（材料加工工程专业论文）windows+ce嵌入式监测设备及其在焊接中应用的初步探讨.pdf

摘要 摘要 目前，以工业p c 机为基础的监测系统得到了普遍的应用。工业p c 机具有开 放的软硬件，灵活的系统配置。但是，工业p c 机的风扇、硬盘和w i n d o w s 操作 系统较不稳定，而且硬件配置和操作系统成本高，限制了监测系统的发展。 为了克服工业p c 机现有的这些缺点，本课题开发了w i n d o w sc e 嵌入式监测 设备，作为监测系统的前沿机代替工业p c 机执行在线监测功能。基于w i n d o w sc e 的嵌入式监测设备融显示、a d 转换、文件管理和网络通信等技术于一体。它不 仅继承了工业p c 机开放、灵活的特点，而且使用嵌入式技术增强了其稳定性和可 靠性。 嵌入式系统目的性或针对性较强，目前在国内较少开发专用设备的w i n d o w s c e 设备驱动程序。a d 转换器是模拟信号通向数字信号的桥梁，为了实现基于 w i n d o w sc e 的嵌入式监测设备对生产过程模拟量参数的采集，本课题对w i n d o w s c e 操作系统下设备驱动程序的开发作了研究，并开发了w i n d o w sc e 嵌入式监测 设备上p c m 一3 7 1 8 ha 0 转换卡的a d 转换功能。 利用w m d o w sc e 嵌入式软件开发工具e m b e d d e dv i s u a lc + + n e t ，为设备开 发了应用软件对采集到的生产过程参数进行一系列分析，并以图像和文字的形式 将分析结果呈现给生产人员，为生产过程或产品质量监控提供依据。 本课题对w i n d o w sc e 的嵌入式监测设备在焊接中的应用进行了初步探讨。 贯彻“变事后检验为事前预防”的科学质量管理原则，w i n d o w s c e 嵌入 式监测设备利用传感技术，获取焊接过程中反映焊缝质量的电弧电压和电流参数， 并对这两个参数进行分析，为焊接质量控制提供依据。探讨结果表明该嵌入式监 测设备能有效监测焊接生产过程中的焊缝质量。 本论文描述了w i n d o w sc e 嵌入式监测设备的开发过程，并探讨了它在焊接 生产过程中的应用，为监测系统的发展指明了一条新途径。 关键词：质量监测；嵌入式系统；w i n d o w sc e ；多变量线性统计过程控制；焊接 a b s t r a c t t o d a y , t h ea p p l i c a t i o n so ft h em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a lp c sa r e p o p u l a r t h ei n d u s t r i a lp ci so p e ni ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，f l e x i b l ei ns y s t e m c o n f l g n r a f i o n b u tt h ef a n s 。h a r dd i s ka n dw i n d o w so p e r a t i o ns y s t e mo ft h ei n d u s t r i a l p ca r el e s ss t a b i l ea n di t sh a r d w a r ea n dw i n d o w so sa r e c o s t l y ，a sr e s t r a i nt h e d e v e l o p m e n t o f t h e m o n i t o r i n gs y s t e m t oa v o i dt h e d i s a d v a n t a g e s o ft h ei n d u s t r i a lp c ，a ne m b e d d e d m o n i t o r i n g e q u i p m e n tb a s e d o nw i n d o w sc ei sd e v e l o p e di nt h ep r o j e c tt or e p l a c et h ei n d u s t r i a l p c d o i n gm o n i t o r i n ga st h ef r o n t a lc o m p u t e ri nt h em o n i t o r i n gs y s t e m t h ef u n c t i o n s l i k ed i s p l a y , a dc o n v e r s i o n ，f i l es y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o na r ei n t e g r a t e di n t ot h e e m b e d d e dm o n i t o r i n ge q u i g m e r i tb a s e do nw i n d o w sc e ，i ti sn o to n l yo p e na n d f l e x i b l ea st h ei n d u s t r i a lp c ，b u ta l s os