摘 要： 基于Excel開發(fā)實時監(jiān)控人機界面(HMI)軟件的技術(shù)路線，大大降低了實時監(jiān)控人機界面軟件的開發(fā)難度和工作量，大幅度地縮短了開發(fā)周期，節(jié)省了研發(fā)費用和投資；不僅使所開發(fā)出的軟件具有強大的實時監(jiān)控功能，而且還具有高度的靈活性和可拓展性，支持嵌入式系統(tǒng)項目的研發(fā)、生產(chǎn)及維護的整個生命周期的各個階段。
　　關(guān)鍵詞： Excel；實時監(jiān)控；人機界面；BASIC語言

　　對于以單片機為核心的嵌入式自動測控系統(tǒng)，通常在系統(tǒng)開發(fā)階段需要借助微型計算機(PC機)來完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、實時監(jiān)控、人機交互等任務(wù)。要有效地達到此目的，需要在PC機上安裝和運行一個實時監(jiān)控人機界面軟件，自動化或半自動化地完成上述任務(wù)。目前，主要有兩種開發(fā)實時監(jiān)控人機界面軟件的方法：(1)采用某種計算機語言直接編程實現(xiàn)，如采用微軟的可視化編程語言VC++6.0[1]或VB 6.0^[1]等；(2)在商品化的人機界面軟件框架的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)實現(xiàn)，此類軟件框架在國外有InTouth^[2]、WinCC^[3]、RSView^[4]等，國內(nèi)有“力控”^[5]、“組態(tài)王”^[6]等。第一種方法具有高度的靈活性和可拓展性，但要求開發(fā)者具有較高的計算機軟件技術(shù)水平，開發(fā)難度大，開發(fā)周期長。第二種方法降低了開發(fā)難度，但靈活性和可拓展性受到了很大限制，有些方面難以滿足實際要求，且此類商品化軟件框架的價格為幾千到十幾萬元，這是一筆不小的投資?；趯ι鲜鰞煞N方法優(yōu)缺點的認識，本文提出了一條新的技術(shù)路線：基于Excel[7]開發(fā)實時監(jiān)控人機界面軟件。采用這條新的技術(shù)路線，大大降低了實時監(jiān)控人機界面軟件的開發(fā)難度，大幅度縮短了開發(fā)周期，節(jié)省了研發(fā)費用和投資；同時，不僅使所開發(fā)出的軟件具有強大的實時監(jiān)控功能，而且還具有高度的靈活性和可拓展性，支持嵌入式系統(tǒng)項目的研發(fā)、生產(chǎn)和維護的整個生命周期的各個階段。

1 基于Excel的技術(shù)路線
　　Excel是功能強大的電子表格處理軟件，其對象模型包括了一百多個不同的對象，從文本框、矩形等簡單對象到透視表、圖表等復(fù)雜對象。特別是它集成了與微軟VB 6.0相兼容的Visual Basic計算機語言，支持先進的面向?qū)ο蠛兔嫦虿考木幊碳夹g(shù)，使得它成為了一個功能強大的軟件開發(fā)工具。開發(fā)基于Excel的人機界面應(yīng)用程序包括兩部分：設(shè)計用戶界面（GUI）和編寫代碼程序。
　　傳統(tǒng)的應(yīng)用程序界面開發(fā)方法要編寫一大段程序語句。與此不同的是，本文利用了Excel集成的可視化Visual Basic編程語言和支持“快速原型法”的軟件開發(fā)模式，即使用“工具箱”中的若干控件，按照設(shè)計者的構(gòu)思，在指定位置“畫”出對用戶友好的界面。
　　有了用戶界面后，對應(yīng)用界面要執(zhí)行的控件進行“事件驅(qū)動”，也就是執(zhí)行某個程序算法，使它按照設(shè)計者的意愿運行。這一技術(shù)路線把原來統(tǒng)一控制的大程序分解成為許多獨立、小規(guī)模的子程序，分別執(zhí)行事件。如利用Excel自帶的自動化編程技術(shù)“錄制宏”生成的程序模塊為樣板程序，或利用自有的或第三方的AciveX控件編程進行功能拓展。
2 實時監(jiān)控人機界面軟件的結(jié)構(gòu)
　　在高性能恒溫晶振（OCXO）的科研項目中，開發(fā)了用于精密控制恒溫箱的實時監(jiān)控人機界面。該高精度溫度控制系統(tǒng)以微控制器MSC1210為核心組成嵌入式系統(tǒng)控制器，或稱為下位機。下位機通過RS232串口與上位機(PC機)通信，如圖1所示。

