(xiāo)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(jìn)程、多線(xiàn)程處理；有多種設備支持、網(wǎng)絡(luò )支持、圖形窗口以及用戶(hù)界面等功能；向用戶(hù)提供大量應用程序接口，應用軟件開(kāi)發(fā)工作變得規范，可實(shí)現模塊化編程。另一方面，隨著(zhù)應用對象的擴大和技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式操作系統傳統應用領(lǐng)域——工業(yè)控制領(lǐng)域對工業(yè)控制系統的功能和性能提出了許多新的要求。例如，適應惡劣的工作環(huán)境，熟悉和友好的用戶(hù)界面，統一的編程界面，強大的通信功能和多媒體功能等。很多軟件廠(chǎng)商迎合這種發(fā)展需要，推出了多種不同特點(diǎn)的嵌入式操作系統。

2．  Windows CE 嵌入式操作系統

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

圖1 Windows CE.NET體系結構

    從圖1中可以看出,一個(gè)基于WINCE的嵌入式系統可分為四個(gè)層次,從底層到上層分別是硬件層、硬件支持層、操作系統層和應用程序層。硬件層是系統的硬件,包括微處理器和各種周邊設備。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之間的接口,操作系統要訪(fǎng)問(wèn)具體的硬件就可以通過(guò)BSP層提供的API進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn),而不必直接與硬件打交道。操作系統層中有WINCE的組件,用戶(hù)可以根據自己的需要進(jìn)行定制,選擇需要的組件,去掉不必要的組件,這樣可以減小內存需求,使系統性能達到最優(yōu)。應用程序層是用戶(hù)為特定的嵌入式系統開(kāi)發(fā)的應用程序。

    Win.NET 的一個(gè)很明顯的特點(diǎn)就是可裁減、可配置，這就體現在操作系統層中：它有一個(gè)很小的內核(NK.EXE)，基本實(shí)現六類(lèi)功能調度、內存管理、異常處理、系統內通信機制、核心API和系統調試功能。其余功能在單獨模塊中實(shí)現，例如設備管理模塊（Device.exe）是設備管理的核心；數據存儲模塊（filesys.exe）提供基本的數據存儲能力，包括對象存儲和文件系統，圖形用戶(hù)界面模塊（GWES.exe）；另外還有通信模塊、驅動(dòng)程序模塊、OAL/HAL模塊、Win32系統服務(wù)等等。在Windows CE操作系統的構造工具Platform Builder 中，每一個(gè)模塊可以稱(chēng)之為一個(gè)特性（Feature），系統提供的特性之間可能是獨立的也有可能有一些依賴(lài)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(guò)增加或者刪除這些特性來(lái)配置系統，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(gè)結構緊湊的可實(shí)際運行的系統鏡像文件。

    對系統設計者而言,需要自行開(kāi)發(fā)的是應用程序和直接與硬件有關(guān)的部分,包括硬件系統本身、OAL、設備驅動(dòng)程序[2]。

3．  Win CE在嵌入式控制系統中的應用分析

　　WinCE.NET 適應了工業(yè)控制操作系統對嚴格的實(shí)時(shí)處理功能，高可靠性，良好的開(kāi)放性，對人機界面、開(kāi)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(gè)方面說(shuō)明：

（1） 實(shí)時(shí)性

    盡管windows CE 操作系統以前的版本提供一些RTOS性能，但是自Windows CE 3.0以來(lái)內核的許多重大改變才使的Windows CE的實(shí)時(shí)性能得到重大改變。 Windows CE.NET 實(shí)時(shí)能力的設計目標參考了大量GMPTG的調查研究，它的設計目標可以適應大部分（95％）硬實(shí)時(shí)系統的需求：1ms定時(shí)周期的誤差約為100us，在200MHz的X86系統下可以期望達到50us。實(shí)時(shí)能力的另一個(gè)重要指標是中斷延時(shí)，在Window CE.NET 中 中斷延時(shí)和處理方式密切相關(guān)，ISR延時(shí)非常短，IST延時(shí)較長(cháng)。

（2） 可靠性

　　Windows CE內核具有內存管理功能，可以檢查出應用造成的系統異常，抑制由于應用不正常直接破壞系統的危險性。所以Windows CE比一般的實(shí)時(shí)系統健壯。

（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)境下為嵌入式應用建立各種圖形用戶(hù)界面，完全可以滿(mǎn)足工業(yè)控制系統對人機界面的要求。

（4） 開(kāi)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、內部網(wǎng)以及Internet的連接，包括用于應用級數據傳輸的設備至設備間的互連?？梢?xún)惹禬EB和FPT服務(wù)器，使工業(yè)監控設備具有IT功能[3]。

（5） 開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　Windows CE的開(kāi)發(fā)成本低，生成和調試工具方便易用。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）、各種調試工具及Embedded Visual Tools（由面向嵌入式系統開(kāi)發(fā)而進(jìn)行優(yōu)化的Embedded Visual Basic和Embedded Visual C++組成）。

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

4. 礦井下嵌入式監控器的設計與開(kāi)發(fā)

