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利用嵌入式技術，給工業系統安裝智能控制器，對其進行在線監控和檢測，就能及時發現故障并處理，從而不但保證工業系統始終處于良好的運行狀態，同時也減輕值機維護人員的負擔。面向工業應用的智能控制系統一般包括如下功能：多路模擬量和開關量的實時采集并顯示、通過控制器或上位機進行啟停等命令控制、工作狀態采集并記錄、數據上傳、故障記錄并報警、歷史數據保存、定時開關機等，同時還應具有網絡數據傳輸與控制和軟件升級功能。傳統的智能控制器一般多采用8位單片機實現，但隨著實際功能復雜度的增加，尤其是實現大量數據采集和保存、彩色圖形交互和網絡通信等，單片機已很難滿足實時控制的要求。因此，采用32位ARM處理器來實現的方案是較為理想的選擇。 1 智能控制器硬件平臺 根據功能需求，系統主控芯片采用S3C44B0X。該處理器是基于ARM7TDMI內核SOC芯片，片內集成LCD控制器、SDRAM控制器、RTC、UART和ADC等模塊，這為硬件系統的設計帶來方便同時也提供系統可靠性。除此之外，硬件上還需擴展存儲系統、鍵盤液晶、CPLD芯片、串口通信、網卡通信等模塊。存儲系統選用較大容量的Nor Flash來存放代碼和工作過程中需記錄的數據。LCD采用320×240的STN彩色液晶屏幕，模擬量數據采集采用內部ADC和外擴多路選擇器，開關量采集與控制采用CPLD芯片來實現I/O口的擴展。系統硬件總體框圖如圖1所示： 圖1 系統硬件框圖 2 智能控制器軟件總體方案概述 智能控制器軟件部分主要包括啟動模塊、系統初始化模塊實時時鐘顯示、IIC鍵盤、串口通信、液晶顯示、網絡通信、數據采集及控制、數據保存及故障記錄和自動升級等模塊.軟件系統流程圖見圖2。 3 軟件主要設計方法 3.1 IIC鍵盤和開關量處理 本系統采用一片CPLD來擴展I/O端口，并利用S3C44B0X處理器的PF1和PF5等IO端口來模擬IIC協議完成數據通信。首先使用vhdl硬件描述語言設計IIC協議的硬件電路，并下載到CPLD芯片中，主要完成對外部端口的輸入采集和輸出控制以及與主處理器的通信。按照此協議標準，編寫數據傳輸的啟動停止、數據接收發送以及確認位接收等子程序。調試時應注意SDA和SCL信號的時序關系。由于此種方式下處理器只能通過查詢方式才能判斷是否有鍵按下，因此本設計采用定時器定時幾毫秒來讀IIC接口片內數據，主程序判斷按鍵標記。此外，系統的32路開關量實時控制也是通過此接口來實現。 3.2 GUI顯示 良好的人機交互設計給系統的操作帶來方便。嵌入式系統中的GUI設計應綜合考慮代碼占用的資源、GUI響應的速度和易于使用三個因素。若移植成熟的GUI源碼，占用資源太大，響應速度相對較慢，本設計采用面向對象的設計方法，合理的定義了一些數據結構，使得圖形化顯示既滿足要求，又具有良好的擴展性。 依據人機界面設計的具體要求，分析顯示數據的特點，為方便參數的顯示和處理我們定義了一系列的數據結構，從而使得系統的顯示和修改異常方便。首先確定系統需要多少個窗口，每個窗口有多少個菜單，畫出窗口之間的變遷圖，可以知道所有的窗口應當組成一個樹形結構。主要的數據結構如圖2-5所示。 軟件設計時，首先按照定義的數據結構定義每屏的顯示數據和窗口處理函數，當有鍵按下時，系統依據當前鍵值、當前窗口號和當前光標確定系統按鍵后的新窗口號和當前光標，然后根據窗口號和光標從該窗口的數據區中取出將要顯示的數據給窗口緩沖區，液晶顯示的界面就是從窗口緩沖區中將數據直接取出并顯示。 依據顯示窗口中數據處理的行為，可把顯示方法分為兩種。一種是利用上述的顯示方法，具有良好的統一性，另一種的單獨處理。因為在顯示的各個界面中，有些界面數據處理特別少，有些處理特別多，比如參數修改窗口界面，此時需要把這些窗口獨立出來單獨處理。當按鍵調用此窗口時，系統調用此窗口的專用窗口處理函數來處理，直到檢測到退出此窗口的消息時，才結束此操作，調用另外模塊。在實際工程中，合理利用這兩種顯示方法對于復雜行為的人機交互的處理帶來方便。一般是系統的主要頂級窗口顯示使用統一顯示，而葉子窗口使用單獨處理較好。 3.3 數據采集及控制 模擬量數據采集主要含有采集算法和數據處理兩部分。為了確保采集的正確性，本文采用中位值平均濾波方法。采集的數據多達32路，而且被系統頻繁執行，因此好的設計結構至關重要。在綜合權衡多路開關切換時間、啟動轉換切換時間和數據轉換時間后，采用一路采集多次方法。采集模塊在啟動當前路模數轉換的同時，對前一路的采集進行濾波處理并保存顯示，這樣節約了采集模塊所用的時間。 3.4 網絡通信模塊 網絡通信主要完成網卡芯片的初始化、數據的收發以及網絡協議棧的移植。本系統網卡芯片RTL8019AS內含16KRAM，用作發送和接收緩沖區。當有數據過來，通過本地DMA將數據從網線拷貝到網卡接收緩沖區，當緩沖區滿時，再通過遠程DMA將數據拷貝到內存供處理器處理。 網卡芯片的驅動程序主要通過對網卡芯片內部一系列寄存器的配置來實現網卡的復位、物理地址配置、讀寫緩沖區指針的配置和數據收發配置等。編寫程序過程中應熟悉網卡芯片前32個地址空間的所完成的功能和操作方法，從而使網卡能正常工作。當完成了驅動程序后，就需要移植TCP/IP協議棧。在熟悉ARP、IP、ICMP、TCP、UDP、TELNET等協議以及各種公開源碼的協議棧的基礎上，本文選用代碼小、效率高的uIP協議棧。在調試的過程中，依據網絡原理的分層結構以及網絡數據傳輸的打包和解包過程，一層一層的調試，并用VC編寫一些網絡截包程序和收發程序來聯合調試，確保數據在傳輸過程中收發正常并按正確的方式流動。此外，調試過程應注意數據寬度以及邊界對齊問題，否則數據將不能正確收發。 4 小結 本智能控制器的設計不僅完成了基本的人機界面和輸入輸出操作，而且具有良好的通信、數據查詢、自動升級、自動開關機、數據自動記錄、故障自動記錄到片內FLASH以及故障數據向上位機傳輸等功能。經過反復測試與實驗，各項性能均滿足要求。 |
