（机械制造及其自动化专业论文）基于minigui的嵌入式旋转机械状态监测系统开发.pdf

中文摘要 基于m i n i g u i 的嵌入式旋转机械状态监测系统的开发 研究生姓名：李丛颖 导师姓名：许飞云副教授 学校名称：东南大学 嵌入式技术的迅猛发展，使得研制具有自监测能力的智能化机械设备成为热点。文章对嵌入式 远程状态监测和故障诊断系统进行了需求分析，提出了嵌入式远程状态监测系统的总体结构，并且 对基于m i n i g u i 和嵌入式l i n u x 的状态监测软件实现的关键技术进行了研究。 文章借助结构化分析法工具对嵌入式远程状态监测与故障诊断系统进行了较详细的需求分析， 并提出了嵌入式远程状态监测和故障诊断系统的总体结构。系统通过使用先进的嵌入式操作系统， 结合数据信号处理器技术，采用主从式结构来构造状态监测系统，实现了数据采集，处理、通信及 图形监测的并行执行，使系统具有较好的实时性和可靠性。所设计的系统结构采用8 s 模式，为远 程用户对设备的状态监测及故障诊断提供了便利平台。 对嵌入式l i n u x 系统和m i n i g u i 图形用户界面支持系统的开发模式进行了探索。包括嵌入式 l i n u x 操作系统的定制、图形用户界面支持系统m i n i g u i 的移植、嵌入式l i n u x 应用软件开发技术、 嵌入式g u i 应用软件开发技术，并编制了基于l l i n i g u i 的嵌入式状态监测软件。软件实现采用了模 块化方法，再辅之以网络支持，满足了系统的远程维护、升级的要求，提高了系统的柔性，使系统 框架结构具有较好的开放性、可移植性和通用性。 关键词：状态监测，嵌入式系统，嵌入式l i n u x ，m i n i g u i 英文摘要 d e v e l o p m e n t o fe m b e d d e dr o t a t e dm a c h i n ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nm i n i g u i b y l i c o n g y i n g s u p e r v i s e d b y a s s o c i a t e p r o f x u f e i y u n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y d u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g i e s ，d e v e l o p i n gi n t e f l l i g e n t i z e dm e c h a n i c a l e q u i p m e n t sw i t hs e l f - m o n i t o r i n ga b i l i t yi sb e c o m i n go n eo ft h em o s ta t t r a c t i v er e s e a r c ht o p i c s o nt h e b a s i so fr e q u i r e m e n t a n a l y s i s f o re m b e d d e dc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m , t h ea r c h i t e c t u r eo f l o n g - d i s t a n c ec o n d i t i o nm o n i t o rs y s t e ma n dk e yi s s u e si ns o f t w a r er e a l i z a t i o nb a s e do nm i n i g u ia n d e m b e d d e dl i n u xa r es t u d i e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i st ot h ee m b e d d e dc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m i nv i r t u eo fs t r u c t u r i n ga n a l y s i st o o l so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，ag r o s sa r c h i t e c t u r ei sg i v e ni nt h ep a p e r w i t ht h em a s t e r s l a v ef r a m e w o r kc o n s t r u c t e db yt h ea d v a n c e de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ( o s ) ， e m b e d d e di n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t e c h n o l o g y ，c o n c u r r e n te x e