（系统工程专业论文）基于嵌入式PC104结构的触摸屏式无纸记录仪的开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 ( 随着科学技术的高速发展，集计算机技术、通讯技术和测量技术于一体的 虚拟仪器便在世界范围内得到了广泛的认同。利用虚拟仪器技术开发的新型控 制仪表已被越来越广泛的应用。智能化是新一代仪表区别于传统仪器仪表的主 要特征。基于嵌入式p c i 0 4 结构的系统在软件上与普通p c 的兼容性以及其可 靠的性能，使得基于嵌入式p c i 0 4 结构的新型仪表在替代原来的一些仪表或系 统中有着较强的优势，一一 本文首先介绍了基于壁哒。胆! ? j 结n f f 3 玉堑坦丞戗的硬件结构，特别是 对勉! 基是燕杰进行了重点的介绍。塑滥的作用是使无纸记录仪硬件的性能更好 的发挥，并提供给用户一个友好的操作界面，本文重点讨论了这个软件所具有 的特点、功能，并探讨了实现它所需的各种技术： 1 w i n d o w s 和l i n u x 操作系统下g u i 界面的实现技术 2 程序组态技术 3 实时数据显示技术 4 数据通讯技术 最后，本文对这种无纸记录仪的实际应用作了分析和总结，并讨论了本系 统在功能上进一步改进和增强的方向。 0 塑婆盔堂堡主堂篁丝皇 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，v i r t u a l i n s t r u m e n t g a t h e r i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，m e t e r a g et e c h n o l o g y g a i n s b o a r di d e n t i f i c a t i o n n e wt y p ei n s t r u m e n t s u s i n gt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a l i n s t r u m e n t sh a v eb o a r da p p l i c a t i o n i n t e l l i g e n c ei sav i t a ld i f f e r e n c eb e t w e e nn e w g e n e r a t i o ni n s t r u m e n t sa n dc u s t o mi n s t r u m e n t s e m b e d d e dp c i 0 4s t r u c t u r eb a s e d s y s t e m sc o m p a t i b i l i t yw i t l lt h ec o m m o np ci ns o f t w a r ea n dr e l i a b i l i t yi nf u n c t i o n m a k en e w t y p ei n s t r u m e n t se x c e l l e n ti nr e p l a c i n gs o m ek i n do f o l d i n s t r u m e n t s f i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e dt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ep a p e r l e s sr e c o r db a s e d o ne m b e d d e dp c i 0 4 ，e s p e c i a l l yo nt h e t e c h n o l o g y o ft o u c h p a n e lm a k i n g t h e p a p e r l e s s r e c o r dm o r ei n t u i t i o n i s t i ca n dc o n v e n i e n t t h es o f t w a r ei st om a k et h ep a p e r l e s sr e c o r d e rf u n c t i o nw e l la n d p r o v i d e u s e r sa f r i e n d l yi n t e r f a c eo fo p e r a t i o n ，t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n df u n c t i o no f s o f t w a r e ，e s p e c i a l l y o nt h e f o l l o w i n gt e c h n o l o g i e si m p l e m e n t i n gi t 1 i m p l e m e n to fg u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) i nw i n d o w sa