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硕士论文基于 删的组态软件的研究与应用 摘要 随着计算机软、硬件技术的发展，嵌入式系统在工业控制中的应用越来越广然 而在工业控制领域中取得巨大成功的组态软件还不能直接应用于各种嵌入式系统而 工业控制领域中的嵌入式系统又迫切需要一种类似于组态软件的应用程序来快速、高 效、方便地开发适应各种场合的监控软件。因此嵌入式系统与组态软件的结合是两者 在工业控制领域内发展的必然趋势，嵌入式组态软件的研制也是迫切需要的。 本文介绍了嵌入式组态软件所需的软、硬件平台后，详细地分析了嵌入式组态软 件的功能、构成以及数据流，对嵌入式组态软件的主要组件的设计进行了讨论，并在 此基础上分析了基于a r m 平台组态软件的特点。基于分析的结果，本文提出了在 a r m 平台上实现组态软件的系统模型，包括系统的运行环境和开发环境的具体设计 在运行环境中主要设计实现了数据接收模块、l c d 显示模块、u s b 通信模块、网络 通信模块、声音播放模块等五大功能模块，这些模块都是基于电梯多媒体项目来设计 的。 最后，利用基于a r m 平台的组态软件完成了电梯多功能液晶屏等数个产品项目， 通过这几个应用案例表明所设计的系统符合嵌入式组态软件的基本要求，充分体现了 易用性和灵活性，并且所实现的系统较好的突出了组态软件实时多任务的特点，在软、 硬件的可裁减性上也有一定的可行性 基于本文设计的系统所实现的电梯多功能液晶屏在2 0 0 6 年4 月中国国际电梯展 上展出，并获得好评；该产品目前已正式出产，并在蒂森克虏伯电梯( 上海) 有限公 司的演示电梯上运行 关键词：组态，嵌入式系统，a r m ，电梯，多媒体 硕士论文基于删的组卷软件的研究与应用 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rs o f h 怩i 把a n dh a d w a l et e c h n o l o g y , e m b e d d e d s y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nf i e l do fi n d u s t r i a le o n l r 0 1 h o w e v e r , 0 1 3 o n eh a n dt h o s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ( s c a d a ) w l a i e hh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di n i n d u s u i a lc o n t r o l 眦n o td i r e c t l yd e p l o y e di ne m b e d d e ds y s t e m o nt h eo t h e rh a n d , t h e e m b e d d e ds y s t e ma p p l i e di ni n d u s t r i a lc o n t r o ld o m a i nn e e dak i n do fs o t h l t l ew h i c hc 觚 p r o v i d et h ef u n c t i o nl i k e $ c a d a s oi t sac o m p e u i n gt r e n dt oc o m b i n et h ee m b e d d e d s y s t e ma n ds c a d a i t s i nu r g e n tn e e do f t h er c s c a r e l ai ne m b e d d e ds c a d a t h i st h e s i s s t a r t sw i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o t 【w a r ep l a t f o r mo f e m b e d d e ds y s t e m , a n da n a l y s e st h ef u n c t i o n , a r c h i t e c t u r ea n dd a t af l o wo ft h ee m b e d d e d $ c a d al a t e ro nf u r t h e ri n o r ed i s c u s s e st h ed e s i g no f t h em a j o rc o m p o n e n t so f e m b e d d e d c o n f i g u r a t i o ns o t t w a r e b a s e do nt h er e s u l to fa n a l y s i s ，am o d e lo fe m b e d d e d $ c a d a 0 1 1 a r m p l a t f o r m , w h i e l ai n c l u d e sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dr t m - t i m ee n v i r o n m e n t , i s p r o v i d e d i nr t m - t i m ee n v i r o n m e n t , 啪d e s i g na n dr e a l