嵌入式组态软件系统的研究

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 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由微电子芯片(包括微处理器、定时器、序列发生器、控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件)和嵌入在ROM、RAM和/FLASH存储器中的微型操作系统、控制与应用软件开发来实现各种自动化处理任务的电子设备或装置。

嵌入式系统的主要作用是实时控制、监视、管理移动计算机、数据处理等,或者辅助其它设备运转,完成各种自动化处理的任务。

嵌入式系统以应用为中心,以半导体技术、控制技术计算机技术和通讯技术为基础,强调硬件软件的协同性与整合性,软件与硬件可剪裁,以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。

最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力。在唯一的ROM中仅有实现单一功能的控制程序,无微型操作系统。复杂的嵌入式系统,例如个人数字助理(PDA)、手持电脑(HPC)等,具有与PC机几乎一样的功能,实质上与PC的区别仅仅是将微型操作系统与应用软件嵌入在ROM、RAM与FALSH存储器中,而不是存储于磁盘等载体中。很多复杂的嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统集成的。

随着后PC时代的到来,在工业及其他相关领域的客户更注重使用符合其特定需求并带有智能的嵌入式工业控制组态软件。此种组态软件可大大缩短嵌入式产品投放市场的时间,而且使产品具有丰富的人机界面,嵌入式WEB及符合IEC61131-3的控制逻辑功能,并且可以存储相当数量的历史数据,部分完成现场工作站级计算机的功能。
这里给出不同行业的一些应用举例:

l、 制造及过程控制:人机操作面板、控制机床、电机驱动、测试设备、环境监测、输配电设备、炼油厂设备、远程无人采集监控站。

2、 医疗卫生设备:X光机、CT、医政管理系统、病房监测系统;

3、楼宇自控及商业零售网点、商业POS、保安监控设备;

4、 办公设备及信息家电、机顶盒、手机嵌入系统、程控电话;

5、 网络化可组态设备

归纳起来,我们可以给出嵌入式组态软件在工业过程中的应用模式。其中应用软件的HMI组件,基于Windows NT ,可以通过该平台上的网络服务获得现场控制器的操作及监视数据,当然还有一些其他的HMI扩展组件以完成特定功能(如趋势、报表及历史记录等)。而位于嵌入式系统的Internet组件可将所设计的HMI界面通过其内嵌的Web服务程序发布至Internet以供操作人员通过浏览器进行监控,而逻辑和流程控制组件基于现场级的带有实时操作系统的控制器,利用IEC61131-3完成嵌入式控制功能。

一般来讲嵌入式工业自动化组态软件是一种用于嵌入式系统并带有网络功能(包括Internet服务功能)的嵌入式应用软件,嵌入式系统是指可嵌入至某一设备、产品并可连接至网络的带有智能(即微处理器或微控制器)的设备。嵌入式组态软件分开发系统和运行系统。嵌入式组态软件的开发环境一般运行于具有良好人机界面的Windows 操作系统上,而运行环境可基于多种嵌入式操作系统如Windows CE, DeltaOS,NT Embedded及LINUX和Dos之上,甚至直接支持特定CPU,嵌入式自动化组态软件的运行系统大多为组件式可伸缩配置结构,一般包括:人机界面HMI组件(包括历史数据浏览、报表及趋势图等可选模块)、历史数据记录组件、网络通讯组件、Internet组件、Control 逻辑和流程控制组件及实时内核。

北京昆仑通态公司即将推出的嵌入式组态软件包(Mcgs For Embedded)包括组态环境和运行环境两大部分。组态环境运行于具备良好人机界面的Windows操作系统上,具备与北京昆仑通态公司已经推出的通用版本组态软件和WWW版本组态软件相同的组态环境界面,有效帮助用户建造从嵌入式设备,现场监控工作站到企业生产监控信息网在内的完整解决方案;并有助于用户开发的项目在这三个层次上的平滑迁移。

这个嵌入式组态软件包的组态环境包括:

