嵌入式控制器组态软件运行环境的设计及应用学士学位论文 精品.docx

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嵌入式控制器组态软件运行环境的设计及应用学士学位论文精品

哈尔滨远东理工学院

学士学位论文

题目：

嵌入式控制器组态软件运行环境的设计及应用

姓名：

分　　院：

工学院

专　　业：

电子信息工程

学号：

指导教师：

王鑫

二0年月日

毕业设计（论文）评语及成绩

一、指导教师评语：

是否同意参加答辩：

指导教师签字：

20年月日

二、评阅人评语：

是否同意参加答辩：

评阅教师签字：

20年月日

三、答辩委员会评语：

是否建议授予学士学位：

答辩委员会成员签字：

1、2、3、

4、5、6、

7、8、9、

20年月日

四、答辩委员会主任单位

答辩委员会主任职称

答辩委员会主任签字

20年月日

五、毕业设计（论文）成绩：

学生所在分院盖章：

20年月日

哈尔滨远东理工学院

毕业设计（论文）任务书

学生姓名

学号

分院

工学院

专业

电子信息工程

任务起止时间：

2012年12月10日至2013年5月31日

毕业设计（论文）题目：

嵌入式控制器组态软件运行环境的设计及应用

毕业设计（论文）工作内容：

本课题将嵌入式系统技术与通用组态软件技术结合在一起，提出一种嵌入式控制器组态软件运行环境，它可以根据不同的组态配置文件生成不同功能的嵌入式控制器，不用编程，大大缩短了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，强大的控制功能，并能够存储一定数量的历史数据。

毕业设计（论文）进度安排：

1、查阅中外文文献资料，写出文献综述阶段：

2012年12月10日——2013年1月10日

2、调查、设计、实验、研究阶段：

2013月1月11日——2013年3月31日

3、设计（论文）撰写与整理阶段：

2013年4月1日——2013年5月31日

指导教师意见与要求：

签字：

年月日

主任意见：

签字：

年月日

摘要

自计算机技术进入“后PC”时代以来，控制系统正在向网络化、数字化迅猛发展这使得控制技术与嵌入式技术的结合更加紧密。

现代工业对控制系统的可扩展性，可管理性和易用性提出了越来越高的要求，这使得常规仪表逐渐被以嵌入式系统为核心的计算机控制系统所代替。

随着工业自动化尤其是远程监控系统的发展，传统的通过程序设计实现控制目的的方法越来越难以满足实际的工程需要，这时，工程组态软件应运而生了。

在嵌入式这一特殊环境中，需要对工控组态软件进行特殊的设计，以满足系统环境的需要，由此产生了一种特殊的工控组态软件——嵌入式组态软件。

本文介绍了嵌入式控制器组态软件运行唤醒选用的ARM7微处理器和基于此微处理器的硬件平台，以及嵌入式实时操作系统μC/OS-II；在分析了嵌入式组态软件的整体结构后，详细介绍了运行环境所要完成的功能和数据处理流程，并提出了嵌入式组态软件运行环境的设计思想；基于分析结果，根据具体配料称重控制器的要求重新设计了外围接口电路，在LPC2210微处理器上移植了嵌入式实时操作系统μC/OS-II和ZLG/GUI，开发了外设驱动程序；详细分析了嵌入式组态软件运行环境所用到的组态支撑模块的设计重点和关键技术。

利用设计好的嵌入式控制器组态软件运行环境组态生成了一个配料称重控制器，并检验了设计效果。

实验表明，运行环境能够根据组态配置文件生成符合要求的嵌入式控制器，整个过程无需大量编程，并可根据需要设计出不同的人机界面，控制功能也可以自由的删减，充分体现了组态软件的特点。