i z et h ef i v ef u n c t i o n a lm o d u l e s , i n c l u d i n gd a t ar e c e i v i n gm o d u l e ，l c dd i s p l a ym o d u l e ，n e t w o r ke o m m t m i e a t i o nm o d u l e ， u s bc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds o u n dp l a y i n gm o d u l e t h ed e s i g no ft h e s em o d u l e si s b a s e do i lt h ep r o j e ao f e l e v a t o rm u l t i m e d i a a tl a s t , w ea c c o m p l i s hs e v e r a lp r o d u c t si n c l u d i n ge l c v a t o rm u l t i f u n e t i o nl c dw i t h t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a 糟w ed e s i g n e da b o v e t h e 钒k c e s so ft h e s ea p p l i c a t i o ni n s t a n c e s m a k ep l a i nt h a tt h es y s t e mw ed e s i g n e a lc o n f l m l sv v i t ht h er e q u i r e m e n to ft h ee m b e d d e d c o n f i g u r a t i o ns o 矗w a 绝t h e s ei l i s t a l l $ a l s oe m b o d yt h ee o n v e n i e n e , ea n df l e x i b i l i t y t h r o u g h l y 1 1 圮s y s t e mo u t s t a n dt h ef e a t u r eo f r e a l - t i m em u l t i t a s k i n gv e r yw e l l ，a n dm e e t s n e c e s s i t yo f r e d u c i b i l i t yo ns o f t w a l ea n dh a l d w a 他 e l e v a t o rm t t l t i f u n e t i o nl c db a s e d0 no u ts y s t e mi se x h i b i t e di nc h i n aw o r l d e l e v a t o r & e s c a l a t o re x p o 0 6 , a n dp r o c u r e sf a v o r a b l er e v i e w t h i sp r o d u c th a ss o l dt o t h y s s e n k r u p pe l e v a t o r s ( s h a n g h a i ) c o ，l t d k e yw o r d s ：c o n f i g u r a t i o n , e m b e d d e ds y s t e m , a r m , e l e v a t o r , m u l t i m e d i a 声明 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，不包含其他入已经发 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 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 主蕴。嘭年占月，罗目 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予和纸质文档，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、借阕或上阚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：至自叠 印。6 年莎月日 磺士论文 基于 蹦的组态软件的研究与应用 1 绪论 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统早已经溶入我们的生活，除了我们在日常生活中可以看到的家电产 品、工业与军事应用的独立产品之外，许多大型电脑系统，事实上也是许许多多小的 嵌入式系统所组成的1 1 1 如果有人将嵌入式系统用于网络控制、楼宇监控系统 3 1 1 4 1 。 正因为嵌入式系统有着广泛的应用，加之芯片技术的不断突破，软件业的繁荣，这一 切都为嵌入式系统的发展提供了便利条件，目前嵌入式系统技术已经成为最热门的技 术之一。 1 1 1 嵌入式系统定义 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统 是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的 产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知 识集成系统【2 1 i 1 2 嵌入式系统的构成 嵌入式作为一类特殊的计算机系统，自底向上包括3 个部分 2 1 ： ( 1 ) 硬件环境。