基于嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)HIRFL_CSR多層分布式控制系統(tǒng)的前端設計

蘭州重離子加速器冷卻存儲環(huán)工程（HIRFL_CSR） 控制系統(tǒng)是一個由CSR 電源系統(tǒng)、注入引出系統(tǒng)、內(nèi)靶系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電子冷卻系統(tǒng)等多個分系統(tǒng)組成的多層分布式控制系統(tǒng)， 各分系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與前端控制系統(tǒng)連接，其前端控制系統(tǒng)是以嵌入式計算機為控制節(jié)點的分布式控制子系統(tǒng)， 系統(tǒng)組成框圖見圖1。

WindowsCE 嵌入式操作系統(tǒng)

Windows CE 是微軟公司推出的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)，目前最高版本是WindowsCENet， 具備完整的操作系統(tǒng)特征和端對端開發(fā)環(huán)境， 包括了基于WindowsCE 的定制設備所需的諸多功能， 可以為有限資源的硬件設計多線程、完整優(yōu)先級、多任務的系統(tǒng)， 特別是模塊化的特點允許它對于從掌上電腦到專用工業(yè)控制器的用戶電子設備進行定制。

WindowsCE 能從內(nèi)存磁盤中啟動， 操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核可以精簡到只需200kB 的ROM ， 同時操作系統(tǒng)采用層狀的體系結構， 具有層次性強、可移植性好， 組件化可剪裁、強調(diào)編程接口和支持上層應用等特點， 系統(tǒng)提供對嵌入式中斷的支持， 更好的線程響應和更多的優(yōu)先級別， 使得應用系統(tǒng)更具有實時性， 而且也使開發(fā)人員在控制嵌入式系統(tǒng)的調(diào)度時更加靈活。WindowsCE 能夠支持Act iveX、Java 以及M FC/ATL 等技術， 提供對Internet 的開發(fā)支持， 命名開發(fā)人員可以利用原理的編程技術經(jīng)驗， 方便地開發(fā)基于WindowsCE 的應用程序。與其他操作系統(tǒng)相比，W indowsCE 具有以下特點：

1） 32 位多線程、多任務、完全搶占式的操作系統(tǒng);

2） 強大的圖形顯示功能支持， 用戶能完全定制自己風格的操作界面;

3 ） 支持大部分Win32 A P I， 使得基于其他Window s 的應用程序能方便地移植到WindowsCE 上;

4） 體積小， 并能從ROM 直接啟動， 無需硬盤， 不存在系統(tǒng)崩潰和病毒感染問題。

系統(tǒng)的硬件結構

該前端控制系統(tǒng)節(jié)點的硬件結構由4 部分組成： 研樣ECL -1541CLDNA 單板計算機、以太網(wǎng)、RS232/485 總線、受控設備， 其中受控設備由大量帶有標準串行設備接口的工業(yè)儀表組成， 其組成結構如圖2 所示。

整個系統(tǒng)的核心操作平臺是研樣EC3-1541CLDNA 單板計算機， 該平臺是國內(nèi)第一款在146mm ×102mm 尺寸上開發(fā)的全功能嵌入式工業(yè)級主板。其CPU 為N S GX I 200～300MHz 低功率處理器， 數(shù)據(jù)存儲采用MSystem 的電子硬盤“DiskOnChip 2000”。單板機還集成有： 鍵盤接口、鼠標接口、兩個RS232接口、一個并口、一個網(wǎng)卡接口及液晶顯示器接口。系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口與上層系統(tǒng)連接， 通過RS232 接口與受控設備相連。

系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)功能

H IRFL -CSR 前端控制系統(tǒng)在功能上可分為守護進程和數(shù)據(jù)處理兩部分。守護進程負責監(jiān)聽串行設備通信端口和以太網(wǎng)通信端口， 認證遠端的登錄用戶并監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)， 響應上層控制系統(tǒng)的控制請求。數(shù)據(jù)處理部分包括實時數(shù)據(jù)采集與顯示， 實時狀態(tài)監(jiān)測與報警及與上層控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