n dl i n u x 2 t h ec o n f i g u r a t i o nm e t h o d o f p r o g r a ms e g m e n t 3 r e a l - t i m ed a t ad i s p l a y i n g t e c h n o l o g i e s 4 d a t ac o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s a tt h ee n do ft h et h e s i s ，a n a l y s i sa n ds u m m a r yo ni t s p r a c t i c a la p p l i c a t i o nh a s b e e nm a d e i ta l s od i s c u s s e df u t u r ed e v e l o p m e n t o f t h es y s t e mi ni t sf u n c t i o n 浙江大学硕士学位论文 致谢 在硕士论文完成之际，首先我要衷心地感谢我的导师吴明光副教授多年以 来给予我的关怀和帮助，在我的科研工作和论文写作过程中，吴老师始终给予 了精心的指导和热心的帮助。同时，吴老师热诚的为人、敬业的精神和广博的 知识使我受益非浅。 工控所的张玉润教授对我的学习和工作给予了极大的帮助和支持，在此表 示深深的谢意。 非常感谢已经毕业的师兄谢峰、潘哲军和周永，师弟谭贤成和俞华峰，在 你们身上我学到了不少新知识和新方法。特别是师兄谢峰对我的毕业设计给予 了极大的无私的帮助。你们对我的学习和工作提出的中肯的意见和建议对我的 帮助很大，谢谢你们。 感谢所有教育和帮助过我的老师们，你们的谆谆教导是我一生中最宝贵的 财富。感谢我所有的朋友和同学，一起生活和学习的美好时光里，你们给予我 的真诚的鼓励和无私的帮助令我终生难忘。 最后，我要感谢我的父母和亲人多年来在生活中无微不至的照顾和精神上 的支持，我取得的每一个成功都离不开你们在背后的默默付出。 林继建 2 0 0 1 年1 月于求是园 塑望盔堂堡主堂垡堡立三一 第一章绪论 。1 1 记录仪的历史发展简介 9 记录仪是自动化仪表中十分常用的二次仪表，尤其在过程工业中的使用相 当广泛，它是记录数据、保存数据的比较有效的仪表。 记录仪的发展大致经历了两个时期，早期的模拟式仪表和如今的方兴未艾 的无纸记录仪。早期的模拟式记录仪用笔在记录纸上绘制曲线，这种方式需要 使用大量的纸张来保存数据，使用成本高，维护工作量大，显示方式单一，查 询数据不方便，无法与控制系统、信息管理系统集成。随着计算机和信息技术 的不断发展，记录仪也从有纸向无纸发展，数据记录的方式发生了质的变化。 o 1 2 模拟式记录仪 记录仪在化工、炼油、冶金、制药、造纸、建材等行业中有着广泛的应用， 模拟式的仪表是以模拟电路和机械部件来完成信号的测量和记录的。 图1 1 电子电位差计的构成框图 模拟式记录仪的核心是电子电位差计，它的构成框图如图1 - 2 所示，由测量 电路、放大器、可逆电机、指示记录机构、机械传动装置以及稳压电源、同步 电机等构成。 为了使电位差计很好的工作，必须具备下列三个条件：工作电流稳定不变； 有检测已知电位差与被测电势是否达到平衡的检流部件；有根据检流结果去调 节滑线电阻的部件。在电路实现的时候，在测量回路中由稳压电源提供不变的 工作电流；由包括振动变流器在内的放大器去检测己知电位差与被测电势的差， 值，并进行放大；由可逆电机根据放大器的输出信号的大小和相位作正转或反 转推动机械传动装置，带动滑线电阻。 第1 页共5 9 页 o 浙江大学硕士学位论文 1 3 无纸记录仪 1 9 8 6 年，美国国家仪器公司( n i ) 提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的 概念，这种集计算机技术、通讯技术和测量技术于一体的模块化仪器便在世界 范围内得到了广泛的的认同和应用，逐步体现了仪器仪表技术发展的一种趋势。 由于微电子技术、计算机技术、网络通讯技术和软件技术的高度发展，以及它 们与各种测量技术在仪器仪表上的应用，使新的测试理论、测试方法、测试领 域以及仪器结构不断涌现并发展成熟，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念， 仪器测量的功能和作用也发生了质的变化。虚拟仪器概念的产生正是基于这样 的一种技术背景。 在虚拟仪器系统中，用计算机灵活强大的软件代替传统仪器的某些部件， 用人的智力资源代替许多物质资源，通过一组软件和硬件，形成了既有普通仪 器的基本功能、又有一般仪器所不具备的特殊功能的新型仪器。虚拟仪器本质 上是利用p c 强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能，建立具有良好人机 交互功能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示，并通过一组 软件和硬件，实现完全由用户自己定义、适合不同应用环境和对象的各种功能。