（计算机应用技术专业论文）开放式控制器的应用层功能设计及实现.pdf

硕士论文 开放式控制器的应用层功能设计及实现 摘要 随着计算机和网络技术的飞速发展，控制技术被广泛应用于工业、农业、交通、航 天、管理以及人工智能等领域。由于传统的控制器具有兼容性差、结构复杂、二次开发 困难和技术滞后等缺陷，严重阻碍了控制系统的发展。利用开放式控制器可以解决这个 问题。开放式控制器可在多平台上运行，具有良好的开放性和互操作性，并能够提供统 一风格的交互方式。研究和开发开放式控制器有利于推动控制系统的发展，是控制系统 发展的未来之路，具有广阔的应用前景和较大的研究意义。 设计开放式控制器的目的，是为了使控制系统面向用户开放，最终使用户受益。在 开放式控制器的体系结构中，应用层与用户直接相关，因此，应用层的需求直接反映了 用户的需求，设计应用层功能是研发开放式控制器的重要一环，具有重大的现实意义。 在开放式控制器的体系结构中，应用层的开放性主要体现在网络互联、数据管理、 人机界面和通信交换等方面。研究和设计应用层功能也应该从网络互连、数据管理、人 机界面和通信交换这四个方面考虑。本文基于应用层的开放性理念，采用b s 监控模式 结合本课题组的a r m 实验环境，重点研究应用层的功能设计，主要包括：研究和设计 w e b 服务器，实现开放式控制器的网络功能；研究和设计嵌入式数据库，实现开放式控 制器的数据存储和管理；研究和设计远程监控界面和本地操作界面，建立良好的人机交 互环境；研究和设计通信模块，实现被控设备与控制器、被控设备与被控设备之间的通 信。 关键词：开放式控制器，体系结构，组态 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t l lg r e a ti m p r o v e m e n to fc o m p u t es c i e n c ea n dn e t w o r k ，c o n t r o lt e c h n i q u ei sb r o a d l yu s e d i ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，c o m m u n i c a t i o n ，a e r o s p a c e ，m a n a g e m e n t , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n ta n ds o o n i ti sk n o w nt oa l lt h a tt r a d i t i o n a lc o n t r o l l e ri si n c o m p a t i b l e ，c o m p l e xa n dd i f f i c u l tf o r r e p e a t e d l yd e v e l o p m e n t , w h i c hi sn o ts u i t a b l ef o rd e v e l o p i n gc o n t r o ls y s t e m i ti so b v i o u s l y t ou s eo p e nc o n t r o l l e r t os o l v et h i sp r o b l e m o p e nc o n t r o l l e rc a nn o to n l yb er u ni n m u l t i - p l a t f o r mw i 也e x c e l l e n ti n t e r o p e r a b i l i t y , b u tc a na l s op r o v i d eu n i f i e di n t e r a c t i v i t y s t u d y i n ga n dd e v e l o p i n gt h et h e o r yo fo p e nc o n t r o l l e ri st h ee s s e n t i a lw a yo fd e v e l o p i n g c o n t r o ls y s t e m ，s ot h a ti ti ss i g n i f i c a n ti nt h en e a rf u t u r e t h eb a s i cp u r p o s eo fd e s i g n i n go p e nc o n t r o l l e ri st ob e n e f i tc u s t o m e r s a m o n gt h e m u l t i - l e v e la r c h i t e c t u r eo fo p e nc o n t r o l l e r , a p p l i c a t i o nl a y e rr e l a t e sd i r e c t l y 、j v i t l lc u s t o m e r s a sar e s u l t , t h ed e m a n do fa p p l i c a t i o nl a y e rr e f l e c t st h ed e m a n do fc u s t o m e r