t a b i l ea n dr e l i a b l ef o ri t su s i n go ft h ew i n d o w s c e o p e r a t i o ns y s t e m t h e l i dc o n v e r t e ri st h eb r i d g ef o rt h er e a la n a l o gs i g n a l sb e i n gc o n v e n e dt o 盔棼t a ls i g n a l s ，t or e a l i z et h er e a l t i m es a m p l i n go f t h ea n a l o g si np r o c e s s i n gw i t ht h e e m b e d d e dm o n i t o r i n ge q u i p m e o tb a s e do nw i n d o w sc e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h e w i n d o w sc ed e v i c ed r i v e r si sr e s e a r c h e da n dt h e 姻c o n v e r s i o ni sd e v e l o p e d 旗穗 t h ep c m 一3 71 8 ha sap e r i p h e r a lo ft h ee m b e d d e dm o n i t o r i n ge q u i p m e n tb a s e do n w i n d o w sc ei nt h e p r o j e c t a na p p f i e a t i o ns o f t w a r ea n a l y z i n gt h e s i g n a l s i s d e v e l o p e df o rt h ee m b e d d e d m o n i t o r i n ge q u i p m e n tw i t hm i c r o s o f te m b e d d e dd e v e l o p m e n ts o f t w a r e e m b e d d e d v i s u a lc + + n e t t h er e s u l to ft h e a n a l ) 7 s i s w i l lb es h o w nt ot h e p r o d u c e rw i t h d i a g r a m s0 1 t e x t s ，w h i c hw i l lb et h ee v i d e n c et oc o n t r o lt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s o r p r o d u c bq u a l i t y t h e a p p l i c a t i o no f t h ee m b e d d e d m o n i t o r i n ge q u i p m e n t b a s e do nw i n d o w sc et o t h ew e l d i n gp r o c e s si sd i s c u s s e di nt h ep a p e lt of o l l o wt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e m o d e r n q u a u t ye n g i n e e r i n g ：f r o m t h e s u b s e q u e n ts u p e r v i s i o n t o p r e v e n t i v e m a n a g e m e n t ，t h em o n i t o r i n ge q u i p m e n tg e t s t h e v o l t a g e a n dc u r r e n to fw e l d i n g p r o c e s st h r o u g ht h es e n s o r s t h ev o l t a g ea n dc n r r e n ta r e t h et w om o s te s s e n t i a l v a r i a b l e so fa i lt h ew e l d i n g p r o c e s sv a r i a b l e s w h i c hi n f l u e n c et h ew e l d i n g l i n eq u a l i t y t h e n ，t h ew e l d i n gl i n eq u a l i t yw i l lb ee s t i m a t e db ya n a l y z i n gt h e s e t w ov a r i a b l e s ， p r o v i d i n ge v i d e n c e sf o rt h ew e l d i n gl i n eq u a l i t yc o n t r 0 1 e x p e r i m