摘 要： 針對(duì)過(guò)程裝備智能診斷系統(tǒng)中的巡檢儀提出了一種基于Windows CE的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，并給出了硬件及軟件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 便攜設(shè)計(jì) Windows CE embedded VC++6.0
目前，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)和管理已日趨信息化和專業(yè)化，但國(guó)內(nèi)這方面尚存在許多問(wèn)題。有些企業(yè)出于投資規(guī)模和經(jīng)濟(jì)效益的考慮，尚未引進(jìn)現(xiàn)代化的檢測(cè)設(shè)備和管理手段，依舊使用傳統(tǒng)的人工巡檢和記錄模式。即使一些大型企業(yè)已配備了較先進(jìn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)儀器，但是由于具體操作人員的素質(zhì)和責(zé)任心等方面的問(wèn)題，并未使其發(fā)揮應(yīng)有的作用，且導(dǎo)致近年來(lái)國(guó)內(nèi)設(shè)備運(yùn)行故障頻繁發(fā)生。因此研制和開發(fā)過(guò)程裝備智能診斷系統(tǒng)是十分必要的。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：系統(tǒng)主機(jī)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行分析并發(fā)出任務(wù)指令；巡檢人員按任務(wù)指令要求利用巡檢儀采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，然后將采集好的數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)；主機(jī)再根據(jù)巡檢儀輸入的數(shù)據(jù)分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)出下一次的任務(wù)指令。如此循環(huán)以達(dá)到保證設(shè)備安全運(yùn)行的目的。本文介紹針對(duì)巡檢儀提出的一種基于Windows CE的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，并給出了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。
選擇Window CE(以下簡(jiǎn)稱CE)作為軟件運(yùn)行平臺(tái)，這主要是基于它的特點(diǎn)[1]考慮的。CE是多線程、多任務(wù)、完全搶占式的32位嵌入式操作系統(tǒng)。新的內(nèi)核服務(wù)，例如嵌套式的中斷、更好的線程響應(yīng)、新增的任務(wù)特性、信號(hào)量等，使得它能對(duì)事件和中斷立即響應(yīng)，能夠滿足數(shù)據(jù)采集中苛刻的實(shí)時(shí)性要求。它支持的多線程使得數(shù)據(jù)采集和顯示處理等能夠同時(shí)進(jìn)行。它具有強(qiáng)大的存儲(chǔ)和文件處理能力，能夠滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要。它對(duì)通信及網(wǎng)絡(luò)的支持，使得它與系統(tǒng)主機(jī)的通信變得更加容易。
1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件的主要組成如圖1所示。
TPC-650是為CE或其他高級(jí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)。它適合于各種工業(yè)應(yīng)用，包括工業(yè)自動(dòng)化、自動(dòng)化生產(chǎn)線、精密加工、生產(chǎn)過(guò)程控制、環(huán)境控制、終端信息系統(tǒng)、娛樂(lè)管理系統(tǒng)等。它具有高質(zhì)量的6.4“VGA TFT/5.7”QVGA STN液晶顯示器、Intel Pentium 266 MMX微處理器、10/100 Base-T網(wǎng)口、二個(gè)串口(RS-232，RS-232/422/485)、一個(gè)快閃卡插槽、一個(gè)外部16位PC/104模塊擴(kuò)展槽和觸摸屏。它的核心是微型X86 CPU，但它在圖形顯示和網(wǎng)絡(luò)通信方面的性能更優(yōu)。
PCM-3718H是一個(gè)高效的多通道數(shù)據(jù)采集模塊，插在TPC-650的PC-104插槽。它支持12位的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字輸入/輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)DMA方式的單/多通道的A/D轉(zhuǎn)換。其DMA轉(zhuǎn)換的采樣頻率可達(dá)100kHz。它具有靈活的觸發(fā)選擇，包括軟件觸發(fā)、實(shí)時(shí)同步觸發(fā)和外部脈沖觸發(fā)。