s i ti s s i g n i f i c a n tt os t u d ya n dd e s i g nt h ef u n c t i o ni na p p l i c a t i o nl a y e r a c c o r d i n gt ot h ea r c h i t e c t u r eo fo p e nc o n t r o l l e r , t h eo p e nc h a r a c t e r i s t i co fa p p l i c a t i o n l a y e ri sm a i n l yd e m o n s t r a t e db ys e v e r a la s p e c t s ，i n c l u d i n gn e t w o r k ，d a t am a n a g e m e n t , m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dc o m m u n i c a t i o n t h ef u n c t i o no fa p p l i c a t i o nl a y e ri no p e n c o n t r o l l e ri ss t u d i e da n dd e s i g n e db a s e do no p e np h i l o s o p h yi nt h i sp a p e r b sm o d ei s c o m b i n e d 、 ，i t l la r me n v i r o n m e n ta n da p p l i e df o ro u rs i m u l a t i o n m a i nc o n t e n t sa r el i s t e da s f o l l o w s ： 1 s t u d ya n dd e s i g nw e bs e v e rt oc a r r yo u tt h ef u n c t i o no f n e t w o r k 2 s t u d ya n dd e s i g ne m b e d d e dd a t a b a s et os t o r ea n dm a n a g ed a t a 3 s t u d ya n dd e s i g nr e m o t em o n i t o r i n gm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 4 s t u d ya n dd e s i g nc o m m u n i c a t i o nm o d e t oc o n n e c tc o n t r o l l e r sa n dc o n t r o l l e dd e v i c e s k e yw o r d s ：o p e nc o n t r o l l e r ，a r c h i t e c t u r e ，c o n f i g u r a t i o n 硕士论文开放式控制器的应用层功能设计及实现 图表目录 图2 1 1 开放式控制系统框架图8 图2 2 1 开放式控制器体系结构图1o 图2 2 2 应用支撑层软件模块构成1 1 图2 2 3 控制器应用层各功能模块交互图1 2 图2 3 1 基于主模块卡的板卡扩展1 3 图2 3 2p c 10 4 接口模块组成1 4 图2 3 3 即插即控协议层次结构1 5 图2 3 4 控制器端通信状态图17 图2 3 5 设备端通信状态图1 8 图2 3 6 具体协议转换功能图l9 图2 3 7b s 结构图2 0 图3 1 1 嵌入式服务器b o a 的原理图2 2 图3 1 2c g l 工作原理图2 3 图3 2 1 数据库e r 图2 5 图3 3 1 用户界面功能示意图2 6 图3 3 2 用户管理模块2 7 图3 3 3 使用q r e m b e d d e d 开发图形界面的基本过程3 0 图3 4 1 控制器与被控设备通信时序图3 1 图4 1 1 开放式控制器硬件主模块3 2 图4 1 2 宿主机与开发板的连接示意图3 3 图4 1 3 控制器软件体系结构3 3 图4 2 1 数据库关联图4 2 图4 2 2 登陆界面4 2 图4 2 3 设备浏览界面4 4 图4 2 4 设备控制界面4 5 图4 3 1 开放式控制器硬件主模块4 8 图4 4 1 控制器端通信流程图5 l 图4 4 2 设备端通信流程图5 3 图4 5 1 开放式控制器的智能家庭控制系统模型5 5 v 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中做了明确说明。 、 ，、 研究生签名名丛址 川年f 少月砰日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名拯_ 且一j 麴 砷年，2 ，月w 日 硕士论文开放式控制器的应用层功能设计及实现 1 绪论 开放式控制器成为控制领域发展的必然趋势，具有良好的使用性和广阔的市场价 值。在开放式控制器的多层体系结构中，应用层直接面向用户、面向需求，因此，其功 能设计是重要且不可缺少的一环，设计和实现应用层功能具有重大意义。