e n te x p r e s st h a tt h e | | 华南理工大学工学硕士学位论文 e m b e d d e dm o n i t o r i n ge q u i p m e n tc a nm o n i t o rt h e w e l d i n gl i n eq u a l i t y i n w e l d i n g p r o c e s s t h e p a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n t o ft h ee m b e d d e d m o n i t o r i n ge q u i p m e n ta n d i t s a p p t i c a t i o nt ot h em o n i t o r i n gs y s t e mr e a l - t i m ed e t e c t i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s t h e p a p e r i n d i c a t e san e w w a y f o rt h ed e v e l o p m e n to ft h em o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：q u a l i t ym o n i t o r i n g ，e m b e d d e ds y s t e m , w i n d o w s c e ，m u l t i v a r i a t e s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l0 v i s p c ) ，w e l d i n g i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 i 岳 作者签名： 1 夏心气 日期：咿) 年6 月? 彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：谚年月 龟 日期：胴年月b g 日 冀 氆 j 哆 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 自从工业社会诞生以来，制造业始终处在对国民经济全局和综合国力的决定 性地位，成为社会稳定和发展的支柱。第三次技术革命发生后，计算机技术与信 息技术迅猛发展，并随着全球经济一体化的进程和全球化市场的形成，任何制造 企业的生产和经营活动都必须面对来自全世界的激烈竞争。 “提高经济效益的巨大潜力蕴藏在产品质量之中”这旬名言已经被世界许多 企业的成功经验所证实。据统计，当前我国工业企业的不合格产品损失约占工业 产值的1 0 以上，若按这一比例计算，全国每年的不合格品损失超过千亿元。实 际上，这只是财务“账面”上的数字，真正损失数额要大得多口”。国外一些专家 认为，工业企业的不良品损失要占到制造成本的2 0 3 0 。美国著名质量管理专家 朱兰在他主编的质量控制手册一书中形象的说“在次品上发生的成本等于一 座金矿，可以对它进行有利的开采。”所以，减少次品发生率，提高产品质量是改 善企业生产经营管理、降低成本及提高效益的重要途径h 。 随着我国产业结构调整进程的深入，转变以规模生产为主的思想，树立以提 高产品质量为工作核心的意识，应用先进的方法对产品进行质量检测和管理已是 当务之急。在当今全球经济一体比的趋势下、只有凭借高品质的产品。才能保证 企业的竞争能力乃至生存能力i ”儿”j 。 为保证和提高产品质量，往往需要对产品进行质量检测。产品质量检测有直 接质量检测亦有间接质量检测。直接质量检测可以检验产品的外形、尺寸及公差 看其是否与设计工艺值相符，从而确定产品的质量。但是当被检产品结构复杂， 内部构件检测位置随机，且互相重叠、交错，会给准确、有效的检测造成很大困 难。甚至有的时候，产品质量不仅决定于尺寸而且决定于其内部组织和结构，往 往无法直接进行质量检测。对于这些问题，一般采用人工抽样检验和破坏性试验 等方法。这些方法不仅费用高、耗时耗力，而且属于事后分析，不符合今天的质 量管理标准要求【”。近年来，发展了监测系统对产品制造过程参数进行有效监测， 并分析这些过程参数以确定产品质量。 监测系统是在质量问题的“源”处控制质量，即在质量缺陷产生的初期进行 控制，而不只是对已产生的质量缺陷进行处理，进行的是过程监测，而不仅仅是 产品监测嘲。它对产品质量从“针对结果的被动性检测”转变为“针对过程的主 动性监测”，实现了对生产过程整体质量状况的监测。监测系统在了解每个产品质 华南理工大学工学硕士学位论文 量状况的基础上，掌握现时的生产条件与环境能否保证产品应有的质量，从而进 一步体现出“零缺陷”、“零次品”质量管理目标在制造过程中的完整概念及意义。 因此，监测系统的目的在于从生产过程中获取大量的单个过程及其产品的质量信 息，并分析、提取反映生产整体质量状况及其变化规律的信息，为生产过程的优 化以及企业决策提供可靠依据。 随着基础学研究的发展和计算机科学与信息技术的进步，为我们实现对生产 过程或产品质量的监测提供了基础：传感技术和信息传输技术的发展使人更容易 获取各类信息；人们对各种质量的认识越来越清楚，了解影响过程及产品质量的 各种信息因素及其对质量的影响，可以从大量的信息里面寻求有效的信息；信息 的特征提取和数学建模、数据分析和判别等技术也已发展成熟。 