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是解决信号的输入输出、存储、运算的硬件平台 和软件赖以生存、运行的物理环境，软件才是整个仪器的核心构件，正如n i 公 司提出的口号“软件就是仪器”，任何使用者只要通过调整或修改仪器的软件， 便可方便地改变和增减仪器的功能和规模，甚至仪器的性质。 利用虚拟仪器技术开发的基于嵌入式p c 机的新型控制仪表已被越来越广泛 的应用，各自动化仪表生产厂家纷纷开始研制新型记录仪一无纸、无笔记录仪。 虽然各种无纸记录仪在设计和性能上有较大的差别，但是一般的无纸记录仪都 具有以下的特点： 无纸、无墨水、无机械转动结构； 以微处理器为核心，从而实现了高性能、多回路的检测系统； 使用大容量的r a m 、f r a m 或者软盘、硬盘来保存数据； 数据采集回路较多； 显示方案的多样化，一般都有棒图、曲线图和数字图等形式； 与有纸记录仪相比可靠性高，无需日常维护，运行费用低廉。 有些无纸记录仪还具有如下的功能和特点： 丰富灵活的设置功能，全汉化的菜单操作，友好的人机界面； 适用于多种输入信号，对每个通道用户都可以直接输入电压、电流、热电 阻或热电偶信号； 具备联网和通讯功能： 可以即时或按时打印各种曲线、数据等； 历史数据查询功能。 1 4 触摸屏式无纸记录仪 多媒体技术的迅速发展，给无纸记录仪的发展提供了更广阔的空间，触摸 屏式无纸记录仪应运而生。它的使用，为人们提供了一个良好的人机交互环境。 与通常的无纸记录仪相比，具有使用起来更加方便、直观的特点，尤其适用于 第2 页共5 9 页 塑望盔堂堡圭堂笪鎏苎 需要快速频繁操作的场合。必须指出，薄膜键是无纸记录仪的一个故障源，约 占5 0 左右。触摸屏技术从根本上消除了这一令人头痛的技术难题。 1 5 小结 无纸记录仪在过程工业中的作用是过去的有纸记录仪所无法比拟的，它除 了具备有纸记录仪的全部功能外，有些还具有数显表和调节仪表的功能。i 司时 由于它更适合于中小型的系统，所以在中小型的企业或装置上，它和其他的智 能仪表组成的系统性价比优于d c s 。触摸屏的介入，使得无纸记录仪向着更加 方便、直观方向发展。由此可见，触摸屏式无纸记录仪具有良好的前景。在本 文的后继章节中将详细介绍触摸屏式无纸记录仪的硬件结构及软件设计和开发 的内容。 1 6 各厂家无纸记录仪的评估 9 月1 2 日至1 4 日，我参观了在北京召开的多国仪器仪表展览会，我们系统 工程研究所和北京自动化仪表五厂联合开发的j l y - 2 0 0 0 无纸记录仪也参加了此 次展览。期间，我对各个参展厂家的无纸记录仪产品进行了了解，发现各个厂 家的无纸记录仪普遍具有如下的特点： 6 1 1 7 1 1 8 】【9 1 1 6 1 6 路的模拟输入通道，采样周期从0 2 5 2 秒。用户可以自己选择信 号类型( 有电压、电流、热电阻和热电偶等信号) ，量程等，每个通道 可以是任意一种。 2 提供系统和通道组态的设置功能。 3 高分辨率和高视角的彩色液晶显示器。 4 显示方式多样，有曲线、棒图、数字等方式。 5 数据记录间隔分为好几档，从1 秒到5 分钟。 6 存储选择灵活多样，附加如1 4 m b 英寸软盘驱动器、快闪存储卡等 7 记录的数据时间一般都可以达到2 0 0 天以上。 8 采用上下限报警，4 个以上的报警输出通道。 9 采用密码保护，保证系统的组态不被意外改变。 1 0 附加数据分析软件对历史数据进行分析和打印。 通过和这些无纸记录仪产品的比较，我们的j l y 2 0 0 0 无纸记录仪存在着如下功 能上的优势： 1 显示方式更多样。除了曲线、棒图、数字以外，还有流程图方式。 2 输入信号更多样，除了电压、电流、热电阻和热电偶信号外，还有温度、 压力等信号。 3 具有打印数据和曲线功能，数据不用拷贝到数据分析软件上即可直接实 现打印。 4 虚拟通道的功能。 5 具有p i d 控制和模糊控制功能，j l y 2 0 0 0 无纸记录仪同时既是数显仪表， 又是控制仪表。 6 存储媒介除了3 5 的软盘外，数据还可以存储在硬盘上。如1 6 个通道同 时采样，每秒采样1 个数据，记录仪保存的数据的时间可以达到1 0 年以上。 第3 页共5 9 页 塑坚盔堂堡主堂垡堡奎 第二章触摸屏无纸记录仪的硬件结构 2 1 硬件结构 v 触摸屏式无纸记录仪的硬件结构分为两个部分：下位8 0 c 5 5 2 单片机数据采 集模块，负责数据的采集；上位机基于p c 1 0 4 嵌入式p c 模块，负责数据记录、 显示等。两者之间通过串口连接，如图2 - 1 所示。上位机带有三个串1 3 ，其中 串1 3l 和触摸屏相连，串1 32 、3 分别和两个数据采集模块的串口相连。每个下 位机数据采集模块带有8 个数据采集通道。 上串口2 串口i 位 机串口3 图2 - 1 硬件结构框图 2 1 1 单片机部分的结构和功能 单片机数据采集模块包括一个c p u 模块和可扩展的数据采集通道板模块， 其中每一块数据采集模块上有两个数据采集通道。数据采集通道的个数可以在 一到四块之间任选，因此每一个下位机模块最多可以使用8 个数据采集通道。 这样的设计主要是为了降低用户成本而考虑的。