关键词：

嵌入式控制器；组态；ARM；μC/OS-II；配料称重系统

Abstract

Sincetheeraofthe"post-PC"sincethecomputertechnology,thecontrolsystemisnetworked,digitizedrapiddevelopmentwhichmakesmorecloselycontrolthecombinationoftechnologyandembeddedtechnology.Modernindustrialcontrolsystemscalability,manageabilityandeaseofuseoftheever-increasingdemands,whichmakesconventionalinstrumentshavebeengraduallyreplacedbythecomputercontrolsystemcoreembeddedsystems.Withdevelopmentofindustrialautomation,remotemonitoringsystem,thetraditionalthroughproceduresdesignedtoachievecontrolpurposesitincreasinglydifficulttomeettheactualprojectneeds,thistime,theengineeringsoftwarecameintobeing.Controlconfigurationsoftwareembeddedinthisspecialenvironment,aspecialdesigntomeettheneedsofthesystemenvironment,resultingaspecialcontrolconfigurationsoftware-embeddedconfigurationsoftware.

　　ThisarticledescribestheembeddedcontrollerconfigurationsoftwarerunswakechosenARM7microprocessor-basedthemicroprocessorhardwareplatform,aswellasembeddedreal-timeoperatingsystemμC/OS-II;intheanalysisoftheoverallembeddedconfigurationsoftwarestructure,detailsthefunctionsanddataprocessingoperatingenvironmenttocompletetheprocess,andembeddedconfigurationsoftwareoperatingenvironmentdesignideas;basedontheanalysisofresults,dependingontheingredientsweighingcontrollerrequirementsredesignedtheperipheralinterfacecircuittransplantationofembeddedreal-timeoperatingsystemμC/OS-IIandZLG/GUILPC2210microprocessoranddevelopedperipheraldrivers;detailedanalysisoftheembeddedconfigurationsoftwareusedbytheoperatingenvironmentconfigurationsupportmoduledesignprioritiesandkeytechnologies.

Usingdesignedembeddedcontrollerconfigurationsoftwareoperatingenvironmentconfigurationtogenerateabatchweighingcontroller,andtestthedesigneffect.Theexperimentsshowthattheoperatingenvironmentcanbegeneratedtomeettherequirementsoftheembeddedcontrollerconfigurationfiles,dependingontheconfiguration,thewholeprocesswithoutalotofprogramming,andcanbedesignedaccordingtotheneedsofdifferentman-machineinterface,controlfunctionscanalsobefreeofthedeletion,fullyreflectstheconfigurationsoftwarefeatures.

Keywords:

embeddedcontroller;configuration;ARM;μC/OS-II;ingredientweighingsystem

第1章绪论

1.1本课题的研究背景

自计算机技术从20世纪90年代进入充满机遇的“后PC”时代以来，控制系统正在向网络化，数字化迅猛发展，这使得控制技术与嵌入式技术的结合更加紧密。

现代工业对控制系统的可扩展性，可管理性和易用性提出了越来越高的要求，这使得常规仪表逐渐被以嵌入式系统为核心的计算机系统所替代。

嵌入式系统在工业控制中的广泛应用，极大地提高了工业生产的信息化、现代化和自动化水平。

工业生产线上将广泛应用嵌入式控制技术和基于嵌入式技术的控制器。

目前，各种各样的新型嵌入式系统在应用数量上已经远远超于通用计算机。

在工业生产中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人正在逐渐改变着传统的工业生产方式。

因此，嵌入式系统将是今后的主流发展趋势。

随着工业自动化尤其是远程监控系统的发展，传统的通过程序设计实现控制目的的方法越来越难以满足实际的工程需要，这时，工程组态软件应运而生了。

在嵌入式系统这一特殊环境中，需要对工程组态软件进行特殊的设计，以满足系统环境的需要，由此产生了一种特殊的工控组态软件——嵌入式组态软件。

1.2嵌入式系统组态软件

1.通用组态软件

组态一词来源于英文单词configuration，“组态软件”作为一个专业术语，到目前为止，并没有一个统一的定义，它是伴随着集散控制系统（DistributedControlSystem，简称DCS）的出现而引入工业控制领域的。