c u t i o na m o n g d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n gc o m m u n i c a t i o na n dg r a p h i c a lm o n i t o r i n gi sr e a l i z e de a s i l y ，a n dt h e t e a l - t i m ea b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya r ei m p r o v e da l s o m o r e o v e r ，t h eb ss t r u c t u r ei sa d o p t e di nt h es y s t e mt o p r o v i d eaw o r ks i t ef o rl o n g - d i s t a n c ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s t h ed e v e l o p i n gm o d eo ne m b e d d e dl i n u xs y s t e ma n dg r a p h i c su s e ri n t e r f a c es u p p o r ts y s t e m - m i n i g u ii sd i s c u s s e di nt h ep a p e r , i n c l u d i n gc u s t o m i z a t i o no fl i n u xo s ，t r a n s p l a n to fm i n i g u i ， d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo fa p p l i c a t i o ns o f t w a r eb a s e d0 1 1e m b e d d e dl i n u xa n dm i n i g u i g r a p h i c a l m o n i t o r i n gs o f t w a r eb a s e do nm i n i g u iu n d e rc u s t o m i z e dl i n u xo si sd e v e l o p e d t h em o d u l i z a t i o n m e t h o di sa p p l i e di nt h es o f t w a r ed e s i g n ，w i t ht h en e t w o r ks u p p o r t ，t h er e m o t em a i n t e n a n c ea n du p g r a d e f u n c t i o nc a nb ea c h i e d e d t h ed e s i g n e ds y s t e mi so p e n - s t r u c t u r e ，t r a n s p l a n t a b l ea n du n i v e r s a lw i mh i g l l f l e x i b i l i t y k e yw o r d s ：c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e dl i n u x ，m i n i g u i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：奎垒塑导师签名： 第一章绪论 1 1 课题意义 第一章绪论 旋转机械是工业上应用最广泛的机械。许多大型旋转机械，还是石化、电力、冶金、煤炭、核 能等行业中的关键设备。当前，科学技术的进步和生产的发展，已经推动着机械设备和生产系统日 益向大型化、连续化、高速化、高效化、精密化和自动化的方向发展，同时也对设备的维修和安全 可靠运行提出了更高的要求。因为连续生产中的关键大型旋转机械，一旦发生故障轻则降低系统的 生产效率，重则系统停机、生产停顿，导致重大经济损失。 但是传统的设备维修方式事后维修，预防性维修( 计划维修) 已不能适应现代形势发展的 要求，设备预知维修( 或称状态维修) 正为国内外企业所采用。设备预知维修是通过科学的监测手 段对设备运行进行监测，及时诊断出设备的异常部位的劣化程度以及发展趋势，以便有计划、有针 对性的采取措施消除潜在故障，避免不必要的突发停机事故，减少损失。状态监测与故障诊断技术 为实现设备预知维修提供了必要的前提条件和技术手段，而其中以计算机为中心的现代设备监测与 故障诊断成为诊断理论和技术应用于生产实际的桥梁”叫。 随着计算机技术和网络技术的进步，旋转机械状态监测与诊断系统经历了从单机工况监视与故 障诊断模式、分布式工况监视与故障诊断模式到远程工况监视与故障诊断模式的发展过程，逐步为 设备生产商和设备使用商提供了一个交互的远程协同故障诊断平台。进入2 l 世纪，计算机技术进入 了后p c 时代，数字化产品的日益增多，推动了嵌入式技术的大力发展。