单片机部分的结构示意图如图 2 - 2 所示： l 信号调理匹配卜- d 光 l 信号调理匹配 _ 叫丑 耦 ) 阵 列 l 信号调理匹配卜- 砷 图2 - 2 下位机数据采集模块硬件框图 数据采集板的作用是采集数据， 模拟信号如热电阻、热电偶、电压、 这块板带有一定智能，它可以加上任意的 电流，不需要改变硬件部分，仅需在组态 第4 页共5 9 页 0 塑婆奎堂堡主堂焦丝皇 软件中作相应的设置。信号经a d 处理后存入下位机的内存中。 c p u 模块含有一定量的内存，用于存放下位机的程序和部分采样数据。 2 1 2 上位机部分的硬件结构和功能 上位机的硬件部分是个嵌入式的p c 模块。下面就嵌入式系统作简单的介 绍。 嵌入式系统是指深藏于工业系统内部，完成一种或多种特定工业任务的计 算机系统。一个成功的嵌入式系统要具有开放式的模块化结构、较强的数据处 理能力、很好的实时性能、较强的工业环境适应性、高可靠性、丰富的过程y o 、 良好的软件开发环境，以及高性能的网络和通信支持等。 随着性能不断提高和价格大幅度下降，p c 机以锐不可挡之势迅速渗透到工业 控制领域。当台式p c 机真的敲开了工业自动化的大门后，人们才惊讶地发现， 它虽然胜任数据处理和信息保存，但并不适用于工业控制。其主要问题可总结为 以一f 几点： 采用有源母板，尺寸大、散热差、元器件失效率高。 母板水平放置，没有模板导轨，机械性能差，难以抵抗震动和冲击。 y o 种类贫乏，可伸缩性和扩展能力差。 风扇散热，但无过滤器，不能防尘。 供电采用普通电源，难以抵抗电网的浪涌、跌落和尖峰干扰等。 m t b f 指数小，一般为几百小时，而工业控制要求数千小时以上。 附件间通过“金手指”方式联结，从技术角度分析，不能实现带电热插板。 电磁兼容性差，设计上没采取抗电磁干扰措施。 故障检测和自动排除故障能力差，需要人工监视和干预。 温度范围窄，一般为0 + 2 5 ，而工业现场一般要求- 2 5 + 6 5 。 进入9 0 年代以来，随着我国国民经济的迅速发展和工业自动化中监控计算 机使用，嵌入式工业p c 在环境最恶劣的过程级，也就是工业控制系统的前端 占有了一席之地。嵌入式工业p c 彻底摆脱了传统微控制器结构的束缚，大胆 采用i m e l 公司的8 0 x 8 6 系列微处理器作为c p u 单元，百分之百兼容i b m p c 和m s d o s 、w i n d 0 w s 等，使其可以充分享受p c 机发展所积累的丰硕成果。 这种与p c 和m s _ d o s 兼容的嵌入式工业p c 模板，具有明显的优势。 系统设计受益于p c 机发展所形成的相关器件生产的规模效益，硬件成本 低，市场竞争能力强。 - 从语言和编译连接软件、数据库、电子表格、网络通信、数据采集到控制 组态软件，支持p c 架构的软件应有尽有。这些软件不需修改或稍加修改就可在 嵌入式工业p c 机上运行。 多种版本的m s d o s 、w i n d o w s ，以及在p c 机上运行的各种实时多任务操作 系统( 如v r t x 、a m x 、s p e c t r a 等) ，给嵌入式工业p c 以强大的支持。 普通p c 机就可作为其廉价的开发平台。技术人员可以在熟悉的环境下方便 地开发各种应用程序。 系统升级容易。随着微处理器性能的不断提高，嵌入式工业p c 的处理能力、 通信能力和界面友善程度达到相当高的水平，足以满足工业控制系统各种复杂 控制策略的要求。 从8 0 8 6 、8 0 1 8 6 ，直到p e n t i u m ，嵌入式工业p c 的硬件实现有多种档次， 第5 页共5 9 页 浙江大学硕士学位论文 用户可根据实际需要选择性价比合适的机器。 由于嵌入式应用对体积有严格限制，因此许多小型化的嵌入式工业p c 产品 应运而生。其中比较成功的要数具有工业标准总线的s t d 、v m e 和p c 1 0 4 等模 板产品川。 s t d 总线是由美国p r o l o g 公司推出、并在嵌入式工业p c 应用领域被广泛采 用的一种工业标准总线。s t d 总线模板标准尺寸为4 5 6 5 平方英寸，远远小 于i s a 总线模板尺寸，适合作为紧凑加固平台。由于采用p c 和m s d o s 兼容性 设计，以及”a il i n o n e ”和总线i o 的设计思想，使8 1 6 位的s t d 总线适应高性 能3 2 位微处理器的要求。s t d 总线产品以其开放式体系结构、高强度工业设计、 小尺寸、高可靠、低价格、简便的i o 接口和不断增强的网络通信能力及c p u 性能，在嵌入式应用领域有很强的竞争能力。 v m e 总线也是一种很有生命力的工业标准，分为( 3 u ) 3 9 6 3 平方英寸和 ( 6 u ) 9 2 x 6 3 平方英寸两种规格。由于嵌入式工业p c 机发展的强大攻势，许多 厂商一改欧式v m e 总线m o t o r o l a 微处理器结构，纷纷推出p c 和m s d o s 兼容的、 8 0 x 8 6 结构的v m e 总线规范的嵌入式工业p c 产品。v m e 总线产品的插针式连接 器结构被强震动、冲击和高尘埃等极恶劣场合广泛采用，特别是在列车、轮船 等运动系统中。由于插针结构很容易满足系统先接电源和后断电源的带电插拔 规范，所以”即插即用”是v m e 总线产品的主要发展方向之一。 p c f 0 4 是当前国际上小型化嵌入式工业p c 中比较热门的产品。