（机械电子工程专业论文）网络型橡塑机械人机交互系统研究.pdf

摘要 橡塑机械是一个综合机械制造技术、液压传动技术和电器控制技术的产物。 随着网络信息技术的飞速发展，将嵌入式技术、网络技术融入橡塑机械系统之中 成为必然。嵌入式技术的应用能给橡塑机械的人机交互上带来更人性化的设计， 更稳定的系统表现，更丰富的功能支持；网络化技术的应用将集中化控制引入了 橡塑机械当中，可使工人远离恶劣的现场操作环境，带来更加自动、更加高效的 控制系统。 本网络型人机交互系统即是结合了嵌入式技术和网络技术的产物。 在硬件系统方面、以基于a r m 9 技术的s3 c 2 4 1o 为核心，提供了大容量的s d r a m 和n a n df l a s h 存储器，设计了兼容多种型号的l c d 和触摸屏的扩展接口，并扩 充了r s 4 8 5 总线、c a n 总线和工业以太网支持。 在软件系统上，以嵌入式l i n u x 为基础，在跨平台q t 开发库的之上，结合 橡塑机械的特点，从与底层控制器的交互，与现场用户的交互，与远程用户的交 互三大部分设计了一整套性能稳定的人机交互软件。基于q t 的图形用户界面给 现场用户和远程监控用户提供了良好的人机交互平台，无论是参数设置还是运行 状态监测，操作上均简单人性。在通信上应用了多线程技术、网络技术，保障了 数据通信的可靠性以及不同线程对数据读写的同步性。 最后，通过r s 4 8 5 总线误码率测试和简单的网路测试证明了通信的可靠性， 并介绍了人机交互系统在橡胶注压成型机和抽真空平板硫化机上的应用现状。 关键词：橡塑机械、嵌入式、r s 4 8 5 总线、工业以太网、c a n 总线、图形用户界面 i i a b st r a c t r u b b e ra n dp l a s t i cm a c h i n ei st h ei n t e g r a t i o no fm e c h a n i c a ls y s t e m , f l u i dd r i v e s y s t e ma n de l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , i tw a sn e c e s s a r yt oa p p l ye m b e d d e da n dn e t w o r kt e c h n o l o g yt or u b b e r a n dp l a s t i cm a c h i n e t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yc a nt a k em o r eh u m a n i z e dh u m a na n d m a c h i n ei n t e r f a c e ，m o r es t a b l et h es y s t e ma n dm o r el u x u r i a n tf u n c t i o n t h en e t w o r k t e c h n o l o g yc a nt a k et h ei n t e g r a t e dc o n t r o li n t or u b b e ra n dp l a s t i cm a c h i n e w o r k e r s c a ng e ta w a y 丘o mt h eb a dl i v eo p e r a t i o ne n v i r o n m e n t c o n t r o ls y s t e mw i t hn e t w o r k c a l lb em o r ea u t o m a t i ca n dm o r ee f f i c i e n t t h en e t w o r kh u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ns y s t e mi st h ec o m b i n eo fe m b e d d e da n d n e t w o r kt e c h n o l o g y h a r d w a r es y s t e mw a sc o n s t r u c t e db y $ 3c 2 410c h i p ，h i g h - v o l u m es d r a m ， n a n df l a s h , l c da n dt o u c hs c r e e ni n t e r f a c e i ta l s op r o v i d e dr s 4 8 5b u s ，c a nb u s a n di n d u s t r ye t h e m e ts u p p o r t s o f t w a r es y s t e mw a sb a s e do ne m b e d d e dl i n u xo sa n dq tm u l t i p l a t f o r m t o o l k i t t h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c es o f t w a r ew a sb a s e do nt h ec h a r a c t e ro fr u b b e r a n dp l a s t i cm a c h i n e ，w a sd e