基于嵌入式系统的HMI组态软件的研究与设计.docx

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基于嵌入式系统的HMI组态软件的研究与设计

基于嵌入式系统的HMI组态软件的研究与设计

摘要

传统的用于工控的组态软件是基于PC机的。

即直接利用PC连接PLC对工业设备进行监控。

由于嵌入式系统在工业领域的发展，普通的嵌入式系统的应用软件部分的设计是一次性开发的，如果用于工控领域则是根据监控需要制定操作系统和监控应用软件。

这样开发出来的嵌入式HMI只能用于此特定的监控环境，一旦监控环境发生了改变，例如设备的增减，就需要重新编写应用程序。

而对于不太懂软件开发的监控人员来说不容易，并且费时费力。

本文提出并设计了基于.NET组件的一种动态加载机制应用于嵌入式HMI组态软件中，其功能是在系统中应用该机制，可以动态的加载需要的功能模块以应用于各种不同的嵌入式环境中。

其目的是节省嵌入式环境下资源，提高运行效率，并且可以灵活的动态修改与升级，提高开发效率，这些在嵌入式环境中应用是非常重要的。

文中就.NET组件动态加载进行了阐述，并提出设计了基于嵌入式的HMI组态软件的解决方案。

其中主要工作与创新点主要包括以下三个方面：

首先，在借鉴传统嵌入式组态软件设计思想的基础上提出基于.NET平台动态加载机制的嵌入式HMI的设计，分析嵌入式HMI的软硬件体系结构，选择合适的开发平台。

对嵌入式HMI组态软件进行需求分析，合理的划分功能模块，并利用.NET组件技术将各功能模块以组件形式实现。

同时从HMI组态软件的上位机组态环境和下位机运行环境两个方面详细的介绍了设计方法。

其次，嵌入式系统的RAM和文件存储空间有限，根据功能要求以及效率方面的考虑，上位机组态环境根据需求生成动态加载表，下位机运行环境应用动态加载机制读取加载表能够将所需要的功能模块加载到内存中运行，节省嵌入式环境下的资源，解决嵌入式平台消耗资源过多而导致其运行效率不高的问题，并且阐述了动态加载表的生成和解析的具体实现方法。

最后，将一个应用实例对嵌入式HMI的各项功能进行的测试，结果表明该系统的运行达到了预期目标，提高了软件的运行效率与开发效率，可扩展性和灵活性。

关键词：

嵌入式系统；HMI组态软件；.NET组件；动态加载

Abstract

ThetraditionalusedinindustrialcontrolconfigurationsoftwareisbasedonPC.NamelydirectusePCconnectionPLCforindustrialequipmentmonitor.Becauseoftheembeddedsystemintheindustrialfieldsofdevelopment,ordinaryapplicationoftheembeddedsystemsoftwareaspartofthedesignisone-timedevelopment,ifusedinindustrialfieldisaccordingtothemonitoringneedsforoperatingsystemandmonitorapplicationsoftware.SuchdevelopedembeddedHMIcanonlybeusedforthisparticularmonitoringofenvironmentalmonitoringofenvironmental,oncechanged,forexample,thedeviceanddecreaseof,youneedtowriteapplications.Fornotquiteunderstandsoftwaredevelopmentofmonitoringpersonnelisnoteasy,andtime-consuming.

Basedonthe.NETcomponentofakindofdynamicloadingmechanismusedinembeddedHMIconfigurationsoftwareispresentedanddesigned,itsfunctionisusingthismechanisminthesystem,candynamicallyloadingneedfunctionmodulesforuseinvariousembeddedenvironment.Itspurposeistosavetheembeddedenvironmentresources,increaseefficiency,andcanbeflexibledynamicmodificationandupgrading,improvetheefficiencyofdevelopment,theapplicationoftheembeddedenvironmentisveryimportant.

The.NETcomponentdynamicloadingisdiscussed,andpresentsthedesignbasedonembeddedHMIconfigurationsoftwaresolutions.Themajorworkandinnovationpointsmainlyincludesthefollowingthreeaspects:

First,inreferencetotraditionalembeddedconfigurationsoftwaredesignideaisproposedonthebasisplatformbasedondynamicloadingmechanismofembeddedHMIdesign,analysisofthesoftwareandhardwarearchitectureofembeddedHMI,choosingtheappropriatedevelopmentplatform.forembeddedHMIconfigurationsoftwareneedsanalysis,reasonablydividedfunctionmodules,andusecomponenttechnologywillbethefunctionmodulewithcomponentsformrealization.MeanwhilefromHMIconfigurationsoftwareupperunitconfigurationenvironmentandlowerlevelcomputeroperationenvironmentintwoaspectsdetailedintroducesthedesignmethod.

