摘  要： 介紹了一種船舶主機(jī)燃油粘度試驗(yàn)臺中粘度控制器的設(shè)計。包括控制器人機(jī)界面的設(shè)計、控制器的嵌入式開發(fā)平臺和開發(fā)環(huán)境、硬件接口設(shè)計原理以及軟件設(shè)計方法等。
關(guān)鍵詞： 嵌入式；主機(jī)；粘度；控制

　近代船舶柴油機(jī)為降低營運(yùn)成本，使用低質(zhì)燃油，由于在常溫下其粘度很高，在管路中難以運(yùn)輸，更不能直接噴入氣缸進(jìn)行燃燒。為了保證船舶主機(jī)燃燒良好，能正常運(yùn)行，燃油粘度必須保持在一個合適的范圍內(nèi)[1]。半實(shí)物主機(jī)燃油粘度仿真控制系統(tǒng)，把船上的燃油粘度控制系統(tǒng)遷移到了教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中。本文內(nèi)容為試驗(yàn)臺上粘度控制器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。
1 粘度控制器人機(jī)界面
　粘度控制器人機(jī)界面如圖1所示。矩形區(qū)域?yàn)長CD顯示區(qū)域。下方8個按鍵區(qū)域?yàn)榭刂茽顟B(tài)選擇區(qū)，分別有粘度控制、溫度控制、手動控制和停止控制、主界面、設(shè)置模式、報警復(fù)位等按鍵。右邊16個按鍵的區(qū)域?yàn)閿?shù)字鍵操作區(qū)域和符號鍵區(qū)域。包括數(shù)字鍵、修改數(shù)據(jù)、移動光標(biāo)、清除數(shù)據(jù)、確定等按鍵。

2 控制器硬件設(shè)計
　在本半實(shí)物主機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)設(shè)計中，燃油粘度控制器需要實(shí)現(xiàn)操作模式、控制方式、開關(guān)量、數(shù)據(jù)量等狀態(tài)的顯示，也要實(shí)現(xiàn)各個變量的修改，也可以進(jìn)行報警復(fù)位的操作。為實(shí)現(xiàn)如上功能，除需要嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊外還需有LCD顯示、鍵盤輸入、與上位機(jī)通信、開關(guān)量輸出等模塊。
2.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊
　控制器以成都英創(chuàng)的EM9260嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊為基礎(chǔ)開發(fā)完成。EM9260是一款面向工業(yè)自動化領(lǐng)域的高性價比嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊，其內(nèi)核CPU為工業(yè)級品質(zhì)的AT91SAM9260，模塊已預(yù)裝正版Window CE5.0實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，用戶可直接使用Microsoft提供的免費(fèi)軟件開發(fā)工具eVC（+SP4）或其他更高版本的開發(fā)工具，在EM9260上開發(fā)自己的應(yīng)用程序。英創(chuàng)公司針對EM9260提供了完整的接口底層驅(qū)動以及豐富的應(yīng)用程序范例，用戶可在此基礎(chǔ)上方便、快速地開發(fā)出各種工控產(chǎn)品。
2.2 LCD顯示部分
　EM9260的主要應(yīng)用領(lǐng)域是那些需要連續(xù)工作的工業(yè)環(huán)境，甚至是無人值守的環(huán)境，因此對顯示的要求相對較低。即使使用LCD，通常也是顯示一些設(shè)備工況信息，因此可選用一些低成本LCD模塊，如控制器為KS0108、分辨率為128×64的點(diǎn)陣LCD模塊就是典型的低成本LCD。在程序設(shè)計上，LCD顯示僅僅是作為ISA總線上擴(kuò)展的簡單外設(shè)，而不是通常意義下的Windows顯示窗口。從CE的觀點(diǎn)來看，EM9260屬于典型的無頭設(shè)備（Headless）。對常用的幾款低成本LCD屏，EM9260的LCD驅(qū)動程序可實(shí)現(xiàn)自動識別，為客戶產(chǎn)品的LCD選型提供了靈活性。
　控制器選用240×128 LCD屏，將信號線與模塊連接即可實(shí)現(xiàn)。LCD信號接口電路如圖2所示。

　圖4是通過ISA總線擴(kuò)展矩陣鍵盤的原理圖，用1片74HCT139對總線地址譯碼，再通過74HCT273實(shí)現(xiàn)8位數(shù)字輸出用于掃描輸出，通過74HCT245回讀掃描碼，僅需要3個器件，就能實(shí)現(xiàn)8×8矩陣鍵盤擴(kuò)展。
外接矩陣鍵盤原理圖如圖5所示。

　將CAN接口與CAN接口卡按信號線相接，即可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。
2.5 開關(guān)量輸出部分
　使用嵌入式模塊的GPIO輸出接口，可以實(shí)現(xiàn)控制器的報警聲音，以及指示燈的點(diǎn)亮。電路如圖7所示。