p c f 0 4 总 线模板的结构很有特色，尺寸为3 6 3 8 平方英寸，没有总线母板，没有模板 导轨，联结采用自层叠方式，最大限度地减小占用空间。由于p c f 0 4 总线本身 就和i s a 规范完全兼容，从而使它能充分利用商用p c 机市场上同样的芯片系列， p c f 0 4 厂商也能最大限度地分享商用p c 机规模经济市场中的巨大经济利益。 如果p c 1 0 4 产品能不断降低价格。解决i 0 模块贫乏等问题，它的应用前景是 很好的。 目前，嵌入式软件技术已经成熟，资源较为丰富。无论是商品软件或是自 由软件都为数不少，可供开发商选择。商品化的嵌入式实时操作系统，己进入 我国市场的，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s ，配有开发环境的t o r n a d o ，p s o s + 配有工具p r i s m + 以及m i c r o t e 公司的v r t x x r a y 嵌入式软件支持套件，此外， 还有w i n d o w sc e ，q n x 和n u c l e a r 等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产 品，如科银( c o r e t e c ) 公司的o e l t a c o r e 嵌入式实时操作系统和l a m d a t o o l s 交叉开发工具套件。此外，中科院也推出了h o p e n 嵌入式操作系统。 v x w o r k s t o r n a d o 是当今世界上较具代表性的嵌入式系统软件产品。 本无纸记录仪的上位机采用a a e o n 技术公司生产的基于p c 1 0 4 的 s b c 4 5 6 e 【3 ”，s b c 4 5 6 e 是一块带有f i a t p a n e i c r t s v o a 接口的小型4 8 6 c p u “a l l i no n e ”主板。它的结构示意图如下图2 3 所示： 总线 第6 页共5 9 页 塑婆盔堂堡圭堂垡鲨壅 图2 - 3 上位机结构示意图 主板上带有3 个串口，1 个并口，1 个软盘和1 个硬盘插槽，键盘口等符合 普通p c 的设备，同时还有显示屏的接口。 该上位机嵌入式p c 模板除了具有嵌入式工业p c 的特点外，还有如下的特 点： 1 系统故障监测和自动恢复。 2 配有以太网卡，可以添加网络功能。 3 系统具有良好的可扩充性。 2 2 下位机的软件功能 下位机的软件须完成以下功能：读入采样通道的数据；进行数据处理：在 下位机的内存中保存数据；通过串口将数据传送到上位机；同时通过串口接收 上位机的组态信息和命令等。下位机的软件是用c 5 1 语言开发的。 2 2 1 数据采集和线形化处理 由于在数据采集通道接收热电阻等信号时，接收到的电压信号和实际的温 度信号是非线性关系的。它们的值一一对应，且有表格可以查找。如果将这个 表格输入，并保存在内存中，那么精度是相当高的，但是内存的消耗也将极其 巨大。然而热电阻非线性程度较小，所以可以输入一个线性化公式，然后根据 输入的电压值线性插值以减小下位机软件对内存的需求。但是只使用一个公式 来覆盖整个量程范围势必将引起很大的误差，因此使用分段线性化的办法来减 少线性化引起的误差。根据输入信号所处的范围来确定使用哪个线性化公式。 2 2 2 数据处理 数据处理在这套触摸屏式无纸记录仪系统中有其特殊的意义和含义，由于 下位机保存的数据并不是真正的物理量，而是使用1 3 位( b i t ) 来保存一个数据。 为了尽量避免在数据处理时增大舍入误差，并减少计算量，在上下位机之间传 送的数据就使用1 3 位( b i t ) 这种方式。数据在下位机由信号通过运算变为物理 量，这个物理量通过上位机发送下来的物理量范围转换成0 , - - 8 0 9 3 数值，1 3 位 可以表达0 - 8 0 9 5 ，其中8 0 9 4 表示测量到的物理量低于范围下限，而8 0 9 5 则表 示高于范围上限。 通过这样的方式可以尽可能的利用下位机的c p u 资源，而减少数据传送的 强度，并释放更多的上位机资源进行数据的记录和显示。 2 2 3 数据通讯 下位机通过串口和上位机进行数据的通讯，下位机首先接收上位机传送的 通道组态信息，这些数据中包括用于通道信息的，比如通道使用与否，通道的 信号种类等，下位机软件根据组态信息对采集信号进行相应的处理和转换，其 第7 页共5 9 页 浙江大学硕士学位论文 中有一个数据是用于单点数据通讯的，那就是上位机的采样速度，由于在下位 机上，软件每隔一定的时间对所有的通道扫描一次，这个时间间隔视下位机软 件而定，但远小于一秒。在系统正常运行的状态下，下位机根据这个采样速度 向上位机传送单点数据。 数据通讯的协议和实现等内容在后继章节有更为详细的介绍。 02 3 小结 本章主要介绍了下位单片机和上位机的硬件结构。 0 第8 页共”页 0 第三章触摸屏概述及连接和使用 多媒体技术的迅速发展，给计算机技术的应用提供了更广阔的空间，触摸 屏便是多媒体家族中重要的一员。它的使用，为人们提供了个良好的人机交 互环境，避免了操作繁琐的传统式键盘，这个优点是鼠标及数位板所无法比拟 的。