嵌入式智能人機界面與PLC的通訊

近年來，“嵌入式”一詞越來越多的被人們提及，嵌入式產品被應用到各行各業。與嵌入式相關的技術如嵌入式產品，嵌入式系統的研究等也被列為“十五” 家發展的重點方向。

嵌入式系統 (Embedded System)被定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

隨著工業自動化的發展，基于PLC，單片機等設備的自動化系統，自動化設備越來越普及，幾乎遍布所有自動化領域，與之相應的人機交互系統也應運而生，并得到同步發展。基于嵌入式技術的工業人機界面是人機交互系統中一顆耀眼的明星。高可靠， 壽命，體積小，高性能，多線程，多任務，強實時等特點使嵌入式工業人機界面越來越受到自動化系統集成商，自動化設備制造商的青睞。它能夠理想，生動地顯示PLC，單片機等工業設備上的數據信息，功能強大，使用方便。它作為PLC等控制設備的上端設備在用戶和機器之間架設了一條橋梁。該產品目前廣泛應用在工業自動化系統，醫療，金融等行業的自動化設備。

隨著越來越多的工程項目采用了嵌入式人機界面，相應的，用戶對與嵌入式硬件配套使用的監控系統(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)等應用軟件的需求也在增加。這也正是本文所要討論的問題。這里講的嵌入式監控系統，其硬件為嵌入式智能人機界面；其軟件為嵌入式操作系統，另加自己開發的應用程序。本文后面主要介紹這個監控應用程序，重點介紹應用程序中通訊部分的實現原理。

當今，已發展有多種嵌入式操作系統，如Linux, VxWorks，WinCE.net等，完全可在其上開發出圖文并茂、界面友好的應用，以滿足監控系統的種種要求。只是由于嵌入式技術相對是一門新興的領先技術，涉足的人相對還比較少，所以這樣的應用目前還比較少。本文介紹的嵌入式監控系統算是一個實例吧。

2、系統組成

我們所開發的這套嵌入式監控系統，上位機是沈陽鷺島資訊科技有限公司開發的嵌入式智能工業控制人機界面（以下簡稱人機界面）。其嵌入式工業控制器是以Geode X86為核心處理器，包括網絡通訊，數據通信，大尺寸觸摸屏及液晶顯示的硬件平臺，在其上運行 WinCE操作系統。提供20個通用IO點供用戶使用，物理層支持ProfiBus等現場總線，支持16位真彩TFT LCD顯示，有64M SDRAM內存，64M FLASH閃存，據有USB接口，10/100M Ethernet網絡通訊接口，以及串口，并口，VGA口等通用接口。

下位機用日本OMRON公司的PLC，或SIMENS PLC，或施耐德NEZA PLC，或日本三菱公司的 PLC，等等當前比較流行的PLC，當然溫控表，單片機，智能模塊等工業現場控制設備也可以。

控制對象（比如鍋爐等）的工作由上述控制設備（各種PLC等）控制；而控制對象的狀態則用人機界面及在其上開發的應用程序進行監控。

人機界面的操作系統采用了微軟的WinCE.net。WinCE.net是為各種嵌入式系統和產品設計的一種緊湊，高效，可伸縮的操作系統(OS)，主要面向各種嵌入式系統和產品。其多線程、多任務、完全搶占式的特點是專門針對資源有限而設計的。OEM開發商可根據自己硬件組成的特點對WinCE.net進行選擇裁剪，從而配置出穩定高效并且是特有的WinCE.net操作系統和相應的SDK開發包。在應用上，WinCE.net支持超過1000個公共Microsoft Win32 API和幾種附加的編程接口，用戶可利用它們來開發應用程序。另外，微軟為開發WinCE.net應用程序的人員提供了與Visual C++類似、支持MFC的Microsoft eMbedded Visual C++語言。下面我們將介紹一下開發過程的細節問題。

3、軟件流程

應用程序開發是在個人計算機上進行的。個人計算機的操作系統為WINDOWS 2000。應用程序的開發平臺是Microsoft eMbedded Visual C++集成開發環境。

在應用程序開發時，還可以利用微軟提供的測試模擬器（Emulator）。有了它可做到，即使沒有人機界面，也可進行程序調試。

開發最終生成的可執行文件，可使用Microsoft eMbedded Visual c++開發環境提供的下載功能，通過串口或局域網，下載給人機界面。

工作時，PLC等工控設備運行它的控制程序，而人機界面則運行這個下載的可執行文件。兩者通過串口進行通訊，但通訊的主動方為人機界面。人機界面依監控要求，向PLC等發送通訊命令，PLC則作相應的應答。