3 控制器軟件設(shè)計
　主板安裝了操作系統(tǒng)WindowsCE，WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎(chǔ)，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)，Windows CE是精簡的Windows 95，它的圖形用戶界面相當(dāng)出色。Windows CE是有優(yōu)先級的多任務(wù)操作系統(tǒng)，它允許多重功能、進(jìn)程在相同時間系統(tǒng)中運(yùn)行Windows CE支持最大的32位同步進(jìn)程。一個進(jìn)程包括一個或多個線程，每個線程代表進(jìn)程的一個獨(dú)立部分，一個線程被指定為進(jìn)程的基本線程，進(jìn)程也能創(chuàng)造一個未定數(shù)目的額外線程，額外線程實(shí)際數(shù)目僅由可利用的系統(tǒng)資源限定[2]。
　軟件開發(fā)工具為eVC，eVC是微軟針對嵌入式系統(tǒng)提供的一套功能完善且可免費(fèi)獲取的開發(fā)工具，與PC平臺通用的VC保持了高度的一致性，同時考慮C/C++的執(zhí)行效率，因此eVC被作為EM9260應(yīng)用程序開發(fā)的首選工具。建立好英創(chuàng)ARM9嵌入式模塊所需的硬、軟件開發(fā)環(huán)境，并利用以太網(wǎng)將開發(fā)主機(jī)和英創(chuàng)ARM9嵌入式模塊連接成功以后，用戶就可以通過eVC開發(fā)、調(diào)試自己所需的應(yīng)用程序了。eVC開發(fā)環(huán)境和普通的VC非常相似，客戶可以通過市面上很常見的大量VC書籍資料來進(jìn)行編程方面的學(xué)習(xí)。然而，使用eVC開發(fā)和VC的最大區(qū)別之一在于VC開發(fā)的程序直接運(yùn)行于普通PC機(jī)；eVC開發(fā)的應(yīng)用程序最終要在目標(biāo)機(jī)而非PC機(jī)上運(yùn)行調(diào)試。這一過程是廣大VC程序員和剛接觸嵌入式系統(tǒng)的工程師所不熟悉的。
3.1 系統(tǒng)主程序軟件設(shè)計
　根據(jù)控制器系統(tǒng)設(shè)計，軟件開發(fā)涉及到LCD菜單顯示、按鍵、CAN通信等操作?？刂破髦鞒绦蛄鞒虉D如圖8所示。

3.2 矩陣鍵盤軟件設(shè)計
　矩陣鍵盤驅(qū)動程序每隔20 ms掃描一次鍵盤，判斷是否有按鍵輸入，如果確認(rèn)了按鍵輸入，則產(chǎn)生WM_KEYDOWN消息，緊接著判斷按鍵是否釋放，按鍵釋放后產(chǎn)生WM_KEYUP消息，然后進(jìn)行下一次掃描，如此循環(huán)。圖9是按鍵掃描程序的流程圖。