h o n e y w e l l 公司推出的t d c 3 0 0 0 c s ，s i e m e n s 公司的p c s 7 等都在原薄 膜专用键盘的基础上增设c r t 触摸屏。随着液晶屏显示器价格的走低，触摸液 晶屏开始出现在新一代的d c s 上。 3 1 触摸屏概述 触摸屏同键盘、鼠标一样，都可以作为计算机的输入设备，但同它们相比， 具有使用起来更加方便、直观、不易出错的特点，尤其适用于需要快速、频繁 操作的场合。 目前，触摸屏基本上可以分为红外式、电阻感应式、电容感应式和表面声 波式等几种p 4 1 1 ”】，它们的原理和结构简述如下： ( 1 ) 红外式触摸屏 红外式触摸屏类似一个长方形的框，它可以固定在计算机的显示器上。红外 式触摸屏有水平和垂直方向的红外线发射、接收装置，当方框中间没有东西时， 由发射端发出的红外线可全部被接收端接收到，但当将一杆状物体( 如手指或 铅笔) 垂直指向屏幕a 点( 下图) 时，则红外线在该点受阻而不能达至u 接收端， 这时在垂直接收端x 点和水平接收端y 点就不能接收到红外线。 a 芝 x1 然后，通过信号转换装置，可将a 点所在的位置转换成触摸屏的坐标，并 经由导线送往计算机主机。这种触摸屏的分辨率和价格都较低。 ( 2 ) 电阻感应式触摸屏 电阻感应式触摸屏是一层由电阻感应元件组成的薄膜，它可以紧贴在计算 机屏幕上，当有压力作用在上面某点时，该点电阻感应元件的电阻值将发生变 化，从而可以判定被触摸点的位置。信号转换与传输同红外式触摸屏。这种触 摸屏的分辨率和价格都较高。 ( 3 ) 电容感应式触摸屏 电容感应式触摸屏是一层由电容感应元件组成的薄膜，它可以紧贴在计算 机屏幕上，当有压力作用在上面某点时，该点电容感应元件的电容值将发生变 化，从而可以判定被触摸点的位置。信号转换与传输同红外式触摸屏，这种触 摸屏的分辨率较高，价格高于电阻感应式触摸屏。 第9 页共5 9 页 0 塑翌盔堂堡主堂堡笙塞 ( 4 ) 声波感应式触摸屏 这是一种比较新颖的触摸屏，它也是一个贴在计算机屏幕上的薄膜，可以 根据表面声波频率的变化感知接近表面的物体。信号转换与传输同红外式触摸 屏。这种触摸屏的分辨率和价格都很高。 无论哪一种触摸屏，它们都是将触摸屏状态和触摸点位置坐标传递给计算 机主机，所传递的坐标信号都是以它本身的坐标系为标准的，沿水平和垂直方 向，屏幕被分成若干等份，分得越细，分辨率越高，目前有1 6 1 6 ，3 2 * 3 2 等， 最高可达4 0 0 0 * 4 0 0 0 ，对于同类型的触摸屏，分辨率越高，价格就越高。 3 2 触摸屏实现的原理 各种形式的触摸屏及各种连接方法，其基本原理都是一样的，方法也都大 同小异。下面进行简单的介绍： 触摸屏传递给主机的信号是触摸屏坐标系的坐标值，应用软件必须把它转 换为相应的显示器坐标才能进行处理。 触摸屏坐标显示器坐标 图3 - 1 触摸屏显示器坐标示意图 n y ) 如图3 1 所示，触摸屏的分辨率为n x * n y , 其原点在左上角，记为p ( 1 ，1 ) ， 右下角记为q ( n x ，n y ) ；显示器的分辨率为n x n y ，其原点也在左上角， 记为p ( 1 ，1 ) ，右下角记为q ( n x ，n y ) 。 当用户在触摸屏上某点0 进行操作时，信号转换装置将触摸屏信号转换为 触摸屏坐标值( x ，y ) ，并经通信连接装置传送给主机。在主机上运行的应用程 序在接收到该坐标值后，需要将其转换为显示器坐标( x ，y ) ，转换公式为： x = 时x n x + x + 0 5 】 y = 【n y n y + y + o 5 】 这里的乘除法都是浮点运算，符号口代表向下取整( 如1 0 8 取1 0 ) 。程序利 用转换后的坐标值( x ，y ) 以及触摸屏触摸状态的改变信息( 按下或移去) ， 就可以进行相应的处理了。 应该注意到，只有当触摸屏的分辨率与显示器的分辨率完全相等时，两个 坐标值才是相同的，即0 点与0 点重合。否则，如果前者大于后者，则触摸 屏上几个点对应显示器上的一个点；如果后者大于前者，则触摸屏上的一个点 对应显示器上的几个点。 如果用户原有程序可以使用鼠标操作，那么应用触摸屏也会非常方便。此 时，只要将触摸屏被按下、放开的信息以及转换后的坐标值( x ，y ) 分别看 作鼠标按钮的按下、放开信息以及鼠标位置，就可以很方便地模拟鼠标运行了 第l o 页共5 9 页 浙江大学硕士学位论文 ( 这种方式，必须首先安装鼠标驱动程序) 。如果同时还装有鼠标，则二者可以 平行进行操作。 开发触摸屏程序，对软硬件没有任何特殊的要求，适用于所有的微机和所 有的编程语言。 3 3 触摸屏的连接和使用 触摸屏与显示器的固定连接方式有两种：一种是外挂式，一种是内置式。 它们的通信连接方式也有两种：一种是利用串口，另一种是通过键盘接口。 外挂式触摸屏通过固定装置固定在显示器的外部，安装方便，但容易被移 动；而内置式触摸屏的安装则需要打开显示器，拔除c r t 和外设前框及机壳电 路板上的连接线，取出c r t ，将触摸屏贴在c r t 屏幕上，虽然比较复杂，但是 性能比较可靠。 