从组态软件的内涵上说，组态软件是指在软件方面，操作人员根据应用对象及控制任务的要求配置用户应用软件的过程，也就是把组态软件视为“应用程序生成器”。

从应用角度讲，组态软件是自动控制系统中的监控层，完成系统硬件与软件的沟通、对现场的实时监测与控制，起到在管理层和控制层之间上传下达的作用。

在工业过程控制系统中存在着两大类可变因素：

一是操作人员需求的变化；二是被控对象状态的变化及被控对象所用硬件的变化。

而组态软件正式在保持软件平台执行代码不变的基础上通过改变软件配置信息（包括图形文件、硬件配置文件、实时数据库等），适应系统对两大可变因素的要求，构建新的监控系统的平台软件。

以这种方式构建系统既提高了系统的成套速度，又保证了系统软件的成熟性和可靠性，使用起来方便灵活，而且便于修改和维护。

组态软件的另一大特点是实时多任务，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图像显示与人机对话、实时数据的存储、查询与管实时通信等多个任务要在一个系统中同时运行。

2.嵌入式组态软件产生与发展

嵌入式系统近些年发展迅速，在工业控制领域内更是如此，越来越得到专业人士的青睐。

它的主要作用是实时控制、监视、管理被控对象、数据处理等，或者辅助其他设备运转，完成各种自动化处理的任务。

然而纵观工控行业，虽然嵌入式硬件设备很多，但嵌入式应用软件却极度缺乏，严重地限制了嵌入式系统在工控行业的应用和推广，制约着嵌入式系统的发展。

目前的嵌入式系统，无论是不装操作系统的，还是装有WindowsCE、Linux等操作系统的，支持组态软件的都很少，用户如果需要开发一个嵌入式的监控系统，一般都需要亲自编程。

这样不仅开发工作量大、周期长，而且系统运行的稳定性也较差，同时以后系统的软件升级与维护也比较困难。

另一方面，组态软件已经在工业控制领域发展了十几年，并且取得了巨大的成功。

它从根本上改变了技术工控系统需要大量编程的开发方法。

所以将嵌入式系统技术与组态软件及时相结合，行程一种类似于通用组态软件的嵌入式组态软件，使之能够快速、高效、方便地开发出适应各种场合的嵌入式系统是必然的。

目前国内外的嵌入式组态技术尚处于发展初期，相应的软件产品并不多。

国外方面，IndusoftWebStudio生产的嵌入式HMI/SCADA软件据说是市场上第一个可以运行于WindowsCE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，而其他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。

Progea的MoviconCE可以在WindowsCE下运行。

国内的嵌入式组态软件还相当的少，比较有影响的有亚控公司的组态王嵌入式版和北京昆仑通态的MCGSE。

组态王嵌入式版6.0是亚控公司在组态王6.0基础上，为嵌入式应用开发的产品，具有功能强、通信方便、操作简便等优点。

MCGSE（MonitorandControlGeneratedSystemforEmbedded，嵌入式通用监控系统）是一种用于快速构造和生成嵌入式计算机监控系统的组态软件。

它通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。

3.嵌入式组态软件与通用组态软件比较

嵌入式组态软件是相对于通用组态软件来说的，是从通用组态软件发展而来的，因此它们之间有着很多相似之处，但也有很明显的区别，从结构上说，嵌入式组态软件和通用组态软件一样，都是由开发环境和运行环境组成。

开发环境用于人机界面设计、硬件参数配置、实时数据库设计等系统配置工作，然后将设计好的应用软件投入运行环境运行。

从功能上说，在工控行业它们都是用于完成对被控对象的监视、控制和数据采集，都具备实时多任务的能力。

但是通用组态软件的开发环境和运行环境大都是基于Windows操作系统的，系统难以裁剪、固化、不能用于对可靠性、实时性和安全性要求很高的控制系统中。

而且由于这些组态软件都是PC-Based的，不适合应用在对体积、功耗和成本等有严格要求的场合。

嵌入式组态软件则不同，它的开发环境一般基于通用性较强的Windows平台上，而运行环境却具有多样性，它的硬件平台可以试PC/104那样标准的嵌入式应用平台，也可以是为具体应用专门设计的平台；它的操作系统有WinCE、μCLinux、VxWorks、μC/OS-II等多种选择。