　　通過與下位機的通信，對嵌入式系統(tǒng)的下位機進行監(jiān)控，自動記錄和顯示采樣數(shù)據(jù)、顯示工藝參數(shù)的實時趨勢曲線等。其軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　啟動模塊具有“啟動監(jiān)控中心”、“數(shù)據(jù)保存到文件”和初始化全局變量的功能。實時監(jiān)控中心可以控制通信開關(guān)、上載開關(guān)、選擇上載數(shù)據(jù)的處理方式，實時設(shè)置并顯示控制器參數(shù)，以及實時顯示采樣數(shù)據(jù)。其中通信開關(guān)是其他功能按鈕的使能開關(guān)，即只有打開通信開關(guān)，上、下位機的通信開始工作后，其他功能按鈕才能工作。
3 主要功能模塊的設(shè)計介紹
3.1 通信模塊
　　通信模塊是軟件設(shè)計的難點，其主要功能為實現(xiàn)上位機與下位機的通信，設(shè)計的關(guān)鍵在于上位機與下位機通信協(xié)議條款的制定及實現(xiàn)。上位機與下位機通信的穩(wěn)定性與正確性是實現(xiàn)實時監(jiān)控的前提，通信協(xié)議所制定的通信數(shù)據(jù)包格式一般需要設(shè)計成能完成基本的校驗功能，它包含有前導(dǎo)碼、數(shù)據(jù)包標(biāo)識碼、數(shù)據(jù)校驗碼和結(jié)束碼。
　　為了減少編程的難度和工作量，采用微軟提供的串口通信AciveX控件MSCOMM32.OCX來實現(xiàn)與RS232串口硬件直接有關(guān)的底層功能。因此，通信模塊程序僅處理有關(guān)通信協(xié)議方面的高層功能，如收、發(fā)和校驗通信數(shù)據(jù)包，上載與下載控制器參數(shù)包，發(fā)送上位機向下位機下達的命令包等。

3.2 主監(jiān)控模塊
　　主監(jiān)控模塊用于顯示最新上載數(shù)據(jù)，包括給定值、測量值、控制值以及上載量、設(shè)置給定值、設(shè)置手動控制值以及切換控制方式。值得一提的是，這一實時監(jiān)控人機界面軟件可以實現(xiàn)無擾動切換自動與手動的控制方式，即在兩者相互切換的過程中，PWM占空比不會出現(xiàn)大幅度跳動，由此防止恒溫箱的輸入電流出現(xiàn)瞬時的大幅度變化，干擾整個電路的正常工作。圖3為主監(jiān)控模塊的操作界面。

3.3 實時數(shù)據(jù)記錄與保存模塊
　　此模塊把從控制器上載的實時數(shù)據(jù)和相關(guān)的時間、工藝參數(shù)自動記錄到電子表格并將自動形成文件保存到硬盤中。
　　模塊程序的編寫使用了Excel電子表格對象模型，并結(jié)合面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)來實現(xiàn)。采用了“錄制宏”的自動化編程技巧完成此項工作：首先，采用“錄制宏”，把手工操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄與保存的每個步驟錄制下來后，Excel就會自動給出一個實現(xiàn)相應(yīng)操作、采用BASIC面向?qū)ο笳Z言描述的程序模塊；然后，以此BASIC程序模塊為樣板程序，添加少量必要的程序流程控制語句和少量其他修改，調(diào)試通過后就完成了此模塊程序的編寫。
　　從控制器上載的實時數(shù)據(jù)可以選擇直接寫入電子表格，或者在趨勢曲線上顯示后成批寫入電子表格。電子表格或趨勢曲線被設(shè)計成能夠顯示1 000組數(shù)據(jù)，并按照記錄時間自動分配文件名保存到指定文件夾內(nèi)，以便于將來對數(shù)據(jù)進行分析和處理。
3.4 控制器參數(shù)的實時修改和保存
　　控制器參數(shù)的實時修改功能是專為控制器的調(diào)試設(shè)置的。在調(diào)試過程中，需要不斷調(diào)整控制器參數(shù)以尋找最佳值。把控制器的參數(shù)設(shè)計為存放在單片機的RAM中，每個參數(shù)均可按單獨下載刷新的方式方便地進行實時修改。同時，把存放在RAM的參數(shù)寫入閃存，以及把存放在閃存的參數(shù)恢復(fù)到RAM中存放的功能。
　　因此，當(dāng)調(diào)試完成或告一段落時，就可以將控制器存放在RAM中的參數(shù)寫入閃存保存，作為最終產(chǎn)品的控制器參數(shù)或供下次實驗使用。控制器在上電復(fù)位的初始化的過程中，自動完成控制器參數(shù)的恢復(fù)或上次實驗參數(shù)的加載，從而減少調(diào)試的工作量。圖4為控制器參數(shù)的實時修改和保存界面。