1 2 质量监测系统 质量监测系统是以计算机系统为中心，建立在网络系统上对制造过程进行自 动监测，以保证生产质量、提高管理水平，减轻劳动强度。质量监测系统除了计 算机与网络系统外还包含信息联络的通道( 光电隔离器、驱动和功率放大部分等) 以及在系统软件基础上开发的应用软件系统和被检测对象等。它能够对生产过程 中的大量参数做巡回检测、处理、分析、记录以及参数的越限分析。对大量实时 数据的积累和分析，可以达到对生产过程及产品进行有效的质量监测，为各种制 造系统的安全经济运行提供一个可靠的保证1 4 。 质量监测系统可以分为三个层次：最底层是分散于各生产工位的前沿机，获 取生产过程参数信号，并对这些信号进行分析和处理；中间层主要是在某一局域 网内通过几个质量管理服务器将来自前沿机的数据综合处理、调度、管理和决策； 最上层则上升到广域网，在更大范围内对数据进行综合，对资源实掩规划和管理， 实现远程管理。系统如图卜1 所示。 三个层次分别对应三个子系统：在线监测平台、服务器质量管理平台和远程 管理平台。下面分别介绍它们的主要功能： 1 在线监测平台：在生产流水线上对各个监测点，利用有效的传感方式， 获取生产现场质量信息，并进行相应的处理、分析和决策判断。同时，把决策后 的质量信息反馈到服务器质量管理平台。 2 服务器质量管理： 通过网络互联接收来自前沿在线监测平台的监测工位 运行状况、工位产量和缺陷状况等信息，综合当班工人情况，在实现资源共享和 数据传输的同时进行生产数据管理、历史数据查询和数据挖掘。数据库管理系统 存储了生产的微观质量信息，一方面可以生成报表，另一方面用户可咀根据自己 第一章绪论 的需要随时进行查询操作。为了更好的存储和管理生产历史数据，为数据挖掘和 分析提供支持，还建立了生产车间数据集市。决策支持工具主要是分类决策树方 法和质量控制图方法。 图卜1 质量监测系统 在这一平台中数据库和数据集市是驻留在数据库服务器上，监控和数据操作 是在管理者操作平台实现，针对的用户是车间管理者。 3 远程管理：在i n t e m e t 上，用户可以下载小应用程序来访问服务器端质量 管理平台的文件，从而获取到定的信息，解除了地理位置的束缚 1 ”。 质量监测系统的主要优点表现在以下三个反面： 质量监测系统实现了资源共享 质量监测系统性能价格比高 _ 质量监测系统可靠性高 华南理工大学工学硕士学位论文 在传统的质量监测系统中，在线监测平台中的前沿机采用的是p c 机。一个质 量监测系统如果需要对整个生产车间的各条生产线上的大量生产过程参数进行监 测，所需要的前沿机比较多，使用p c 机所付代价较高。而且p c 机体积大，所占 用空间大。当需要对生产过程参数进行长时间监测的时候，p c 机稳定性也无法得 到保障。鉴于上述原因，在质量监测系统或者其它监测系统上的前沿机越来越多 的采用稳定性能高、价格低廉而功能专一的嵌入式系统来代替p c 机执行前沿监 测功能。 1 3 嵌入式系统 嵌入式系统被定义为：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、功耗严格要求的专用计算机系 鲥”】。自7 0 年代后期嵌入式系统的商业化操作系统出现，到现在嵌入式系统已 经无处不在。嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，所以说嵌入式系 统工业是不可垄断的高分散的工业。 1 3 1 嵌入式系统特点 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。简单的嵌入式系统由微控制器或 单片机及嵌入式软件组成。嵌入系统与通用计算机系统相比有三个明显的特征： 专用性、实时性、可靠性【4 7 1 。专用性是指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特 定任务。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。可靠性是指嵌入式计算机隐藏在系统或设 备中，用户很难直接接触控制。因此一旦工作就要求它可靠运行。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁 衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体竞争 中更具有竞争力。嵌入式处理器要根据用户的具体要求，对芯片配置进行裁减和 添加才能达到理想的性能，但同时还受用户订货量的制约，因此不同的处理器面 向的用户是不一样的，可能是一般用户、行业用户或单一用户。嵌入式系统和具 体用户有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式 系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件，一般都 固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的 应用软件的生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的应用系统和产品， 和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统的软件也因此更强 调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。 