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基于Winodws CE的嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
摘要：該系統(tǒng)以Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)為核心，利用串口及CAN總線與底層I/O節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信，并實現(xiàn)對下層設備的實時監(jiān)控。主控制臺可以直接聯(lián)入Internet網(wǎng)，應用嵌入式系統(tǒng)中的網(wǎng)絡功能，將系統(tǒng)故障信息向維修中心的服務器傳遞，實現(xiàn)遠程診斷。關鍵詞：Windows CE 嵌入式系統(tǒng) 網(wǎng)絡監(jiān)控 控制器 布光系統(tǒng)
布光系統(tǒng)是廣泛應用于電視演播廳、電影攝影柵、體育場館以及舞廳的一種機械化照明燈具有其控制系統(tǒng)，是為增強舞臺藝術效果的一種燈光控制設備。目前，布光系統(tǒng)存在的問題是：人機界面差，操作復雜；不能實時檢測故障部位及原因，系統(tǒng)故障率大，難以維護；不能實現(xiàn)對被控對象的全部控制，只實現(xiàn)了單一、局部控制；缺乏形象的吊桿、燈具動作顯示。
本文介紹的布光監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)字化分布嵌入式控制系統(tǒng)實現(xiàn)布光任務。在布光系統(tǒng)中采用其于Windows CE的嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時性好，可靠性高；速度快，大容量的特性可以適應不斷增長的系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理需求；體積小，結構設計方便靈活，設備和軟件成本大幅下降；基于Windows的嵌入式開發(fā)技術相對普及，人才成本下降。
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1 系統(tǒng)概述
應用于布光系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)為數(shù)字雙向串行通訊控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由控制臺、網(wǎng)絡控制器、提升設備、燈具控制器四部分組成。其中控制臺由專用控制臺、備份控制臺和無線遙控三部分構成；網(wǎng)絡控制器負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸，包括控制臺向下傳輸命令和下位機傳感器信號的返回，同時負責各控制臺之間的切換；提升設備由提升機控制器、提升機和吊桿構成；燈具控制器控制燈具實現(xiàn)不同的動作。
系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
主控臺是系統(tǒng)的主要控制平臺，硬件由PC/104和液晶顯示器組成，同時使用Microsoft的Windows CE操作系統(tǒng)。備份控制臺由普通PC機實現(xiàn)，刪減主控制臺功能，保留部分必要的功能，起到備份數(shù)據(jù)和輔助控制的作用。遙控器是手掛式輔助控制器，在100m內(nèi)可以可靠有效地控制系統(tǒng)。無線遙控模塊采用單片無線收發(fā)一體芯片nRF401。該芯片具有低發(fā)射功率和高接收靈敏度的特點。
網(wǎng)絡控制器負責主控臺、備份臺、遙控器三個控制臺直接控制權力的分配，同時負責由上而下控制命令的傳輸以及傳感器信息由下而上的傳遞。網(wǎng)絡控制器與主控臺和備份臺之間的通信分別采用RS-232串口和CAN總線實現(xiàn)。CAN總線具有抗干擾能力強和可靠性高的特點。
被控節(jié)點有兩種：一種是提升機控制器，采用變頻調(diào)速控制；另一種是燈具控制器。網(wǎng)絡控制器與被控節(jié)點之間通過CAN總線進行通信。系統(tǒng)可控路數(shù)需達到1000路。因此，為了擴展CAN網(wǎng)的節(jié)點，6個CAN總線中轉器與網(wǎng)絡控制器相連，每個中轉器下接6個CAN子網(wǎng)，共有36個CAN總線子網(wǎng)。
2 Windows CE簡介及其特點
主控制臺的操作系統(tǒng)采用微軟公司的嵌入式Windows CE 3.0。Windows CE是一種緊湊、高效、可伸縮的操作系統(tǒng)。主要面向各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。它具有多線程、多任務、完全搶點式的特點，是專門為各種有很嚴格資源限制的硬件系統(tǒng)設計的。它的模塊化設計使嵌入式系統(tǒng)和應用應用開發(fā)者能夠方便地定制以適應一系列不同的產(chǎn)品。Windows CE操作系統(tǒng)包括以下主要模塊：