3.5 實時趨勢曲線的顯示
　　如果直接用計算機語言編寫顯示實時趨勢曲線的程序，將是難度很大且十分耗時的任務(wù)。因此，為了降低難度和節(jié)省開發(fā)時間，采用了微軟提供的圖形顯示AciveX控件MSCHRT20.OCX來完成這個任務(wù)。所獲得的實時趨勢曲線顯示效果如圖5所示。

　　實時趨勢曲線圖直觀地顯示了當(dāng)前控制器的測量值、給定值和控制值，大大降低了參數(shù)調(diào)試的操作難度。
3.6 歷史數(shù)據(jù)的重現(xiàn)與分析(圖示分析或統(tǒng)計數(shù)值分析)
　　實時數(shù)據(jù)的自動保存功能可以使歷史數(shù)據(jù)重現(xiàn)。Excel能完成絕大多數(shù)常用統(tǒng)計分析任務(wù)。同時，Excel電子表格在數(shù)據(jù)的預(yù)處理、圖形的繪制等方面具有相當(dāng)出色的應(yīng)用，其內(nèi)置函數(shù)數(shù)量多且使用方便，可以用于完成歷史數(shù)據(jù)的重現(xiàn)與分析。
4 在科研項目中的應(yīng)用
　　上述實時監(jiān)控人機界面已在項目實驗中應(yīng)用，并借此工具對高精度恒溫箱的制造技術(shù)參數(shù)、工藝參數(shù)和控制參數(shù)進行了大量有價值的探索。
　　(1)控制器參數(shù)的設(shè)置。其中，PID參數(shù)的設(shè)置是整個控溫的關(guān)鍵，其好壞直接影響控溫效果。這一人機界面實時反映控制器當(dāng)前狀態(tài)，使操作者能夠及時調(diào)整控制器參數(shù)。同時，手動操作的功能也有助于了解被控對象的特性，獲得第一手經(jīng)驗和技術(shù)訣竅，用于引入“實時專家系統(tǒng)”。
　　(2)實驗數(shù)據(jù)的記錄與分析。基于Excel電子表格的人機界面借用了Excel自帶的數(shù)據(jù)處理功能，可以在曲線上重現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)，從分析和重現(xiàn)記錄的歷史數(shù)據(jù)中獲得有用經(jīng)驗。
　　(3)變換實驗方案?；贓xcel的實時監(jiān)控人機界面的開發(fā)簡便而有效，采用模塊式的編程方法，組態(tài)靈活、擴展容易，兼容性好，從而在變換實驗方案時能以較快速度進行擴展和升級維護，以適應(yīng)實驗方案的改變。
　　(4)在項目產(chǎn)品生產(chǎn)階段，這一程序可擴展為產(chǎn)品測試檢驗軟件，自動生成產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗文件，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的查詢、分析和跟蹤的電子化，并能夠向客戶提供合格產(chǎn)品的電子質(zhì)量報告文件。
　　為嵌入式自動測控系統(tǒng)量身定制實時監(jiān)控人機界面軟件是一項技術(shù)復(fù)雜、難度大、開發(fā)周期長的任務(wù)。本文利用新的方法和技術(shù)路線達到了降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期和節(jié)省研發(fā)費用的目的，并在嵌入式系統(tǒng)科研項目的應(yīng)用中獲得了很好的運行效果，驗證了新的技術(shù)路線的可行性和有效性。這一技術(shù)路線能有效支持嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的整個生命周期。基于Excel方案的最大缺點是運行速度比較慢，原因為Excel的BASIC語言是解析執(zhí)行的。但是，基于Excel方案的程序很容易移植到微軟的VB6.0下編譯執(zhí)行。最終采用此方法，對基于Excel方案的程序進行移植處理后，不僅能夠提高程序的執(zhí)行速度，而且還可以按照商品化的形式發(fā)布程序。

參考文獻
[1] Microsoft Corporation.MSDN Library Visual Studio 6.0.1998.
[2] Invensys Systems，Inc.In touch user′s guide.2002.
[3] Siemens AG.SIMATIC HMI WinCC V6.0 Online Help.2005.
[4] Rockwell Software Inc.RSView32 user′s guide.1999.
[5] 北京三維力控科技有限公司.力控6.0聯(lián)機幫助.2008.
[6] 北京亞控科技有限公司.組態(tài)王6.52聯(lián)機幫助.2007.
[7] Microsoft Corporation.Microsoft Excel在線幫助.2003.