在工控领域中，利用嵌入 式技术将旋转机械状态监测系统与设备集成，将大大提高设备自身的智能化水平，设计制造出具有 自监测能力的智能化机械设备，不仅能够达到预知维修的目的，还可以节约时间、减少耗费、减少 环节，在旋转机械的故障诊断中具有很强的实践意义净。 在这一方向上，目前在国内外很多高校和企业都进行了研究，并取得了一定的研究成果，这些 成果多集中在嵌入式操作系统、嵌入式软件技术、嵌入式网络及嵌入式系统对数据处理的问题上， 比如嵌入式操作系统的实时性，小型化；改进编程模型和算法满足降低硬件性能来实现小尺寸，微 功耗和低成本：设备上网所需要的网络通信接口，协议等研究；以及为满足处理状态监测中的大量 数据的嵌入式数据库技术等。但是不得不考虑嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之 一是它们与使用者的亲和力，自然的人机交互界面，人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中心的 多媒体界面，这也将是嵌入式系统发展的一个必然趋势。 目前，手写文字输入，语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效，若 将这些技术应用在旋转机械状态监测中，如采用图形监测方式将机组运行的状态直观反映出来；在 机组运行状态出现异常的时候将异常是的数据以邮件的形式发送给技术人员等，使现场操作人员及 技术人员及时了解机组运行状态，对机组的故障诊断具有极大的现实意义“”。 本文在现在状态监测系统的基础上，根据嵌入式系统的自身特点，发挥嵌入式图形中间件 东南大学学位论文 m i n i g u i 的跨平台性、小巧，可配置等优势，对嵌入式远程状态监测与故障诊断系统的总体结构及 其实现的关键技术进行了研究。实现的嵌入式状态监测软件在提高其稳定性、安全性、可扩展性的 同时，能够与设备融为一体，从而实现机械设备的信息化、智能化，并可实现设备全寿命周期的状 态监测。基于m i n i g u i 的嵌入式状态监测软件的开发对增加嵌入式状态监测与故障诊断系统的功能、 效率、扩大嵌入式g u i 的应用范围具有十分重要的理论和现实意义。 1 2 状态监测与故障诊断系统的发展历程 大型旋转机械监测与诊断系统经历了从单机监测与诊断系统到分布式监测与诊断系统，再到基 于网络的远程监测与诊断系统这样一个发展过程“。 最早的监测与诊断系统是一种。点到点”的模式，即对于一台设备永久性安装一套工况监视与 故障诊断系统。该类系统的数据采集监视和诊断系统分离，保证系统在诊断的同时，对设备监视不 间断。它是一种封闭式的监测与诊断系统，具有实时性好、可靠性高等优点，但经济性差、信息的 交流和处理仅限于监测与诊断系统内部，各监测诊断系统之间信息不能共享，难以综合诊断。这就 是单机监测与诊断系统，可以认为是第一代监测诊断系统。如b e n t l y 公司的a d r 3 和t d m 系统， 浙江大学检测技术与智能仪器仪器研究所的c m d 3 系统和西安交通大学的r m m d s 系统。 接着出现了针对大型旋转机械的分布式监测诊断系统，它针对大型机械设备主机和多辅机功能 分布和地域分布的特点，通过工业局域网把分布于各个局部现场，独立完成特定功能的本地监测工 作站互联起来，实现以资源共享、协同工作、分散监测和集中管理、管理与诊断为目的的工业计算 机局域网络系统。它是基于工业局域网的相对开放系统，监测与诊断信息的交流与处理在局域网内 部进行，可以认为是第二代监测诊断系统。这类监测诊断系统已经发展的比较成熟，应用也非常广 泛。国外主要应用产品有美国b e n t l yn e v a d ac o r p o r a t i o n ( b n c ) 系列产品、w e s t i n g h o u s e 公司的p d s 系统、i r d 与e n t e k 公司联合开发的5 9 1 1 系统、法国的s m a v 系统、瑞士的m a c s 系统、丹麦 的c o m p a s s 系统等。国内的主要应用系统有郑州工业大学的m m d s - 9 0 0 0 系统、西安交通大学的 r m d s 系统和r d 2 0 系统、哈尔滨工业大学及浙江大学等的z h z - 1 0 系统、清华大学的b b 一1 系统、 华中科技大学的h z - i 系统、重庆大学的c d m s - 9 0 0 0 系统、西北工业大学的m d 3 9 0 0 系统以及东南 大学的m f d 3 1 0 系统等。 随着信息高速公路的开通和网络通讯软硬件技术的飞速发展，基于网络的远程监测与诊断技术 也逐渐发展了起来。特别是9 0 年代以来，一方面是由于受到远程医疗诊断系统与分布式控制系统发 展的影响，另一方面也是由于封闭式监测与诊断系统自身的局限性越来越严重地阻碍了其广泛推广 和应用，使得人们将重点转向基于网络的大型旋转机械远程监测与诊断系统的研究。这一改变的特 点就是可以实现。移动的是数据而不是人”，从而可以改变以往当设备出现故障时，技术人员就疲 于奔命的被动局面，可以方便地实现数据与知识的共享。 这种基于网络的远程监测与诊断系统可以认为是第三代监测诊断系统。这类监测诊断系统是当 今国内外状态监测与故障诊断领域的研究热点，目前成熟的产品还不多，其中很多相关的技术都还 探索和发展当中。