是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用 通常有不同的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点硬件部分 可分为三层：核心处理器、外围电路和外部设备核心处理器是嵌入式系统的核心部 件，负责控制整个嵌入式系统的执行外围电路包括嵌入式系统的内存、f o 端口、 复位和电源等，与核心处理器一起构成一个完整的嵌入式目标系统。外部设备是嵌入 式系统与真实环境交互的各种设备，包括存储设各( 如f l a s hc a r d ) 、i o 设备( 如键 盘、鼠标、l c d 等) 和打印设各( 打印机、扫描仪等) i s l 。 ( 2 ) 嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制核心功能。具有内核较 精简、可配置，与高层应用紧密关联的特点嵌入式操作系统具有相对不变性嵌入 式操作系统的出现，大大提高了嵌入式系统的开发效率，并增强了嵌入式支撑软件和 应用软件的可移植性婀 ( 3 ) 嵌入式应用程序。运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定 功能的嵌入式应用。不同系统需要设计不同的嵌入式应用。 顽i 论文基于 蹦的组态软件的研究与应用 1 1 3 嵌入式系统的特点 与通用计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统。一般具有成本敏感 的特点，它的硬件和软件都必须高效率地设计，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。好的嵌入式系统是完成目标功能的最小系统，这样的产品 才更具有竞争力啊嗍。 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度处理能力、电磁兼容性等方面 均受到应用要求的制约。这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点嵌入式处理器针 对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加，才能达到理想的性能，但同时还会 受到用户订货数量的制约因此，不同的处理器面向的用户也不相同，可能是一般用 户，行业用户或单一用户。 嵌入式系统一般要求高可靠性。在恶劣的环境或突然断电的情况下，要求系统仍 然能够正常工作还有许许多多嵌入式应用要求实时功能，这就要求嵌入式操作系统 ( e o s ) 具有实时处理能力。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进 行的。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，便具有较长的生命周期。嵌入式系统中 的软件一般都固化在存储器中或闪存中，而不是存储在磁盘等载体中 1 1 4 嵌入式系统的发展 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费 电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发 展过程，大致经历四个阶段唧 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指 示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般 没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制这一阶段系统的主要 特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接 口由于这种嵌入式系统使用简单、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、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的 需求 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统主要 特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定 的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统主要特点是：嵌入式操作系 统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作系统内核小、效率高，并且 具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以 2 硕士论文基于 r 的组态软件的研究与应用 及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口a p i ，开发应用程序较简单；嵌入式应 用软件丰富。 