（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式系统的组态软件研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 l 。 l 随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统得到了长足的发展，已 在工业控制领域得到广泛的应用。在工业控制领域中，经过多年的发展，组态软件 已成为了工控应用软件开发的主流模式。两者在工业控制领域内的蓬勃发展必将导 致他们的结合，即形成嵌入式组态软件。本文针对此发展方向，对嵌入式组态软件 进行了深入研究。护 本学位论文首先分别介绍了嵌入式系统定义、构成、特点和应用现状及前景， 一般组态软件的产生、发展、现状和前景。然后对嵌入式系统和组态软件的结合进 行了简要的论述，并介绍了目前嵌入式组态软件的发展状况，简要分析了其发展前 景。而且说明了本课题的目的和意义。 随后，论文从嵌入式系统的硬、软件平台入手，分析嵌入式系统的硬、软件构 成以及他们的特点。接着根据对国内外多种基于p c 的组态软件的分析，归纳总结了 一般组态软件的功能和结构。在这些分析基础上，集中讨论了嵌入式组态软件的功 能、结构，以及嵌入式组态软件不同于一般组态软件的特点。根据以上分析结果， 本文给出了一个嵌入式组态软件运行环境的模型。在该模型的设计中，主要研究了 嵌入式组态软件运行环境的功能模块划分，详细讨论了各模块中的核心数据结构的 抽象，数据结构间的关系，模块的访问、扩展接口，以及嵌入式组态软件的特点在 设计中的体现。 最后，在w i n d o w s 上建立了一个仿真测试环境，通过该仿真测试环境对模型的 各功能进行- j n 试。而且简单讨论了该模型中还存在的问题和完善嵌入式组态软件 需要继续研究的几个方向。 关键词：嵌入式系统：组态软件；嵌入式l i n u x ：工业控制 +v + o 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 吐lt h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dm i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ： e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r yc o n t r o lw i d e l y i nt h ef i e l do f i n d u s w i a lc o n t r o l ，t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eh a se v o l v e dt ot h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo v e r s e v e r a ld e c a d e s s oi t sat r e n dt oc o m b i n et h ee m b e d d e ds y s t e ma n dc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e a tt h e b e g i n n i n go ft h i sd e g r e ep a p e r t h ee m b e d d e ds y s t e ma n d c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ew e r ei n t r o d u c e d , t h e nt h ea c t u a l i t yo fe m b e d d e dc o n f i g u r a t i o ns o i h v a r ea n dt h e g o a la n dm e a n i n g o f t h i sp a p e rw a si n t r o d u c e d i nt h i s p a p e r , s t u d ys t a r tf r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mo fe m b e d d e d s y s t e m ，t h e na n a l y z e dt h ec h a r a c t e ro f t h ee m b e d d e ds y s t e m t h e nc o n s u l t i n gt h ef u n c t i o n o ft h et r a d i t i o n a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h ef u n c t i o na n da r c h i t e c t u r eo ft h ee m b e d d e d c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew a sa n a l y z e d b a s eo nt h er e s u l to fa n a l y s i s ，am o d e lo fr u n - t i m e e n v