串口通信方式只需将触摸屏的信号输出线与计算机的串口相连；而采用键 盘接口通信方式的触摸屏有一个转接器，它的一端连接在主机的键盘接口上， 另一端有两个接口，分别与键盘和触摸屏相连。两种连接方式相比较，前者使 用比较方便，但需要占用一个串口，而后者不需要占用任何资源，但使用起来 比较复杂。 本机的触摸屏是内置式触摸屏，它是通过串口通信方式和p c 模板连接的。 连接的示意图如图3 2 所示： 图3 - 2 触摸屏连接示意图 3 4 小结 本章主要介绍了几种触摸屏的原理和触摸屏的连接和使用。 第1 i 页共5 9 页 塑堑盔堂堡主堂垡堡皇 第四章上位机软件的结构 触摸屏上位机的主板和i b m 的p c 机系统完全兼容，因而给系统的软件设 计和研制带来了较大的方便。首先，可以使用p c 机常用的操作系统，省却各 硬件驱动程序的设计；其次，程序可以完全用高级语言编写；第三，软件的编 写及初期的调试都可以在p c 机上完成。这就缩短了软件的开发周期，降低了 软件的开发成本，也提高了软件的可靠性、可读性和可维护性。 基于w i n d o w s 的上位机的软件用v i s u a lc + + 6 0 编写，v i s u a lc + + 6 0 以其 功能强大、面向对象、友好的用户界面而倍受程序员们的青睐。本软件系统的 程序设计采用面向对象的程序设计思想。下面讨论面向对象的程序设计的一些 概念和这个软件系统的有关内容。 4 1 面向对象的程序设计思想池1 传统的系统开发方法基本上是一种面向问题的方法，分析过程不关心今后 的设计和实现过程，系统的问题模型和设计模型之间没有显式的联系。因而设 计模型的建立必须在开发工作中另外进行，造成了开发工作的脱节和重复，同 时缺乏保证问题模型与设计模型一致性的手段。面向对象不仅仅是一种新的程 序设计技术，而且是一种全新的设计与构造软件的思路和方法。它使计算机解 决问题的方式更加类似于人类的思维方式，更能直接地描述客观世界。 面向对象概念与传统的自顶向下、功能分解的程序设计方法完全不同，它 可以保证软件的可复用性。对象指的是一个独立的、异步的、并发的实体，它 能“理解一些事情”( 即存储数据) 、“做一些工作”( 即提供方法) ，并“与其他 对象协同”( 通过交换消息) ，从而完成系统的所有功能。面向对象技术能够减 轻软件修改的困难。使用面向对象技术开发出来的软件结构是建立在现实世界 的实体或对象的基础上的，它把软件的功能分散到各个对象中间。设计者和用 户提出的修改要求大多是功能上的，所面向的对象基本不动。对于使用面向对 象技术开发出来的软件来说，软件的修改主要集中于封装在软件对象内部的属 性和方法上，只要对象界面不动，整个软件的体系结构可以不动。这种修改的 局部化保持了软件结构的稳定性，使得在修改过程中引入新错误的可能性达到 最小，同时也减轻了软件修改的工作量和难度，提高了软件产品的质量和软件 工程过程的质量。 由上可见，面向对象技术与传统的结构化方法相比具有以下优势： 直观、自然：建立在客观系统的事物和抽象概念基础上的对象，实现了从 问题空间到解空间的直接映射。 固有的并发性：对象是相对独立的，消息是启动对象工作的唯一途径。 分布式处理：每个对象将功能和状态封装于自身的内部结构中，同时对象 的工作也是自治的，不受时间、地点影响，因而使系统在运算处理上具有分布 性。 高度的重用性：对象、方法等可重复利用。 功能的共享性：通过对象的继承机制使系统的处理能力得到充分发挥。 第1 2 页共5 9 页 o 塑望查堂堡主堂堡丝苎 2 面向对象技术的基本内容 c o d a 和y o u r d o n 用一个简洁的公式对面向对象方法下了一个定义： 面向对象= 对象( 属性及其方法的封装) + 分类+ 继承+ 基于消息的通信 用面向对象技术建立的系统模型可用下式来表示： 面向对象模型= 信息模型+ 过程模型+ 行为模型 下面是面向对象技术中常用的几个概念： 属性：对象所具有的特性的抽象，可理解为对象的状态，只能由对象本身 来修改。 方法：对象的行为特征，是对象接收到一个指令( 即消息) 时所执行的处 理功能。 继承：对象从父类( p a r e n t ) 处获得特性或特征，它体现了认识中从一般到 特殊的演绎过程。 分类：对一个或几个相似对象的描述，它体现了认识从特殊到一般的归纳 过程。 消息：对象间通信的手段，它保证了对象具有极强的“黑盒”性。 在面向对象技术中，对象( o b j e c t ) 和消息( m e s s a g e ) 分别代表了事务及事 务间的相互联系。类( c l a s s ) 和继承( i n h e r i t a n c e ) 是适应人类一般思维方式的 事物结构表达方式。属性( a t t r i b u t e ) 和服务( s e r v i c e ) 表现了事物的性质和行 为。0 0 方法有两个基本的特征，即对象的封装性( e n c a p s u l a t i o n ) 和继承性。 封装是一种信息隐蔽技术，它把对象的使用者与设计者分开，其定义如下： 一个清楚的边界，所有的对象的内部细节被限制在这个边界内。 一个接口，这个接口描述该对象和其他对象之间的相互作用。 保护机制，对象的细节对外界是不透明的，其他对象不能直接操作它。 封装技术为“软件集成”的思想提供了实现的基础，同时便于软件的维护， 可修改性大为改善。