s i g n e df r o mt h r e e a s p e c t s ：t h ei n t e r a c t i o nw i t hl i v e o p e r a t i o nu s e r , t h ei n t e r a c t i o nw i t hb o t t o mc o n t r o l l e ra n dt h ei n t e r a c t i o nw i t hr e m o t e u s e r q tb a s e dg r a p h i c su s e ri n t e r f a c ep r o v i d e de x c e l l e n th m ip l a t f o r m , s i m p l ea n d h u m a n i z e do p e r a t i o ni np a r a m e t e rs e t t i n ga n dr u n n i n gs t a t em o n i t o r i n g a p p l yo f m u l t i t h r e a da n dn e t w o r kt e c h n o l o g ye n s u r e dr e l i a b l ed a t ac o m m u n i c a t i o na n dd a t a s y n c h r o n i z a t i o na m o n g d i f f e r e n tt h r e a d s a tl a s t ，r e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ni sc o n f i r m e db yr s 4 8 5b u sb i te r r o rr a t et e s t a n ds i m p l en e t w o r kt e s t a p p l i c a t i o ns t a t u si nr u b b e ri n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e a n dv a c u u mv u l c a n i z i n gp r e s sm a c h i n e ( d o u b l e - s e t ) w a sa l s oi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：r u b h e ra n dp l a s t i cm a c h i n e ，e m b e d d e d ，r s 4 8 5b u s ，i n d u s t r ye t h e r n e t ， c a n b u s ，g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e 1 1 1 学号2 q 2 q 昼! q 窆一独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签名：夺够 签字日期少卢年朔名日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权堑姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者答名：水q 签字日期：2 ，碑3 月6 日 导师签名 签字日期j 2 矿启 致谢 值此论文即将完成之际，向所有关心帮助我的人致以衷心的感谢。 首先，感谢我的导师谢英俊老师，感谢在研究生两年半时间里给予我的辛 勤指导和关怀。感谢导师，从论文的选题到研究方法到研究过程中遇到的各种艰 难险阻，从论文的撰写到结稿，都伴随着您精心的指导和孜孜不倦的教诲。在整 个读研阶段，您渊博的学识，勤奋的工作态度时刻激励着我努力学习，努力完成 科研工作；您对我一步步细心的指导，让我从无到有，从有到富有；您一路的点 拨，让我找到了学习科研的方法；您的悉心关怀，让他乡求学的学子倍感温暖。 您的教诲将在今后的路上继续激励我不断上进。 感谢实验室里的沈海阔师兄，是您将我引领入了这个大家庭；感谢张利建 师兄，是您指引我进入了这个课题；感谢张佳林同学，谢谢八年的帮助和关怀； 感谢胡厦师姐，您的背影至今仍鼓励着我。感谢陈诚师兄，刘金榕师兄、许明师 兄，薛志刚同学，台毅柱师弟，感谢华普工控的陈飞飞师兄，他们都为我的研究 工作提供了许多帮助与建议。感谢胡任师弟，陈刚师弟，朱雅光师弟，高镇师弟， 楼相芽同学，感谢你们给予我的帮助。 最后感谢我的亲人和朋友，他们的支持与关怀给了我物质和精神上的极大 鼓励。 李婷 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 1 绪论 橡塑机械是现代制造技术的重要工具，是一种由伺服驱动装置、数控装置、 机床主体和其他辅助装置构成的机电一体化产品，它被广泛应用在橡塑产品加工 制造领域 1 1 。随着科技进步，橡塑机械同样也在朝着高速、高智能、多功能、高 可靠性的方向发展啦! 。随着电控技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展，工 业控制系统也不断发生变革。控制系统沿着基地式仪表控制、模拟集中控制、计 算机集中控制、集散式控制、现场总线控制的发展轨迹，目前已经到了网络化控 制的新阶段。