i r o n m e n to fe m b e d d e d c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew a sp r o v i d e d i nt h em o d e l ，t h er e s e a r c h a i m e da ts u c hs u b j e c t s ：t h ep a r t i t i o no ft h er u n - t i m ee n v i r o n m e n t sf u n c t i o nm o d u l e s ，t h e c o r ed a t as t a u c t u r e so f e v e r yf u n c t i o nm o d u l ea n dt h er e l a t i o n s h i po ft h o s es t r u c t u r e s ，t h e a c c e s sa n de x t e n di n t e r f a c eo f e v e r yf u n c t i o nm o d u l e as i m 山a t i o nt e s te n v i r o n m e n tw a sa s t a b l i s h e do nt h ew i n d o w s a n dt h ef u n c t i o no f t h em o d e lw a st e s t e di nt h ee n v i r o n m e n t a tt h ee n do ft h i sp a p e r , s o m e q u e s t i o n si nt h e m o d e la n ds e v e r a lr e s e a r c hd i r e c t i o n so f p e r f e c t i n ge m b e d d e d c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew e r e d i s c u s s e d k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；e m b e d d e dl i n u x i n d u s t r i a lc o n l r o l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 嵌入式系统介绍 1绪论 1 1 1 嵌入式系统的定义 随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系纠1 心已经深入到众多的应 用领域中，并发挥着越来越重要的作用，因此近年来，嵌入式系统已成为一个人们 关注的热门话题。嵌入式系统一般指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬 件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计 算机系统【3 l 。它是可以嵌入于宿主设备以辅助宿主设备高质量完成其功能为目的的小 巧而相对廉价的计算机系统。它可以是自成完整计算机体系的微控制器( 单片机) 或是由微处理器为之构成的计算机系统【4 j 。 1 1 2 嵌入式系统的构成 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。硬件部分可分三层【6 l ：核心处理器、 外围电路和外部设备。核心处理器是嵌入式系统的核心部件，负责控制整个嵌入式 系统的执行。外围电路包括嵌入式系统的内存、f o 端口、复位和电源等，与核心处 理器一起构成一个完整的嵌入式目标系统。外部设备是嵌入式系统与真实环境交互 的各种设备，包括存储设备( 如f l a s hc a r d ) 、i o 设备( 如键盘、鼠标、l c d 等) 和打印设备( 打印机、扫描仪等) 。 嵌入式软件从广义上讲是计算机软件的一种。它是由程序及其文档组成，也可 分为系统软件、支撑软件、应用软件三类【”。系统软件包括设备驱动接口和嵌入式操 作系统喁j 。设备驱动接口负责嵌入式系统与外部设备的信息交互。嵌入式操作系统 分成基本和扩展两部分。前者是操作系统的核心，负责整个系统的任务调度、存储 分配、时钟管理和中断管理，并提供文件、g u i 等基本服务：后者是为用户提供扩 展功能，包括网络、数据库等【6 】。嵌入式操作系统具有小巧、实时性、可装卸、固化 代码、弱交互性、强稳定性和统一接口的特点，它的出现，大大提高了嵌入式系统 的开发效率一j ，并增强了嵌入式支撑软件和应用软件的可移植性。支撑软件可称为应 华中科技大学硕士学位论文 用编程中间件，是为编制应用程序提供的各种编程接口库【6 】。而嵌入式应用软件是实 现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式系统应用软件的要求也和通用计算机有所不同， 软件要求固态化存储，代码高质量、高可靠性【1 0 r ，同时可裁剪性，可移植性也是重 要的要求。 1 1 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统与通用计算机系统相比，嵌入式系统有以下特点【5 j 【6 j i ： 专用性：嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，专用性是指嵌入式 系统针对特定应用、特定设备完成特定任务。 