WindowsCE 平臺定制

創(chuàng)建基于WindowsCE 的應用程序， 首先要搭建一個WindowsCE 平臺， 即根據(jù)目前設備的硬件組成的WindowsCE 進行定制， 安裝或創(chuàng)建設備驅動， 生成一個基于目標設備硬件配置的操作系統(tǒng)映像文件， 通過網(wǎng)卡、串口或并口將映像文件下載到目標設備的硬件平臺中.WindowsCE 平臺創(chuàng)建過程見圖3。

軟件實現(xiàn)

由于WindowsCE 支持大部分Win32 應用程序接口（A P I） ， 這使得WindowsCE 下的應用程序與Win32 平臺下的應用程序有很強的通用性， 但WindowsCE 下的程序設計僅支持UNICODEWindows 函數(shù)。此外，Microsof t 公司提供了EVB、EVC 專用于WindowsCE 下的應用程序開發(fā)， 在其最新推出的Visual Studio.Net 2003 中也提供了開發(fā)W indowsCE 應用程序的功能。

本系統(tǒng)軟件采用eMbeddedVisualC+ + 4.0開發(fā)， 根據(jù)功能需求， 將軟件分為3 個模塊， 即圖形用戶界面、串行通信和網(wǎng)絡通信。

1） 圖形用戶界面模塊

WindowsCE 的圖形用戶界面相當出色，它擁有基于MicrosoftInternetExplorer的Internet 瀏覽器， 支持TrueType 字體， 可以利用豐富靈活的控件庫在WindowsCE 環(huán)境下為嵌入式應用程序建立各種專門的圖形用戶界面。本文實現(xiàn)的前端控制系統(tǒng)中， 用戶界面主要 用于實現(xiàn)設備采集數(shù)據(jù)的曲線顯示、報表輸出，設備狀態(tài)的模擬顯示和報警處理等內(nèi)容。

2） 串行通信模塊

嵌入式單板計算機采用RS-232-C 標準與串行設備通過串行連接交換數(shù)據(jù)。WindowsCE 支持基于Windows 的臺式機上用于串行通信的標準函數(shù)。主要有CreateFile（）、ReadFile（ ）、WriteFile （ ）、CloseHandle （ ）、GetCommState （ ）、SetCommState （ ）、SetupComm （）、Pu rgeComm （）、SetCommM ask（ ）、WaitComm Event （ ）、ClearComm Erro r （ ） 等函數(shù)。使用這些函數(shù)可實現(xiàn)打開、關閉和操作串行口， 傳送和接收數(shù)據(jù)以及管理連接等。在具體的串行通信程序開發(fā)中， 采用事件驅動方式。為了實時響應事件， 創(chuàng)建專門的監(jiān)視輔助線程， 有數(shù)據(jù)到達時依靠事件驅動， 讀入數(shù)據(jù)并運行相應的接收數(shù)據(jù)處理程序完成相應的工作。

3） 網(wǎng)絡通信模塊

嵌入式計算機通過以太網(wǎng)與上層系統(tǒng)通信， 采用傳輸控制協(xié)議（TCP） 通信， 嵌入式計算機為客戶端， 上層控制系統(tǒng)為服務器端， 在通信模塊中， 首先輸入通信的遠程服務器的IP 地址和通信端口號， 創(chuàng)建Winsock 套接字， 綁定IP地址和端口號， 然后與遠程服務器正處于偵聽狀態(tài)的套接字建立連接， 從而將從設備采集到的數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)傳送給上層控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務器或從上層控制系統(tǒng)讀取相應的控制指令。

結論

Windows CE 是一個具有搶占式多任務功能， 并具有強大通信能力的嵌入式操作系統(tǒng)。基于WindowsCE 開發(fā)的嵌入式分布控制系統(tǒng)具有友好的用戶界面， 并能夠縮短開發(fā)周期， 提高系統(tǒng)的可擴展、可移植和互操作性。本文設計的基于WindowsCE 操作系統(tǒng)的嵌入式分布系統(tǒng) 已成功地應用于HIRFL_CSR 分布式控制系統(tǒng)的前端控制中。

責任編輯：gt