本章对开放式 控制器应用层功能设计和实现的背景、研究意义以及研究现状进行论述。 1 1 选题背景及研究意义 随着生产力的发展和社会的进步，各式各样的控制器相继产生，并广泛应用于工业、 农业、交通、航天、教育等各行各业。控制方式经历了从简单到复杂、从局部到整体、 从现场到远程的发展过程，实现功能日益多样化和复杂化。由于传统的控制器是一种专 用的封闭的体系结构，存在不兼容、内部结构复杂、升级和二次开发困难、技术滞后等 缺陷，成为控制系统进一步发展的瓶颈，研究和设计新型控制器备受人们关注。开放式 控制器的诞生从根本上解决了传统控制器的尴尬局面。它能够利用标准计算机平台的软 硬件资源、标准操作系统、标准控制语言、标准总线结构和网络通信，实现对不同种类 的被控设备监控和操作。 在计算机和信息技术突飞猛进的今天，对集成化、模块化、网络化和智能化的控制 器需求越来越高，被控设备的种类也越来越多。传统控制器针对不同种类的被控设备， 需要重新编写相应的代码实现对设备的监控和操作，代码可移植性差、重利用率低，已 无法满足日益增长的控制器软件开放性的需求。组态软件的出现，为解决上述软件开放 性问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统控制软件存在的种种问题， 使用户根据自己的被控对象和控制目的的任意组态，方便快捷地完成的自动控制工程。 利用组态软件虽然可以满足设备层被控设备互联的开放性需求，但传统组态软件采 用客户服务器( c s ) 模式，要求客户端用户必须安装相应的组态软件，并通过人机交 互进行定制，才能生成控制界面，使得对用户开放的范围受到限制。随着网络技术的不 断进步，越来越多的用户将会通过i n t e m e t 和w e b 服务器对设备进行监控，而要求所有 的用户都安装相同的组态软件变得不太现实。针对上述问题，本课题组采用b s 监控 模式，基于组态方法设计开放式控制器应用层软件功能，设计包括w e b 服务器、嵌入 式数据库、人机界面和即插即控通信协议等，真正实现从硬件到软件各个层次上的开放 性要求。 1 2 开放式控制器的概念及发展 开放式控制器最早提出是8 0 年代末美国的n g c 计划。目前对于开放式控制器的概 i l 绪论 硕士论文 念仍然处于在一个“百家争鸣，百花齐放”阶段，并没有一个明确、统一的概念。结合i e e e 对开放式系统的定义，o s a c a 对于开放式控制系统定义为：开放式控制系统包括一 组逻辑上的分离的组件，组件之间和组件与应用平台之间的界面有良好的定义，以使来 自不同供应商的组件协同工作运行于多个平台之上完成控制工作，并对用户和其它控制 系统提供良好的界面。根据这个定义，可以得出开放式结构控制器是指：控制器设计的 各个层次对用户开放，用户可以方便地扩展和改进其性能。其具有以下特征2 1 ： ( 1 ) 互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) ：不同的应用程序模块通过标准化的应用程序接 口运行于系统平台之上，互相之间保持平等的相互操作能力，协调工作。 ( 2 ) 可移植性( p o r t a b i l i t y ) ：不同的应用程序模块可以运行于不同供应商提供的 不同的系统平台之上。 ( 3 ) 可伸缩性( s c a l a b i l i t y ) ：可任意增删各功能模块。 ( 4 ) 互替代性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) ：具有不同性能、可靠性和不同能力的功能单 元可以相互替代。 控制器在整个控制系统中具有核心作用。根据采用技术的不同，目前开放式控制器 主要有三种：现代可编程控制器( p l c ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 、工控机( i p c ： i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 、可编程自动化控制器( p a c ：p r o g r a m m a b l ea u t o m a t i o n c o n t r o l l e r ) 。 p l c 是以集成电路、计算机技术为基础的一种新型工业控制装置。在1 9 8 7 年国际 电工委员会颁布的p l c 标准草案中对p l c 下了定义3 1 4 1p l c 是一种专门用于工业环 境下的、以开关量逻辑控制为主的自动控制电子装置。它具有存储控制程序的存储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并 能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。其特点是：体 积小，重量轻，能耗低；可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善适用性强；系 统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造：编程简单，易于掌握。目前，p l c 广 泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及 文化娱乐等各个领域。