可嵌入性：指嵌入式系统可嵌入目标系统内部，构成整体系统。 实时性：实时性指与实际事件的发生频率相比，嵌入式系统能够在可预知的极 短时间内对事件或用户的干预做出响应。 可靠性：可靠性是指嵌入式系统的健壮可靠性，嵌入式系统多为非计算机专业 人士使用，使用环境条件恶劣，因此要求它健壮、可靠。 多样性：嵌入式系统应用广泛，目前品种繁多、形式多样。 技术密集：嵌入式系统是计算机技术、微电子技术和行业技术相结合的产物， 因此，它必然是一个技术密集、不断创新的知识集成系统。 开发困难：嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后，用户通 常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开 发。 性价比高：嵌入式系统是资源开销小的高性能价格比系统。嵌入式系统的发展 离不开应用，应用的共同要求是系统资源开销小，由于嵌入式系统技术日益完善， 各种高性能嵌入式应用系统层出不穷，它已是资源开销小的高性能价格比的类应 用系统。 1 1 4 嵌入式系统的应用现状与前景 目前，p c 机主要应用在办公室自动化领域，而嵌入式系统已经广泛渗透到人们 的工作、生活中：家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航 空、军事装备、制造工业、过程控制等洲1 2 1 【1 3 1 。 华中科技大学硕士学位论文 从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断性的。占整个计算机行业9 0 的p c 产业，8 0 采用i n t e l 的x 8 6 体系结构，芯片基本上出自i n t e l ，a m d ，c y r i x 等几 家公司。在几乎每台计算机必备的操作系统和文字处理器方面，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及w o r d 占8 0 9 0 ，凭借操作系统还可以搭配其它应用程序。因此当代的通用计算 机工业的基础被认为是由w i n t e l ( m i c r o s o f t 和i n t e l 9 0 年代初建立的联盟) 垄断的工业。 嵌入式系统则不同，嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业，充满了竞 争、风险【1 4 l 、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。 即便在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能由少数公司、 少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的， 留给各个行业商新技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是在不 断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式 工业发展的强大动力i z j 。 综上所述，嵌入式系统技术日益完善，随着它与网络、i n t e r a c t 结合的日益密切， 它已融入了人们生活的各个角落，可以预见，嵌入式系统应用将日益广泛。 1 ，2 组态软件介绍 1 2 1组态软件的产生【1 5 1 【1 6 l 现代工业的生产技术、工艺过程日趋复杂，生产设备及装置的规模不断扩大， 企业生产自动化程度要求也越来越高，出现了各种分布式监控与数据采集系统 ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 。然而针对不同的生产工艺过程需 要编制不同的控制软件，工控软件开发周期长、困难大。工业被控对象稍有变动就 必须修改源程序。若购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小或不能 满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到限制。而且在s c a d a 系统中，要求监控软件实时性好、通信能力强、界面友好、易于操作、图形丰富、 开发周期短、便于修改、扩充、升级等等。在这种形势下，组态软件孕育而生【1 5 】。 8 0 年代末，随着个人计算机普及和开放系统概念的推广，基于个人计算机的监 控系统开始走入市场并迅速发展。组态软件作为个人计算机监控系统的重要组成， 比p c 监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。世界上第一个将组态软件作为商品 - _ _ _ _ _ _ - - 一 3 华中科技大学硕士学位论文 进行开发、销售的专业软件公司是美国的w o n d e r w a r e 公司，它于8 0 年代末率先推 出工控组态软件i n t o u c h l l 7 】，此后工控组态软件不断发展壮大。工控组态软件的出现， 把用户从编程的困境中解脱出来，利用组态软件的可以方便快捷地构建一套最适合 自己的应用系统。 目前世界上的组态软件有近百种，总装机量有几十万套。