（1） 內(nèi)核模塊，支持進程和線程處理及內(nèi)存管理等基本服務；
（2） 內(nèi)核系統(tǒng)接口模塊，允許應用軟件訪問操作系統(tǒng)；
（3） 文件系統(tǒng)模塊，支持持久穩(wěn)固的信息存儲；
（4） 圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊，控制圖形和Windows相關的圖形用戶界面；
（5） 通信模塊，允許同其他設備進行信息交換。
Windows CE支持多種外設和網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括鍵盤、鼠標、觸摸屏、串行口、以太網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、USB設備、單頻設備、并行口、打印機和存儲設備。Windows CE支持超過1000個常用的Microsoft Win32 API和一些附加的編程接口，可用于開發(fā)應用程序。這些接口包括COM、MFC、ATL等。此外，Windows CE支持用于管理時間關鍵任務響應的實時處理；各種串行通信和網(wǎng)絡通信技術，包括支持USB；為Windows CE用戶提供Web服務的移動頻道；用于進程間通信的Automation和其他方法；還支持管理可安裝設備等可選組件。
對于Windows CE而言，原始設備制造商（OEM）能開發(fā)硬件適配層OAL（OEM Adaptation Layer），其他開發(fā)者可以開發(fā)內(nèi)部驅(qū)動程序、可安裝驅(qū)動程序及運行在嵌入式設備上的應
用程序。獨立軟件提供商ISV(Independent Software Vendor)能獨立于硬件平臺開發(fā)應用軟件：
（1） 32位多線程、多任務、完全抑占式的操作系統(tǒng)；
（2） 強大的圖像顯示功能支持，用戶能定制完全自己風格的操作界面；
（3） 支持大部分Win32 API，使得基于其他Windows的應用程序地 方便地移值到Windows CE上；
（4） 體積小，并能夠從ROM直接啟動，無需硬盤，不存在系統(tǒng)崩潰和病毒感染問題。
Windows CE是為便攜式電腦設計的新型平臺。它提供Windows操作系統(tǒng)的堅實子集。同時，微軟公司為Windows CE的開發(fā)提供了一套完整且功能強大的系列工具，從硬件調(diào)試到軟件開發(fā)都為用戶提供了方便。
3 系統(tǒng)組成及結構
3.1 主控臺
主控臺是整個系統(tǒng)的核心，主要由PC/104系統(tǒng)、控制臺面板（鍵盤）和液晶顯示器組成，需要接入互聯(lián)網(wǎng)。其結構如圖2所示。
3.2 網(wǎng)絡控制器
網(wǎng)絡控制器硬件如圖3所示。
處理器采用美國德州儀器有限公司（TI）的MSP430,與主控臺通過RS-232通信，下層接CAN總線中轉器，同時通過無線收發(fā)模塊與遙控器進行無線連接。網(wǎng)絡控制器負責主控臺各部分權限的分配，并可以減少用于與控制臺通信的CAN卡的數(shù)量。
3.3 提升機控制器
提升機控制器硬件如圖4所示。
處理器采用Philips公司的89C51RD+單片機，用計數(shù)器讀碼盤轉過的角位移，向上位機發(fā)送時折算成線位移。同時采用霍爾傳感器采集三路電流值，對電機實現(xiàn)過流保護。
交流變頻電機控制部分采用光電式碼盤測量電機轉角，實現(xiàn)閉環(huán)控制，如圖5。
3.4 燈具控制器
每個燈配一個控制器。處理器選擇Philips公司帶A/D的80C552EFA單片機，其硬件結構如圖6所示。
燈具控制器接收解釋上位機發(fā)來的命令，然后執(zhí)行命令。若上位機需要返回值，則執(zhí)行后向上位機發(fā)返回幀。采用中斷方式接收命令。主要功能有：
（1） AD采樣各個自由度的角位移量；
（2） 根據(jù)設定位置值，通過算法反自由度調(diào)到相應位置；
（3） 實現(xiàn)各自由度的限位功能；
（4） 出現(xiàn)異常給上位機發(fā)異常命令。
4 網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)
4.1 系統(tǒng)硬件特點
嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)是可移動的小型化控制系統(tǒng)。硬件是研華公司的PCM-3350 PC/104及LCD顯示器。與一般的臺式PC系統(tǒng)相比，PC/104嵌入式系統(tǒng)體積小，結構緊溱，系統(tǒng)模塊化；與單片機系統(tǒng)相比，PC/104資源豐富，運算速度快，產(chǎn)品系列化，可靠性高，可以充分利用豐富的軟件資源和成熟高效的應用開發(fā)平臺，有利于提高開發(fā)效率和系統(tǒng)的可靠性，適合數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。