4 第一章绪论 1 3 2 嵌入式系统的发展概况 嵌入式系统，差不多同计算机本身一样早地出现在我们的周围h ”。近年 来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式系统工业也在蓬勃 发展。今天嵌入式系统带来的工业年产值己超过了l 万亿美元，1 9 9 7 年来自美国 嵌入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，未来5 年仅基于嵌入 式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市 场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力已超过 了m m ”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1 9 9 8 年1 1 月在美国加 州圣何塞举行的嵌入式系统大会上，基于r t o s 的e m b e d d e di n t e r n e t 成为一个技 术新热点。 美国著名未来学家尼葛洛庞帝9 9 年访华时预言，4 5 年后嵌入式智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士 9 8 年1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的计算机的发展与技术 文中，对未来1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。 嵌入式系统发展经过了几个阶段，最早的嵌入式系统以单芯片为核心可编程 控制器的形式出现，具有监测、伺服、指示设备相配合的功能。它们一般没有操 作系统的支持，通过汇编语言编程对系统直接控制。所以系统结构功能相对单一， 处理效率低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种操作系统使用简单、 价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的、控制 相对复杂的现代工业控制和新兴信息家电等领域的要求【4 9 i 矧。 许多以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统在2 0 世纪8 0 年代获得了蓬勃发 展，他们能满足现代复杂工业控制的要求。如今流行的嵌入式操作系统比较多， 目前国内外已经有几十种商业嵌入式操作系统可供选择，如v x w o r k s 、p s o s 、p a l m 、 q n x 、u c l i n u x 和w i n d o w sc e 等。p s o s y s t e m 是世界上最早的实时系统之一，也是 最早进入中国市场的实时操作系统。最成熟的有p s o s 和w i n dr i v e r 公司的 v x w o r k s ，主要用来开发路由器、交换机、大型电讯设备、卫星通讯设备和军事控 制设备，这些设备对稳定性的要求最高。国内中兴、华为等公司应用较多。q n x 是一个分布式可扩展规模的实时操作系统，比较注重g u i 图形方面的东西。而正 在兴起的u c l i n u x 主要面向i i o n 一删u ( 不带存储管理单元) 处理器的嵌入式操作 系统。它同l i n u x 系统的a p i 保持一致，继承了l i n u x 成熟的网络协议，它的开 放性足够引人注意，在开发中我们可以得到更多平等的支州”】【”1 。 鉴于各种嵌入式操作系统并存，缺乏有力的开发工具，用户界面不清晰明了， 妨碍了便携式设备的发展，软件成本压力大。1 9 9 6 年，微软首次推出其面向手持 设备及嵌入式系统的操作平台w i n d o w sc e 。“w i n d o w sc e 是所能得到的最小的 华南理工大学工学硕士学位论文 w i n d o w s 版本”、“w i n d o w sc e 是最快的w i n d o w s 版本”、“w i n d o w sc e 是可靠的 w i n d o w s 版本”、“w i n d o w sc e 比台式机操作系统占有比较大的市场分额”、“w i n d o w s c e 提供了一个操作系统所能提供的最大柔性”。1 3 1 1 w i n d o w sc e 操作系统在工业控 制方面应用较多。微软为o e m 开发定制w i n d o w sc e 操作系统提供了w i n d o w sc e p l a t f o r mb u i l d e r 开发平台。 1 3 3w in d o w so e 实时操作系统及其性能分析 w i n d o w sc e 是一个抢先式多任务并具有强大通信能力的嵌入式操作系统。它 是一个全新的、可移植的、实时的、模块化的操作系统，具有流行的微软程序开 发界面，提供许多快速开发嵌入式系统的工具。