国内组态软件在我国 研究始于8 0 年代末，到1 9 9 5 年以后，我国组态软件的应用逐渐得到了普及，广为 自动化工程设计人员所喜裂1 6 1 。 1 2 _ 2 组态软件的特点及其发展前景 组态软件功能强大，易于使用，组态软件的一般特点有：界面友好、易于操作、 强大的图形组态功能、开放性结构、强大的数据库、丰富的功能模块、多种数据驱 动程序、强大的通讯功能，而且开发周期短、便于修改、扩充和升裂1 5 】。 当前，计算机的发展日新月异，围绕着工控计算机的自动化集成系统新产品新 技术的推陈出新，组态软件将会在其中扮演越来越重要的角色。随着国有大中型企 业的改制不断深化，传统基础工业的自动化改造步伐会继续加快，而且国内工业控 制系统中计算机系统的逐渐成熟和普及，组态软件市场得到了快速的发展。国产组 态软件在目前国内加大工业投资、控制工程数量剧增的情况下、到了一个黄金发展 时机【1 8 1 。 总的来看，组态软件市场从1 9 9 9 年后期进入了一个高速增长的时期。国内各家 组态软件公司虽然相互存在差距，但还没有哪一家形成事实上的垄断，市场空间极 为广阔。 1 9 1 1 ，3 嵌入式系统上的组态软件 今天，在工业控制领域中嵌入式系统和组态软件都正以前所未有的速度蓬勃发 展，两者的结合将是必然的趋势。随着嵌入式系统的广泛应用，人们对人机界面的 要求逐步提高，同时对嵌入式系统的应用程序的开发平台和开发周期要求越来越高。 而组态软件正是解决这些要求的有效途径。 嵌入式组态软件以一定形式的嵌入式硬件为载体，为用户提供方便快捷的应用 程序开发平台，使用者是不用特意去了解其中嵌入的是何种操作系统的【2 0 i 。组态软 华中科技大学硕士学位论文 件为用户屏蔽了底层硬件及操作系统的一些细节，以友好的可视化界面面对应用程 序开发人员，使开发人员把主要的精力集中在自己的应用程序的开发上来，从而大 大提高开发效率，缩短开发周期。 嵌入式组态软件不同于一般的组态软件，它有体积小、速度快、成本低、真正 嵌入、稳定性高、功能强大、通信方便、操作简便和支持多种设备的特点。他所需 内存空间小，运行效率高，运行的硬件平台要求价格低廉，运行于实时嵌入式操作 系统上，运行稳定抗干扰能力强，具有强大的通讯功能，且用户开发、使用操作简 单。 1 4 本课题的目的与意义 本文的课题以武汉某公司提出的可移动一般工业监控系统便携式巡检终端为基 础提出的。其研究目的是分析基于嵌入式平台的组态软件的功能和特点，并根据分 析结果，研究嵌入式组态软件的结构，设计具有一般意义的嵌入式组态软件开发平 台和运行平台，最后实现一个可用的嵌入式组态软件系统。 嵌入式组态软件的研究实际上是对嵌入式系统工业应用程序开发平台的研究， 它的成功将极大的方便嵌入式系统上工业应用程序的开发，从而极大促进嵌入式系 统在工业控制领域的应用。目前，嵌入式系统在工控领域中的应用正处于高速增长 的时期，对嵌入式组态软件有巨大的需求。纵观国内、外工控领域，几乎所有的工 业组；蠡软件厂家的产品都只基于p c 平台。大部分厂家还只是停留在p c 平台上完善 其产品的功能。目前只有少数公司开始类似嵌入式组态软件的开发。如北京红石同 兴网络技术有限公司开发的红石嵌入式组态软件，基于微软最新w i n d o w sc e4 0 平台：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的m c g s 嵌入版组态软件【删。可见， 目前在该领域国内市场需求巨大但竞争者寥寥。这也正是本文研究的意义所在。 _ _ _ - _ _ _ 一 5 华中科技大学硕士学位论文 2 基于嵌入式系统的组态软件系统分析 2 1 传统组态软件的功能结构分析 2 1 1 传统组态软件的功能、结构分析 所谓传统组态软件指基于p c 的组态软件。目前国内外都有大量此类组态软件， 如国外的i n t o u c h 、w i n c c ，国内的组态王、力控、m c g s 和c o n t r o x 等 2 1 h 2 2 1 。这些 组态软件都是以工业p c 机为硬件基础，以m i c r o s o f t 的w i n d o w s 为软件平台的。从 功能上分析，他们都具有以下功能：f 1 5 】【1 6 l 【2 3 】 ( 1 ) 强大的图形组态功能：组态软件大都基于w i n d o w s 平台，充分利用了其图形 功能完备，界面一致性好，易学易用的特点。开发快捷方便，通用性高。丰富的动 画连接如“闪烁”、“旋转”、“填充”、“移动”等，使画面生动直观。 ( 2 ) 脚本语言：脚本语言也称命令语言、控制语言。用户可根据自己需要编写脚 本程序，进行二次开发。组态软件在脚本语言功能及提供的脚本函数数量上不断提 高。 ( ：，) 开放式结构：组态软件能与多种通讯协议互联，支持多种硬件设备。既能与 低层数据采集设备通讯，也能与管理层通讯。 ( 4 ) 提供多种数据驱动程序：用于和i o 设备通讯，互相交换数据。d d e 和o p c c l i e n t 是两个通用的标准i o 驱动程序，用来支持d d e 标准和o p c 标准的i o 设备 通讯。 ( 5 ) 强大的数据库：负责整个应用系统的实时数据处理、历史数据存储、报警处 理，完成与过程的双向数据通讯。 ( 6 ) 丰富的功能模块：组态软件以模块形式挂接在基本模块上，互相独立提高了 系统可靠性和可扩展性。利用各种功能模块，完成实时监控、报表生成、实时曲线、 历史曲线、提供报警等功能。 从结构上看，传统组态软件都采用开发环境和运行环境的结构方式。