从而，作为提升橡塑机械性能的一个重要组成部分，其监控系统也 在朝着网络化控制的方向发展嘲。 网络化控制系统是计算机、控制和通讯技术交叉而生的产物。网络系统的实 质是将分布在不同空间的控制系统中的控制器、传感器、执行器等部件，通过数 据通讯网络构成的闭环反馈系统h 1 。网络化控制系统实现了工业现场和控制区域 的网络互连，从而提升了资源的共享程度，简化了系统的配置与设计，从而提高 了系统的操作性、维护性和可靠性”1 ；并且能够将上层管理的决策、调度与现场 设备的控制任务联系起来，降低大型系统的中间环节实施成本k 1 。 网络化控制系统是一个比较广泛的概念，一般而言它包括：现场总线控制系 统、工业以太网控制系统、基于i n t e r a c t 的远程控制系统以及无线网络化控制 系统等 q 1 。 1 2 现场总线控制系统研究现状 1 2 1 现场总线的起因 从计算机网络体系结构的角度而言，并按国际标准化组织的推荐，最底层的 网络结构就是现场总线。它可以把最基础的现场装置( 如仪器仪表、执行机构等) 连接起来，并与控制系统实现数字化通信n 1 。 现场总线的产生于上世纪8 0 年代，其产生是自动化仪表发展的必然趋势， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 同时也是企业综合自动化发展的需要n 们。根据国际电工委员会i e c i s a 的定义， 现场总线是指连接测量、控制仪表和设备，如传感器、执行器和控制设备的全数 字化的、串行的、双向式的通信系统n 。 传统的模拟控制系统采用的是一对一的设备连线，按控制回路分别进行连 接。而现场总线控制系统采用了智能现场设备n2 1 ，其可以将早期的集散控制系统 ( d is t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 中位于控制室的控制模块，以及各输入 输出模块均置入现场的设备中n 如；加上现场设备本身已具有通信能力，现场的测 量仪表等均可直接与阀门，电机等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能 够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制 1 4 - 1 5 】 1 2 2 现场总线技术的特点以及现状 现场总线本身的技术特点可以概括为开放性、互可操作性和互用性、现场设 备的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性、一对 n 结构、可控状态、互换性、统一组态等九个方面 1 6 - 1 8 e 现场总线至产生以来，经历了市场的竞争、淘汰、合并与重组等过程，目前 现场总线技术的研究具有多种总线共存，但各总线之间各有其共有领域，总线均 在开拓自身应用领域，相互之间协调共存的特点 1 9 1 。 现场总线的研究工作主要集中在以下几个方面乜0 2 1 1 ： ( 1 ) 现场总线协议研究 包括提出新的现场总线协议，对已有的现场总线协议进行改进以拓宽其应用 领域以及提出适合于特定应用场合的现场总线协议等 ( 2 ) 现场总线应用研究以及集成问题研究 由于多种现场总线共存的局面己成定局，这就使得用户面临多种总线选择的 问题，因此如何合理地选择现场总线，如何实现多种现场总线之问的集成和相互 转换成为目前现场总线的研究热点。 ( 3 ) 控制理论在网络环境下的应用研究 现场总线技术与原有的控制方法的不同之处在于可以将简单的控制算法下 放到现场节点，形成所谓局部的自主控制，并依靠现场总线的强大网络功能实现 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 了模块分散化，使得可靠的现场级控制成为可能。然而在网络环境中所存在的延 迟、抖动、响应时间等实时性问题会对现有的控制方法造成什么样的影响，控制 算法应做哪些改进等问题都是需要进行深入研究的内容。 ( 4 ) 现场总线的建模与仿真 模型的建立有利于分析系统的实时性、可靠性等多方面性能。但在现阶段， 这方面的研究尚不完善，对于不同类型的现场总线或不同的网络结构，无法给出 准确的解析模型，一般只能给出p e t r i 网模型，而且假设条件较多。 1 2 3c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络，与一般的通信总线相 比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。它在汽车领域上 的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝 马) 等都采用了c a n 总线以实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据 通信。同时，由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业， 而向自动控制、航空航天、机械工业、纺织机械、农用机械、医疗器械及传感器 等领域发展。c a n 已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之 一。其典型的应用协议有： s a ej 1 93 9 i s 0 1 1 7 8 3 、c a n o p e n 、c h n a e r o s p a c e 、 d e v i c e n e t 、n m e a2 0 0 0 等1 。 