国外许多大公司在他们的产品中扩充了因特网功能，如b e n t l y 公司的计算机在 线设备运行状态监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程终 端发送设备运行状态数据；n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品l a b v i e w 中新增了因特网模 块，可以通过w w w 、e m a i l ，f r p 方式发送测试数据。 2 第一章绪论 国内的西安交通大学轴承所建立了一个基于m 0 d e _ 一电话线的远程监测诊断系统，浙江大学监 测诊断实验室建立了一个基于i n t e m e t i n t r a n e t 的远程状态监测与故障诊断系统，东南大学状态监测 和故障诊断研究所自主开发的m f d 系列和w f d 系统，都已经在现场投入运行，取得了良好的经济 和社会效益1 1 6 - 1 9 i 。 1 3 嵌入式系统的发展及应用现状 1 3 1 嵌入式系统的发展 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用 为中心，软硬件可裁减，适用于对功能，可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算 机系统。嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，它是集软、硬件于一体的可独立工作的“器件”。因此，嵌入式系统的发展过程即 是包含芯片技术、硬件技术、软件技术、网络通信技术在内的嵌入式技术的发展，它大致经历了四 个阶段唧1 。 夸第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服，指示设 备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中。一般没有操 作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。 串第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段的操作 系统具有一定的兼容性和扩展性，但用户界面不够友好。 母第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式 操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高， 并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、 图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌 入式应用软件丰富。 寺第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多 数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与信息家电、 工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未 来【2 l 】 嵌入式系统的发展对嵌入式操作系统提出了更高的要求。因此，对嵌入式操作系统的结构、设 计、用户界面等诸多方面进行深入研究，将有助于嵌入式系统的应用和发展。 1 3 1 1 嵌入式操作系统的发展1 2 2 1 早期的硬件设备很简单，软件的编程和调试工具也很原始，与硬件系统配套的软件都必须从头 编写。程序大都采用宏汇编语言，调试是一件很麻烦的事。随着系统越来越复杂，操作系统就显得 很必要，因为： 专操作系统能有效管理越来越复杂的系统资源。 串操作系统能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来。 3 东南大学学位论文 寺操作系统能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。 1 ) 嵌入式操作系统的发展的特点 在7 0 年代的后期，出现了嵌入式系统的操作系统。在8 0 年代末，市场上出现了几个著名的商 业嵌入式操作系统，包括v x w o r l 【、n c c u k u s 、q n x 和w i n d o w sc e 等，这些系统提供性能良好的开 发环境，提高了应用系统的开发效率。与其他类型的操作系统相比，嵌入式操作系统具有以下一些 特点。 母体积小。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介 质，而大多使用闪存( h a s hm e m o r y ) 作为存储介质。这就要求嵌入式操作系统只能运行在 有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系统必须 结构紧凑，体积微小。 串实时性。大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实时多任务系统，要求相应的嵌入 式操作系统也必须是实时操作系统( r t o s ) 田l 。实时操作系统作为操作系统的一个重要分支 已成为研究的一个热点，主要探讨实时多任务调度算法和可调度性、死锁解除等问题。 