系统开发 环境是应用程序的集成开发环境，在此环境中完成界面的设计、变量的定义、动画 华中科技大学硕士学位论文 连接等，通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用程序，供系统运 行环境时使用。系统运行环境下目标应用程序投入实时运行，显示开发环境中建立 的动画图形画面，并负责数据库与i o 服务程序的数据交换 2 4 】。 传统的组态软件硬、软件平台单一，功能强大，使用方便，而且随着o p c 规范 的提出，组态软件进入了一个新的发展阶段。o p c 规范为不同系统的互连互通提供 了完整的解决方案，使组态软件的开放性更好，数据通讯能力更强。 2 1 2o p t 规范简介( 2 5 t 勰田- 舶2 9 1 今天的控制系统越来越复杂，各种设备越来越多，由于不同厂家的设备具有不 同的通信机制，迫使工控软件中包含越来越多的底层通讯模块；同时，由于不同工 控软件中的通讯模块访问接口各有特色，因而造成了工控软件相互之间不能通信， 软件资源不能共享；另外，硬件设备的改动很可能导致整个软件的修改，给软件的 设计和维护造成极大的不便。即使厂家提供了设备的访问接口，但由于不同厂家的 接口设计不同，用户要花大量时间和精力去熟悉各种不同接口，无形中增长了开发 周期。o p c 规范正是为了解决这些难题而提出的。 o p c 全称o l ef o rp m c sc o n t r o l ，它是专为过程控制而设计的基于c o m 组件 技术的标准。o p c 规范描述了o p c 服务器实现的c o m 对象和接口，o p c 规范接口 有两种类型：自定义接d ( c i l s t o mi n t e r f a c e ) 和自动化接( a u t o m a t i ci n t e r f a c e ) 。o p c 规范详细说明了这些c o m 接口，但不规定实现这些接口的细节。已发布的o p c 规 范主要由数据存取、报警于事件处理、历史数据存取、批处理以及安全等服务器规 范1 3 0 。 o p c 规范的关键在于它提供了一种开放、高效的客户j j l i t 务器模式的通信机制， 它所关心的是现场数据的存取方式而不是实际的数据类型，它给工控软件提供了一 种一致的存取现场设备数据的方法，它具有语言无关性、代码重用性、易于集成等 优点。 采用o p c 规范设计工控软件，以标准规定的统一接口通过服务器存取现场数据。 o p c 服务器中的代码确定了服务器所存取的设备和数据、数据项的命名规则和服务 器存取数据的细节，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问， 从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱离出来。客户应用 华中科技大学硕士学位论文 程序仅需使用标准接口和服务器通信，而并不需要知道底层的实现细节。通过o p c 服务器，o p c 客户既可以直接读写物理i o 设备的数据，也可操作s c a d a 、d c s 等系统的端口变量( 只要该系统提供o p c 服务) 。这样，当现场设备发生改变或系 统中加入新设备时，由于服务器所提供的接口的一致性，工控软件不作更改( 或仅 需要重新组态) 即可继续使用，大大减小了软件维护的工作量，另一方面，工控软 件的升级不依赖于服务器可独立进行p ”。 o p c 规范技术完全支持分布式应用和异构环境下应用程序之间软件的无缝集成 和互操作性，它使设备层、自动化层以及信息层之间的协同工作成为了可能。并且 提供r 工业自动化应用的统一数据传输平台，使异构系统之间的数据交换更为方便 3 2 1 。 目前的组态软件都提供了o p c 访问机制，可以访问o p c 服务器采集数据并将自 己作为o p c 服务器对外提供数据。 2 1 3 o p c 规范及现有组态软件对嵌入式平台的不适应 o p c 规范的提出，为传统的组态软件提供了广阔的发展空间，使得组态软件的 开放性、灵活性、健壮性都得到了很大的提高。然而传统的组态软件由于依赖的硬 软件平台与嵌入式系统的硬软件平台有很多不同之处，所以传统组态软件对嵌入式 系统表现出一些不适合。 目前传统的组态软件一般硬件平台为p c 机或工业p c ，性能优良，处理速度快， 软件平台为w i n d o w s 平台，功能强大，界面优美，而且提供对c o m 的支持，因此 可以方便的实现o p c 规范。而在嵌入式系统中，一般硬件平台能力有限，处理能力 和容量都有限，而且嵌入式操作系统多为非w i n d o w s 系统，因此很少有对c o m 的 支持。传统组态软件是根据其软硬件平台设计的，因此对硬件计算能力要求较高， 对w i n d o w s 平台的依赖性很强。而且w i n d o w s 平台本身就是需要大量资源的操作系 统，基于c o m 的o p c 机制也需要较强的硬件计算能力。所以对于嵌入式系统，传 统组态软件显得过于庞大，嵌入式系统的能力有限，需要灵巧、高效的组态软件。 目前除少数的嵌入式操作系统，如v x w o r k s 3 引，一般的嵌入式操作系统都不支持o p c 规范。因此基于嵌入式系统的组态软件在o p c 技术的实现上，需要等待嵌入式操作 系统的进一步发展。 华中科技大学硕士学位论文 2 2基于嵌入式系统的组态软件功能、结构分析 2 2 1嵌入式系统硬件平台分析 嵌入式系统硬件平台主要由嵌入式微处理器、存储器、输入输出设备和外围电 路组成。