第四阶段是以i i i 【e r n 既为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目 前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r a c t 之外，但随着i n l 棚僦的发展以及i n t o n e r 技术 与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n v t 的结合将代表嵌入 式系统的未来。 1 1 5 嵌入式微处理器一a r m 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计，全世 界嵌入式处理器的品种数量已经超过了1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 多个，其中 8 0 5 1 体系占大多数。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产 品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到2 5 6 k b ， 处理速度从0 i m i p s 到2 0 0 0 m i p s 1 0 。 本文研究的平台是基于a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司的全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器a r m 处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能： 1 6 3 2 位双指令集；全球众多的合作伙伴。它已成为移动通信、手持设备、多媒体数 字消费嵌入式解决方案的r i s c 标准。 a r m 处理器目前有5 个系列产品：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和s e 圮u r c o r e 。 其中a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为 应用于实时环境的a r m 7 t d m i 、a r m t t d m i s ，以及适用于开发平台的a r m 7 2 0 t 和适用于d s p 运算及支持j a v a 的a r m t e j 等 a r m 7 系列微处理器具有如下特点【1 0 l ： ( 1 ) 具有嵌入式i c e - r t 逻辑，调试开发方便； c 2 ) 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品； ( 3 ) 能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构； ( 4 ) 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集： ( 5 ) 对操作系统的支持广泛，包括w m d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等； ( 6 ) 指令系统与a r m 9 系列、a r m g e 系列和a r m l 0 e 系列兼容，便于产品升级 换代； c 7 ) 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、网络和调制 解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用 硕士论文 蔫于删的组态软件的研究与应用 促进了计算机控制走向成熟。首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了 计算机的硬件成本，缩小了计算机的体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事工业 控制计算机的公司先后推出了新型控制系统。这一历史时期较有代表性的就是1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司推出的世界上第一套d c s t d c - 2 0 0 0 。而随后的2 0 年间，d c s 及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛应用，此时的d c s 已具有较丰富的软件， 包括计算机系统软件( 操作系统) 、组态软件、控制软件、操作站软件以及其他辅助 软件( 如通信软件) 等 目前，全球知名的组态软件厂商不足2 0 家，但前6 家占据了整个市场7 5 的份 额。它们分别是w o n d e r w a r e 、s i e m e n s 、i n t e l l u t i o n 、r o c k w e l l 、g ef a n u c 、c i t e c h l l 4 1 国内有近1 0 家组态软件公司，其中以组态王、力控为代表的组态软件已取得了优良 的业绩。 很多新的技术不断地被应用到监控组态软件中，组态软件装机总量的提高会促进 应用予某些专业领域的专用版软件的诞生，市场被自动地细分了为此，一种称为“软 总线”的技术被广泛采用在这种体系结构下，应用软件以中间件或插件的方式被 “安装”在总线上，并支持热插拔和即插即用。其优点是：所有插件遵从同一标准， 且专用性强，每个插件开发人员之间不需要协调，一个插件出现故障不会影响其他插 件的运行。x m l 技术将被组态软件厂商菩加利用，以改变现有的体系结构，它的推 广也将改变现组态软件的某些使用模式，满足更为灵活的应用需求【嘲此外，有的监 控组态软件可能在一个主站下连接许多智能型控制子站，这些子站有自己的本地数据 库，有很强的控制功能，可通过网络同主站进行数据交换【埘。 