按照p l c 的控制类型不同，主要应用于开关量的逻辑控制、模 拟量控制、运动控制、过程控制、机器人控制及组成多级控制系统等方面。 现代p l c 突破传统p l c 的系统结构，在一个p l c 系统中装多个c p u 模块，实现 每个资源都能拥有一个处理器。现代p l c 相对于传统p l c ，功能越来越强、集成度越 来越高，网络通信也得到很好的发展。随着计算机技术的发展，产品的品种会更加智能， 并更好地把完美的人机界面和完备的通讯设备适应于各种工业控制场合。伴随着可编程 技术和网络技术的发展，可编程控制器作为自动化控制网络或国际通用网络的重要的组 成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用，并作为可编程控制器技 术的发展方向。 2 硕士论文开放式控制器的应用层功能设计及实现 i p c ( i 控机) 俗称专门为工业现场而设计的增强型个人计算机，工控机有以下技术特 点1 5 1 1 6 1 ( 1 ) 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力；( 2 ) 机箱内有专 用底板，底板上有p c i 和i s a 插槽；( 3 ) 采用总线结构和模块化设计技术。c p u 及各 功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。( 4 ) 机 箱内配有专门工业电源，并有过压、过流保护，电源有较强的抗干扰能力。 工控机由计算机和过程输入输出( f o ) 通过两大部分组成。与一般通用计算机相 比较，有如下特点：( 1 ) 具有较完整的过程通道，便于将各种形式的信息变换，并完成 检测数据输入和控制信息输出。( 2 ) 有比较完善的中断系统和高速数据通道，以使其能 迅速响应生产过程发出的中断请求，并能与生产过程实时交换信息。( 3 ) 具有高可靠性。 连续生产，不能中途停机，不能发生故障。( 4 ) 具有人机联系功能，以便实现人机对话， 及时地对生产过程进行必要的干预。( 5 ) 具有能正确反映生产规律的数学模型。( 6 ) 具 有适于控制用的软件系统，包括操作系统的系统软件和应用软件，用以提高控制质量， 如适用于生产在线的实时操作系统，各种过程输入输出通道的中断处理程序，过程f o 数据传输过程出现错误的处理程序和实现过程控制应用程序。 i p c 是吸收了p c 机的全部功能，具有先天的开放性、标准化等优势，而且在通信、 存储、编程等方面具有较高的灵活性，可以利用p c 的总线插槽及现场总线接入。随着p c 技术的发展推动了嵌入式工控技术的发展，各种总线的嵌入式工控机向性能、高可靠方 向发展。在结构上，采用平板式显示器与触摸屏，特别推出前后插的机箱结构，适用于 中小系统的一体化结构。在应用上，应用领域越来越广，除传统的过程控制外，还向楼 宇自动化、公路收费等控制、管理方面扩展应用。i p c 将逐渐由生产过程自动化层向管 理信息化层移动。 i p c 和p l c 两者在技术特点上存在明显区别。口c 具有大运算能力；具有开放标准 的系统平台和p c i 接口；精美且低成本的显示技术；强大的组网能力。但可靠性和实时 性略差。另外就是p c 控制器的硬实时问题，以及相关确定性问题。p l c 具有配置灵活、 体积小、功耗低、抗干扰能力强；具有简单直观的编程模式；具有很高的可靠性和实时 性。但在软件功能及系统开放性等方面比p c 稍差。结合p l c 和i p c 的一些特性，采用 p l c + 口c 的系统结构，p l c 通过串口或者以太网口与p c 通信，p l c 的功能是进行实 时控制，p c 则完成p l c 处理不强的联网、作业流程显示、数据和文字处理、数据库等 任务。随着计算机技术和控制技术的不断发展，p l c 和i p c 走向融合，因此提出p a c 控制器。 p a c 详细定义为r ”：诸如在一种平台上实现逻辑控制、传动控制、运动控制和过程 控制等多种功能；具有公用对象标记和统一数据库的多学科开发平台；控制软件允许用 户根据多个设备或多个过程单元之间的过程流进行控制设计具有开放和模块化的结构， 网络接口和编程语言等都采用事实上的工业标准，能够实现不同供应商的自动化系统之 3 l 绪论 硕士论文 间的数据交换，有利于实现多种产品的网络化集成。p a c 关键技术包括两方面：硬件方面 ( c p u 技术的发展、现场总线技术的发展及工业以太网的广泛应用) 和软件方面( 嵌入 式实时操作系统、软逻辑编程技术和嵌入式组态软件的发展等) 。 p a c 具有以下特征和性能啪：提供通用发展平台和单一数据库；利用轻便的控制引 擎，可以实现多领域的功能包括：逻辑控制、过程控制、运动控制和人机界面等为统一 平台；允许用户根据系统实施的要求在同一平台上运行多个不同功能的应用程序；并根 据控制系统的设计要求，在各程序间进行系统资源的分配；采用开放式的模块化的硬件 架构以实现不同功能的自由组合与搭配，减少系统升级带来的开销；支持现场总线规范 及工业以太网标准可以与工厂的e m s ，e r p 系统轻易集成；对于网络协议、语言等，使 用既定事实标准来保证多供应商网络的数据交换；实时的振动分析、图像处理运动控 制和c a n ；执行自动调节的p i d 控制，或可调增益的p i d 控制模糊逻辑；使用内置w e b 服务器、f t p 服务器和e - m a i l 功能进行通讯。 