较之目前许多r s 一4 8 5 等基于r 线构建的分布式控制系统而言，基于c a n 总 线的分布式控制系统具有明显的优越性旺3 1 。 首先，c a n 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先 权( 取决于报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且 c a n 协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点 同时接收到相同的数据，这些特点使得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通 信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。 其次，c a n 总线只有两个输出端c a n h 和c a n l 与物理总线相连，其中c a n h 的 状态只能是高电平或悬浮状态，c a n l 只能是低电平或悬浮状态。而且c a n 节点 在出现严重错误的情况下具有自动关闭功能，使得总线上其他节点不受影响，从 而保证不会出现因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 而且，c a n 具有的完善的通信协议，且协议可由c a n 控制器芯片及其接口芯 片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期。另外，与其它现场总 线比较而言，c a n 总线具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点，并 已形成国际标。因此，到目前为止，c a n 总线应用于众多领域，具有强劲的市场 竞争力的重要原因。 1 3 工业以太网 以太网( e t h e r n e t ) 最初源自于1 9 7 5 年美国x e r o x 公司和s t a n f o r d 大学建造 的一个2 1 9 m b p s 的c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 系统。1 9 8 2 年电气和 电子工程师协会( i e e e ) 制定了i e e e8 0 2 3 标准。1 9 9 0 年2 月，该标准被国际标 准化组织采纳，正式成为国际标准n 4 吨 。 按照i s o o s i 的7 层参考模型，以太网标准只定义了物理层和数据链路层。 作为一个完整的通信系统，以太网需要高层协议的支持。近年来，由于国际互连 网( i n t e r n e t ) 采用了以太网和t c p i p 协议乜引，使其得到了广泛应用，人们甚至 把如超文本连接h t t p 等t c p i p 协议组放在一起，俗称为以太网技术 2 9 - 3 2 。 未来工业以太网将在企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息 集成中发挥越来越重要的作用引。总的来说，工业以太网的发展趋势将体现在以 下两个方面： ( 1 ) 工业以太网直接应用于现场设备层通信d 卜矧 随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术等的发展，为以太网的 通信实时性的解决使其直接应用于现场设备层通信提供了技术可能。为此，国际 电工委员会i e c 正着手起草实时以太网( r e a 卜t i m ee t h e r n e t ，r t e ) 标准，旨在 推动以太网在工业控制领域的全面应用n 7 1 。 ( 2 ) 工业以太网与现场总线相结合8 3 钔 工业以太网的研究还只是近几年才引起国内外的关注。而现场总线经过二十 多年的发展，在技术上日渐成熟，并且形成了一定的市场。就目前而言，工业以 太网全面代替现场总线还存在一些问题。 因此采用两者相结合的结构。即，工业以太网应用在企业网的上层，将控制 器、操作员站、管理计算机连接起来，企业网的低层是现场总线机构，是控制网 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 络与工业以太网融为一体的一个解决方案们。 1 4 嵌入式系统 嵌入式系统一般指非p c 系统，广义的讲，凡是不用于通用目的的可编程计 算机设备就可以算是嵌入式计算机系统h 。嵌入式系统被定义为：以应用为核心、 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、成本、体积、 可靠性、功耗严格要求的专用计算机系统h 2 1 。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各行业的具体 应用相结合的产物，它是一个技术，资金密集，高度分散，不断创新的基于硅片 的知识集成系统h 孔。今天的嵌入式系统已普遍应用于国防科技、家庭生活、工业 自动化、汽车电子、医疗器械、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经济的主 要行业。随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统将更广泛地应用于我们生活的各个 方面1 。 一般来说，嵌入式系统由处理器、存储器、输入输出设备和软件4 部分组 成。