Secondly,embeddedsystemRAMandfilestoragespaceislimited,accordingtothefunctionrequirementandefficiencyofconsideration,upperunitstateenvironmentaccordingtodemandtocreatedynamicloadlist,lowerplacemachinerunningenvironmentusedynamicloadingmechanismreadloadingtablecanneedfunctionmodulesloadedintomemoryoperation,savingtheembeddedenvironmentresources,solveembeddedplatformsconsumetoomanyresourcesandcauseitsoperationefficiencyisnothigh,andexpoundstheformationanddynamicloadingtableparsedconcreterealizationmethod.

Finally,anapplicationexampleofembeddedHMIeachfunctiontest,andtheresultsshowthatthesystemcanachievethedesiredoperationofthetarget,improvethesoftwareoperationalefficiencyanddevelopmentefficiency,scalabilityandflexibility.

Keyword：

embeddedsystem;HMIconfigurationsoftware;.NETcomponents;dynamicloading

第1章绪论

1.1嵌入式组态软件研究背景、目的与意义

1.1.1嵌入式HMI组态软件

人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁。

使用HMI能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，使用户可以很轻松的操作整个工业控制现场。

HMI的主要功能有:

数据的输入与显示;系统或设备的操作状态方面的实时信息显示;报警处理及打印;此外，新一代嵌入式人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据一记录及配方等智能化控制功能。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，组态软件是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。

在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到限制。

组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用监控系统。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

由于嵌入式系统在工业领域的发展，开发运行于嵌入式系统的支持组态功能的通用型人机界面逐渐走向成熟,嵌入式HMI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。

嵌入式HMI组态软件为工程技术人员提供了一种搭积木的方式来制作工业控制界面，它将监控现场环境中的各种控制设备抽象为基本图形元素和部件，通过组态建立它们之间的控制关系，形成简洁、直观的人机交互界面。

1.1.2系统研究背景、目的与意义

工控领域目前使用的传统人机界面大多数属于设备专用人机界面，其软硬件为某一具体的应用而定制，这无疑增加了工业控制系统的开发和维护成本。

随着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HMI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HMI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。

一个实用优秀的HMI组态软件主要特点有：

（1）灵活性和可扩展性，利用组态软件开发的监控界面，当用户需求或现场设备发生改变时，不需要作很大的修改就可以方便地完成监控界面的更新和升级。

（2）封装性，好的组态软件最重要的功能就是为用户提供一种方便的，封装好的方法。

对于用户，不需要实用过多的编程技术，甚至不需要编程技术，就能很好地完成一个复杂现场监控工程所需要的所有功能。

（3）通用性，用户根据不同工程的实际情况，利用组态软件提供所能连接的下层设备，例如PLC、变频器等。

通过开放式的数据库和画面绘制工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业的限制。

本文设计的嵌入式HMI组态软件分为两个部分，上位机组态环境和下位机运行环境，分别在普通PC机和嵌入式系统上运行，这样的设计结合了PC与嵌入式系统优点。

开发运行于嵌入式系统的支持组态功能的通用型人机界面逐渐走向成熟，但因其功能的强大在嵌入式平台消耗资源过多而导致其运行效率不高。

针对提高HMI组态软件在嵌入式环境中的运行效率与开发效率，同时继承传统的HMI组态软件的优点，将.NET组件技术与动态加载机制应用于嵌入式HMI及其组态软件中。

本文探索开发嵌入式系统上的HMI组态软件的相关关键技术，掌握人机界面开发的关键技术，开发适应不同工业现场的人机界面，有助于推进国内的嵌入式系统技术和人机界面组态软件开发技术的发展。

1.2嵌入式HMI组态软件发展现状

目前嵌入式系统的发展速度极为迅猛，但相应的软件尤其是嵌入式组态软件仍比较滞后。

国外的商用嵌入式组态软件并不多。

InduSoftWebStudio生产的嵌入式HMI/SCADA软件是市场上第一个可以运行于WindowsCE操作系统上的嵌入式组态软件，它可以运行于多种处理器上，如ARM、MIPS、MIPSFP、SH3、PowerPC、THUMB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。

近年来，国内在大力进行嵌入式HMI组态软件研究的同时也积极跟踪国外技术发展，进行嵌入式HMI理论基础和关键技术的研究。

国内的嵌入式组态软件还相当少，比较有影响力的有北京昆仑通的MCGS嵌入式版和亚控公司的组态王嵌入式版。

组态王嵌入版V6.1是亚控公司在组态王V6.51基础上,专为嵌入式应用开发的新产品,它秉承了通用版组态王V6.51的卓越品质,紧密结合嵌入式系统的实际需要,具有功能强、速度快、容量小、稳定性高、通讯方便、操作简单等优点。