专特殊的开发调试环境。提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。 一个完整的嵌入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是编译，连接器、内核调试，跟踪 器和集成图形界面开发平台。其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿 真器和监视器等。 2 ) 嵌入式操作系统的发展状况 国外嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，主要有v x w o r k 、q n x 、p a l m o s 、w i n d o w sc e 等。 国内的嵌入式操作系统研究开发有2 种类型，一类是基于国外操作系统二次开发完成的，如海信的 基于w i l l d o w $ c e 的机顶盒系统；另一类是中国自主开发的嵌入式操作系统，如凯思集团公司自主 研制开发的嵌入式操作系统h o p e no s ( “女娲计划”) 等。 w i n d o w sc e 内核较小，能作为一种嵌入式操作系统应用到工业控制等领域。其优点在于便携 性，提供对微处理器的选择以及非强行的电源管理功能。内置的标准通信能力使w i n d o w sc e 能够 访问h l t c m e t 并收发e _ m a i l 或浏览w e b 。除此之外，w i n d o w s c e 特有的与w i n d o w s 类似的用户界 面使最终用户易于使用。w i n d o w sc e 的缺点是速度慢，效率低、价格偏高、开发应用程序相对较 难。 3 c o m 公司的p a l mo s 在掌上电脑和p d a 市场上独占其霸主地位，它有开放的操作系统应用程 序接n ( a p d ，开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。 q n x 是由加拿大q s s l 公司开发的分布式实时操作系统，它由微内核和一组共操作的进程组成， 具有高度的伸缩性，可灵活地剪裁，最小配置只占用几十k b 内存。因此，可以广泛地嵌入到智能机 器，智能仪器仪表、机顶盒、通讯设备、p d a 等应用中去d l f f l 。 h o p e n o s 是凯思集团自主研制开发的嵌入式操作系统，由一个体积很小的内核及一些可以根据 需要进行定制的系统模块组成。其核心h o p e nk e r n e l 一般为1 0 k b 左右大小，占用空间小，并具有 实时、多任务、多线程的系统特征。 4 第一章绪论 3 ) 嵌入式l i n o x 的应用开发前景 l i n u x 是个与生俱来的网络操作系统，成熟而且稳定。l i n u x 是源代码开放软件，不存在黑箱技 术，任何人都可以修改它。或者用它开发自己的产品。l i n u x 系统是可以定制的，系统内核目前已 经可以做得很小。一个带有中文系统及图形化界面的核心程序也可以做到不足i m b ，而且同样稳定。 l i n u x 作为一种可裁减的软件平台系统，是发展未来嵌入设备产品的绝佳资源，遍布全球的众多 l i n u x 爱好者又能给予l i n u x 开发者强大的技术支持。因此，l i n u x 作为嵌入式系统新的选择，是非 常有发展前途的。 寺与硬件芯片的紧密结合 后p c 时代的智能设备已经逐渐地模糊了硬件与软件的界限，s o c 系统( s y s t e mo nc h i p ) 的 发展就是这种软硬件无缝结合趋势的证明。随着处理器片内微码的发展，在将来可能出现在处理器 片内嵌进操作系统的代码模块。 嵌入式l i n u x 的大特点是：与硬件芯片( 如s o c 等) 的紧密结合。它不是一个纯软件的l i n u x 系统，两比一般操作系统更加接近于硬件。嵌入式l i n u x 的进一步发展，逐步地具备了嵌入式r t o s 的一切特征：实时性及与嵌入式处理器的紧密结合。 专开放的源代码 嵌入式l m u x 的另一大特点是：代码的开放性。代码的开放性是与后p c 时代的智能设备的多 样性相适应的。代码的开放性主要体现在源代码可获褥上，l i n u x 代码开发就像是“集市式”开发， 任意选择并按自己的意愿整合出新的产品。 1 3 1 2 嵌入式g u i 的发展 近来的市场需求显示，越来越多的嵌入式系统，包括p d a 、机顶盒、d v d v d c 播放机、w a p 手机等等系统均要求提供全功能的w e b 浏览器，包括h t m l 4 0 、h v a s c r i p t ，甚至j a v a 虚拟机的支 持。而这一切均要求有一个高性能、高可靠的g u i 的支持。 另外一个迫切需要轻量级g u l l 的系统是工业实时控制系统。这些系统一般不希望建立在庞大累 赘的、非常消耗系统资源的操作系统和g u i 之上，比如w i n d o w s 或x w i n d o w 。在出现l i n u x 系统 之后，尤其在r t - l i n u x 系统出现之后，许多工业控制系统开始采用r t - l i n u x 作为操作系统，系统 对轻型g u i 的需求日渐突出，在高性能、高可靠性、轻型和可配置等方面都有所表现。 