嵌入式计算机系统和p c 有很大差别，这也正是嵌入式系统的灵活之处，即 “软硬件可裁剪”。嵌入式系统同p c 系统相比有许多特点 4 5 1o 如嵌入式系统是 面向特定系统应用的，嵌入式系统是一个资金密集、高度分散、技术密集、不断 创新的知识集成系统。嵌入式系统的硬件和软件都具备高度可定制性。嵌入式系 统具有较长的生命周期。嵌入式系统必须具有较高的实时性，因此对程序的质量， 特别是可靠性，有着较高的要求。嵌入式系统必须借助于一套开发工具和环境。 1 4 1a r i e l 9 控制器简介 a r m 处理器是基于精简指令集计算机r i s c ( r e d u c e di n s t r u c ti o ns e t c o m p u t e r ) 体系结构的计算机系统h 们。基于r i s c 体系结构设计的处理器管芯面 积小，其精简的结构使得可以缩短开发时间，降低开发成本，易实现高性能。采 用了上述r i s c 体系的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 3 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 4 大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 指令长度固定 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，如工业 控制领域、无线通讯领域、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品等 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得 更加广泛的应用。 本课题中选用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器属于a r m 9 系列内核。a r m 9 系列 微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点： 一5 级整数流水线，指令执行效率更高。 一提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。 一支持3 2 位a r m 指令集和16 位t h u m b 指令集。 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 一全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种嵌入式操作系统。 一m m u 支持实时操作系统。 一支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高 端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于 不同的应用场合。本课题中采用的$ 3 c 2 4 1 0 属于a r m 9 2 0 t 内核1 4 7 1 。 1 4 2 嵌入式l i n u x 简介 l i n u x 是一个拥有一个开源的类似u n i x 的，能够在按照g p l 普通公众许可自 由发布的内核的，多任务、多用户、多进程并且支持多种硬件平台的操作系统h 引。 将l i n u x 操作系统应用于嵌入式环境还更有其特殊的优势，具体表现如下： 1 ) 不需要许可证费用一对于大数量的低花费的项目比如说因特网应用，不 用花一分证书费。 2 ) 开源一内核以及配套程序都是开源的，也就意味着可以对源代码直接访 问。因此开发者就精确的可以看到操作系统中各个部分是如何工组的， 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 能够从源码上及时定制行为，优化性能一一这对竞争对手的商业操作系 统来说是不可能的。类似的，在医学以及国防领域，经常需要保证一个 完整的代码运行在一个嵌入式系统上。在所检查过的范围内这是唯一的 一个能够或者全操作系统源代码的途径h 。 3 ) 可靠一l i n u x 拥有广受赞扬的稳定性。正常运行时间是以周或者年来计 的，系统很少或者从来不需要重启。 4 ) 可伸缩性一随着l i n u x 2 4 的到来，内核变得更加的模块化具有更强的可 伸缩性。这是将l i n u x 用在受限环境中的一个显然的优势。 5 ) 强大的程序员基础一l i n u x 是由大量的主要通过互联网联系在一起的人 们共同开发的。现在l i n u x 的成熟性以及可扩展的功能，都是大量的单 个的喜欢工作在l i n u x 环境下程序员的反映。 6 ) 技术支持一适应一个新的操作系统会面临很多问题。对于l i n u x ，从互 联网上可以找到大量的文档，而且比如r e dh a t 的公司还提供技术支持， 培训讲座以及课程。文献和培训非常有效，但是一个特别有效的跟上 l i n u x 发展的方法订阅一个基于网络、面向l i n u x 的邮件列表。你的疑 问可以作为一个难题提出，只要问题不是曾经被回答了很多遍的，就会 有人主动的来做你的助手们。 7 ) 标准一l i n u x 发行的方式也就使得很大比例组成l i n u x 环境的部件按照 开放的规格和标准写成。 8 ) 可移植性一在一个l i n u x 宿主机上开发调试一个应用程序并转移到其 他目标上的过程，是相对直接的。