傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行控制，未采用或是僅采用功能十分簡單的操作系統(tǒng)，這已無法滿足目前日益增加的工控系統(tǒng)要求，比如可視化的操作界面、網(wǎng)絡(luò)化控制等。
Windows CE是一個32 位、多任務(wù)的模塊化嵌入式操作系統(tǒng)，它的中斷嵌套與優(yōu)先級處理機(jī)制滿足了嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時性要求。同時它還支持多種架構(gòu)的CPU和豐富的外設(shè)，具有強(qiáng)大的通訊和數(shù)據(jù)存儲管理能力，并對開發(fā)人員提供了操作系統(tǒng)定制、驅(qū)動程序、應(yīng)用程序的一整套開發(fā)工具。最具特色的是它具有與桌面Windows相似的圖形界面，便于用戶操作；它的應(yīng)用程序開發(fā)工具也類似于桌面系統(tǒng)，可以有效縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。因此，我們基于PC/104 總線進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選用了微軟的Windows CE 5.0操作系統(tǒng)作為其軟件開發(fā)平臺，從而構(gòu)建了一個功能強(qiáng)大的嵌入式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。
1 基于Windows CE的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
嵌入式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)在軟硬件上都需要嚴(yán)格考慮功能、尺寸、功耗及可擴(kuò)展性等方面的要求。為了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的一體化，硬件上我們采用常用的PC/104總線連接數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的各模塊；軟件上采用Windows CE 5.0作為開發(fā)平臺。
1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
整個系統(tǒng)可以劃分為幾個部分，包括物理參數(shù)檢測與信號調(diào)理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、中央監(jiān)控子系統(tǒng)、控制策略執(zhí)行子系統(tǒng)以及報警子系統(tǒng)。具體的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖
其中的監(jiān)控子系統(tǒng)選擇美國國家半導(dǎo)體的GX1-233MHz的CPU模塊作為數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)核心，配置了兩個串口，一個作為調(diào)試用，另一個作為通訊口；采用128MB的SDRAM以保證操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序的流暢運(yùn)行；網(wǎng)絡(luò)接口確保了與其他數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)以及與高層管理系統(tǒng)的高速通訊；大屏幕LCD與鍵盤用于人機(jī)交互。為了適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境與系統(tǒng)小尺寸要求，我們使用CF卡作為永久存儲設(shè)備。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與監(jiān)控子系統(tǒng)之間通過PC/104總線進(jìn)行堆棧式連接，從而構(gòu)建一個功能強(qiáng)大并滿足低功耗、小尺寸的嵌入式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。
1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件開發(fā)分為兩大模塊：(1)Windows CE操作系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)硬件平臺上的移植，包括系統(tǒng)鏡像的裁剪定制、外設(shè)驅(qū)動的編寫加載和引導(dǎo)啟動程序bootloader的實(shí)現(xiàn)；(2)Windows CE下數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)，包括板卡參數(shù)配置程序、數(shù)據(jù)采集程序、控制程序、人機(jī)交互界面程序。
2 嵌入式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)
由于嵌入式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，以下將重點(diǎn)研究基于Windows CE 5.0的嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)。
2.1 軟件系統(tǒng)開發(fā)流程