尽管实时嵌入式系统对g u i 的需求越来越明显，但目前g u i 的实现方法各有不同”： 簪某些大型厂商有能力自己开发满足自身需要的g u i 系统。 奇某些厂商没有将g u i 作为一个软件层从应用程序中剥离，g u i 的支持逻辑由应用程序自己 来负责。 夸采用某些比较成熟的g u i 系统，比如m i n ig u i 、m i c r o w i n d o w s 或者其它g u i 系统。 比较常用的有如下几种g u i 系统：紧缩的xw m d o w 系统、m i c r o w i n d o w s 、o p e n g u l 、 q t e m b c d d e d 及m i n i g u l 等。下面简单介绍这些系统。 1 ) 紧缩的x w i n d o w 系统 众所周知，xw i n d o w 是l i n u x 以及其他类u n i x 系统的标准g u i 。xw i n d o w 系统采用标准的 c l i e n t s e r v e r 体系结构，具有可扩展性好、可移植性好等优点。但该系统的庞大，累赘和低效率也 5 东南大学学位论文 是大家所共知的。为了获得应用程序的可移植性，许多厂家都试图通过对xw i n d o w 系统的紧缩开 发，使之能够在嵌入式系统上运行。国外已经开发出了大小约为8 0 0 k b 的xs e r v e r 。这对西方国 家来说基本能够满足嵌入式系统的需求了。但该系统的源代码尚不开放，从而很难进行本地化开发。 2 ) m i c r o w i n d o w s m i c r o w i n d o w s 是一个开放源码的项目。该项目的主要特色在于提供了比较完善的图形功能， 包括一些高级的功能，比如三维支持、t m e t y p e 字体支持等。但作为一个窗口系统，该项目提供的 窗口处理功能还需要进一步完善，比如控件或构件的实现还很不完备，键盘和鼠标等的驱动还很不 完善。值得一提的是，该项目的许多控件是从m i n i g u i 中移植过去的，扫雷游戏也是从m i n i g u i 中移植过去的 2 6 1 3 ) o p e n o u i o p e n g u i j 2 7 j 在l i n u x 系统上存在已经很长时间了。这个库是用c + + 编写的，只提供c + + 接口。 o p e n g u i 基于一个用汇编实现的x 8 6 图形内核，提供了一个高层的c c + + 图形，窗1 2 1 接1 2 1 。o p e n o u i 提供了二维绘图原语、消息驱动的a p i 及b m p 文件格式支持，支持鼠标和键盘的事件，在l i n u x 上基于f r a m e b u f f e r 或者s v g a l i b 实现绘图。由于其基于汇编实现的内核并利用m m x 指令进行了 优化，o p e n g u i 运行速度非常快。正由于其内核用汇编实现，可移植性受到了影响。通常在驱动程 序一级，性能和可移植性是矛盾的，必须找到一个折衷。 q t e m b e d d e d 2 8 1 是著名的q t 库开发商t r o l l t e c h 的面向嵌入式系统的q t 版本。这个版本的主 要特点是可移植性较好，许多基于q t 的xw i n d o w 程序可以非常方便地移植到嵌入式系统；但是 该系统不是开放源码的，如果使用这个库，可能需要支付昂贵的授权费用。 5 ) m i n i c 町i m i n i g u i 由原清华大学教师魏永明先生开发，是一种面向嵌入式系统和实时系统的图形用户界 面支持系统。它主要运行于l i n u x 控制台，实际可以运行在任何一种具有线程支持的p o s i x 兼容系 统上。m i n i g u i 同时也是国内最早出现的几个自由软件项目之一。 m i n i g u i 最初是为了满足一个工业控制系统的需求而设计和开发的。从一开始就针对实时系统 设计，在设计之初就考虑到了小巧、高性能和高效率。因此，m i n i g u i 是一个非常适合于工业控制 实时系统以及嵌入式系统的可定制的、小巧的图形用户界面支持系统。m i n i g u l 的主要特色有 2 4 1 ： 夸遵循l g p l 条款的纯自由软件，提供了完备的多窗口机制。包括多个单独线程中运行的多 窗1 2 1 ；单个线程中主窗口的附属；对话框和预定义的控件类( 按钮、单行和多行编辑框、列 表框、进度条、工具栏等) ； 专消息传递机制； 串多字符集和多字体支持： b m p 、g i f 、j p e g 、p c x 等常见图像文件的支持； w i n d o w s 的资源文件支持，如位图、图标、光标，插入符、定时器、加速键等； 夺小巧。包含全部功能的库文件大小为3 0 0 k b 左右； 6 第一章绪论 专可配置。可根据项目需求进行定制配置和编译； 啼高稳定性、高性能，可移植性好； 母图形抽象层( g a l ) 以及输入抽象层( i a l ) 【。 m i n i g u i 做为嵌入式图形支持系统，具有以下几种优势 2 , 9 1 ： 1 ) 轻型、占用资源少 m i n i g u i 一开始就针对实时系统而设计，因此，在设计之初就考虑到了小巧、高性能和高效率。 