人機界面從PLC上收到應答的數據后，在觸摸屏上，以圖表、動畫，文字等的界面顯現出來，供用戶觀察。還可把這些數據進行存貯、打印，甚至于向ERP等管理信息系統傳送。

如須對PLC或控制對象進行干預，也可在人機界面的觸摸屏上，通過觸摸鍵或觸摸鼠標，向PLC發送命令或數據，以實現相應的控制。

這個應用的執行流程框圖為：

圖1 執行流程框圖

4、畫面構成

一般的工程監控畫面有：文字顯示，生產工藝流程顯示（包括動畫，柱狀圖顯示等），報警，人員操作，趨勢曲線等等。我們的系統架構是做一個基于主對話框的程序。再將這些不同的畫面用子對話框表現出來。

主對話框負責初始化串口，打開串口，啟動讀串口線程等；而各子對話框則定時或根據需要向串口發送各種命令，通過主對話框的線程讀回命令的應答，再在子對話框中以一定的形式提供給用戶，以供監控現場作業。這其中主要的技術就是串口通訊。下面我們重點講述通訊的實現。

5、通訊實現

人機界面提供的串口是符合通用標準的。WinCE.net下的串口通訊與Windows下的串口通訊原理相同。都是應用程序不直接控制硬件，而是通過操作系統提供的設備驅動程序，來進行數據傳遞。

WinCE.net 是Win 32編程。串口在Win 32中是作為文件來進行處理的，不是直接對端口進行操作。對于串行通信，Win 32 提供了相應的文件I/O函數與通信函數。

但是也要注意WinCE.net所能支持的API函數只是Window API函數的子集。Windows有的，WinCE.net下不一定能使用。同時，WinCE.net字符集類似于Windows NT而不同于Windows 9x，它是基于Unicode的。這也是開發程序過程中從WINDOWS轉到WinCE.net的程序員遇到問題最多的地方。另外在Windows下常用的一些通訊控件如MSComm等在WinCE.net下就不能正確使用了。

本監控系統采用API函數實現串口通訊。以下分幾個問題介紹串口通訊及整個系統的實現。

5.1 打開串口

首先是打開串口，這是串口通訊的第一步。其代碼為：

BOOL CMainDlg::OnInitDialog()
{
......
m_hComm=CreateFile(_T("COM1:"),GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING,0,0); //打開串口的操作,需要注意
WinCE.net系統與Windows系統表達方式的細微不同，WinCE.net需要在串口后加上冒號；
SetupComm(m_hComm,1024,1024); //初始化串口的輸入，輸出緩沖區參數；

SetCommState(m_hComm,&m_dcb) ; //配置串口參數；m_dcb為設置好的參數結構；
......
SetCommTimeouts(m_hComm,&timeout); //設置通訊超時時間參數；

PurgeComm(m_hComm,PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR);
//清空輸入，輸出緩沖區的字符，為開始接受數據，進入監控狀態做好準備；
......
}

5.2 讀串口線程

其次是啟動讀串口線程，它讓讀串口程序不停地在后臺運行，而不影響前臺程序的工作。與此有關的代碼為：

BOOL CMainDlg::OnInitDialog()
{
......
ReadFile(m_hComm,inBuffer+iBufLen,INBUFFERLEN-iBufLen,&dwBytes,NULL); //從串口讀數據；
iBufLen+=dwBytes;
for(int i=0;i{
if(inBuffer[i]=="\r") //以連接的設備為OMRON PLC為例,其通訊協議規定應答應當以"\r"結尾；
inBuffer[i]=0; //字符串結束標志；
switch(m_iDlgType) // m_iDlgType為代表不同對話框的標志變量；
{
case 子對話框1標志:
子對話框1.ProcData(inBuffer,i); //不同對話框中對命令應答的處理，ProcData為處理函數名；
break;
......
}
......
}