我国有关嵌入式HMI组态软件的研究和应用起步相对一些发达国家较晚，大部分技术及设备目前仍是从国外引进。

近年来，国内在大力进行嵌入式HMI组态软件研究的同时也积极跟踪国外技术发展，进行嵌入式HMI理论基础和关键技术的研究。

同时，以太网的使用和在嵌入式形态中基于PC的技术和增强的诊断能力这些都促进了机界面市场的快速增长，EatonEleetrical公司的人机界面商务产品经理ClydeThomas认为，“实际上，人机界面的使用正被更多的智能器件所推动，这些包括机械视觉系统、传感器、驱动器和能同PLC进行通讯的动力控制装置。

”人机界面设备的嵌入化和组件化具有较好的发展潜力。

同时，目前国内外嵌入式HMI组态软件具有功能强、速度快、稳定性高、操作简洁等优点，但是它们在嵌入式领域中，体积大，消耗资源多，运行效率不高，并且不易于二次开发。

因此，提高运行与开发效率，是嵌入式HMI组态软件未来主要发展方向。

1.3论文主要工作

本文分析了工控领域的需求与现状，研究并设计了用于工业控制的嵌入式HMI。

对设计过程中的关键问题进行阐述与研究。

全文共分为六章：

本章介绍了嵌入式HMI组态软件的研究背景、目的与意义，介绍了国内外相关技术的发展现状，并总结了课题研究中所做的主要工作，这章是对课题研究的整体介绍。

第二章：

介绍了嵌入式HMI的软硬件结构，选择了合适的开发平台，分析了嵌入式HMI组态软件的整体功能，同时对组态软件划分了具体的功能模块，并对具体功能进行了分析。

第三章：

阐述了上位机组态环境下各功能模块与组态平台的具体设计。

在设计过程中，提出了利用.NET组件技术实现各个模块，从而提高软件的灵活性，可扩展性和开发效率。

另外根据对具体功能的分析，描述了上位机组态过程的具体流程，提出动态加载表这个关键问题，供下位机动态加载使用，并介绍了实现方法。

第四章：

阐述了下位机运行环境下运行平台的具体设计，对动态加载机制这个关键性的功能模块的实现方法进行了详细介绍，并对整个系统中的其他的关键性问题进行了说明。

第五章：

根据应用实例验证了嵌入式HMI及其组态软件的可行性。

第六章：

对本文的工作进行总结，提出可能的改进和对未来工作的展望。

第2章嵌入式HMI总体方案设计

本文该系统是基于嵌入式环境下将人机界面组态软件的总体结构分为上位机组态环境和下位机运行环境，其总体功能是：

将嵌入式HMI组态软件按需求合理划分为多个功能模块并以.NET组件形式实现其模块，利用上位机组态平台（PC）编辑出监控组态界面，并生成动态加载表，通过串口将其下载到下位机运行环境（嵌入式设备）中。

下位机运行时，通过本文设计的动态加载机制读取动态加载表，动态加载所需要的功能模块到内存中运行，监控组态界面的重现，并对PLC进行监视和控制操作。

如图2-1所示。

本章，主要介绍了嵌入式HMI的软硬件结构，开发平台的选择，及其组态软件的具体功能。

图2-1嵌入式HMI

2.1硬件总体方案设计

本文的嵌入式设备选择三星公司的ARM微处理器S3C2440A作为核心处理器，配合必需的外围芯片搭建本课题的系统处理平台。

ARM系列处理器是英国ARM（AdvancedRISCMachines）公司的产品，ARM公司只采用IP授权的方式使得其他半导体公司生产基于ARM核的处理器产品，而自己并不提供具体的芯片。

目前ARM是世界上销量最大的32位微处理器，占据32位和64位嵌入式处理器市场的79.5%，主宰着32位和64位嵌入式微处理器市场。

其优点在于它极高的性能、极低的功耗，使得它能够与高端的MIPS和PowerPC嵌入式处理器抗衡。

另外，根据市场的需求进行功能扩展，也是ARM的一大优势。

此外，ARM更适合嵌入式操作系统。

由于WindowsCE嵌入式操作系统运行需要MMU支持，因此ARM720T内核以下的处理器均无法满足要求。

现如今经ARM公司授权，生产带有MMU功能的ARM芯片的处理器厂家主要有Intel、ATMEL、SamSung等大型半导体厂家。

其中SamSung公司在CPU生产领域具有丰富的经验，特别是在多媒体、电源管理、制造工艺等方面。

因此，在它所设计的ARM系列芯片当中，不仅在性能和功耗方面在原有ARM内核的基础上有所提高，而且多媒体性能大幅度增强。

本文基于S3C2440的嵌入式硬件模块划分为八个部分：

存储器模块、电源与复位模块、JTAG调试模块、以太网模块、USB接口模块、UART串口与工业485接口模块、触摸屏控制接口模块、SD卡接口模块。

嵌入式HMI硬件总体结构如图2-2所示。

图2-2嵌入式HMI运行环境硬件体系结构

（1）CPU

处理器采用三星公司的ARMS3C2440A属于SoC（SystemonaChip，系统级芯片，芯片上广泛集成预定制模块，得以快速开发集成电路）集成了处理器，内存管理模块和NANDFlash控制器等部件，其内核ARM920T主频为400MHz，最高可达533MHz。