m i n i g u i 本身的占用空间非常小，基于l i n u x 和m i n i g u i 的嵌入式系统主要存储空间计算如下： 夸l i n u x 内核：3 0 0 k 一5 0 0 k ( 由系统决定) 专m i n i g u l 支持库：3 0 0 k 一4 0 0 k ( 由编译选项确定) 咖m i n i g u i 字体、位图等资源：4 0 0 k ( 由应用程序确定，可缩小到2 0 0 k 以内) 串g b 2 3 1 2 输入法码表：2 0 0 k ( 不是必需的，由应用程序确定) 串应用程序：1 m 一2 m ( 由系统决定) 总计应该在2 m 到4 m 左右。如果不需要某些特征，系统容量还可以更少。 而且，最新的研发成果表明，m i n i g u i 能够在c p u 主频为3 0 m 的，仅有4 mr a m 的系统上正 常运行，这是m i c r o w i n d o w s 或者q t e m b e d d e d 所无法达到的。 2 ) 高性能 比较上述m i c r o w i n d o w s ，q t e m b e d d e d ，m i n i g u i 三种g u i 系统的性能时，m i c r o w i n d o w s 追 求和x 的兼容，所以，采用的传统的基于u n i x 套接字的客户，月务器系统结构。在这种体系结构下， 客户建立窗口，绘制等等都要通过套接字传递到服务器，由服务器完成实质工作。这样，大量的数 据在客户内核，月务器之间传递，从而增加了系统负荷，也占用了许多系统资源。加上m i x r o w m d o w s 的图形引擎代码未经任何优化，因此，m i c d w i n d o w s 的图形效率很低。 q t e m b e d d e d 是c + + 的函数库，影响其图形效率的原因，主要是c + + 的臃肿和由此赞成的系统 资源的极度浪费。从对用户操作的响应能力、应用程序的启动速度等方面看，q t e m b e d d e d 的速度 是最慢的。m i n i g u i 为提高整体，首先采用了独特的体系结构，其次对图形系统进行了大规模的优 化。 3 ) 可配置 为满足嵌入式系统千变万化的需求，必须要求g u i 系统是可配置的。m i n i g u i 可以在如下几个 方面进行定制配置： 指定生成基于纯种的m i n i g u l t h r e a d s 版本还是基于进程的m i n i g u i - l i t e 版本； 母指定要采用老的g a l g d i 接口还是新的g a i j g d i 接口； 夸指定需要支持的g a l 引擎和n l 引擎，以及引擎相关选项； 夸指定需要支持的字体类型； 专指定需要支持的字符集； 母指定需要支持的图像文件格式； 母指定需要支持的控件类； 母其它。 7 东南大学学位论文 总之，m i n i g u i 是一个非常适合于工业控制实时系统以及嵌入式系统的高效、可靠、可定制、 小巧的图形用户界面支持系统。 1 3 2 嵌入式系统的应用 嵌入式应用客观存在着两种应用模式。在单片机时代，嵌入式系统以器件形态进入到传统电子 技术领域，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化。这种应用模式最重要的特 点是：软、硬件的底层性和随意性；对象系统专业技术的密切相关性；缺少计算机工程设计方法。 随着后p c 时代的到来，网络、通信技术得以发展；同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大 的提升，为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入，形成的 计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络，通 信为主的非嵌入式底层应用州，如目前被广泛应用于移动计算平台( p d a ，掌上计算机) ，信息家 电( 数字电视、机顶盒、网络设备) ，无线通信设备( 智能手机、股票接收设备) ，电子商务平台，甚 至军事应用等诸多领域；工业现场和远程设备同样需要进行智能化的开发和改造，因而嵌入式系统 在工业应用的前景也非常广阔。 数据采集也是嵌入式产品应用的一个主要方面。基于低功耗、小体积的嵌入式开发平台的方案 设计发挥了嵌入式技术的体积、功耗优势，既很好的控制了成本，又能很好的适应高端采集的需求， 还解决了手持设备设计中的瓶颈问题。如北京中泰研刨科技有限公司推出的坚固型数据采集系统。 采用嵌入式l i n u x 操作系统，内嵌p c i 0 4 数据采集卡，适用于恶劣环境下的全天候数据采集系统， 可与上位机联网、通讯；研华研发的嵌入式数据采集控制器u n o 一2 0 0 0 ：如本特利内华达开发的手 持便携式数据采集和分析仪s n a p s h o t 基于w i n d o w s c e 平台。该便携式数据采集和分析系统具有两 个功能全面的通道和一个相位和转速输入通道。其重量小于4 磅，市场上最轻巧、最易于使用的数 据采集工具之。 随着i n t e r n e t 的飞速发展，网络应用越来越广泛，对各种工业控制设备的网络功能要求越来越 高。