4.2 系統(tǒng)功能
主控臺負責用戶命令向下的傳遞并顯示下層向上反饋的信息。因此，監(jiān)控系統(tǒng)與底層設備有大量的數(shù)據(jù)交換，需要處理大量的實時信息，對實時性的要求比較高。而采用嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 3.0可以滿足系統(tǒng)對實時性的要求。
同時，網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)需要接入互聯(lián)網(wǎng)，以便實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡通信功能，進行遠程診斷。遠程診斷的目的就是能將現(xiàn)場設備的狀況及時傳到維修中心的計算機網(wǎng)絡上，維修中心能夠?qū)υO備進行監(jiān)控。及時了解設備出現(xiàn)的故障，指導現(xiàn)場人員對設備進行維修。因此，系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡把現(xiàn)場系統(tǒng)的一些特殊工作狀態(tài)信息傳遞到現(xiàn)場控制室和遠端的維修中心。此外，本地系統(tǒng)工作時也需要實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。給出各個提升機和燈具有狀態(tài)信息，有錯誤及時報 警，并報靠故障位置和故障類型，使系統(tǒng)易于維護和檢修。
4.3 圖形用戶界面設計
操作人員通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對整個數(shù)字布光系統(tǒng)的控制。為了克服以往系統(tǒng)不易操作，吊桿、燈具運行狀態(tài)顯示不形象的缺點，本文所實現(xiàn)的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)在其人機交互界面中以三維動畫方式顯示吊桿和燈具有動態(tài)運行過程，同時在界面中顯示描述吊桿及燈具運動位置和運行速度的具體參數(shù)。系統(tǒng)的操作也相對簡單。
4.4 串口通信程序
主控制臺與下層網(wǎng)絡控制器的通信通過PC/104的RS-232串口實現(xiàn)。
基于Windows CE的設備采用RS-232-C標準與串行設備和其他計算機通過串行連接交換數(shù)據(jù)。Windows CE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()、CloseHandle()、GetCommState()、SetCommState()、SetupComm()、PurgeComm()、SetCommMask()、WatiCommEvent()、ClearCommError（）、ReadFile（）、WriteFile（）等函數(shù)。這些函數(shù)可以用于打開、關閉和操作串行口，傳送和接收數(shù)據(jù)以及管理連接。
在具體的串行通信程序開發(fā)中，采用事件驅(qū)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(qū)動，讀入數(shù)據(jù)并運行相應的接收數(shù)據(jù)處理程序，以完成相應的工作。
4.5 網(wǎng)絡功能
當現(xiàn)場工作系統(tǒng)出現(xiàn)難以解決的故障時，現(xiàn)場工作人員可以通過Internet將故障信息發(fā)送到維修中心。首先由現(xiàn)場用戶輸入服務器的IP地址和端口號，然后啟動網(wǎng)絡通信模塊，創(chuàng)建Winsock套接字，綁定IP地址和端口號，與維修中心的服務器正處于偵聽狀態(tài)的套接字連接，從而將故障信息從現(xiàn)場傳遞到維修中心的服務器，讓維修人員及時地了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)并診斷故障原因。
隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡在工控領域中的影響越來越大。本文介紹的數(shù)字布光監(jiān)控系統(tǒng)將網(wǎng)絡技術與嵌入式系統(tǒng)相結合，使得系統(tǒng)在操作、安裝、維護等各方面都變得相當簡單。同時，系統(tǒng)在安全性，可靠性等方面也有了很大的提高。
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