这也就帮助缩短了开发周期。 所有这些特性结合起来用于开发一个嵌入式操作系统是很诱人的，无论是从 许可证的视点来看，还是从对快速开发应用程序缩短市场周期的支持上来看。 1 4 3q t 开发库简介 在综合比较了多种常用的图形用户界面( g u i ) 库之后，本课题采用了q t 跨 平台开发库来实现用户g u i 界面编程设计。 在q t 4 o 之前的版本中，q t ( 提供g u i 界面c + + 开发库) 、q t e m b e d d e d ( 在q t 基础之上提供嵌入式设备支持) 、q t o p i a ( 提供标准的配置，以及一系列针对p h o n e 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 的桌面应用程序) 三个开发工具一直是作为独立的工具发行的。在q t 4 0 版本出 现之后，发布了q t o p i a 4 0 版本。集成了上述三个工具的功能，提供了更好的嵌 入式开发支持，方便了开发人员对q t o p i a 的移植。而现今奇趣公司被n o k i a 收购 之后，发行了4 5 版本，重新将版本定义为q t 和q t e m b e d d e d 版本。 其中的q t e m b e d d e d 是面向嵌入式系统的q t 版本，开发人员多为k d e ( l i n u x 图形桌面的一种) 项目的核心开发人员。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q t e m b e d d e d 上，与x 1 1 ( p c 机g u i ) 版本的q t 在最大程度上接 口兼容，延续了在x 上的强大功能，在底层彻底摒弃了x1 i b ，仅采用f r a m e b u f f e r ( 虚拟缓冲帧) 作为底层图形接口。q t e m b e d d e d 类库完全采用c + + 封装。丰富 的控件资源和较好的可移植性是q t e m b e d d e d 最为优秀的一方面，使用x 下的开 发工具q td e si g n e r 可以直接开发基于q t e m b e d d e d 的g u i ( 用户操作接口) 界面。 q t 另一个突出的特点是其具有良好的可移植性。因为q t 是k d e 等项目使用 的图形支持库，所以许多基于q t 开发的p c 平台的xw i n d o w 程序可以非常方便 地移植到q t e m b e d d e d 版本上，从而为开发带来了极大的便利，若不牵涉到特殊 硬件的图形界面等部分，可以预先在p c 机上测试调试。但是，由于它是基于c + + 库的，所以和其他g u i 相比系统消耗资源较大。其最小配置要求系统提供至少 3 2 m b 内存。同时，其对中文等非u n i c o d e 字符的支持度也很高，具有很强大的 国际化翻译功能h 。 q t 开发库最为突出的特点，在于它的信号一插槽机制。在图形用户界面编程 中，任意类型的对象都很可能需要与其它对象进行通讯。而这些通信在老的工具 包中采用了回调技术实现。回调是一个指向函数的指针，当需要一个处理函数通 知某个对象某些事件发生了，那个就需要传递一个指向其他函数( 需要知道事件 的对象) 的指针( 回调) 给该处理函数。该处理函数会在事件发生之后调用回调 函数。回调有两个基本缺点。第一，回调不是类型安全的。回调函数不会进行类 型检查。第二，回调函数与处理函数有着强耦合关系，因为处理函数必须知道哪 个回调被调用，该调用必须写入处理函数中，从而破坏了面向对象的结构。 而在q t 中，不再采用回调技术，而是使用了信号与插槽。 当某些特殊的e v e n t 即事件发生时，即发出了信号。q t 库中有许多已经预先 定义好的信号，同时也可以根据应用现状在派生类中定义新的信号。而插槽就是 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 一个函数，响应与之c o n n e c t ( 连接) 好的信号。 c o n n e c t ( o b j e c t l s i g n a l ( s i g n a l l 0 ) o b j e c t 2 s l o t ( s l o t l 0 ) ) c o n n e c t ( o b j e c t l ，s i g n a l ( s i g n a l l 0 ) ，o b j e c t 2 ，s l o t ( s l o t 2 0 ) ) c o n n e c t ( o b j e c t l s i g n a l ( s i g n a l 2 0 ) o b j e c t 4 s l o t ( s l o t l0 ) ) c o n n e c t ( o b j e c t 3 ，s i g n a l ( s i g n a l l 0 ) o b j e c t 4 s l o t ( s l o t 2 0 ) ) 图1 1 信号一插槽机制示意图 信号与插槽机制是类型安全的：信号的类型必须和接收该信号的插槽的类型 匹配。如上图所示，在c o n n e c t 中，编译器会对类型是否匹配进行检查。同时， 还有更重要的一点，信号与插槽是松耦合的：发出信号的类不关心接收对象，同 样一个插槽也仅是一个普通的成员函数，并不知道是否有信号连接到它。最后， q t 的信号和插槽机制保证了在正确连接一个信号和插槽之后，插槽会在正确的 时间，被该信号调用。