基于Windows CE的軟件開發(fā)流程比較統(tǒng)一，即使用Platform Builder定制出針對特定硬件平臺的操作系統(tǒng)鏡像文件NK.bin, 使用evc或vs.net開發(fā)用戶應(yīng)用程序。驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)引導(dǎo)啟動程序的開發(fā)也是其中重要的組成部分。
對于本數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)來說，具體開發(fā)流程為：首先開發(fā)系統(tǒng)外設(shè)驅(qū)動(包括網(wǎng)卡，A/D，D/A板卡)，在Platform Builder中修改系統(tǒng)源代碼和配置文件(包括*.bib,*.reg)，裁剪數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)所需的組件，并把外設(shè)驅(qū)動打包到鏡像中，通過反復(fù)修改調(diào)試生成操作系統(tǒng)鏡像文件NK.bin，導(dǎo)出其對應(yīng)的SDK用于應(yīng)用程序的開發(fā)。而后實(shí)現(xiàn)NK.bin在數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)硬件平臺的引導(dǎo)加載，并在數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)硬件平臺和開發(fā)主機(jī)間建立以太網(wǎng)交叉調(diào)試通道，將開發(fā)好的應(yīng)用程序下載到目標(biāo)平臺的CF卡上，從而實(shí)現(xiàn)整個嵌入式數(shù)據(jù)采集與控制軟件平臺的開發(fā)。
2.2 外設(shè)驅(qū)動的開發(fā)與移植
2.2.1 網(wǎng)卡驅(qū)動移植
由于硬件系統(tǒng)中采用了Intel82559er的網(wǎng)卡，必須將網(wǎng)卡驅(qū)動打包到操作系統(tǒng)內(nèi)核里。具體步驟簡單描述如下:
(1)從INTEL網(wǎng)站下載Intel8255xer for wince 5.0的驅(qū)動文件e100ce.dll，并將該文件拷貝到所定制平臺的release目錄下。
(2)參考所下載驅(qū)動的config.bib,在系統(tǒng)配置文件的memory段中添加語句：EPKTBUF 801DC000 00020000 RESERVED，用來在內(nèi)存中為網(wǎng)卡保留空間。
(3)在project.reg中添加驅(qū)動的相關(guān)注冊表項(xiàng)，對網(wǎng)卡驅(qū)動進(jìn)行加載聲明，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)。
(4)在project.bib的module部分里添加打包驅(qū)動字段：
E100CE.dll $(_FLATRELEASEDIR)\E100CE.dll NK SH，用以指導(dǎo)Windows CE定制程序在系統(tǒng)編譯的sysgen階段將網(wǎng)卡驅(qū)動打包到定制操作系統(tǒng)的內(nèi)核鏡像里。
2.2.2 數(shù)據(jù)I/O板卡驅(qū)動開發(fā)與移植
Windows CE的驅(qū)動程序按照接口方式的不同可以分成兩類：本地驅(qū)動和流式驅(qū)動。所謂流式驅(qū)動，即對應(yīng)用程序提供流式接口函數(shù)的驅(qū)動。它把外設(shè)抽象成一個特殊的文件，應(yīng)用程序使用文件API函數(shù)(如CreateFile、DeviceIoControl)對設(shè)備進(jìn)行訪問，操作系統(tǒng)接受API后調(diào)用系統(tǒng)進(jìn)程FileSys.exe，進(jìn)而轉(zhuǎn)到device.exe，由此進(jìn)程調(diào)用流接口函數(shù)來操作硬件。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中的A/D、D/A板卡即采用這種流式驅(qū)動的方式進(jìn)行開發(fā)。
Windows CE流式驅(qū)動的開發(fā)主要包括以下幾部分：(1)編寫一個DLL文件實(shí)現(xiàn)流接口函數(shù)；(2)編寫DLL的導(dǎo)出函數(shù)文件*.DEF，以便應(yīng)用程序調(diào)用流接口函數(shù)；(3)為驅(qū)動程序?qū)懭胱员眄?xiàng)，以便系統(tǒng)啟動后識別和管理驅(qū)動；(4)修改*.bib文件，把驅(qū)動打包到操作系統(tǒng)鏡像中。在開發(fā)A/D、D/A板卡驅(qū)動時，我們需要在DLL中實(shí)現(xiàn)XXX_Init、XXX_Deinit、XXX_Open、XXX_Close、XXX_Read、XXX_Write等流接口函數(shù)，以完成板卡的初始化、數(shù)據(jù)讀寫等。
完成驅(qū)動對應(yīng)的DLL和DEF文件后，我們還需要把驅(qū)動程序加載到操作系統(tǒng)中，這樣應(yīng)用程序才能調(diào)用驅(qū)動。Windows CE下驅(qū)動的加載有兩種途徑：系統(tǒng)啟動時加載或者在應(yīng)用程序中調(diào)用ActivateDeviceEx()函數(shù)加載。本系統(tǒng)采用啟動時加載的方式。具體實(shí)現(xiàn)方法是在系統(tǒng)配置文件project.reg中添加驅(qū)動的注冊表項(xiàng)，基本形式如下：
[HKEY_LOCAL_MACHINE\Drivers\BuiltIn\**]
"Dll"="**.dll" //DLL文件名