5.3 各子對話框發送寫命令

各個子對話框根據需要，采用定時器的形式，定時向PLC發送命令。以OMRON PLC為例，在發送命令時，根據OMRON PLC的通訊協議，還需對發送的命令字符串加校驗碼。這些程序代碼為：

void 子對話框1類::OnTimer(UINT nIDEvent)
{
......
strcpy(m_szCmd,"@00RR00000001"); //OMRON PLC的命令字符串；
GenXor(m_szCmd,result); //進行校驗碼計算，調用 GenXor 函數；
sprintf(szTailer,"%02X*\r",result); //OMRON PLC通訊協議以“*\r”結尾；
strcat(m_szCmd,szTailer); //形成完整的通訊協議命令字符串；
WriteFile(m_hComm, m_szCmd, strlen(m_szCmd),&dwWriten,NULL);
//將命令字符串寫入串口;
......
}
以下為上面所調用的計算校驗碼的代碼：
void GenXor(LPCSTR strSource,char& result) //為計算校驗碼的函數，進行異或運算：
{
result=0; //為校驗碼賦初值；
int len=strlen(strSource); //命令協議字符串的長度；
for(int i=0;iresult^=strSource[i]; //按位進行異或；
}

5.4 顯示界面處理

最后，讀線程讀到的數據，交由對應的子對話框進行處理。要對這些數據進行分析，并以動畫，柱狀圖，趨勢曲線等表現出來。以所連接的為OMRON PLC為例，其代碼為：


void子對話框1類::ProcData(char *buffer, int len)
{
......sscanf(buffer+7,"%04X",&wData); //根據OMRON PLC的命令規約，從應答中將需要的數據取出到變量wData中；
....... //對獲得的變量值根據需要進行處理，如以文字或動畫等形式在子對話框中進行顯示；
}
在進行界面處理時，有一些技巧，如動畫顯示時，可以用一個定時器控制圖片的輪番顯示。（在本系統中動畫是通過CbitmapButton這個控件進行顯示的。）
switch(m_iImage) // m_iImage為定義的動畫顯示標志；
{
case 1: //顯示第一幅圖片，同時將動畫顯示標志置為2；
CBitmapButton控件變量.LoadBitmaps(圖片標志1);
m_iImage=2;
break;
case 2: //顯示第二幅圖片，同時將動畫顯示標志置為1；
CBitmapButton控件變量.LoadBitmaps(圖片標志2);
m_iImage=1;
break;
}

在顯示實時曲線時，采用循環數組的方式，在內存中開辟一定大小的空間，使讀上來的數形成一個循環數組，在界面上動態的顯示出來。

本系統中以20個模擬量為一個數組大小，也就是實時趨勢曲線一直顯示20個點的信息，但因為使用了循環數組的技術，所以看上去很有動感。

void 子對話框類::循環數組函數(int iValue) // iValue為從命令應答中解析出來的有效數據；
{
int index=(m_iBegin+m_iCount)%20; //計算循環數組的下標，初始從0開始；
m_aryValue=iValue; //為循環數組賦值；
m_iCount++; //循環數組的個數加1；
if(m_iCount>20) //判斷個數是否超過20個，如是，將下一個數組下標從1開始，依此類推；
{
m_iCount=20;
m_iBegin=(m_iBegin+1)%20;
}
......
}

通訊是本系統的關鍵。我們的實踐證明，以上四步是實現整個監控系統基本之要點。

6、結論

總之，本監控系統軟件的基本架構可以以下面這幅圖直觀的表示出來：

圖2 監控系統軟件的基本架構

隨著嵌入式操作系統的興起，各組態軟件的開發商也紛紛開發出了嵌入式版的組態軟件。但在實際應用中我們發現有許多企業，他們的生產控制流程比較固定，需要的人機界面的數量又比較大，對他們來說，按這里介紹的方法，針對企業自身的生產工藝特點進行開發，提供給用戶的是最終的運行系統，不需要用戶再進行組態的二次開發。這樣的系統對這樣的用戶來說，從時間，價格或性能上來說都比較適合。本系統在鷺島公司研發的LEODO嵌入式工業控制人機界面上經過了測試運行，證明其運行速度較快，比較穩定。效果很好，比較適合工業現場使用。當然LEODO品牌的人機界面也內置了一套簡明實用，畫面資源豐富的ET組態軟件，用戶可根據實際情況決定自己用高級語言開發，還是用組態軟件開發。

總之，可以看出，人機界面利用Microsoft eMbedded C++開發應用程序，與在Windows系統下用Microsoft Visual C++開發程序，有許多相象的地方。借助這個軟、硬件平臺，多數用戶完全可以開發出適合自己需要的應用程序