PCLD-880是通用螺絲端子板，能提供方便的信號(hào)接線，并能與數(shù)據(jù)采集卡的20芯扁平電纜相連。它還帶有一個(gè)DB-37接口，可以支持帶有DB-37的數(shù)據(jù)采集控制卡。它是能在惡劣的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠連接的工業(yè)端子塊。
本系統(tǒng)的主要工作過(guò)程是用位移/速度/加速度傳感器提取模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)PCLD-880，輸入到PCM-3718H。通過(guò)軟件編程控制PCM-3718H數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，完成A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及處理。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 應(yīng)用程序執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的工作過(guò)程
首先，從上位機(jī)下載任務(wù)文件，打開任務(wù)文件，在用戶界面上顯示為任務(wù)列表。操作人員將信息鈕只讀器與設(shè)備上的信息鈕貼合，程序自動(dòng)從任務(wù)表中找到匹配項(xiàng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每采集完一個(gè)設(shè)備，該設(shè)備號(hào)從任務(wù)列表中自動(dòng)刪除。
采集開始的同時(shí)會(huì)顯示三種曲線：實(shí)時(shí)曲線、平均值曲線和FFT曲線。操作人員根據(jù)平均值曲線的平穩(wěn)程度決定是否將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。實(shí)時(shí)曲線可以反應(yīng)所測(cè)物理量的真實(shí)變化情況。FFT曲線體現(xiàn)所測(cè)物理量的頻域特征。采集完成后，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.2 多線程的數(shù)據(jù)采集
因?yàn)樾枰谳^短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、分析、圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù),所以采用多線程模型利用多個(gè)線程分別完成各項(xiàng)任務(wù)。
本系統(tǒng)充分利用CE 操作系統(tǒng)的多線程特點(diǎn)將不同的任務(wù)分布到各個(gè)線程中，使各個(gè)任務(wù)同步而協(xié)調(diào)地進(jìn)行。主線程負(fù)責(zé)創(chuàng)建用戶界面、接收消息等工作。為了保證數(shù)據(jù)采集不被其他線程中斷，專門開辟一個(gè)優(yōu)先級(jí)較高的線程來(lái)采集數(shù)據(jù)。各個(gè)線程(數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示線程和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程)中所要完成的工作并行進(jìn)行。線程間的通信通過(guò)消息響應(yīng)函數(shù)PostMessage 和CEvent對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。
數(shù)據(jù)采集線程和顯示線程之間的同步通過(guò)使用線程同步對(duì)象Critical Section來(lái)實(shí)現(xiàn)。它能夠保證在同一時(shí)間只有一個(gè)線程訪問(wèn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)采集線程向緩沖區(qū)中寫數(shù)據(jù)時(shí)，采集線程擁有Critical Section，顯示線程就不能夠訪問(wèn)緩沖區(qū)；只有當(dāng)采集線程將Critical Section對(duì)象釋放之后，顯示線程獲得了Critical Section對(duì)象，進(jìn)而才能讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。這就保證了顯示線程讀到正確的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程、采集線程及顯示線程三者之間的同步也是如此。
2.3 軟件模塊關(guān)系和各個(gè)模塊的功能
系統(tǒng)各軟件模塊關(guān)系如圖2所示。
2.3.1 通信模塊
通信模塊負(fù)責(zé)本系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信，包括從上位機(jī)下載文件和向上位機(jī)傳送采集的數(shù)據(jù)。使用CSocket類建立TPC-650上的客戶端和桌面PC上的服務(wù)器程序。用CSocket類與CSocketFile和CArchive類一起使用來(lái)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在程序運(yùn)行時(shí)，為了“聽”由客戶端程序發(fā)出的連接請(qǐng)求，服務(wù)器程序首先運(yùn)行。下面是建立服務(wù)器和客戶端通信程序的步驟。