w i n d o w sc e 主要是为o e m 开发而 设计的，它继承了其他w i n d o w s 操作系统一贯的友好的界面，随后推出的w i n d o w s c e 的升级版本，使得该操作系统的性能不断得到提升，为建立具有甚至超过工业 p c 监控系统性能的新型嵌入式、低成本、高效监控系统创造了条件【2 3 1 2 4 1 ，引发 了各领域包括控制领域开发者的广泛关注。 新内核 w i n d o w sc e 看上去和w i n d o w s9 x n t 很像，但它不是这些操作系统的 简化版，也不是从这些系统移植过来的。w i n d o w sc e 具有全新的内核和任务调度、 内存管理策略。 可移植性由于w i n d o w sc e 操作系统几乎完全是用c 语言编写的，所以可移植 到众多的3 2 位微处理器上；支持各种处理器家族，包括x 8 6 、p o w e r p c 、a r m 、m i p s 和s h 等系列。微软为每个支持的处理器家族提供完整的系统库。w i n d o w sc e 可 以通过o e m 适配层o a l ( o e ma d a p t a ti o nl a y e r ) 适配到任何硬件平台。o a l 是驻 留在c e 内核和硬件之间的代码层。原始设备制造商使用这些代码把c e 适配到自 己的硬件上。o a l 链接c e 的内核和定制的硬件。 实时性实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能，并对外部的异步事 件作出反应的能力。实时性的强弱以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡 量。提高硬件能力可以在一定程度上提高计算机系统的实时性，但是当硬件条件 确定之后，一个实时系统的性能主要由操作系统来决定。w i n d o w sc e 自3 o 版 本后具有实时性功能：支持多线程和抢占式多任务；支持线程的优先级调度；支 持线程的可预测同步机制：线程优先级可继承；操作系统运行状态( 中断延迟、 任务切换延迟以及驱动程序延迟等) 可预测。 模块化由于存储器资源在移动和嵌入式设备中非常有限，w i n d o w sc e 设计 成一个模块化操作系统，设计者只需选择那些需要的模块以满足指定平台的存储 第一章绪论 器要求。w i n d o w sc e 主要包括4 个模块：内核( k e r n e l ) 、图形窗口事件子系统 ( g w e s ) 、文件系统( f i l e s y s ) 和通信模块( c o m m u n i c a t i o n s ) 。k e r n e l 负责 中断处理、进程和线程管理、虚拟内存管理和其它相关任务；g w e s ( g r a p h i c s w i n d o w i n ga n de v e n t ss u b s y s t e m ) 相当于桌面w i n d o w s 的图形设备接口g d i 和 用户库；f i l e s y s 用于永久存储，包括文件系统、注册表和数据库；c o m m u n i c a t i o n s 模块负责与桌面p c 、其它c e 设备和因特网的互联。每个模块又分成许多小组件。 裁减w i n d o w sc e 时，可以只选择那些需要的组件。 i r d a a f d t c p w - 1 w , c e 如雪k i t i o m p l 甲 1 口 p i d 叫血e u 面n _ d c c o m d i i l m 研f 妇m u 叩 i rc o t n l 酬i g w e sp cc o a l i v i i b a t l k b d l a u dt c hl 骶ip c m c i a0 e m d e 知口l e 0 e mh 雨恺m 图1 - 2w i n d o w sc e 的基本结构 w i n 3 2 兼容性w i n d o w sc e 采用与w i n d o w s9 5 n t 相同的编程模型，它的a p i 是 w i n 3 2a p i 的一个子集，大约有6 0 0 个a p i 函数，可以实现所有的嵌入式应用。 c e 只支持u n i c o d e 码，c ea p i 删除了w i n 3 2a p i 中包含a n s i 字符串参数的函数。 c e 还支持当前流行的软件技术和运行库，如m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 、 a t l ( a c t i v et e m p l a t el i b r a r y ) 、e v c ( e m b e d d e dv i s u a lc + + ) 、e v b ( e m b e d d e d v i s u a lb a s i c ) 。w i n 3 2 的兼容性可以容易地把现成的w i n d o w s 应用程序移植到 w i n d o w sc e 中。目前有许多开发人员精通w i n d o w s 编程技术，他们只需学习很少 的知识就可以开发w i n d o w sc e 应用程序。 到目前为止，工业监测系统中的自动化设备仍然受专用硬件或工业化p c 平台 的限制。专用硬件通常十分耐用，并能抗恶劣环境，但是只能用于单一的、特定 的用途。