它具备高集成度、高性能和低功耗等性能，可供便携式手持设备用。

（2）存储器

在嵌入式系统中，为了满足嵌入式操作系统以及应用程序的需要，采用了64M的SDRAM（由2片16-bit宽度的32M的SDRAM组成）与FLASH存储单元，其中FLASH存储单元包含64M的NANDFLASH和2M的NORFLASH，一般NORFLASH里面放置的是不经常更改的BIOS,NANDFLASH里面则烧写完成的系统程序（Bootloader、内核、文件系统等）。

（3）外设

包含一个100M网络RJ-45接口，采用DM9000网卡芯片。

1个TTL串口接口，作为通信接口主要实现嵌入式系统与PLC与PC的通信。

一个USBHost、一个USBSlave（均使用USB2.0协议）。

2.2软件总体方案设计

与通常的嵌入式系统相似，嵌入式HMI的软件体系结构分为操作系统与应用软件两个部分。

操作系统部分需要根据嵌入式HMI系统的软件环境需要进行适当的裁剪和移植，应用软件部分即嵌入式HMI组态软件，其主要功能是根据工业监控的需要，显示组态界面并能完成监控功能。

随着嵌入式系统在工业领域的发展，嵌入式HMI组态软件的产生在工业控制领域是必然，由于软件技术的不断发展使得HMI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。

但是，嵌入式HMI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HMI组态软件不能过于庞大。

开发运行于嵌入式系统的支持组态功能的通用型人机界面逐渐走向成熟，但因其功能的强大在嵌入式平台消耗资源过多而导致其运行效率不高。

针对以上需求，能够动态加载所需要的功能模块到内存，节省嵌入式环境的资源是必须的。

随着.NET组件技术在软件领域的发展，将.NET组件技术与动态加载机制应用于嵌入式HMI及其组态软件是必然的，不但能继承传统的HMI组态软件的优点，它还能提高软件的运行效率，同时灵活性好，在恶劣且资源有限的嵌入式环境下的应用中，拥有能够动态修改和加载升级的功能以提高软件的开发效率。

本文是基于嵌入式环境下将人机界面组态软件的总体结构分为上位机组态环境和下位机运行环境。

在WindowsXP系统平台下，将嵌入式HMI组态软件的组态环境建立于.NET平台上，开发运行在上位机的组件容器（组态平台）和以模块的方式可动态加载的两种版本的动态链接库，一种是上位机组态需要的WindowsXP环境下的DLL，另一种是下位机运行程序动态加载机制所需要的WINCE环境下的DLL；同时开发运行在下位机的可加载功能模块的动态链接库的运行程序。

在嵌入式WindowsCE平台下，实现嵌入式HMI组态软件运行环境，并对其进行模块的划分，实现了图形用户界面模块，趋势模块，报警模块，通信模块；可根据其工控环境下的需要动态机载各功能模块DLL，在运行环境中利用.NET组件技术对其模块以组件的方式进行实现，以达到组件程序能够动态加载并且之间更好的协同工作，使程序更高效率的运行，并且减少或者避免传统的二次开发。

在上位机组态环境中，利用VS2005编辑环境编译生成组件容器，组件容器完成组件的组态，保存组态页面，生成配置文件（动态加载表）。

在运行环境中，将下位机运行程序、WINCE环境的动态链接库、动态加载表下载到嵌入式环境中，运行程序通过读取动态加载表加载DLL到内存中运行，进行对PLC监控与控制。

嵌入式HMI组态软件总体设计如图2-3所示。

图2-3嵌入式HMI软件总体设计

2.3嵌入式操作系统与开发平台的选择

根据对整个软件体系结构的分析，本设计的组态开发环境基于WindowsXP系统，开发环境利用MicrosoftVisualStudio2005；组态运行环境基于WinCE嵌入式操作系统，开发工具基于.NETFramework2.0。

本设计相当于要开发两个应用软件系统，并且在功能是相关的，选择Windows和WinCE可以提高开发效率。

WinCE是一种紧凑