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器【3 】【3 “。目前嵌入式处理器有微处理器、 微控制器、d s p 和s o c 。嵌入式微处理器一般具备4 个特点： 1 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度。 2 + 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化。而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，设计了强大的存储区保护功 能，同时也有利于软件诊断。 3 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理 器。 4 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和 通信设各中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m w 甚至口w 级。 嵌入式系统的存储器分内存和外存，内存和p c 机一样，只是容量较小，外存则 不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s h m e m o r y ) 作为存储介质。输入输出设备包括l c d 、触摸屏、串口和小键盘。外围设 备包括电源、时钟、网络接口等外部设备。 嵌入式系统硬件平台的核心是嵌入式微处理器，目前嵌入式微处理器种类繁多， 而且嵌入式系统的硬件平台可以根据用户需要进行裁剪，因此嵌入式系统的硬件平 台还没有统一的标准。这就决定在嵌入式系统上没有哪个软件平台能够一统天下， 也就导致了嵌入式系统软件平台的多样性。 2 2 2 嵌入式系统软件平台分析 嵌入式系统的软件平台主要指嵌入式操作系统，它是嵌入式系统的灵魂，是嵌 入式应用软件的基础和开发平台。它通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内 核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器b r o w s e r 等。与通用操作 系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化 9 华中科技大学硕士学位论文 以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点p j 。 一般情况下，嵌入式操作系统按实时性能可分为两类：一类是面向控制、通讯 等领域的强实时操作系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 口”、i s i 的p s o s 、q n x 系 统软件公司的q n x 3 6 1 、a t i 的n u c l e u s 。另一类是面向消费电子产品的弱实时操作系 统，这类产品包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等， 比较著名的有w i n d o w sc e 、p a l mo s l j 7 1 。 目前嵌入式操作系统一般采用微内核、模块化结构。即一个实时内核和一堆组 件或库，根据系统需求，可以对嵌入式操作系统进行配置。在内核基础上、当只有 个别的组件时，可以形成只有几十k b 的操作系统；当配备了许多组件和库时、则 构成了功能强大、规模达几百k b 的操作系统。 总的来说，嵌入式操作系统的典型特点有： 1 实时性。 2 内核支持多任务，采用多种调度算法。 3 提供丰富的任务或线程间同步或通信机制。 4 可配置性。根据不同需要在内核基础上配置不同的模块。 5 可移植性。即广泛适用于各种c p u 体系结构、支持外设的能力。这是嵌入 式操作系统适应嵌入式系统硬件差异所必需的。通过采用板支持包冈f b s p ) 技术或硬 件抽象层( h a l ) 技术，嵌入式操作系统有了很强的移植能力。 6 可靠性。这是保证嵌入式系统可靠性的重要环节。 7 确定性。即做某件事花费的时间是有限的和可预测的。在实时性要求高的关 键领域，每个任务能否预期执行是很关键的。在嵌入式操作系统中、访问资源的系 统调用常是非阻塞的就是为了保证确定性【3 8 】。 田上述内容可见，嵌入式系统的软件平台即嵌入式操作系统与p c 机上的 w i n d o w s 有较大差别，嵌入式操作系统更加强调实时性、可配置性、可靠性和高效 性。目前，嵌入式操作系统是百家争鸣，各具特色，它们的a p i 接口一般都不兼容， 在图形界面方面也一般采用自己的g u i 系统。因此在设计嵌入式平台上的组态软件 时，需要根据嵌入式系统软件平台的特点来设计，尽量考虑到与平台的无关性，可 移植性等。而不能像传统组态软件那样直接扎根于w i n d o w s 平台上，大量利用 w i n d o w s 的基础设施，与w i n d o w s 深入融合。对于o p c 规范，由于一般嵌入式操作 华中科技大学硕士学位论文 系统不提供对m i c r o s o f t 的c o m 技术的支持，因此嵌入式组态软件在这方面的发展 还要等待嵌入式操作系统的进一步发展，但o p c 的思想却可以充分利用。 