    井下膠帶輸送機監控系統，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，采用本安設計的，通用型、高性能、高可靠性的工業(yè)自動(dòng)化系統，它采用模塊化的設計和快插技術(shù)，集檢測、控制、安全保障、通訊、管理與一體可實(shí)現礦井下皮帶運輸機，工作面刮板運輸機，破碎機、轉載機的集中控制、監控的通訊等，以及全礦井集中控制。其系統結構簡(jiǎn)圖如圖2所示。

 圖2輸送機集中監控系統結構示意圖

    整個(gè)監控系統分為三層結構，頂層是中央監控管理層；中間層主要有監控分站組成，稱(chēng)為前置監控層；底層有兩種總線(xiàn)：Linie 和 AST 總線(xiàn)，Linie總線(xiàn)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(xiàn)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，監控智能分站是頂層和底層信息的樞紐，負責檢測和控制信號的上傳下達，系統的穩定運行有賴(lài)于智能分站的穩定運行。因此，在筆者開(kāi)發(fā)的井下膠帶輸送機監控分站,從硬件和軟件上考慮了他的穩定性。主控計算機采用了研華PC/104總線(xiàn)結構的產(chǎn)品PCM-3350 嵌入式ＣＰＵ模塊和PCM-3612 RS485/422串行通訊卡。PCM-335內置美國國家半導體公司的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(gè)串口和1個(gè)并口、1個(gè)軟驅接口、1個(gè)CF卡電子盤(pán)接口和1個(gè)IDE接口，主板功耗小于10W。具體設計中采用了一塊基板,在其上引出CPU模塊的ＰＣ104總線(xiàn),把PC104模塊當作一塊普通的應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,就構成了一個(gè)完整的應用系統。系統硬件總體結構如圖3所示。

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

    PCM3350上運行WinCE操作系統。WINCE的開(kāi)發(fā)平臺Plateform Builder 4.0主要用來(lái)進(jìn)行相應的操作系統配置和編譯，由于微軟提供的標準串口驅動(dòng)不支持多串口共享中斷，而系統又沒(méi)有足夠的中斷供多串口使用，所以必須根據設置好3612的中斷和基地址開(kāi)發(fā)相應的可共享中斷的多串口驅動(dòng)。有了串口驅動(dòng)，將其加入到用戶(hù)組件庫中，然后再的加入相應的網(wǎng)卡，LCD顯示，CF卡，USB驅動(dòng),以及一些應用服務(wù)如：MFC類(lèi)庫，硬盤(pán)驅動(dòng)，另外加入Web Server用于遠程網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)。這些都確定后，然后配置相應的內存和上面各種功能的相應注冊表鍵值，然后編譯操作系統鏡像并下載，進(jìn)行相應的操作系統功能測試就可以了。

　　該監控系統應用軟件采用MCGS嵌入版組態(tài)軟件。它是基于Windows CE實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統的專(zhuān)門(mén)應用于嵌入式操作系統的應用組態(tài)軟件。運行時(shí)，監控系統將通過(guò)串口按照串行協(xié)議從控制器周期讀取數據并存儲在組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)數據庫中，并以圖形、文本、動(dòng)畫(huà)等形式顯示在液晶屏上，然后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)上位機查詢(xún)和數據同步[4]。
    由于采用了Wince.NET 嵌入式操作系統，使監控系統的實(shí)時(shí)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(hù)界面得到進(jìn)一步加強。整個(gè)系統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(diǎn)，可以在各種惡略環(huán)境下長(cháng)期工作。

5. 總結

　　到目前為止，工業(yè)控制系統中的自動(dòng)化設備仍然受專(zhuān)用硬件或工業(yè)化PC平臺的限制。專(zhuān)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(zhuān)用硬件更具有靈活性，但是由于振動(dòng)、灰塵、潮濕、高溫以及其它環(huán)境問(wèn)題的影響，工業(yè)化PC平臺經(jīng)常會(huì )出現故障和數據丟失。Windows CE操作系統是一個(gè)適合下一代互連工業(yè)自動(dòng)化設備的理想小體積嵌入平臺。WinCE還具有很強的實(shí)時(shí)性能，支持確定性的響應時(shí)間控制。Windows CE能從閃存啟動(dòng)，從而避免了暴露在灰塵、高溫和震動(dòng)環(huán)境下，使它可以適應惡劣的生產(chǎn)環(huán)境?；赪indows CE的嵌入式控制系統提供統一的、可伸縮的解決方案，將專(zhuān)用硬件的耐用性與PC的靈活性結合在一起。因此Windows CE在工業(yè)控制領(lǐng)域有著(zhù)很好的應用前景。

參考文獻

[1]陳向群，Windows CE.NET 系統分析及實(shí)驗教程[M]機械工業(yè)出版社
[2]胡虛懷 鄭若忠， WindowsCE的結構與特征分析[J] 計算機時(shí)代 2000年01期
[3]劉少情，吳慧中，王國中 基于WindowsCE 3.0的嵌入式系統開(kāi)發(fā) [J]計算機與現代化 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