1 2 4 嵌入式组态软件 嵌入式组态软件的产生是嵌入式系统在工业控制领域发展的必然。微处理器技术 的发展，一方面使得处理器运算速度不断提高，另一方面使得控制系统硬件成本不断 降低，过去要在控制室由中央主机承担的控制功能现在可以安排到现场的嵌入式控制 器上，这样大大提高了系统的可靠性。对于现场的嵌入式控制器人们希望也能提供友 好的人机界面，方便了解被控对象状态并能根据实际情况采取相应的控制措施。这时， 部分技术人员想到了是否可以将传统组态软件技术应用到嵌入式控制系统上。所谓嵌 入式组态软件是相对传统组态软件而言，传统组态软件由于应用环境不同，软件多考 虑功能强大，故软件开发、运行所需的资源较大。嵌入式组态软件则是运行于以嵌入 式处理器为核心的硬件系统之上，相应的支持软件是嵌入式操作系统，因此嵌入式组 态软件不能过于庞大，但又不能过多丢弃传统组态软件的功能 在过去的l o 年间，工业p c 及其相关的数据采集、监控系统硬件的销售一直保 持高速增长。工业p c 的成长是因为软件开发工具丰富，比较容易上手，而用户接受 工业p c 的主要原因是一次性硬件成本的降低，但是后续的维护和升级费用明显高昂， s 硕士论文 基于 叫的组态软件的研究与应用 经常带来一些间接的损失基于嵌入式组态软件的工控产品可以有效地解决工业p c 监控系统的工作效率低、维护和升级难等问题，使工业p c 监控系统大踏步地走入自 动化系统的高端市场。 1 3 课题的背景及研究的意义 1 3 1 嵌入式组态软件开发现状 目前国外的商用嵌入式组态软件并不多。l n d u s o rw e bs t u d i o 生产的嵌入式 h m i s c a d a 软件据说是市场上第一个可以运行于w i n d o w sc e 上的，它可以运行于 多种处理器上，如a r m ，m i p s ，m i p s f p ，s h 3 ，p o w e r p c ，t h u m b 等，而其它的 一些嵌入式组态软件则只能运行于有限的几种处理器上p r o g e a 的m o v i c o nc e 则可 以在w m d o w sc e 下运行。 2 0 0 2 年，中国工控界最大的一个热点就是“嵌入式”目前中国的嵌入式格局 是有众多的嵌入式硬件厂家，如研华、衍扬、研祥的单板机、p c i 0 4 系列产品等：也 有比较多可选的嵌入式操作系统，如微软的w m d o w sc e 、嵌入式n t 、l i n u x 、v x w o r k s 、 d e l t ao s 等；而众多的嵌入式硬件、嵌入式操作系统并没有让嵌入式系统得到广泛的 应用真正原因是没有一个方便用户二次开发，又简单可靠的嵌入式工具软件平台，即 缺少一种通用的嵌入式组态软件 目前国内的嵌入式组态软件还相当少，比较有影响的有北京昆仑通态的m c g s 嵌入式版和亚控公司的组态王嵌入式版m c g s 嵌入式版可以运行在w m d o w sc e 、 d e l t ao s 和l i n u x 三种实时嵌入式操作系统上，流程图组态功能强大，时间控制精度 达到毫秒裂1 6 1 。组态王嵌入式版具有功能强、速度快、容量小、稳定性高、通信方便， 操作简便等优点 由于组态软件对系统资源有一定的要求，所以以往基于单片机等嵌入式微处理器 的平台制约了组态软件的发展而随着嵌入式微处理器性能的不断提高，嵌入式系统 资源的不断丰富，组态软件将会在嵌入式平台上得到更大的发展。 1 3 2 课题研究的意义 本课题来源于南京佳汇科技实业有限公司的实际产品项目：“电梯多媒体项目( 基 于a r m 7 微处理器平台) ” 该项目要求建立一套完整的嵌入式控制系统软件平台，该平台建构于a r m 7 嵌 入式硬件系统上，包括嵌入式实时操作系统、现场总线通信软件、a r m 7 平台驱动程 序、嵌入式组态软件等。 嵌入式组态软件具有广泛的应用前景在嵌入式控制器、嵌入式智能终端、智能 仪表以及信息家电等方面均可使用嵌入式组态软件进行高效快速开发。然而目前国内 外的嵌入式组态软件还处于发展初期，成熟的产品还不多，离用户对嵌入式组态软件 6 硕士论文 基于 删的组态软件的研究与应用 的需求还有很大差距，因此研制嵌入式组态软件具有重要的意义 1 4 本文的主要工作及特点 本文在对传统组态软件的体系结构及功能分析的基础上，给出了嵌入式组态软件 设计时应该注意的问题，并详细地论述了如何在a r m 开发平台上构建一个嵌入式组 态软件系统的设计思想及其实现，包括： ( 1 ) a r m 组态软件的运行环境和开发环境规划。 ( 2 ) a r m 组态软件运行环境设计系统各功能模块的设计及实现，包括数据接收 模块、l c d 显示模块、u s b 通信模块、网络通信模块、声音播放模块等五大功能模 块的设计以及操作系统的选择移植等问题 ( 3 ) a r m 组态软件开发环境设计。开发环境中为用户提供了友好的交互界面，使 用户可以十分方便的生成各种配置文件 ( 4 ) 使用设计完成的组态系统完成数个产品项目的开发，并通过这些项目的使用 情况检测所设计的组态系统的性能效果 为了提高本系统的性能，本文所实现的基于a r m 的组态软件与其他嵌入式组态 软件有所不同，有以下特点： ( 1 ) 所能实现的功能繁多，各功能模块独立性强，可以根据需要实现裁减，包括 硬件上的裁减 ( 2 ) 操作系统采用了实时性较高的l ic o s i i ，保证了系统具有较高的实时性。 ( 3 ) 所有的组态配置文件采用x m l 文件管理，使得嵌入式组态软件的现场组态 方便灵活。 