2 2 3 基于嵌入式系统的组态软件功能、结构分析 基于嵌入式系统的组态软件也是组态软件，只是它是运行在嵌入式系统上的， 它所依赖的硬软件平台与传统组态软件不同。但是作为组态软件，其基本功能是不 变的。因此基于嵌入式系统的组态软件应该具有以下功能： 1 强大的人机界面功能：功能强大的人机交互界面，可以实现各种图形组态， 并实现丰富的动画连接如“闪烁”、“旋转”、“填充”、“移动”等，使画面生动直观。 实现改变控制参数、发送控制命令、浏览控制状态等人机交互功能，通过网络通信 还可以轻松实现远程人机交互功能。 2 强大的数据库：组态软件需要一个实时数据库作为整个系统数据处理、数据 组织和管理的核心。负责整个应用系统的实时数据处理、历史数据存储、报警处理， 完成与过程的双向数据通讯。 3 数据处理功能：组态软件要有强大的数据前处理功能，当数据由硬件设备采 集到后，经过一系列由用户指定的处理方式，最终形成具有实际意义的工程数据。 组态软件需要内含比较模块、数学模块、数组模块、逻辑模块等，不仅要可以实现 通常的数学运算，还要可以进行数组运算、查表运算、插值运算等复杂的数学运算， 以便能够满足所有控制场合的应用。 4 逻辑控制功能：逻辑控制是自动控制中常用的方法，软件需要内含逻辑模块、 定时器模块、计数器模块、移位控制器模块、计数控制器模块、脉冲发生器模块来 实现所有常见的逻辑控制功能。 5 回路控制功能；组态软件不仅需要实现顺序控制，还要实现循环、跳转、判 断、中断等复杂的流程控制，满足不同场合、不同控制过程的需要。 6 硬件交互功能：针对不同的硬件设备，需要给出统一的设备驱动接口，以便 挂接各种设备的驱动程序。 7 网络通信功能：统一的通讯接口，支持串口通信、m o d e m 串口通信、以太网 t c p i p 通信，不仅可以方便快捷的实现远程数据传输，还可以通过w e b 浏览功能， 在整个企业范围内浏览监测到整个的生产信息，实现设备管理和企业管理的集成。 一-_一1 1 华中科技大学硕士学位论文 8 绝对可靠的安全管理机制：组态软件需要提供了一套完善的安全机制，用户 能够自由组态控制菜单、按钮及退出系统的操作权限，只允许具有操作权限的操作 员对这些功能进行操作p 9 1 。 由上述可见，嵌入式系统上的组态软件的功能和传统组态软件基本相同，但由 于在嵌入式平台上，所以强调的功能有所不同。嵌入式组态软件更强调控制和实时 性、而传统组态软件更强调数据的后处理和监控界面。当然对于完整的控制系统来 说二者都是不可缺的。 嵌入式组态软件的结构可以借鉴传统组态软件的结构，采用开发环境和运行环 境结构。开发环境位于w i n d o w s 平台上，开发后生成目标应用文件。运行环境位于 嵌入式系统上，从开发环境中下载目标应用文件，根据该文件信息组织运行环境内 的模块进行运行。这样的结构可充分利于w i n d o w s 界面友好，操作简便的优点，有 效提高开发效率。 2 2 4 嵌入式系统组态软件设计要考虑的几个重要方面 根据嵌入式系统组态软件的功能进行设计，在设计中还需考虑以下几个方面的 问题： 1 可移植性：嵌入式系统是面向应用的，很大程度上是根据用户需要定制的， 所以不同的嵌入式系统之间的硬、软件平台差异可能很大，因此在设计时，必须要 考虑到组态软件的可移植性。在设计中应尽量使组态软件独立于硬、软件平台，组 态软件与硬软件平台保留一致的接口便于向不同的平台上移植。 2 可裁剪性：由于嵌入式系统的资源有限、需求不同，因此组态软件应该可以 根据具体嵌入式系统的情况添加、减少不同的功能模块，使嵌入式系统组态软件体 积最小、没有冗余，有效节省资源。 3 开放性：嵌入式系统的使用日益广泛，在各个领域都有许多特定的应用，组 态软件的开发者不可能将所有应用模块都开发出来，唯一的方法是给用户提供一个 开放式的组态软件结构，提供一个统一的接口，然后让用户根据自己的需要来开发 符合接口的应用模块。而且开放性的结构有利于组态软件的不断升级换代。所以只 有开放性的组态软件才会赢得用户而生存下去。 4 快速高效性：嵌入式系统大量应用于工业控制、数据采集等行业，这些行业 2 华中科技大学硕士学位论文 的应用对实时性要求较高，也就要求组态软件运行的快速高效性。因此在组态软件 的设计中，要考虑到数据的查找、修改、排序等具体操作对快速高效性的影响。 综上所述，随着嵌入式系统的发展，在工业控制领域中嵌入式系统已初露锋芒， 大量出现在实时数据采集、过程控制中，嵌入式组态软件正是应这种的发展趋势而 产生的，而它的发展必将促进嵌入式系统在该领域的发展。嵌入式组态软件与传统 组态软件在功能上基本相同，但更强调实时数据处理、控制逻辑等。而且其硬、软 件平台没有单一标准，种类繁多，因此需要强调与平台的无关性、可移植性等。在 嵌入式组态软件的设计中，应充分考虑嵌入式系统的硬、软件平台特点，并借鉴传 统组态软件的设计思想，将它们融入到组态软件的核心中，这样，设计出来的组态 软件才能有较强的生命力。 一_一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3 嵌入式组态软件的具体设计 3 1嵌入式组态软件总体设计 整个嵌入式组态软件设计为开发环境和运行环境两部分。开发环境基于p c 机和 w i n d o w s 平台，是应用程序的集成开发环境，提供直观的可视化开发界面和丰富的 图形、设备库。在此环境中用户完成界面的设计、变量的定义、动画连接等，通过 建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用程序，供系统运行环境时使用。 