信号与插槽可以携带任意数量、任意类型的参数。他们完 全类型安全，并且没有回调。 任意一个从q 0 b j e c t 或者它的子类( 如：q w i d g e t ) 继承的类都包含信号与 插槽( 需要在类结构体中声明q o b j e c t ) 。并可控制在何时何处发出信号，该信 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 号不关心会被谁接收，被接收之后会做什么，这就保证了程序的面向对象的特性， 做到了真正的信息封装。 q t 对信号和插槽的连接数目没有限制，可以连接任意个信号到单一个的插 槽，单一个信号也能够被连接到的多个插槽。甚至信号之间也可以被直接连接。 如上问所述的良好的移植特性，出色的信号插槽机制等使得q t e m b e d d e d 成 为了嵌入式领域中，一个具有强烈竞争力g u i 开发工具。由于其的强大功能，已 经被广泛应用于各种领域，从消费电子、工业控制，网络设备，医疗器械等等行 业都能见到q t 的身影。 1 4 4 嵌入式系统与工业网络控制系统 在工业网络控制系统中，无论是现场总线控制还是工业以太网控制，都要求 网络控制节点可能是具备智能和通信特点的传感器、控制器，各类通信设备和计 算机等。而在此时，可按需求裁剪配置的嵌入式系统就成为不二的选择。 并且通过上述现场总线和工业以太网的论述可以认识到：现场总线是应工业 自动化而产生并迅速发展的，但由于各种总线之间协议不一，同的自动化产品的 互操作性有待加强。而以太网由于成本低、通信速度快以及开放性和兼容性，其 应用越来越广泛，己经渗透到工业控制领域中而成为现场总线的一个重要发展趋 势拍2 1 。但以太网不适用于环境条件恶劣、可靠性要求很高的应用场合。现场总线 已有它的市场定位，工业以太网不可能完全替代现场总线。因此，最有效的方法 是如何将工业以太网和现有的现场总线完善地结合起来，建立起完整的工业自动 化网络体系，从而实现底层生产与上层管理的紧密集成。这已成为企业信息化发 展的趋势。 而在工业网络控制系统中，嵌入式系统可作为现场总线中被控节点，也可作 为现场总线和工业以太网的网关节点。在作为被控节点时，因为只需与现场总线 通信，对其通信模块的要求并不是很高，可根据实际控制需求增加简单的通信模 块3 。 当作为网关节点时，嵌入式系统则成了上层管理和底层生产联系的关键，同 时可根据不同生产现场的不同配置量身定制。此时的嵌入式系统需要完成一对n 的通信任务要求，需要配合工业以太网的协议提供相对应的接口。对该处嵌入式 浙江大学硕士学位论文第。章绪论 系统的硬件和软件上的要求都比较高。可以根据实际控制当中的需求，添加嵌入 式操作系统以适应整个系统的复杂性h 引。 工业以太网 、 双锨 图1 2 嵌入式系统在网络控制系统中的应用 在工业现场控制中，多采用各种不同的嵌入式系统来搭建控制系统，尤其是 在网络控制系统阶段，各个底层控制并不需要过多的智能控制功能，大部分只需 要根据上层的指令控制执行机构运行即可。 同时，嵌入式控制节点、网关节点在现场总线和工业以太网之间的通信中发 挥了关键性的作用。其性能的好坏，通信以及运算速率直接影响了整个系统的实 时性和稳定性。 可以看到在工业网络控制系统中嵌入式系统发挥着极为重要的作用。无论是 下层节点的裁剪，定制；还是上层节点的功能扩充，实时性增强都对整个系统的 成本有着巨大的影响。 1 5 橡塑机械 橡塑机械是橡胶机械和塑料机械的统称，它被广泛应用在橡塑产品加工制造 领域，它正朝着高速度、智能化、多功能化、高可靠性的方向发展。橡塑机械结 构比较复杂，很多采用了液压传动方式以保证动作的精确稳定，包括了机械系统、 液压系统和电气控制系统h5 1 。以下将主要介绍其电气控制部分。 1 5 1 橡塑机械控制系统的发展历程 初级阶段的橡塑机械一般采用手动控制方式。从1 9 3 5 年到1 9 7 0 年，采用机 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 械和继电器控制方式。其中，节流阀、压力阀由手动调节，通过机械限位开关、 机械开关定时器进行切换控制，对温度作简单的调节控制。从1 9 6 5 年到1 9 8 0 年， 多采用电子控制器、数字化设定、电子定时器、接近开关，以及行程测量系统， 在温度控制上更引入了比例、积分和微分( p i d ) 调节方式。从1 9 7 8 年到1 9 8 9 年， 开环控制方式已经普及，闭环控制技术处于逐步采用和日趋完善中，控制系统采 用了多处理机结构，能够实行程序、过程和温度控制等。现代控制理论广泛用于 计量控制、成型过程控制、温度控制，接触式行程开关开始逐渐被感应开关和各 种模拟、数字位移测量系统代替 5 6 - 5 8 o 到了上世纪末橡塑机械控制进入了第五阶 段，在各执行机构或传感器上配有通讯接口和总线功能，便于与主机进行联机控 制，并逐渐开始对橡塑机械加工过程进行质量管理与综合控制。 而发展到现在为了提升传统橡塑机械产品的技术含量，使之适应橡塑行业先 进技术水平的发展要求是橡塑机械产品研发的很重要课题。将嵌入式技术、先进 控制技术、网络信息技术与橡塑机械作出机电一体化的结合，使橡塑机械具有自 动控制、诊断、调节、补偿功能，向着更加智能化、集中化的方向发展；最后利 用信息网络，还可实现各现场设备与车间、办公室、数据库等监控环节的联系b 钔。 手动控制机械和继电器控制单片机控制 多处理器结合控制 ， 现场总线控制j网络化控制j ( 提供智能人机界面) 图1 3 橡塑机械控制方式发展趋势 由于现在的嵌入式系统都普遍具有远程通讯功能，因此总线控制在加工成型 生产线的电气控制系统中得到越来越多的应用。