(1)構(gòu)造一個(gè)CSocket類對(duì)象。使用BOOL Create(UINT nSocketPort=0，int nSocketType=SOCK_STREAM，LPCTSTR lpszSocketAddress=NULL)函數(shù)。在服務(wù)器程序中使用該函數(shù)時(shí)，要指定nSocketPort值。
(2)客戶端CSocket調(diào)用CAsynCSocket∷Connect函數(shù)連接服務(wù)器Csocket。服務(wù)器端用CAsynCSocket∷Listen函數(shù)“聽”客戶端發(fā)送的連接消息。調(diào)用CAsynCSocket∷Accept函數(shù)接收客戶端發(fā)送的消息。注意，virtual BOOL Accept(CAsynCSocket& rConnectedSocket，SOCKADDR*lpSockAddr=NULL，int*lpSockAddrLen=NULL)函數(shù)需要一個(gè)新的rConnectedSocket作為參數(shù)。因此在接收之前，要先構(gòu)造一個(gè)新的CSocket類。
(3)構(gòu)造一個(gè)CSocketFile類對(duì)象，它與CSocket類對(duì)象相關(guān)聯(lián)。
(4)構(gòu)造一個(gè)CArchive類對(duì)象，它與CSocketFile對(duì)象相關(guān)聯(lián)。
(5)使用CArchive類對(duì)象在服務(wù)器和客戶端之間傳遞數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)程序中有二部分要用到客戶端和服務(wù)器之間的通信。一是從上位機(jī)即桌面PC上下載任務(wù)文件；二是向上位機(jī)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。
在TPC-650上運(yùn)行的客戶端程序主要完成：(1)連接服務(wù)器；(2)向服務(wù)器發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)；(3)向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，要求服務(wù)器發(fā)送任務(wù)文件，并將任務(wù)文件存儲(chǔ)起來(lái)。
在桌面PC上運(yùn)行的服務(wù)器程序主要完成：(1)接收由客戶端程序發(fā)來(lái)的文件并存儲(chǔ)在新的文件中；(2)應(yīng)客戶端請(qǐng)求向客戶端發(fā)送文件。
2.3.2 任務(wù)表模塊
任務(wù)表模塊負(fù)責(zé)任務(wù)表的生成。有三種生成方式，(1)從上位機(jī)下載任務(wù)文件并直接在用戶界面上生成任務(wù)表。(2)打開任務(wù)文件庫(kù)中的任務(wù)文件。(3)手動(dòng)編輯任務(wù)表。任務(wù)表由二列構(gòu)成：第一列是設(shè)備號(hào)，每個(gè)設(shè)備都有四個(gè)點(diǎn)要采集，每個(gè)點(diǎn)有水平和垂直二個(gè)方向的值，所以一臺(tái)設(shè)備要采集八組數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)設(shè)備的八組數(shù)據(jù)都采集完之后，該設(shè)備從列表中消失。為了讓巡檢人員能夠清晰區(qū)分正在采集的項(xiàng)、采集完成的項(xiàng)和未被采集的項(xiàng)，可用不同的顏色來(lái)區(qū)分。用紅色表示正在采集的設(shè)備和正在采集的位號(hào)，用藍(lán)色表示已經(jīng)采集過(guò)的位號(hào)。
2.3.3 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊要完成一系列任務(wù)，包括設(shè)置采集參數(shù)、采集數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸送給圖形顯示模塊和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。利用PCM-3718H的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集部分的編程。
數(shù)據(jù)采集：在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)首先對(duì)數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行初始化配置；然后打開設(shè)備，獲得設(shè)備的特征參數(shù)；為ADDMA轉(zhuǎn)換分配數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；開始ADDMA轉(zhuǎn)換，即數(shù)據(jù)采集。采集模塊用到的主要函數(shù)如下：
DRV_DeviceOpen(dwDeviceNum，(LONG far*)&DriverHandle)
//打開設(shè)備