硕士论文 基于棚的组态软件的研究与应用 2a r m 组态软件系统分析 嵌入式组态软件是在传统组态软件基础上发展而来的，因此嵌入式组态软件和传 统组态软件有着密不可分的联系，同时，由于嵌入式组态软件的应用与传统组态软件 有很大的不同，嵌入式组态软件也有其鲜明的特点。本章在介绍嵌入式组态软件的软、 硬件平台的基础上，将重点讨论嵌入式组态软件的功能，系统构成、重要组件的设计 思想，以及在a r m 平台上实现组态功能的特点。 2 1a r m 组态软件运行环境 2 1 1 基于a r m 微处理器的硬件平台 嵌入式硬件平台是指由嵌入式微处理器、存储器、输入输出设备和外围电路组成 的专用计算机硬件系统。对于一个具体的嵌入式控制系统，用户通常会根据不同的应 用选择不同的硬件平台，如有的应用对象简单，可能只需要一个嵌入式微处理器，再 加上少量的外围器件就可以。本文是要在高性能的3 2 位微处理器a r m 平台上来研 究组态功能的实现，选用的芯片是a r m 7 系列的s 3 c 4 4 b o x ，前面已经提到除了微 处理器，嵌入式硬件平台还需要相应的存储器、输入输出设备、外围电路等，这样才 能构成一个完整的系统，本文选用了优龙公司的f s 4 4 b o x - i i 开发板作为的研究基础 s 3 c 4 4 b o x 通过在a r m 7 t d i v l i 内容基础上扩展一系列完整的通用外围器件，使 系统费用降至最低，消除了增加附加配置的需要。集成的片上功能描述如下【1 7 1 ： ( 1 ) 带8 k b 缓存的2 5 v 静态a r m 7 t d m ic p u 核； ( 2 ) 扩展内存控制器( f p f d o s d r a m 控制，片选逻辑) ； ( 3 ) 带有一个专用d m a 通道的l c d 控制器； ( 4 ) 2 个通用d m a 通道，1 个带外部请求管脚的d m a 通道； ( 5 ) 1 个多主机1 2 c 总线控制器； ( 6 ) 5 个p w m 定时器及1 个内部定时器： ( 7 ) 看门狗定时器； ( 8 ) 7 1 个通用f o 口，8 个外部中断源； ( 9 ) 能量控制模式：正常、低、休眠和停止； ( 1 0 ) s 个l o 位a d c ： ( 1 1 ) 带p l l 的片上时钟发生器。 f s 4 4 b o x - i i 开发板的硬件资源组成如下： ( 1 ) 中央处理器：s 3 c 4 4 b o x ( s a m s u n g ) ，a r m 7 t d m i ； ( 2 ) 外部存储器：2 mb y t e sn o rf l a s h ， s 【 硕士论文基于删的组态软件的研究与应用 g mb y t e ss d r a m ， 1 6 m b y t e sn a n df l a s h ： ( 3 ) 一个1 0 m 网口； ( 4 ) 一个l c d 接口： ( 5 ) 一个u s bd e v i c e 、一个u s bh o s t ； 两个标准三线r s 2 3 2 接口； 内部实时时钟； ( 8 ) 一个i d e 接口； ( 9 ) 一个音频输出； ( 1 0 ) 一个s m a r t m e d i a c a r d 接口； ( 1 1 ) 四个按键，四个l e d ) ( 1 2 ) 一个蜂鸣器； ( 1 3 ) 一个p s 2 接口； f s 4 4 b o x - i i 体系结构参见图2 1 图2 1 基于a r m 徽处理器的嵌入式硬件平台体系结构 2 1 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式组态软件得以正常运行的基础，这是因为嵌入式组态软 件的许多功能是靠操作系统来支撑的 一般情况下，嵌入式操作系统按实时性分为两类：一类是应用于控制、通讯等领 9 硕士论文基于 雕的组睿软件的研究与应用 域的强实时操作系统；另一类是面向消费电子产品的弱实时操作系统，如个人数字助 理( p d a ) ，移动电话、机顶盒、电子书等 嵌入式操作系统是随着嵌入式系统的发展而出现的，它是嵌入式系统发展到一定 阶段的产物嵌入式操作系统的核心部分是实时多任务微内核，它的基本功能包括任 务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队 列管理、旗语管理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就 是嵌入式操作系统的a p i 。微内核结构保证了嵌入式操作系统的小巧性、灵活性，提 高了操作系统支持多种芯片的能力，同时使操作系统对芯片具有良好的可移植性和兼 容性，为制造业厂商提供了更多的选择机会 与通用操作系统相比，嵌入式操作系统具有如下特点【1 瓤1 9 1 1 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 ： ( 1 ) 小巧。嵌入式系统所能提供的资源有限，所以嵌入式操作系统必须做到小巧 以满足嵌入式系统硬件的限制。 ( 2 ) 实时性。大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，这就要求嵌入 式操作系统必须将实时性作为一个重要的方面来考虑。 ( 3 ) 可裁剪。由于嵌入式系统需要根据应用的要求进行裁剪，所以嵌入式操作系 统也必须能够根据应用的要求进行裁剪，去掉多余的部分，或者简化相应的模块。