继承是种自动地共享类、子类、对象中属性和服务的机 制。继承技术减少了软件开发工作量，为快速原型法的运用提供了基础，同时 改善了软件系统的可重用性和可扩充性。 4 2 本软件系统的面向对象分析 4 2 1 对象的提取和类的建立 运用面向对象的分析方法，通过全面规划，我们从中抽取出了各个类和对 象及其对象属性。本软件系统涉及的对象有数据通讯、数据实时显示、数据历 史显示、组态设置、打印等。各对象相应的属性如图4 1 所示： 4 2 2 定义对象的行为方法 根据上面定义的对象、对象属性，各对象的行为方法如图4 2 所示： 第1 3 页共5 9 页 实时显示 各通道当前的采样值 各通道的组态信息 各通道显示的颜色 各通道的名称 流程图 打印数据 打印的通道号 打印的起始时间 打印的终止时间 打印的间隔 图4 - 1 各对象的属性 实时显示 显示水平趋势 显示棒图 显示数字图 显示流程图 4 2 3 对象类静态实现举例 打印数据 打印页眉 打印正文 打印页脚 图4 - 2 各对象行为方法 用实时显示对象作为例子，给出它的类的静态实现： c l a s s c m a l d i s p l a y v i e w p u b l i c ： c l i n e d i s v i e w 0 ； p r i v a t e ： a t t r i b u t e s d o u b l emd d a t a d i s ；各通道当前的采样值 s t r u c ts c h a n n e l c o n f i g m _ e h a n n e l c o n f i g ；各通道的组态信息 c s t r i n gm _ s t r c h a n n e l n a m e c h a n n e l _ n u m 】；各通道的名称 c o l o r r e f m _ e o l o r c h a n n e l _ n u m ；各通道的显示颜色 c b i t m a p + m _ p b i a n a p ； 流程图 i m p l e m e n t a t i o n v o i d d i s p l a y l i n e ( c d c + p d c ) ；显示水平趋势 v o i dd i s p l a y b a r ( c d c + p d c ) ； 显示棒图 v o i dd i s p l a y n u m ( c d c + p d c ) ；显示数字图 v o i d d i s p l a y f l o w ( c d c + p d c ) ；显示流程图 第1 4 页共5 9 页 4 3 数据存储 下位单片机( 即数采模块) 中的软件把测量到的信号数值化，用1 3 个b i t 来存储，8 0 9 4 表示测量到的物理量低于范围下限，而8 0 9 5 则表示高于范围上 限。，0 到8 0 9 3 就对应于设置的量程范围的上下限。为了便于数据查找等操作， 也为了外挂通用数据分析工具如m a t l a b ，m a t h e m a t i c a 等对数据进行分析，上位 机的数据是保存在a c c e s s 数据库中的。 所有使用的通道一天的数据保存在一个数据库中，数据库中每个表对应每 个通道。表的格式是这样的：总共有两列，第一列是个长整型( 1 0 n gi n t ) 数据， 代表数据的采样时间。整数0 表示数据的采样时间为这天0 时0 分o 秒，依次 类推。由于一天有8 6 4 0 0 秒，如果每秒一个数据，8 6 4 0 0 个数据的采样时间完 全可以用长整型来表达。第- - y u 是个双精度( d o u b l e ) 类型的数据，代表数据的真 实值。数据库的名称是用年+ 月+ 日保存的，每个月建一个目录保存该月所有的 数据库，目录名是用年+ 月保存的，以此类推。 4 4 软件的功能 上位机的软件主要有以下几个功能： ( 1 ) 组态功能。 组态包括系统信息组态：通道使用情况、系统时间、系统口令等；通道信 息组态：通道信号类型、通道工程量单位、通道信号范围、报警通道、报警限 等：显示页面组态：显示页面类型、显示通道等；p i d 组态：使用的输入通道、 输出通道、正反作用选择、比例放大值、积分微分时间等。 ( 2 ) 实时数据显示。 实时数据显示包括下列四种模式： 数字：数字模式模拟数显表的数码管数字，这种数字的显示是可以自由伸 缩的，因此，提供了在同一画面上显示1 、2 、4 、6 、8 、9 、1 2 、1 6 个通道等模 式； 水平趋势：水平趋势可以在同一画面上最多同时显示8 个通道，适用于相 关通道的比较，另外，每页显示的点数和显示时两点之间的时间间隔可以随意 调整，以适应剧烈和缓慢变化过程的需要。 棒图：棒图可以在同一画面上最多同时显示8 个通道； 流程图：流程图模式下，允许用户绘制一幅符合现场情况的流程图，同时 定义数据显示点的位置，数据可以在以流程图为背景的图中实时的显示： ( 3 ) 历史数据的显示。 可以显示任意时间的数据，数据是以曲线的方式显示的。另外，每页显示 的点数和显示时两点之间的时间间隔和实时显示一样，也可以随意调整。 ( 4 ) 报表打印功能。 可以打印任意一段时间任意通道的数据，又可以对任意段时间的任意通 道的