基于Windows CE的嵌入式網絡監(jiān)控系統的設計與實現

布光系統是廣泛應用于電視演播廳、電影攝影棚、體育場館以及舞廳的一種機械化照明燈具及其控制系統,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,系統故障率大,難以維護;不能實現對被控對象的全部控制,只實現了單一、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)控系統采用數字化分布嵌入式控制系統實現布光任務。在布光系統中采用基于Windows CE的嵌入式網絡監(jiān)控系統。該系統實時性好,可靠性高;速度快,大容量的特性可以適應不斷增長的系統數據處理需求;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。

1 系統概述

　　應用于布光系統的嵌入式網絡監(jiān)控系統為數字雙向串行通訊控制系統。整個系統由控制臺、網絡控制器、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;網絡控制器負責網絡數據的傳輸,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不同的動作。

　　系統總體框圖如圖1所示。

　　主控臺是系統的主要控制平臺,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。備份控制臺由普通PC機實現,刪減主控制臺功能,保留部分必要的功能,起到備份數據和輔助控制的作用。遙控器是手持式輔助控制器,在100m內可以可靠有效地控制系統。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。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,采用變頻調速控制;另一種是燈具控制器。網絡控制器與被控節(jié)點之間通過CAN總線進行通信。系統可控路數需達到1000路。因此,為了擴展CAN網的節(jié)點數,6個CAN總線中轉器與網絡控制器相連,每個中轉器下接6個CAN子網,共有36個CAN總線子網。

2 Windows CE簡介及其特點

　　主控制臺的操作系統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。主要面向各種嵌入式系統和產品。它具有多線程、多任務、完全搶占式的特點,是專門為各種有很嚴格資源限制的硬件系統設計的。它的模塊化設計使嵌入式系統和應用程序開發(fā)者能夠方便地定制以適應一系列不同的產品。Windows CE操作系統包括以下主要模塊:

　　(1)內核模塊,支持進程和線程處理及內存管理等基本服務;

　　(2)內核系統接口模塊,允許應用軟件訪問操作系統;

　　(3)文件系統模塊,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支持多種外設和網絡系統,包括鍵盤、鼠標、觸摸屏、串行口、以太網卡、調制解調器、USB設備、音頻設備、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)內部驅動程序、可安裝驅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。與其他操作系統比較,Windows CE具有下列優(yōu)越性:

　　(1)32位多線程、多任務、完全搶占式的操作系統;

　　(2)強大的圖形顯示功能支持,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的應用程序能方便地移植到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,從硬件調試到軟件開發(fā)都為用戶提供了方便。

3 系統組成及結構

3.1 主控臺

　　主控臺是整個系統的核心,主要由PC/104系統、控制臺面板(鍵盤)和液晶顯示器組成,需要接入互聯網。其結構如圖2所示。

3.2 網絡控制器

　　網絡控制器硬件如圖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。

　　燈具控制器接收并解釋上位機發(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)根據設定位置值,通過算法把自由度調到相應位置;

　　(3)實現各自由度的限位功能;

　　(4)出現異常給上位機發(fā)異常命令。

4 網絡監(jiān)控系統的實現

4.1 系統硬件特點

　　嵌入式網絡監(jiān)控系統是可移動的小型化控制系統。硬件是研華公司的PCM-3350 PC/104及LCD顯示器。與一般的臺式PC系統相比,PC/104嵌入式系統體積小,結構緊湊,系統模塊化;與單片機系統相比,PC/104資源豐富,運算速度快,產品系列化,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)效率和系統的可靠性,適合數據量大、數據類型多的數據采集和處理系統。

4.2 系統功能

　　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)控系統與底層設備有大量的數據交換,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Windows CE 3.0可以滿足系統對實時性的要求。

　　同時,網絡監(jiān)控系統需要接入互聯網,以便實現遠程網絡通信功能,進行遠程診斷。遠程診斷的目的就是能將現場設備的狀況及時傳到維修中心的計算機網絡上,維修中心能夠對設備進行監(jiān)控,及時了解設備出現的故障,指導現場人員對設備進行維修。因此,系統需要通過網絡把現場系統的一些特殊工作狀態(tài)信息傳遞到現場控制室和遠端的維修中心。此外,本地系統工作時也需要實時監(jiān)測系統的運行狀態(tài),給出各個提升機和燈具的狀態(tài)信息,有錯誤及時報警,并報告故障位置和故障類型,使系統易于維護和檢修。

4.3 圖形用戶界面設計

　　操作人員通過監(jiān)控系統實現對整個數字布光系統的控制。為了克服以往系統不易操作,吊桿、燈具運行狀態(tài)顯示不形象的缺點,本文所實現的網絡監(jiān)控系統在其人機交互界面中以三維動畫方式顯示吊桿和燈具的動態(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動速度的具體參數。系統的操作也相對簡單。

4.4 串口通信程序

　　主控制臺與下層網絡控制器的通信通過PC/104的RS-232串口實現。

　　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據。Windows CE支持基于Windows的臺式機上用于串行通信的標準函數。主要有CreateFile()、CloseHandle()、GetCommState()、SetCommState()、 SetupComm()、PurgeComm()、SetCommMask()、WaitCommEvent()、ClearCommError()、ReadFile()、WriteFile()等函數。這些函數可以用于打開、關閉和操作串行口,傳送和接收數據以及管理連接。

　　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,有數據到達時依靠事件驅動,讀入數據并運行相應的接收數據處理程序,以完成相應的工作。

4.5 網絡功能

　　當現場工作系統出現難以解決的故障時,現場工作人員可以通過Internet將故障信息發(fā)送到維修中心。首先由現場用戶輸入服務器的IP地址和端口號,然后啟動網絡通信模塊,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場傳遞到維修中心的服務器,讓維修人員及時地了解系統的運行狀態(tài)并診斷故障原因。

　　隨著網絡技術的不斷發(fā)展,網絡在工控領域中的影響越來越大。本文介紹的數字布光監(jiān)控系統將網絡技術與嵌入式系統相結合,使得系統在操作、安裝、維護等各方面都變得相當簡單。同時,系統在安全性,可靠性等方面也有了很大的提高。