我们希望工业控制设备能够支持t c p i p 以及其他i n t e m e t 协议，使我们能够通过用户熟悉的浏 览器查看设备状态、设置设备参数，或者将设备采集到的数据通过网络传送到w i n d o w s 或u n i x l i n u x 服务器上的数据库中”, 3 z l 。数字信号处理( d s p ) 技术已经广泛应用于通信、控制、信号分析等领 域，它强大的数据处理能力，再结合运行操作系统的微处理器系统支持各种网络协议的能力，应用 在状态监测和诊断系统中，将大大提高系统的实时性、可靠性。目前国内不少高校也对此进行了大 量的研究和开发。 1 4 本文研究内容 本论文的主要研究任务是在嵌入式状态监测系统开发成为熟点的情况下，对基于m i n i g u i 的状 态监测系统的研制。根据远程状态监测和故障诊断系统的结构特点，嵌入式系统开发的特点，提出 了嵌入式状态监测与故障诊断系统的总体结构，并对其中嵌入式状态监测软件实现的关键技术进行 了研究，对嵌入式系统的组成及g u i 编程在实际工业领域的应用进行了探索。通过使用先进的高性 能的嵌入式操作系统，数字信号处理( d s p ) 技术，结合m i n i g u i 的图形用户界面支持系统，开发 先进的主从式的并有良好人机接口的嵌入式状态监测系统，同时为今后进一步研究和开发嵌入式智 8 第一章绪论 能监控和诊断系统打下了坚实的基础。 具体的研究内容如下： 1 ) 嵌入式状态监测与故障诊断系统的需求分析 软件需求分析是软件生存周期中重要的一个环节。通过需求分析，将软件功能和性能的总体概 念描述为具体的软件需求规格说明，进而建立软件开发的基础。 本文第二章中从问题描述出发，对系统进行了较为详细的需求分析，定义了系统的基本功能， 确定了系统环境，并利用结构化分析方法的工具，清楚的表达了系统元素间数据关系级数据处理要 求。 2 ) 基于m i n i g u i 的嵌入式状态监测软件的总体设计 系统结构设计至关重要，结构设计得不合理，可能造成系统代价与系统性能上不可协调的矛盾 【。 本文第三章根据对系统的详细需求分析结果，及嵌入式系统自身的特点。提出了比较合适的系 统结构，并对系统中的状态监测子系统的整体架构、软件总体设计和模块设计进行了详细的阐述。 3 ) 状态监测软件的实现 通用计算机系统具有完善的操作系统和应用程序接口( a p i ) ，应用程序的开发及应用软件的运 行都建立在一个操作系统的对基础上，对于嵌入式系统来说，其系统软件和应用软件的要求与通用 计算机有所不同。 本文第四章中，详细的阐述了基于m i n i g u i 状态监测子系统的实现。包括嵌入式l i n u x 操作系 统的定制和开发环境的建立、图形用户界面支持系统m i n u g u i 的移植、嵌入式操作系统的软件开发 技术的探索、监测子系统软件的实现等问题。 9 东南大学硕士学位论文 第二章嵌入式状态监测与故障诊断系统的需求分析 软件需求分析是软件生存周期中重要的一个环节，也是关键的一步，只有通过需求分析，才能 把软件功能和性能的总体概念描述为具体的软件需求规格说明，进而建立软件开发的基础口3 1 。 本章从嵌入式远程状态监测和故障诊断系统要解决的问题出发，对系统进行了详细的需求分析， 确实了系统需要的基本功能，并采用了需求分析中面向数据流的结构化分析方法的工具，分析了系 统元素问的数据流。 2 1 引言 在软件开发中都要经过从用户需求到软件实现的过程，软件需求分析是一个不断认识和细化的 过程，在该过程中能将软件计划阶段所确定的软件范围逐步细化到可详细定义的程度，并分析和提 出各种不同的软件元素，然后为这些元素找到可行的解决办法。 需求分析是系统设计的基础。需求分析的目标是描述软件的功能和性能，确定软件设计的约束、 软件同其他系统元素的接口细节，定义软件的其他有效性需求，解决目标系统“做什么”的问题。 直接影响到后面各个阶段的设计，并影响到设计结果是否符合用户需求，需求分析作为系统开发的 基础，关系到工程的成败和软件产品的质量。因此，必须用行之有效的方法对软件需求进行严格的 审查验证。由于用户往往会从不同的角度、不同的抽象级别上阐述他们对问题的理解和对目标软件 的需求，所以有必要为原始问题及其对应软件建立模型。这种模型可以视为分析人员关于原始问题 及其对应软件的一种知识结构，这种结构往往包含问题及其环境所涉及的信息流、处理功能、用户 界面行为模型及设计约束。模型以一种简洁、准确、结构清晰的方式描述了软件需求。 结构化分析方法是一种面向数据流进行需求分析的方法，适合于数据处理类型软件的需求分析。 数据流图和数据字典是结构化分析方法的两种常用工具。一个基于计算机的信息处理系统可以认为 由数据流一系列的转换构成，这些转换将输入数据流变换为输出数据流。数据流图就是一种用来表 示数据流和数据变换过程的图解方法，它把系统看成是由数据流联系的各种功能的组合。因此可以 方便地描述用数据流的流动联系的各种功能。通过每种功能的输入输出结果，进而表示现有系统或 待开发的系统功能。作为一种图形记号系统，数据流具有抽象、概括、层次的特性，它的优点在于 客观、形象、全面、系统及易学习。数据字典是对系统用到的所有数据项和结构的定义，在数据字 典中建立严密一致的定义有助于改进分析员与用户之间的通信，从而消除一些不必要的误解，同时 它也避免了所有开发人员开发各自模块的接口问题。不难看出，数据字典也是开发数据库的最有价 值的一步。数