嵌入式组态软件运行环境的软硬件都具有可裁剪性，可根据具体应用进行伸缩性配置。

开发环境设计好的配置文件和操作系统都固化在ROM、Flash等会存储器中，而不是工控机的磁盘等载体中。

由于运行环境采用的一般是实时性强的嵌入式操作系统，系统运行不需要人的干涉，所以很适合那些稳定性、时尚性高的操作系统。

另外，嵌入式系统体积小。

，功耗低，也更适合特定现场的控制。

1.3本课题的研究意义

通用组态软件已经在工业控制领域取得了巨大的成功，嵌入式系统技术也越来越得到工控专业人士的青睐，所以两者的结合时其发展的必然趋势。

嵌入式组态软件不具备嵌入式软件开发经验的用户能够在极短的时间内，快速开发完成一个嵌入式系统，同时又保证了整个系统的小体积，低成本，高实时性和高可靠性。

同时，嵌入式组态软件的研制也是迫切需要的。

虽然国内有众多嵌入式硬件厂家，市场上也有多种可用的嵌入式操作系统，但是方便用户开发嵌入式控制系统的平台少之又少。

目前国内外的嵌入式组态软件还处于发展时期，成熟的产品还不多，离用户对嵌入式组态软件的需求还有很大差距。

所以，嵌入式组态软件具有广泛的应用前景和市场前景，研制嵌入式组态软件具有重要的意义，本课题将把设计好的嵌入式组态软件运行环境用于配料称重控制器的研发。

1.4本课题的主要工作

本课题将嵌入式系统技术与通用组态软件技术结合在一起，提出一种嵌入式控制器组态软件运行环境，它可以根据不同的组态配置文件生成不同功能的嵌入式控制器，不用编程，大大缩短了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，强大的控制功能，并能够存储一定数量的历史数据。

本课题的研究内容如下：

1.在对嵌入式组态软件运行环境整体结构分析的基础上，根据实际情况选择了设计组态软件运行环境需要的硬件平台和嵌入式操作系统。

2.根据具体应用系统，对已有硬件平台的外围接口电路进行重新设计，增加了A/D采样接口、脉冲信号检测接口和D/A输出接口电路。

3.为了充分发挥32位CPU的多任务潜力，满足嵌入式组态软件实时多任务的要求，选择了嵌入式实时操作系统μC/OS-II来对运行环境中的软件各部分进行管理，因此对于μC/OS-II在ARM7微处理器上的移植及其μC/OS-II下的外设驱动开发需进行深入研究。

4.为了能够根据不同的组态配置文件生成不同功能的嵌入式控制器，需对组态支撑模块的设计进行研究，它主要包括数据管理模块、图形显示模块、通信模块、I/O模块和控制算法模块等。

在嵌入式控制器组态软件运行环境的设计完成后，利用它设计生成一个配料称重控制器，以检验设计效果。

第2章嵌入式组态软件运行环境系统分析

2.1嵌入式系统

2.1.1嵌入式系统定义

所谓嵌入式系统（EmbeddedSystem），IEEE的定义是：

用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置（原文为devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）。

术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整子系统，被嵌入的系统中可以共存多个这样的嵌入式系统。

2.1.2嵌入式系统结构

经过几十年的发展，嵌入式系统自底向上逐渐演化为4层结构。

1.硬件平台。

是支撑整个嵌入式系统运行的硬件环境，它由嵌入式微处理器最小系统扩展外围电路和输入/输出设备等部分组成。

单独一个嵌入式微处理器是不能工作的，它还必须包括供电电路、时钟信号、复位系统和必要的存储器组成最小系统才能正常工作。

扩展外围电路通常根据应用领域的差别而有所不同，一般包括A/D、D/A、I/O和通信接口等，有的还包括音频、图像控制器。

输入/输出设备主要是指人机交互接口，如键盘、LCD和触摸屏等。

2.板级支持包。

是后来演化出来的一层结构，也叫做硬件抽象层，是介于硬件与软件之间的中间层次。

板级支持包通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供底层的硬件信息，并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。