p a c 融合了p l c 和i p c 各自的优点，将p c 强大的计算能力、通讯处理、广泛的第三 方软件与p l c 可靠、坚固、易于使用等特性最佳地结合在一起。p a c 与p l c 相比，具有 开放的体系结构和优秀的互操作性、灵活性；与p c 相比，又具有更高的稳定性和更好的 实时性。在可以预见的几年内，对标准性、开放性、可互操作性、可移植性的要求将是 用户至为关心的自动化产品的重要特征，作为融汇了i p c 和p l c 的优点的p a c 系统必将成 为控制系统的主流。 作者所在课题组结合以上论述的开放式控制器的特点，以p a c 控制器结构模式为参 考，设计一个基于嵌入式平台的开放式通用控制器，其具有开放性( o p e n ) 、通用性 ( g c n e r a l ) 特征。9 1 开放式通用控制器的特点主要是基于标准嵌入式系统，根据现场和用户的要求可进 行增减软硬件模块；采用模块化设计，占用资源少，其稳定性高，不存在相关软硬件的 干扰；在通信、存储、编程等方面具有较高的灵活性。 其控制器开放式特征：选用通用操作系统，采用分层次模块化设计，支持标准的系 统总线和网络协议。遵循控制器的开放性设计要求，实现各个层次的开放性。采用标准 系统总线不但为连接智能设备提供具有标准接口的，而且为实现特殊功能的扩展提供接 口扩充插槽。系统监控网络化支持了开放式的远程w e b 控制，系统维护功能。终端设备 的即插即控，无需用户手动安装设备的驱动。硬件模块化设计，控制器可通过标准内部 总线按堆栈结构方式进行硬件模块的添加、减。该控制器不仅实现开放性，同时具有通 用性特征，因为该控制器能够在多种环境下应用，连接多种接口类型设备。开放性特征 总结为：系统分层设计，软件模块化设计，具有继承性，提高系统性能时，无需改写软 件；标准化人机界面，用户可以对控制器的配置进行设置；向用户开放，用户可以根据 实时的需求，进行扩充和裁减。 4 硕士论文开放式控制器的应用层功能设计及实现 不论选择哪种开放式控制器，其体系结构都应该能够经得起实践的验证，即面向用 户的开放，最终使用户获益，这样才能够真正具有生命力。在开放式控制器的体系结构 中，应用层与用户直接相关，应用层功能需要直接反映了用户的需求。因此，设计开发 开放式控制器的应用层功能尤为重要。本文主要从开放式控制器的应用层出发，设计和 完善开放式控制器的应用层功能，主要包括：应用程序功能组态化和系统监控、维护的 网络化。即通过图形化的组态软件，使用户可以生成应用程序及w e b 风格的监控界面； 通过因特网地实现远程监控并方便地维护系统。 1 3 组态软件的概述 随着工业自动化水平的迅速提高，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的 控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户 的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须改其 控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于控制项目的不同 而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原 来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而 更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭 新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户根据自己 的对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。 组态的概念最早来自英文( c o n f i g u r a t i o n ) ，含义是使用软件工具对计算机 及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置自动执行特定任 务、满足使用者要求的目的。通用组态软件主要有如下特点： ( 1 ) 延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场( 包括硬件 设备或系统结构) 或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更 新和升级； ( 2 ) 封装性( 易学易用) ，通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用 的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术( 甚至不需要编程技术) ， 就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能； ( 3 ) 通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备 ( p l c 、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等) 的i 0d r i v e r 、开放式的数据库和 画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并 存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 组态软件1 即人机界面软件扫描报警控制数据库软件。