虽然工业化p c 比专用硬件更具有灵活性，但是由于振动、灰尘、潮湿、 高温以及其它环境问题的影响，工业化p c 平台经常会出现故障和数据丢失。 7 华南理工大学工学硕士学位论文 w i n d o w sc e 操作系统是一个适合下一代互连工业自动化设备的理想小体积嵌 入平台。由于采用m s m q ( m i c r o s o f tm e s s a g eq u e u i n g ) 这样的先进应用服务， 使w i n d o w sc e 实现与生产现场i t 设施的全面集成成为可能。它还具有很强的实 时性能，支持确定性的响应时间控制。w i n d o w sc e 能从闪存启动，从而避免了暴 露在灰尘、高温和震动环境下，使它可以适应恶劣的生产环境。基于w i n d o w sc e 的嵌入式控制系统提供统一的、可伸缩的解决方案，将专用硬件的耐用性与p c 的灵活性结合在一起。因此w i n d o w sc e 在工业控制领域有着很好的应用前景。 1 4 信号处理技术 监测系统以传感方式获取生产过程参数，并采取有效的信号处理方式对过程 参数进行分析和处理，以实现对产品质量的监测。产品制造过程中过程参数非常 多、复杂，而且各个变化量之间可能线性不相关，传统的数学算法已经满足不了 质量监测的要求。近代，发展了多种信号处理技术，并在一些领域得到了有效的 应用，它们有神经网络技术和基于统计过程控制等。 1 4 1 人工神经网络 人工神经网络是由大量神经处理单元和它们之间广泛连接而组成的网络。它 模拟人脑的基本结构，在性能上反映了人脑的部分特性。人工神经网络模型是对 人脑模型的简化、抽象，完全体现了分布系统的本质。因此可以认为人工神经网 络是分布系统的一个特定模型。 人工神经网络在8 0 年代中期得到了飞速的发展。1 9 8 2 年美国加州州立理工学 院物理学家h o p f i e l d 提出了h o p f i e l d 人工神经网络模型，他将能量函数的概念引 入人工神经网络，并给出了稳定性的判据，开拓了人工神经网络用于联想记忆和 优化计算的新途径。如今应用最为广泛的神经网络模型有：b p 网络、h o p f i e l d 网 络、a r t 网络、c m a c 网络及自组织映射网络等。 人工神经网络理论的应用已经渗透到多个领域，在计算机视觉、模式识别、 智能控制、非线性优化、自适应滤波和信息处理、机器人等方面取得了可喜的进 展。由于神经网络可以在不作任何假设的情况下对过程建模和控制，因而也用在 焊接领域的焊缝跟踪、熔池及焊缝成形控制、焊接缺陷检测、焊接接头性能预测 和焊接过程稳定性控制中得到广泛的应用1 。在国内由李迪等嘲1 8 于9 0 年 代初对g t a w 建立了焊接过程的静态和动态模型，并实现了g t a w 焊接过程散 热条件急剧变化情况下对正面熔宽的智能控制。 华南理工大学工学硕士学位论文 多变量统计过程控制方法，对焊接过程中的电弧电压和电流信号进行分析，能实 时监测焊缝质量。 1 5 国内外概况 低成本高性能的嵌入式监测系统是国际上众多开发商所追求的目标。作为嵌入式 监测系统前沿机的嵌入式监测设备不仅硬件成本低，而且通过系统的通用性减低了开 发成本，缩短了产品投入市场的时间，在人机界面上比现有的其它嵌入式系统更加友 好，使操作者更易使用，同时由于采用了嵌入式技术，使监测系统的可靠性提高。国 外著名的公司，如g ef a n u c 、s i e m e n s 、r o c k w e l la u t o m a t io n 、a d v a n t e c h 等均在近 一、二年内推出了基于w i n d o w sc e 的控制系统。并且它们在这方面的研究步伐随着 2 0 0 0 年w i n d o w sc e3 0 的推出而加大。我国在这方面的研究相对较晚，基于w i n d o w s c e 的研究开发商主要是对手持式商业设备的开发。北京昆仑通态自动化软件科技有限 公司开发了基于w i n d o w sc e 的嵌入式工控组态软件。 在一些工业发达国家的汽车制造业中，均已在汽车生产线上采用了生产过程质量 监测装置，将产品量的“可记录”和“可追溯”列入其国家或行业的标准，并相继建 立了各种类型和不同用途的产品数据库系统，如美国焊接研究所依据a w s1 1 开发了 c o r r a l d l 1w p s p q r 数据库，用户可通过该系统输入，浏览，查询和打印焊接工 艺和p q r ，对焊接工艺和p q r 提供了母材，母材厚度，工艺参数和填充材料的组合 查询。国内一些技术设备比较先进的公司也逐步在生产线上引入过程质量监测装置， 如上海的大众公司。 1 6 本课题的来源和主要内容 我国的制造业面临着改造，如何将先进的信息技术融入传统产业，提高产品 质量、降低成本，是我国产品投入国际市场竞争的重要因素，尤其对加入w t 0 后 提高我国产品的竞争能力具有重要意义。据此，本项目提出采用m i c r o s o f t p l a t f o r m b u i l d e r n e t 开发基于w i n d o w sc e 的嵌入式监测设备代替p c 机在工业监测系统 中执行在线监测的功能。w i n d o w sc e 操作系统是微软为实现”信息随手可得”的设 想而努力开发的成果。微软为w m d o w sc e 提供了标准的开放式平台，极大地降 低了开发者在硬件、软件开发上的成本，并解决了非p c 技术解决方案的多客户 的矛盾。