1. 工程管理器(包括项目、实时数据库、设备等的管理)。

2. 画面组态,包括趋势图,报警和报表。

3. 实时数据库和历史数据库的组态。

4. 编译下载系统,组态安全系统。

5. 作为嵌入式组态核心的控制系统组态包括以下部分:

l 软逻辑组态,实现逻辑控制功能的软PLC系统。

l 连续过程组态及配置,实现流程控制的流程图系统。

l 调试工具,允许在线监视各个内部变量的值,监控流程执行顺序,允许重新设置和启动流程运行。

l 仿真运行工具,在开发环境中,仿真运行控制流程,离线测试控制效果。

这个嵌入式组态软件包的运行环境包含了一个嵌入式实时多任务操作系统,可以运行于低端硬件平台,典型的应用平台如下:

l 24MHz Intel386EX 高性能32 位微处理器。

l 2M 字节系统RAM 包括支持DOS 的640KB 基本存储器及相应的高端存储器。

l 512K 字节Flash 存储器。

l 10BASE-T 以太网控制接口NE2000 兼容。

l 一个标准RS232C 串口。

l 可以连接字符或点阵LCD 接口也可支持数字LED 接口。

l 可连接扩展小键盘。

l 可以连接液晶屏或显示器。

l 可直接支持M-System 公司的DiskOnChip 2000 系列芯片。

l 供电电压5V,工作电流330mA

对于更高的性能需求,可以使用更高的CPU,更大的内存,并扩充串口或总线采集设备等等。

运行于运行环境中的,是由组态环境组态出来的控制流程和业务逻辑。整个运行系统由任务(task)来组织。每个任务包括一个控制流程,由控制流程执行器执行。任务可以由事件或中断,定时时间间隔,系统出错或报警,以及上位机指令来调用。运行环境的特殊状态(例如:启动,关闭)都有相应的事件对应。每个任务有优先级设置,高优先的任务能够中断低级优先任务。同优先级的程序若时间间隔设置不同,可竞争强占CPU资源。在控制流程中,可以进行逻辑和数学运算,流程判断和执行,设备扫描和处理,控制算法的循环计算、以及网络通讯等操作。
除了控制流程,运行环境中还包括以下一些系统服务。

l 通讯服务,实现MCGS系统之间以及与其他系统之间的数据交换。

l 存盘服务,实现采集数据的存储处理操作。

l 日志服务,实现系统运行日志记录功能。

l 调试服务,辅助实现开发过程中的调试功能。

由于嵌入式组态软件交叉平台开发的特性,以及其特殊的实时性能和稳定性能要求,在整个开发过程中,调试工具起了一个非常重要的作用,可以说,调试工具的简便易用,功能强大是嵌入式组态软件被用户接受的核心因素之一。MCGS嵌入式组态软件提供了如下的调试功能。

1)、带有断点设置功能。可以选择任意任务中,在控制流程执行的任意位置停止。

2)、监控运行系统运行状态。通过串口或TCP/IP网络通讯,采集运行系统实时数据库各个数据对象的数值,并在上位机的调试环境中显示出来。

3)、在线修改。在线情况下,修改部分组态结果或参数,运行环境可以接受组态环境的命令,在任意时刻停止运行,重新下载组态结果或更新部分组态结果,重新开始运行。

4)、运行系统实时数据库数据对象数值的观测和强制改变,以方便系统的调试。

5)、仿真运行。允许在离线状态下(不连接嵌入式系统),测试控制逻辑。仿真状态下,允许如下操作:可设置断点;直观显示各个流程执行状态,各个变量当前数值;仿真I/O结果;输入通过直接点击对应的输入点的状态灯来实现,数字量输入允许直接改变模拟量,弹出电位器或数字输入界面,模拟量和计数计时的值允许由数字直接输出。

同时,由于嵌入式组态软件按功能剪裁的特性,以及其内嵌的实时多任务操作系统,可以在保证整个嵌入系统小体积,低成本,高实时性,高可靠性的同时,方便不具备嵌入式软件开发经验的用户在极短的时间内,使用嵌入式组态软件快速开发完成一个嵌入式系统,并极大缩短嵌入式产品进入市场的速度。

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