指一些数据采集与过程控 制的专用软件，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用户开发界面 和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地完成各项功能，并能同时 5 l 绪论 硕士论文 支持各种硬件厂家的计算机和f o 产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向 控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。组态软件应该能支持各种工 控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。组态软件就是 在工业控制领域中用于二次开发的软件，用户可以向搭积木一样使用组态软件开发出适 合自己要求的控制软件。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方 编写h m i 应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是 封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加 功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组 态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实 时控制、s c a d a 、通讯及联网、开放数据接口、对i o 设备的广泛支持已经成为它的主 要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。 国内外相继出现了很多种组态软件，且基本上都采用c s 监控模式，它的优点是客 户端响应速度快，不足之处在于客户端需要安装专用的客户端软件。首先涉及安装的工 作量，其次任何一台电出问题，如病毒、硬件损坏，都需要进行安装或维护。还用系统 软件升级时，每台客户机需要重新安装，其维护和升级成本高。针对组态软件的不足， 本课题采用b s 模式，基于组态设计，实现开放式控制器应用层功能设计，真正实现开 放式控制器的全方位开发。在远程用户应用的开放性设计上，客户端无需安装任何第三 方软件，通过浏览器实现远程组态与监控。 1 4 工作内容和论文结构 1 4 1 工作内容 本课题的目的是在开放式控制环境下，基于组态思想研究和设计应用层功能，最终 实现用户可以通过图形化的组态软件，生成应用程序及w e b 风格的监控界面，通过因 特网可以方便地实现远程监控并方便地维护系统。 本课题的工作内容主要有： 搭建基于a r m 9 的模拟实验环境。在a r m 9 平台上，构建好用户需求的嵌入式l i n u x 系统基础上，移植嵌入式w e b 服务器b o a 和嵌入式数据库s q l i t e ，以及设计人机交互 操作界面。实现基于数据库访问技术的w e b 实时监控系统，使用户通过浏览器就可以 对现场设备进行远程实时管理，信息共享。 研究和设计开放式控制器应用层功能。基于组态设计，结合本课题组的a r m 实验 环境，重点研究应用层的功能设计，主要包括：研究和设计w e b 服务器，实现开放式 控制器的网络功能；研究和设计嵌入式数据库，实现开放式控制器的数据存储和管理； 研究和设计远程监控界面和本地操作界面，建立良好的人机交互环境；研究和设计通信 6 硕士论文开放式控制器的应用层功能设计及实现 模块，实现被控设备与控制器、被控设备与被控设备之间的通信。 1 4 2 论文组织 第一章绪论，对研究意义、开放式控制器发展状况、研究前景等进行综述。 第二章开放式控制器的体系结构设计，论述控制器的系统结构设计及特点。从硬 件功能模块的开放性设计、被控设备互联的开放性设计、远程用户应用的开放性设计三 个层面详细论述开放式控制器的开放性设计。 第三章开放式控制器的应用层功能设计，分别对各个功能模块进行设计主要包括 w e b 服务器设计、嵌入式数据库设计、控制界面设计及通信模块设计。 第四章开放式控制器的应用层功能的模拟实现。把第三章设计的开放式控制器应 用层功能在a r m 平台上模拟实现。 第五章总结与展望，总结本文的研究成果和体会，并指出了设计中不足及课题需 进步完善的研究方向。 7 2 开放式控制器体系结构设计硕士论文 2 开放式控制器体系结构设计 本章通过研究开放式控制系统的结构框架，针对开放式控制器体系结构的特点，提 出了从三个层面上来实现整个系统的开放性设计方案，即硬件功能模块化的开放性、被 控设备互联的开放性、远程用户应用的开放性。 