在嵌入式监测设备上，将所需的常用数据处理算法、模式识别算法及智 能决策算法作为通用模块融合到系统中，形成一个较通用的软硬件平台，对生产 过程及产品质量进行监测。同时由于采用了w i n d o w s c e 系统，提高了系统的通 信能力，可以低成本、高效率地构造分布式监测系统，并为进一步的无线式工业 监测系统的开发奠定基础。 1 0 第一章绪论 本论文研究的主要内容包括： 1 系统整体方案的设计，以霍尔传感器在线获取焊接过程中的电弧电压和电 流参数，通过a d 转换到嵌入式在线监测设备中，通过一定的信号处理对焊缝质 量作出实时判断。 2 w i n d o w sc e 操作系统定制：依据系统的硬件配景，在w i n d o w s2 0 0 0 环 境下利用w i n d o w sc e p l a t f o r mb u i l d e r 为嵌入式监测设备定制符合系统要求的 w i n d o w sc e 操作系统，并通过网卡将系统下载到目标机( 嵌入式监测设备) 。 3 个性化模块开发：嵌入式监测设备包含一些个性化的外围设备如a d 转 换，依据w i n d o w sc e 操作系统的要求开发，开发能在嵌入式操作系统下运行的 硬件任务执行模块。 4 嵌入式监测设各应用软件开发：采用概率密度分布图和多变量线性统计过 程控制图对数据进行分析，判别产品是否存在质量缺陷，并指出缺陷的类型和对 应位置，通过图像和文字的形式将判别的结果呈现给生产操作人员。 本项目最后以焊接质量在线监测为实验对象，不失其一般性，在适当条件下 可以扩展到其它领域，对不同的生产或者处理过程实施监测，比如污水处理等， 因此具有比较广阔的应用前景。 本论文工作得到了广东省科技攻关项目“面向制造业的嵌入式智能监控系统” ( c 1 0 1 1 2 ) 的资助。 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章w i n o d w sc e 嵌入式监测设备的设计 工业监测系统通常是以p c 机为中心，虽然工业化p c 比专用硬件更具有灵活 性，但是由于振动、灰尘、潮湿、高温以及其它环境问题的影响，工业化p c 平 台经常会出现故障和数据丢失，而且工业p c 机所占用空间比较大，无法安全合 适的“嵌入”到工业生产线上。本章设计介绍基于w i n d o w sc e 的嵌入式监测设 备代替p c 机在监测系统的前沿执行监测功能。嵌入式监测系统不仅体积小、代 价低而且稳定性高。 2 1 嵌入式监测设备硬件系统设计 嵌入式监测设备通过有效的传感方法，获取工业过程中的过程参数，经过一 定的信号处理过程，对过程质量与产品质量作出有效的分析和判断，从而为上层 的生产综合管理提供足够的决策信息。 2 1 1 嵌入式监测设备整体结构 嵌入式监测设备被置于生产线上，通过放置在监测工位上的传感器采集过程 参数，由a d 转换卡将采集的模拟信号转换成数字信号输入嵌入式设备。嵌入式 设备基于w i n d o w sc e 操作系统，对信号进行分析处理，一方面将处理结果通过 l c d 以图形和文字的方式显示给用户；另一方面将数据和结果利用网卡通过以太 网传给服务器管理平台，由管理平台实现对生产过程质量的综合管理。图2 1 示 出了监测设备的工作流程。 图2 - 1 嵌入式监测设备工作流程 第二章w i n d o w sc e 嵌入式监测设各的设计 基于v 晒m d o w sc e 的监测设备体系结构图如图2 - 2 所示，与工作流程相对应 按照功能可以分为四个部分，分别为信号采集、信号处理、数据传输和结果显示。 整个嵌入式监测设备分成三个硬件模块，它们分别是研华公司的p c m 一4 8 2 3 嵌入式 主板、研华公司的p c m 一3 7 1 8 ha d 转换卡和p r i m ev i e w 公司的p 6 4 c v l a p 0 1l c d 显示器。a d 转换卡和l c d 显示器作为外接设备附着在嵌入式主板上。整个嵌入 式设备具有体积小、稳定性好、可靠性高和功耗低等优点，充分体现了嵌入式系 统的优越性。 图2 2 嵌入式在监测设备机构体系图 f i g 2 - 2f r a m e w o r ko ft h ee m b e d d e de q u i p m e n tm o n i t o ri n gt h eq u a li t yi n f o r m a ti o n 研华公司的p c m - - 4 8 2 3 嵌入式主板是一块专的单板( s i n g l eb o a r d ) ，在空 间狭小的条件下它能花费最低成本，最大程度地满足设备的功能需求。在这块单 板上基本上集成了所有的工业p c 机所能提供的功能，而占用的空间只在3 5 英寸 左右。为了提高性能，单板除了有一块高性能的a m da m 4 8 6 嵌入式微处理器外支 持一个e d o f p md r a ms i m m 插槽能接受3 2 m b 的内存。 除了上面所述特征，p c i d 一4 8 2 3 板上还集成了下面一些功能模块： l o c a l - b u ss v g a 显示控制器( l c d ，e l 和c r t 显示) 。 板上1 6 位以太网口。 支持m - s y s t e m sd i s k o n c h i