运行环境运行在嵌入式系统的嵌入式操作系统上，目前设计为嵌入式l i n u x 上。 当目标应用程序开发好以后，从上位机下载到嵌入式系统上，然后启动运行。目标 应用程序投入实时运行，显示开发环境中建立的动画图形画面，并负责数据的采集、 流程的监测与控制。 w m d o w s 是目前p c 机上最流行的操作系统，图形功能完备，界面一致性好，易 学易用，而且广大开发人员已习惯了该平台。因此开发平台选择w i n d o w s 平台。 目前有多种流行的嵌入式操作系统，嵌入式l i n u x 也是其中一种，而且由于它是 自由软件，因此更引人瞩目。嵌入式l i n u x 具有体积小，稳定可靠、可裁剪性、可 移植性好等众多优点，而且它的开放源码使得开发人员可以深入其内核进行研究， 有助于更好的研究、开发自己的系统。而且如同l i n u x 样，它正在被越来越多的 人接受，它的应用前景非常广阔【帅】。因此我们选择嵌入式l i n u x 作为我们研究嵌入 式组态软件的软件平台。 在嵌入式l i n u x 操作系统上，由于操作系统自身没有提供图形用户接口( g u i ) 系统，所以要实现嵌入式组态软件的图形界面首先需要在嵌入式l i n u x 上选择个 g u i 系统，为此，我们选择了m i c r o w i n d o w s 系统。m i c r o w i n d o w s 是一个类 w i n 3 2 w i n c e 的图形用户接口( g u i ) 系统，它是由美国c e n t u r y s o f f w a r c 公司主持 开发的一个开放源码项目。整个g u i 系统基于消息驱动，采用了类w i n d o w s 的体系 结构和兼容w i n 3 2 w i n c e 的a p i f 4 ”。虽然目前还有许多其它的g u i 系统，如 m i n i g u l l 4 2 1 、t i n yx 、g t k f b 、q t e m b e d d c d 等，但m i c r o w i n d o w s 系统有一个最大 的优势就是它的a p i 和体系结构与w i n d o w s 兼容，这个优点有利于开发环境和运行 华中科技大学硕士学位论文 环境的一些共用模块的开发，如h m i 模块，其中包括图形的绘制、设备的绘制。如 果换成其它的g u i 系统，则需要为开发环境和运行环境分别开发一套模块，增加了 重复劳动。同时，m i c r o w i n d o w s 式开放源码的系统，这就与嵌入式l i n u x 一样，有 利于研究的深入。 虽然开发环境和运行环境处于不同的软硬件平台中，但他们的结构是基本类似 的，其中的一些模块的功能也是相同的，因此应尽量保证模块的通用性和可移植性， 以便于一次开发，两个平台都可使用，或者只需少量修改。在模块的设计上，应尽 量抽象出自己的数据结构，而且对于与平台a p i 联系紧密的部分，采用统一的接口 来屏蔽平台间a p i 的不同。整个系统采用c 语言编写，这样有利于保证整个系统的 通用性和可移植性。 嵌入式系统上的运行环境是嵌入式组态软件的核心部分，也是嵌入式组态软件 研究的根本内容，因此下面主要介绍运行环境的具体框架结构设计，即功能模块的 划分和各功能模块的核心数据结构及模块的外围接口。 3 2 运行环境总体框架 3 2 1总体框架模块划分 根据前一章对嵌入式组态软件功能的分析和设计原则的讨论，我们进行了运行 环境的具体设计。下面给出了总体框架图。 由图3 1 可见，整个运行环境主要由主界面( 玎订i ) 模块、逻辑控制模块、全局y o 数据库模块、输入输出队列、通讯模块和通讯接口组成。下面简要介绍个模块的功能。 主界面( h m i ) 模块是人机交互的界面，采用图形界面方式，配合各种动画效果 直观、清晰、生动的表达人们所需的现场数据和设备状态。主界面模块的主要任务 是绘制、管理图形界面，更新界面上数据的变化、设备的状态，提示报警，提供数 据报表等。同时要响应用户输入，完成与用户的交互。 逻辑控制模块是实现控制算法的模块。在前面嵌入式组态软件功能分析中曾指 出，实现现场设备、过程控制是嵌入式组态软件强调的一点，因此逻辑控制模块是 嵌入式组态软件中重要的组成部分，其中包含逻辑模块、定时器模块、计数器模块、 移位控制器模块、计数控制器模块、脉冲发生器模块来实现所有常见的逻辑控制功 华中科技大学硕士学位论文 能。同时，此模块提供一套统一的接口，用户可以根据自己的需要来编写符合此接 口的自己的逻辑控制模块。 图3 1嵌入式组态软件运行环境总体框架图 全局i 0 数据库模块是整个系统的数据处理、数据组织和管理的核心，它的功能 就是接收来自通讯模块的数据，存储、管理数据，然后向上层的主界面模块和逻辑 控制模块提供统一的数据访问接口。全局实时数据库还提供主动触发机制，即当某 个数据改变或某个条件满足时，主动触发事件通知上层主界面模块和逻辑控制模块。 输入输出队列是通讯模块和全局i 0 数据库联系的通道，通讯模块和全局实时数 据库通过这两个队列进行数据交换，采用这样的设计是为了避免通讯模块对全局实 时数据库的直接操作，同时是一种缓冲机制，提高通讯效率。当通讯数据量较大时， 通讯模块收到数据后直接将数据填入队列，然后准备下一批数据的接收，如果没有 1 6 华中科技大学硕士学位论文 此队列，则通讯模块要等待上次数据被数据解析模块处理完，然后将数据传给数据 解析模块后才能准备接收下一批数据。 通讯模块负责整个系统的数据采集和通讯功能，它利用各个通讯接1 3 连