通过远程通讯可以方便地实现远 程诊断、程序调整、检测控制和远程调试。还可精确地实现各项技术参数的自动 控制，同时增强对人身和设备的安全保障等。网络化技术、在线检测技术以及机 器人技术的应用，可以取代橡塑制品生产中工艺设置完全依靠劳动者的技术经验 这一被动的模式，从而实现操作现场的少人化生产，节省大量的人力资源。进而 可解放大量在恶劣生产现场环境中的工作人员，提升生产的安全性拍们。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 2 橡塑机械的控制现状 橡塑机械控制系统经过多年的发展到了现在；橡塑机械所使用的控制器主要 还是p l c ，而还有部分设备采用了基于嵌入式的专用控制器，部分简单的单机设 备采用继电器控制的方式。对于控制相对简单的橡塑机械而言，一般只需监控温 度、压力、传动方面的几个参数，那么具有模拟i o 的小型p l c 就能够满足控制 要求。而对于流程比较复杂的橡塑机械，需要对位置、温度、压力、速度等参数 作出精确的控制。除了在单个机械上使用大量p l c ，由这些设备等构成的生产线 中也使用了大量的控制产品，从而可以控制设备之间的协调运转。 目前的橡塑机械控制中，大型的硫化机、成型机开始仿照p l c 控制器配套的 h m i ( 人机交互界面，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 通常都会用到触摸屏，小型的平 板硫化机、炼胶机和一些其他价值较小的机械更多的采用文本显示屏或者数码管 简单的显示温度，压力等信息。 关于橡塑机械的网络化控制方面，近期国内也对此做出过很久研究，也提出 过嵌入式的人机界面系统，也提出过现场总线的实现方案或者c a n 总线和以太网 相结合的实现方案。 比如浙江大学电气工程学院曾经设计过一款嵌入式网络注塑机人机界面 6 1 1o 该设计硬件上采取了a r m 核的$ 3 c 4 4 b 0 处理器，人机接口利用彩色l c d 和键盘实 现，其硬件结构很典型，如下图所示： 图1 4s 3 c 4 4 b 0 嵌入式网络注塑机人机界面硬件框图 在软件上移植了嵌入式实时操作系统u c o s - i i ，设计了键盘显示软件，串口 通信软件，并且给出了网络部分的通信协议、流程图。但是设计中网络方面仅仅 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 限于该嵌入式系统本身，并没有给出以太网监控p c 的实现方案，没有涉及到任 何网络架构的设想，主要任务仍然集中在人机界面部分的设计上。 同时也有专注于以太网部分的设计方案哺”，或许是采用国外公司的控制模 块、网络模块，相对自行开发的模块价格较高；或许是仅将嵌入式模块用作网关 仅仅负责c a n 和以太网通信协议的转换。这些方案的主要不足之处都是将目光停 留在了嵌入式系统层面上，并没有拓宽到整个网络当中去，没有提供整个网络的 实现方案。 1 6 课题的研究背景、意义和技术路线 1 6 1 课题的研究背景和意义 在不断发展的嵌入式系统中，其操作界面系统的要求比以往的都要复杂，对 它们所监控的处理过程提供更高精度的监视和控制。在它的基础形态中，界面可 以做数据处理，并可以一种方式发送信息给操作者，从文本信息到生动的图形。 一个完善的对人友好的人机界面将为用户提供良好的操作使用环境和条件。需要 对现场环境要求不高，运行可靠，具有强实时性，完成人机之间信息沟通和传递， 并协调一致地工作为控制系统的运行提供现场支持的低成本小型化控制装置。 本课题的首要任务即是完成一个良好支持的监控系统，提供友好、美观、功 能丰富的人机接口。因此采用了大屏幕8 寸液晶显示器和触摸屏的方案，为了配 合大屏幕液晶显示所需要的图形处理能力，监控系统同时需要完成的数据处理、 保存能力，以及今后扩展的需要；选用了基于a r m 9 核的$ 3 c 2 4 1 0 处理器作为核 心，并在此基础上搭建一个对嵌入式系统而言快速、大容量的硬件平台。 在硬件平台的基础上移植了嵌入式l i n u x 操作系统，而监控软件的开发就在 嵌入式l i n u x 操作系统的基础上添加部分设备的驱动程序，移植q t 跨平台开发 库，从而实现带有真彩图形用户界面，并提供多种存储通信功能的监控系统。 由于单独的监控系统并不直接控制最底层的执行器，因此，监控数据的获得 需要通过和控制执行器的底层控制器通信而得。橡塑机械中监控系统和底层控制 器最常用的通信方法是采用r s 4 8 5 总线的方式，因此本监控系统也提供了这一最 常用的接口。由于r s 4 8 5 总线的物理特性，监控系统可以同时监控多台橡塑机械， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 可以同时接收并显示多路底层控制器的信号。 还可以看到，随着工业技术的发展及市场的需求，塑料橡胶制品已经成为人 们日常生活中的必需品。但在塑造成型过程中，作为主要设备的橡塑机械往往具 有的工作参数太多、布置分散等特点及在容易受环境等因素的干扰，影响了对注 塑成型的实时监控及数据的采集的精确性，导致成型条件不稳定。严重地影响了 产品品质，如出现变色，产生裂纹、气泡和发白等现象。所以提供一种可靠的橡 塑机械实时监控系统是必须的。目前大部分橡塑机械的控制系统主要是采用的方 案基本上都是通过控制器的r s 2 3