3.嵌入式操作系统。

负责嵌入式系统中全部软硬件资源的分配与回控制与协调等并发的活动：

提供用户程序接口，使用户获得良好的工作环境；为用户扩展新的系统功能提供软件平台。

它具有规模小、可裁剪、可固化和实时性强等特点。

4.嵌入式应用程序。

是运行于嵌入式操作系统之上的各个人物，每个人物均有一个优先级，操作系统根据各个任务的要求，进行资源管理、消息管理、任务调度及异常处理等工作。

不同应用系统的用户应用程序也不尽相同。

2.1.3嵌入式系统特点

与通用计算机系统相比，嵌入式系统一般具有体积小、功耗低、实时性强和可靠性高等特点。

嵌入式系统和具有应用紧密结合在一起，使得它的升级换代和具体产品同步进行。

因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，便具有较长的生命周期。

各不相同的应用领域决定了嵌入式系统行业是不可垄断的、高度分散的，充满竞争、机遇与创新，即便在体系结构上存在着主流，也没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。

另外，嵌入式系统是被嵌入的设备机密相连的专用计算机系统，有很强的专用性，这就决定了其硬件平台的多样性，必须根据应用的不同，设计专门的硬件平台：

也正因为如此，导致了用户软件必须根据功能和硬件的差别来“量体裁衣”，一般要针对具体的硬件平台进行操作系统的移植和应用程序的重新编写。

2.1.4嵌入式系统的开发

根据嵌入式系统硬件多样化和软硬结合紧密的特点，目前比较常用的开发方法有两种：

软硬件分离设计方法和软硬件协同设计方法。

1.软硬件分离设计方法。

在计算机科学发展初期，软硬件的设计流程截然不同，软件设计者编写程序，硬件设计者连接元件，两者的设计不可能交互，必须单独进行。

这种设计者编写程序，硬件设计者连接元件，两者的设计不可能交互，必须单独进行。

这种传统的设计方法被称为“软硬件分离设计”。

在此方法中，软硬件划分在系统开发的初期进行，一次性划分后软件和硬件所分配的功能就不能改变。

软件通过编写程序运行在微处理器上实现系统安全或大部分功能，硬件则主要通过“板级”专用电路为软件运行提供平台。

这种设计方法可使软硬件开发并行推进，但联调必须等到软硬件都开发出来后才能进行。

由于软硬件开发过程割裂和最初的功能划分不协调等原因，可能会暴露出很多问题，严重时导致系统重新开发。

2.软硬件协同设计方法。

随着近年来SoC技术的进步，软件编译和硬件综合技术的并行发展，如今两个领域都可以时序程序描述行为作为设计的起点，如软件使用C语言、硬件使用HDL进行描述。

这使得软硬件协同设计成为可能。

此方法中，对于某个特定功能的软硬件划分主要是取决于性能、功率、大小和灵活性等设计指标，没有本质的区别。

软硬件协同设计可在设计过程的各个阶段同时考虑两者的功能和性能，找到其最佳组合方式，并且在系统实现前就可以进行协同仿真和验证，保证了系统设计的正确性和完整性。

如何简洁有效地开发出应用于各种不同环境的嵌入式系统，是嵌入式系统发展中所必须解决的关键问题。

2.2嵌入式控制器硬件平台

2.2.1ARM7TDMI_S微处理器

ARM即AdvancedRISCMachines的缩写。

1990年ARM公司成立于英国剑桥，主要从事芯片知识产权（IP）核的设计。

它本身并不生产芯片，靠转让技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商来生产各具特色的芯片。

ARM处理器具有三个显著的特点，一、耗电少、成本低、功能强；二、16位/32位双指令集；三、全球众多合作伙伴保证芯片供应。

ARM处理器当前有6个产品系列：

ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和SecurCore，其中ARM11为最近推出的产品。

进一步的产品来自于合作伙伴，例如IntelXscale。

ARM7内核采用冯•诺伊曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。

内核执行ARMv4指令集，有一条3级流水线，可使取指、译码、执行三个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHz的执行速度，主频在20MHz-133MHz之间。

ARM7系统包括ARM7TDMI、