DRV_DeviceGetFeatures(DriverHandle，(LPT_DeviceGetFea-tures)&ptDevFeatures))
//獲得設(shè)備特征參數(shù)
DRV_AllocateDMABuffer(DriverHandle，(LPT_AllocateDMA-Buffer)&ptAllocateDMABuffer))
//為ADDMA轉(zhuǎn)換分配緩沖區(qū)
DRV_FAIDmaStart(DriverHandle，(LPT_FAIDmaStart)&ptFA-IDmaStart)) //開始采集
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[2]：用VC++ MFC在Windows上開發(fā)程序時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)可用ODBC(開放數(shù)據(jù)互連)或DAO(數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象)等數(shù)據(jù)庫(kù)引擎來(lái)訪問(wèn)。CE既不支持ODBC，也不支持DAO。CE中的數(shù)據(jù)庫(kù)不是功能完全的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，而只是一些結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的集合。表與表之間不存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中那樣的關(guān)聯(lián)。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行封裝的操作封裝于CCeDBDatabase、CCeDBRecord、CCeDBProp、CCeDBEnum四個(gè)類中，它們是CE所特有的。在CE中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)很簡(jiǎn)單，它只有一個(gè)層次并且最多可以有四種排序和索引，但它卻可以作為一個(gè)強(qiáng)有力的工具來(lái)組織不太復(fù)雜的數(shù)據(jù)。因此用CE中的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)十分方便。
2.3.4 圖形顯示模塊
圖形顯示模塊包括三個(gè)部分：時(shí)實(shí)曲線、平均值曲線和FFT曲線。繪制曲線中遇到的主要問(wèn)題就是顯示線程與采集和存儲(chǔ)線程之間的同步問(wèn)題（前面已經(jīng)說(shuō)明，此處不再贅述）。
2.3.5 巡檢地圖
在TPC-650中存儲(chǔ)全廠所有設(shè)備的位置、名稱信息，形成一張?jiān)O(shè)備地圖。根據(jù)每天的任務(wù)表和這張?jiān)O(shè)備地圖，自動(dòng)生成每次要巡檢的設(shè)備地圖。該地圖上表明設(shè)備的名稱、方位，并給出最優(yōu)的巡檢順序。這樣既節(jié)省巡檢人員的時(shí)間又可以做到不漏檢。
巡檢地圖示意圖如圖3所示。
用星形表示正在巡檢的設(shè)備，粗線箭頭指向下一個(gè)要巡檢的設(shè)備，未巡檢的設(shè)備用方形表示，路徑用細(xì)線表示，巡檢完成的設(shè)備用圓形表示。當(dāng)?shù)貓D上所有點(diǎn)都變?yōu)閳A形時(shí)說(shuō)明采集任務(wù)已完成。
3 軟件開發(fā)環(huán)境的設(shè)置
系統(tǒng)軟件在另一臺(tái)普通PC上開發(fā)，其配置如圖4所示。除了要安裝CE軟件開發(fā)包，還要安裝SDK for TPCx86 VC/VB及Advantech Device Driver2.0。執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的硬件PCM-3718H需要用軟件驅(qū)動(dòng)，即具有“量身定做”的函數(shù)。因此程序要下載到硬件平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試，而不能在開發(fā)用的PC上的仿真環(huán)境下調(diào)試。
4 結(jié)束語(yǔ)
使用embedded Visual C++開發(fā)基于CE的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)是該領(lǐng)域里的新嘗試。利用CE支持多線程、數(shù)據(jù)庫(kù)、通信及實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)開發(fā)出的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)具有界面友好、性能可靠、采集速度快、軟件可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。目前該系統(tǒng)已投入使用并取得良好的效果。
參考文獻(xiàn)
1 Boling D.Windows CE程序設(shè)計(jì).北京：北京大學(xué)出版社，1999
2 Muench C.Windows CE權(quán)威指南.北京：中國(guó)電力出版社，2001