2 1 开放式控制系统结构 控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。在自 动化控制环境下将计算机和控制器组网构成大型开放式控制系统是一种发展趋势。控制 系统开放性发展的一个重要进程是控制系统采用统一的网络协议和结构模型。将传统的 通用标准网络结构和相关协议由信息网络向底层控制网络延伸和扩展，实现传感器、控 制器、现场设备控制与信息一体化的全开放分布式网络通信系统。开放式控制系统的结 构框架如图2 1 1 所示。远程客户终端通过i n t e r n e t 网使用i e 浏览器实现系统的异地监 控、维护功能。( i n t r a n e t ) 企业内部网内的用户，也是利用i n t e r n c t 网的w e b 模型作为 标准信息平台，能够快速透明地访问和使用控制现场及i n t e m e t 网上的信息资源。现场 设备控制网，从网络结构上看，类似于传统现场总线控制网络，都是总线网络，多个节 点共享信道完成实时或非实时数据的传输。但它采用以太网作为网络结构，遵行t c p i p 协议这一跨平台的通信协议族，把智能设备连接起来构建在工业控制中低成本、高可靠、 更灵活的开放式设备网络平台，能方便地实现互异的设备互联互控。随着研究的深入， 开放的嵌入式网络控制系统成为控制系统结构首先的方案之一。该系统具有较高的开放 性，通过通用标准的网络技术，将控制系统与信息网络连成一个整体。 3 图2 1 1 开放式控制系统框架图 硕士论文 开放式控制器的应用层功能设计及实现 在系统结构框架中，开放式控制器在整个控制系统中处于核心位置，是远程客户 端用户和现场设备交互的桥梁。一个开放式控制系统的功能完善，关键在于设计一个良 好的开放式控制器的体系结构。下一节着重对开放式控制器的体系结构设计进行详细的 阐述。 2 2 开放式控制器的体系结构 开放式体系结构是关于性能和操作的一种技术规范，它提供了各部分之间的互联结 构以及各操作部分之间的接口标准。开放式控制器应该满足低成本、易伸缩、易互连的 总体目标。低成本需要体现在一次硬件成本低、二次开发成本低以及运行维护成本低； 易伸缩需要体现在硬件架构及软件功能可伸缩；易互联需要体现在易于与其他设备连 接、易与互联网连接。因此，开放式控制器应满足1 1 2 j ：硬件功能模块化设计，采用标准 化系统总线，硬件模块即插即用，应用程序功能组态化以及采用标准网络协议进行系统 监控、维护。为实现以上目标，开放式控制器是基于模块化的体系结构，采用分层次的 设计方法，从硬件到软件实现各个层次上的可移植、可扩充、可协调及互操作等开放性 要求。分层的体系设计可以比较清晰的获得系统的功能特征和交互界面，保证各功能模 块组合起来具有层次性和结构性，使各层功能之间具有相对独立性，由下层对其上层提 供服务。分层设计的基本任务是确立开放式控制器中的基本元素和这些元素间的相互作 用的方式以及它们间的层次关系，较为重要的是决定建立哪些层次以及每一层的职责是 什么。 根据上述思想，从下往上分开放式控制器体系结构为：硬件层、硬件抽象层、操作 系统层、应用支撑层、应用层，如图2 2 1 所示。开放式控制器中下一层对上一层来说 是透明的，无需知道特定层的属性和实现机制，仅仅通过接口说明即可获得相应模块用 途。把对应层之间的信息传递及对应层实体之间的交互，交由相应层次上对等通信接口 各自协调工作配合完成。全开放的控制器是基于标准嵌入式平台，选用通用操作系统和 数据库，支持标准网络通信协议，采用分层次模块化设计，下面来具体论述各层功能。 1 硬件层：它是整个开放式控制器的基础，一般包括处理器、存储器、输入输出 设备，标准接口和必要的外围设备等。该层采用硬件功能模块化设计也就是采用堆栈结 构形式，控制器硬件由主模块、电源模块以及根据需要叠加的其他功能模块组成。除主 模块( 具有标准硬件结构) 外，其它各功能模块可随意通过类p c i 0 4 内部总线进行叠加、 消减。控制器通过外部标准总线实现对设备的远程监控，并可随意增减现场设备。硬件 层的开放性主要体现系统总线标准化和硬件功能模块化。控制器通过模块化设计，就可 根据现场要求对模块进行增减，从而减小系统开销。硬件的通用性和标准化设计，为上 层驱动以及操作系统应用软件提供了标准开发基础，而无需针对各个硬件进行独立的驱 9 2 开放式控制器体系结构设计 硕士论文 动开发。采用标准统一的通信接口和扩展硬件驱动接口使完成与上层的通信及与现场设 备的识别与交互操作更为简洁。 2 硬件抽象层：该层包括硬件的初始化、硬件设备的配置、启动引导程序及数据的 输入输出等操作。它位于操作系统内核与硬件电路之间，其实质是通过程序来控制所有 的硬件电路。它通过硬件接口访问硬件层，而对具体的数据如何在硬件上的传输和控制 并不关心，为操作系统提供统一的虚拟硬件平台。硬件抽象层具有与硬件的密切相关性 和操作系统无关性特征，这样系统的可移植性进一步提高，并为系统集成新的硬件设备 并加载新的驱动程序提供方便，使控制器具有良好的扩展性。 控制组 一+ 界囱程序w e b 服务设备即插即控通信程序 态软件 j e 控制图 形元素w e b 服务器数据库 q t 开发包即插即控协议栈 进程管理存储管理文件系统设备驱动电源 硬件初始化 启动引导程序硬件设备配置 处理器存储器标准接口i o 设备时钟系统扩展槽 应用层 应用支撑层 操作系统层 硬件抽象层 硬件层 图2 2 1 开放式控制器体系结构图 毛# 3 操作系统层：操作系统层包括处理器管理、文件子系统、进程控制管理、存储管 理、设备管理、系统调用接口等功能模块。