这 些特征在嵌入式系统的模块划分中必须事项考虑周全 ( 4 ) 固化代码在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系 统计算机的r o m 中辅助存储器在嵌入式系统中使用很少，因此，嵌入式操作系统 的文件管理功能应该能够很容易地裁剪，取而代之的是各种内存文件系统 ( 5 ) 弱交互性。大多数嵌入式系统的工作过程不需要人的干预。嵌入式操作系统 的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务 ( 6 ) 强稳定性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要人过多的干预。在这种条件下， 要求负责系统管理的嵌入式操作系统具有较高的稳定性。 ( 7 ) 统一的接1 ：3 随着各种各样的嵌入式操作系统的出现，人们有必要为嵌入式 系统提供的接口进行约定，从而为嵌入式应用软件的设计者提供统一的服务接口，为 嵌入式应用软件的运行提供平台的无关性。 2 2 嵌入式组态软件分析 在组态软件中，通过组态生成的一个目标应用项目在计算机硬盘中占据唯一的物 理空间( 逻辑空间) ，可以用唯一的一个名称来标识，就被称为一个应用程序在同 一计算机中可以存储多个应用程序，组态软件通过应用程序的名称来访问其他组态内 容，打开其组态内容进行修改，或将其应用程序装入计算机内存投入实时运行。 硕士论文 基于删的组态软件的研究与应用 2 2 1 嵌入式组态软件的功能 嵌入式组态软件同传统组态软件一样，主要是面向监控与数据采集，因而它同样 会具有与传统组态软件大部分相同的功能嘲，具体如下： ( 1 ) 能够实现所监控设备的数据采集。嵌入式组态软件要求具有同现场设备通信 的能力，根据用户的组态要求，定时或当某一事件触发时从设备获取数据或将数据写 入现场设备 ( 2 ) 能够将来自设备的数据同计算机图形界面上的元素关联起来。将设备数据和 图形界面进行关联，使用图形动画或可变化的文本等来显示现场的数据变化，或通过 按钮等将操作人员的命令下达到现场设备，这为操作人员提供了友好的人枫界面 ( 3 ) 能够处理数据报警及系统报警。软件能够根据用户的组态，对某些达到报警 限的过程变量或系统故障进行报警处理，如实现语音报警，并能够将报警事件进行记 录 ( 4 ) 能够存储历史数据并支持历史数据的查询。软件提供一定时间段的过程数据 存储能力，方便用户进行查询，有助于分析被控对象的工作状况 ( 5 ) 能够为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求 ( 6 ) 能提供与第三方程序的接口，方便数据共享。一般情况下该功能是组态软件 的可选项。 2 2 2 嵌入式组态软件的构成 根据组态软件的使用阶段的不同特性，可将嵌入式组态软件划分为如下两部分： ( 1 ) 开发环境为用户提供一个实现监控和数据采集设计的软件平台。在该平台 上，用户可以设置需要采集的数据类型，采集数据的周期；可以设计各种反映被控对 象工作状态的图形界面，并利用组态软件提供的工具将数据和图形等建立连接以反映 所监控数据的变化；用户所作的组态软件会生成一系列配置文件，供运行系统在运行 环境使用一般情况下，嵌入式组态开发环境提供图形界面设计程序、数据库定义程 序等。 ( 2 ) 运行环境。在操作系统的支持下，组态运行程序对开发环境中生成的配置文 件进行解析，在运行时生成实时数据库，周而复始地执行数据采集，响应用户的控制 请求，维护图形界面与实时数据库、被控对象之间的数据流动一般情况下，嵌入式 组态运行环境提供图形运行程序、实时数据库运行程序等。 自动化工程设计工程师最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量的系统 组态和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成一个项目 组态软件因为其功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其组 成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。组态软件具有如下6 个典型组件 硕士论文基于 删的组态软件的研究与应用 【1 3 l ： ( 1 ) 应用程序管理器应用程序管理器是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、 建立新应用等功能的专用管理工具。在自动化工程设计工程师应用组态软件进行工程 设计时，经常会遇到下面一些烦恼：经常要进行组态数据的备份；经常需要引用以往 成功应用项目中的部分组态成果( 如画面) ：经常需要迅速了解计算机中保存了哪些 应用项目虽然这些要求可以用手工方式实现，但效率低下，极易出错。有了应用程 序管理器的支持，这些操作将变得非常简单。 ( 2 ) 图形界面开发程序为用户提供一个图形编辑界面，用户可用程序提供的各 种基本图形元素，如直线、矩形、文本等设计其控制方案的人机乔面在该程序中， 用户还可调用其他组态应用程序，如实时数据库配置程序，对图形界面中的图形元素 进行变量关联。该程序最终生成图形界面配置文件，供图形运行环境使用。 ( 3 ) 图形界面运行程序。系统进入运行模式后。该程序启动它将以图形界面开 发程序生成的配置文件为依据生成用户所需的人机界面，能从实时数据库获取所监视 的变量，并在界面上进行显示 ( 4 ) 实时数据库系统组态程序。为用户提供一个特殊的数据库设计界面。在该程 序下，用户除了可以设置数据的变量名、类型等常规选项外，还可以设置数据的来源， 对于某些工程数据还可以设置采样时间，数据初步处理的方式( 是否对数据进行线形 化等) 该程序最终会生成实时数据库配置文件，供数据库运行程序使用。 ( 5 ) 实时数据库运行程序系统进入运行状态后，该程序启动它将以实时数据 库组态程序生成的配置文件为依据，在计算机内存中生成核心数据库，并不断按采样 时间或触发时间刷新数据。该程序还提供历史数据的查询、检索以及监视数据变化、 处理报警事件等 ( 6 ) i 0 驱动程序是嵌入式组态软件中的重要组成部分，该程序屏蔽不同硬件之 间的差别，为实时数据库运行程序提供数据采集、输出接口对于传统组态软件，该 部分可以使用d d e 和o p c 等方式，对于嵌入式组态软件，受嵌入式操作系统( 一般 的嵌入式操作系统都不支持o p c 规范) 和硬件资源的限制( 嵌入式存储器成本很高， 程序应做得尽量精简) ，许多i o 驱动程序需要开发者自行设计。 为了扩展嵌入式组态软件的功能，还有一些可选组件如通用数据库接口组态程 序、控制方案编辑组态程序、实用通信程序组件等等，在这就不在叙述了 2 2 3 嵌入式组态软件的数据流 组态软件通过i o 驱动程序从现场i o 设备获得实时数据，对数据进行必要的加 工后，一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作 人员的指令将控制数据送给i o 设备，对执行机构实施控制或调整控制参数 对已经组态历史趋势的变量存储历史数据，对历史数据检索请求给予响应。当发 1 2 硕士论文基于 州的组态软件的研究与应用 生报警时及时将报警以声音、图像方式通知给操作人员，并记录报警的历史信息，以 备检索图2 2 直观的表示出了组态软件的数据处理流程剀 图2 j 2 组态软件的敷据流处理 在图中可以看出，实时数据库是组态软件的核心和引擎，历史数据的存储与检索、 报警处理与存储、数据的运算处理、数据冗余控制、i o 数据连接都是由实时数据库 系统完成的。图形界面系统、f o 驱动程序等组件以实时数据库为核心，通过高效的 内部协议相互通信，共享数据。 2 3 嵌入式组态软件主要组件设计思想 在多任务环境下，由于操作系统直接支持多任务，组态软件的性能得到了全面加 强。因此组态软件一般都由若干组件构成，而且组件的数量在不断增长，功能不断加 强。各组态软件普遍使用了“面向对象”( o b j e c to r i e n t e d ) 的编程和设计方法，使 软件更加易于学习和掌握，功能也更强大。 一般的组态软件都由下列组件组成：图形界面系统、实时数据库系统、第三方程 序接口组件、控制功能组件。下面将分别讨论每一类组件的设计思想 2 3 1 图形界面系统 图形界面系统作为嵌入式组态软件中用户直接面对的模块，起着系统同用户之间 沟通桥梁的作用。用户从界面上了解控制过程的状态，也可以从界面直接给现场设备 下达控制指令。对图形界面一般应提供如下功能 2 s 2 6 1 1 2 7 1 ： 颈士论文基于棚的组态软件的研究与应用 基本图元 包括直线、矩形、文本等。用户可以方便的利用这些基本图元进行界面设计，并 能设置这些基本图元属性，如颜色、几何尺寸等。 动画连接 动画连接建立画面中图形对象与数据变量或表达式的对应关系在组态运行环境 下，当图形界面运行程序启动后将组态数据装入内存，图形对象的动画属性可以根据 变量或表达式的变化，按动画连接的要求进行改变。 脚本程序 为用户提供了一个类c 语言编程工具，用户可以用它来编写一定长度的程序代 码，以完成某些特殊控制要求。脚本程序要求能够提供一定数量的函数和逻辑、算术 运算符，方便用户编程。系统应支持多种脚本执行的方法，如时间触发、事件触发等 报警 报警是过程变量的数值超出正常范围时的特殊状态。用户在图形界面设计模式下 组态报警对象。组态软件在运行时，报警对象可根据用户的配置信息，不断监测需报 警的数据或事件，一旦有报警发生就会自动显示按照报警的记录形式可以将报警划 分成实时报警和历史报警；按照报警产生的根源可以将报警划分为过程报警和系统报 警。 趋势 趋势一般包括实时趋势和历史趋势。实时趋势是变量或表达式随时间变化所绘出 的二维曲线。实时趋势所关联的数据来自内存，不会保存在磁盘上，因而不能按时间 翻页浏览。历史趋势是变量指在过去一段时间随时间变化所绘出的二维曲线。历史趋 势所关联的数据来自内存或磁盘，时间跨度较大，可支持按时间翻页浏览 2 3 2 实时数据库系统 ( 1 ) 实时数据库定义 目前，关于实时数据库( r t d b ) 的模型尚未有统一的定义对于实时数据库的 基本术语，不同的系统定义不尽相同但归纳起来无非有两种：广义定义和狭义定义 跚。广义定义将数据定义为时间的函数，即与时间有一一对应关系的数据称为实时数 据，而相应存储广义实时数据的数据库称为实时数据库；狭义定义将发生在现场的即 时数据称为实时数据，因而狭义定义有实时数据库和历史数据库之分由于基本定义 不同，对数据的存储和处理有很大不同。前者可能将实时数据和历史数据统一处理， 后者将实时数据和非实时数据严格区分，分别存储和处理。本文将按照广义定义来处 理。 ( 2 ) 实时数据库的特点 通常实时数据库具有如下特点： 1 4 硕士论文 基于 雕的组态软件的研究与应用 数据与时间相关 数据的值随时间而变化。数据库中的数据是对其所面向“客观世界”中对象状态 的描述，对象状态发生变化则引起数据库中相应数据值的变化，因而与数据值变化相 联的时间可以是现实对象状态的实际时间，称为。真实”或“事件”时间( 现实对象 状态变化的事件发生时间) ；也可以是将现实对象变化的状态记录到数据库，即数据 库中相应数据值变化的时间，称为“事物时间”( 任何对数据库的操作都必须通过一 个事物进行) 。实时数据的导出也是实时数据，与之相联的时间