　根據(jù)上述流程圖，封裝的KEY_API類，該類提供兩個方法函數(shù)，如下：
　//打開鍵盤掃描
　//nRow，nCol矩陣鍵盤行列數(shù)，最大為8×8
　BOOL OpenKeyPad（int nRow，int nCol）；
　//關(guān)閉鍵盤掃描
　BOOL CloseKeyPad（）；
　通過KEY_API類，在應(yīng)用程序中，僅需要調(diào)用OpenKeyPad（）函數(shù)，就能打開鍵盤掃描程序。當(dāng)鍵盤上某個鍵按下時，驅(qū)動程序?qū)a(chǎn)生WM_KEYDOWN和WM_KEYUP消息。這兩個消息的附加參數(shù)（wParam和lParam）包含的是虛擬鍵代碼和掃描碼等信息，應(yīng)用程序中可通過TranslateMessage函數(shù)將WM_KEYDOWN和WM_KEYUP消息組合轉(zhuǎn)換為一條WM_CHAR消息，該消息的wParam附加參數(shù)包含了按鍵字符的ASCII碼[3]。
3.3 CAN通信軟件設(shè)計
3.3.1 CAN報文的幀格式
　在CAN2.0B中存在兩種不同的幀格式，其主要的區(qū)別在于標(biāo)識符的長度，具有11位標(biāo)識符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，而包括有29位標(biāo)識符的幀稱為擴(kuò)展幀。
3.3.2 啟動CAN通信接口
　CAN通信接口的驅(qū)動程序采用的是WinCE下流式驅(qū)動程序（StreamDevice Driver），并在此驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上為客戶封裝了一套簡單實(shí)用的API函數(shù)。各個函數(shù)的定義在can_api.h文件下，在該頭文件中對于各個API函數(shù)均有相應(yīng)的中文說明。作為流式接口函數(shù)通常是和文件系統(tǒng)的API函數(shù)（如CreateFile）緊密匹配的，因此在使用英創(chuàng)提供的CAN接口的API函數(shù)時，首先需要調(diào)用CreateFile（…）來獲取CAN接口設(shè)備的句柄handle，如使用CAN1通信口，可以用以下函數(shù)：
　    m_hCAN=CreateFile（_T（“CAN1：”），
　   GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，
　             0，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL）；
　對于CAN2通信接口，只需將其中的名稱換成：_T（“CAN2：”）即可。在創(chuàng)建CAN設(shè)備得到有效的handle之后，就可以調(diào)用can_api.h中定義的相應(yīng)函數(shù)來啟動CAN設(shè)備接口BOOL CAN_StartChip（HANDLE hDevice）；至此CAN通信接口進(jìn)入工作模式。
3.3.3 設(shè)置CAN通信接口參數(shù)
　在進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)通信之前，需要設(shè)置和CAN通信相關(guān)的一些參數(shù)，包括CAN通信的波特率設(shè)置以及對接收過濾器的設(shè)置。BOOL CAN_SetBaudRate（HANDLE hDevice，BYTE*index）用于設(shè)置CAN通信的波特率，波特率的設(shè)置范圍為：10 kb/s~1 Mb/s。具體的定義參見can_api.h文件中的注釋說明。通過配置接收過濾器，CAN通信接口可以實(shí)現(xiàn)只接收標(biāo)識符也接收過濾器預(yù)設(shè)值相一致的報文。接收過濾器由接收碼寄存器ACRn和接收屏蔽碼寄存器AMRn來定義，還可以選擇兩種不同的過濾器模式，單過濾器模式或者雙過濾器模式。關(guān)于ACR、AMR中各位的定義，參見SJA1000的數(shù)據(jù)手冊。在英創(chuàng)提供的API函數(shù)中，用戶可以調(diào)用以下函數(shù)來實(shí)現(xiàn)接收過濾器的設(shè)置：
　BOOL CAN_SetGlobalAcceptanceFilter（HANDLE hDevice，BYTE*AcceptanceFilter，BYTE size）
3.3.4 CAN通信接口的數(shù)據(jù)收發(fā)
　采用的CAN通信方案中，CAN通信的數(shù)據(jù)收發(fā)均采用中斷方式，驅(qū)動程序中已自動完成了數(shù)據(jù)的收發(fā)以及內(nèi)部定義的CAN接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)的管理。對于用戶開發(fā)應(yīng)用程序來說，只需要調(diào)用英創(chuàng)公司提供的CAN通信API函數(shù)中的收發(fā)函數(shù)即可[4]。
　在進(jìn)行CAN通信應(yīng)用程序的開發(fā)時，對于CAN通信數(shù)據(jù)接收線程可以采用兩種方式：一種可以采用定時查詢，即定時調(diào)用函數(shù)CAN_GetNextReceivedFrame（…）檢測是否接收到CAN報文數(shù)據(jù)；一種可以利用操作系統(tǒng)的消息機(jī)制，采用事件響應(yīng)的方式，一旦硬件接收到數(shù)據(jù)報文，底層的驅(qū)動接收程序會自動讀取報文，同時發(fā)送一個接收事件。作為應(yīng)用程序的接收線程在等待到該事件后，調(diào)用CAN_GetNextReceivedFrame（…）即可進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)報文的讀取。需要注意的是函數(shù)CAN_GetNextReceivedFrame每執(zhí)行一次，只是讀取了1幀CAN數(shù)據(jù)報文，如果在應(yīng)用程序中需要將最新的數(shù)據(jù)全部讀出，只需反復(fù)調(diào)用該函數(shù)，直到該函數(shù)的返回值為FALSE[5]。
　CAN數(shù)據(jù)報文的發(fā)送比較簡單，應(yīng)用程序直接調(diào)用函數(shù)CAN_SendFrame（…）即可。
　在粘度控制器的開發(fā)中，對嵌入式開發(fā)平臺的熟悉過程至關(guān)重要。其中包括開發(fā)板接口的使用，各個模塊的調(diào)試和實(shí)現(xiàn)。對硬件接口規(guī)劃完成后大量的工作集中在程序的編寫。包括擴(kuò)展鍵盤的實(shí)現(xiàn)中類庫的加載、數(shù)字量數(shù)據(jù)位數(shù)的調(diào)試、can通信規(guī)則的調(diào)試、光標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中多線程方法的學(xué)習(xí)和使用，且解決了調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的由于電磁干擾導(dǎo)致LCD復(fù)位黑屏的問題以及LCD背光的實(shí)現(xiàn)。
　經(jīng)后期在已完成的3套粘度控制試驗(yàn)臺上使用測試，該粘度控制器系統(tǒng)穩(wěn)定、使用簡單方便，滿足了預(yù)期的控制和通信的功能，但是由于采用的是成品的嵌入式平臺，開發(fā)板資源配置上還可以優(yōu)化以節(jié)約資源成本。
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