操作系统是计算机硬件与应用软件的接口， 也是人机交互的接口。针对开放式控制器设计的特定需求，采用标准操作系统除了有效 地管理和控制计算机软硬件资源以及改善计算机系统的整体性能外，还为用户提供一个 方便、有效、友好的人机交互环境。目前主流的嵌入式操作系统有：l i n u x 、w i n d o w sc e 、 v x w o r k s 、n u c l e u s 等。 在本设计中选用嵌入式l i n u x 操作系统，因为l i n u x 系统具备标准化、可扩展、可 裁减以及可移植性强等特性，具体特征如下： 1 ) 开放源码，l i n u x 是自由的操作系统，它的开放源码使用户获得了最大限度的 自由度。l i n u x 上的软件资源十分丰富，每一种通用程序在l i n u x 上都可以找到。 1 0 硕士论文 开放式控制器的应用层功能设计及实现 2 l 多任务内核非常稳定，它的高效和稳定性已经在各个领域内得到了事实的验证。 l i n u x 的内核小巧灵活，易于裁剪，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将 某些模块插入到内核或从内核中移走，这使得它很适合于嵌入式系统的应用。 3 ) 支持多种体系结构，如x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、p o w e r p c 等，目前已经被 移植到数十种硬件平台上，几乎支持所有主流c p u 。 4 ) 优秀的完整开发工具链，它利用g n u 的g c c 做编译器，用g d b 、k g d b 、x g d b 做 调试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 5 l 高效强大的网络功能，l i n u x 支持各种流行的网络协议，并且很容易移植到嵌入 式系统当中。 回支持多种文件和图形系统，具有良好的兼容性和友好的用户界面。 n 支持大量的外围硬件设备，内核绝大部分代码都是关于设备驱动的，它们支持 各种主流硬件设备和最新硬件技术。 4 应用支撑层：应用支撑层是为控制器提供控制、通信、配置等辅助支持。该层 主要实现软件包及协议的移植，并对该层软件模块化设计，共同为应用层提供支撑服务。 该层软件相互联系却又各自独立，使得对该层软件模块的扩展或移除、版本升级对其他 功能软件并无影响。应用支撑层不同软件模块主要是为控制器在开放性设计的可移植性 和互操作性功能而设计的。该层软件模块如图2 2 2 所示，主要有w e bs e r v e r 、数据库、 图形界面开发工具及即插即控协议栈，其中w e bs e r v e r 和数据库均采用嵌入式环境下 的专用软件包，为应用层提供良好的c c + + 接口。 ，、 卜户界面卢 数刊辚罄 据 w e b 服务器 塑，库 叫扩锗层 图2 2 2 应用支撑层软件模块构成 5 应用层：该层一般采用标准c 语言进行应用程序设计，主要由辅助程序和控制 程序组成，辅助程序提供人机交互界面，控制程序通过调用应用支撑层提供的a p i 函数 实现面向控制应用的相关功能，如图2 2 3 所示。 2 开放式控制器体系结构设计硕士论文 开放式控制器 q t 图形界面b 写一八 通 信 峥读，写一 协 w e b 鼢 w e b 服务 数 议 i 接 现场 浏 弋i n l 岁r a ) c t w e b 页面 库 设备s 览 据 口 器 八 jf扩 c g i l ：毒，o 3 展 交互程序 嘲写v 坝偈一槽 图2 2 - 3 控制器应用层各功能模块交互图 应用层的开放性主要表现为：应用程序功能组态化和系统监控、维护网络化。通过 图形化的组态软件，根据用户需求快速生成可靠的应用程序及w e b 风格的人机界面方 便地实现远程监控并维护系统。采用全w e b 管理模式，远程用户与控制器的通信以及 对现场设备的远程监控，只要通过浏览器与w e b 页面交互，用户在客户端无需安装第 三方软件。控制器与智能设备的交互依据即插即控的模式，实现控制器对智能设备的实 时控制。当有未知设备加入系统时，控制器就能够根据相应的中断机制进行处理，实时 获取设备信息，并对设备进行监控。当有多个关联设备连接到控制器上时，控制器可以 依据内部相应机制实现关联设备之间相互通信。并对获取的设备参数、状态参数等现场 数据交由嵌入式数据库集中存储管理。 综合五层的设计原理，该控制器的开放性体现在： ( 1 ) 标准化和通用性：采用标准方案和协议设计操作系统、硬件和软件，提高通用 性便于用户使用，降低添加、裁剪、定制功能模块的难度，为平台具有良好的可移植性、 可扩展性、可应用性和兼容性提供保证。 ( 2 ) 模块化和可定制性：控制器系统是一个由多个模块组成的松散耦合系统，操作 系统内核、应用支撑层和应用层程序都是可动态加载卸载的模块，用户可以通过用户界 面修改配置文件，选择加载卸载不同的模块，定制相应的功能参数。 ( 3 ) 可扩展、可移植性：控制器系统各层问的模块具有相对独立性，底层模块根据 接入硬件设备单独构造，为扩展不同硬件设计提供方