"Prefix"="DRV" //代表設(shè)備的文件名前綴，流接口函數(shù)即用此前綴
"Order"=dword:0 //設(shè)備驅(qū)動啟動順序
流式驅(qū)動在定制操作系統(tǒng)中的打包類似于網(wǎng)卡驅(qū)動，通過拷貝dll文件到定制系統(tǒng)平臺release目錄和修改project.bib實(shí)現(xiàn)。
2.3 在CF卡上實(shí)現(xiàn)基于Hive的注冊表
由于數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是一個無電池的嵌入式系統(tǒng)，為了確保用戶配置信息在系統(tǒng)掉電或重起后不丟失，我們采用基于Hive的注冊表來保存數(shù)據(jù)。要做到這一點(diǎn)，除了在系統(tǒng)定制時加入HIVE-based Registry組件外，還需要修改注冊表配置文件platform.reg。
要實(shí)現(xiàn)Hive的關(guān)鍵在于把存儲注冊表的設(shè)備驅(qū)動和文件系統(tǒng)驅(qū)動相關(guān)的注冊表信息加入到引導(dǎo)hive區(qū)域內(nèi)，即; HIVE BOOT SECTION和;END HIVE BOOT SECTION關(guān)鍵字之間。在CF卡上實(shí)現(xiàn)掉電保存注冊表文件，需要在配置文件中添加以下四部分：
(1)[HKEY_LOCAL_MACHINE\init\BootVars]
"SYSTEMHIVE"="Documents and Settings\\system.hv" //注冊表名稱"PROFILEDIR"="Documents and Settings" //注冊表保存的位置"StartDevMgr"=dword:1 //啟動設(shè)備管理器"Registryflags"=dword:1 //自動刷新保存注冊表
(2) CF卡存儲驅(qū)動的注冊表項(xiàng) [HKEY_LOCAL_MACHINE\Drivers\PCMCIA\ATADisk]和[HKEY_LOCAL_MACHINE\System\StorageManager\Profiles\HDProfile]下的字段
(3)文件系統(tǒng)的注冊表項(xiàng) [HKEY_LOCAL_MACHINE\System\StorageManager\FATFS]
(4)在Windows CE 5.0 中與之前版本的區(qū)別在于[HKEY_LOCAL_MACHINE\System\StorageManager\Profiles\HDProfile]下需要添加一行："MountAsBootable"=dword:1，表示引導(dǎo)hive存儲在此設(shè)備上。
2.4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)專用操作系統(tǒng)鏡像的定制
在完成系統(tǒng)外設(shè)模塊驅(qū)動的移植后，我們可以使用微軟提供的集成開發(fā)環(huán)境Platform Builder來定制一個專用于數(shù)據(jù)采集與控制的操作系統(tǒng)鏡像。針對所采用的硬件平臺定制操作系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟如下：
(1)選擇 AMD Geode: X86的BSP(板卡支持包)。
(2)根據(jù)系統(tǒng)需求,選擇industrial controller作為基本模版。
(3)在工作區(qū)的Catalog中添加各種組件(如CF卡驅(qū)動相關(guān)組件： FAT文件系統(tǒng)，ATAPI PCI/IDE以及CF Card Storage；網(wǎng)絡(luò)通訊所需組件Network User Interface；命令窗口程序Console Window；交叉編譯下載程序所需的Platform Manager；應(yīng)用程序開發(fā)所需的MFC支持等)。
(4)進(jìn)行各種定制所需的系統(tǒng)變量設(shè)置,修改配置文件project.reg，project.bib等，把驅(qū)動程序打包到操作系統(tǒng)鏡像里。
完成系統(tǒng)組件定制與配置文件的修改后，可以編譯源代碼,生成操作系統(tǒng)映像文件NK.bin。
2.5 引導(dǎo)啟動程序Bootloader的實(shí)現(xiàn)
Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行前用于初始化基本的硬件設(shè)備（如CPU,SDRAM,串口）、引導(dǎo)并啟動操作系統(tǒng)的一段程序，是嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行的前提。在X86平臺下,有三種Bootloader： x86 ROM BootLoader，x86 BIOS BootLoader和MSDOS＋Loadcepc。
為方便起見，本系統(tǒng)采用MS-DOS+loadcepc的方式從CF卡啟動并加載操作系統(tǒng)鏡像。
具體實(shí)現(xiàn)過程:
(1) 用PB中的工具websetup.exe以及cepcboot.144做一個MS-DOS啟動軟盤。
(2) 用DOS下的fdisk工具為CF卡建立FAT16格式的主分區(qū)。
(3) 將CF卡格式化, 創(chuàng)建系統(tǒng)引導(dǎo)文件,拷貝軟盤下所有文件以及loadcepc.exe至CF卡中。
(4)根據(jù)需要修改文件,如autoexec.bat,config.sys等，設(shè)置啟動默認(rèn)選項(xiàng)和啟動時間。
在完成了定制的操作系統(tǒng)到硬件平臺上的移植后，我們可以從Platform Builder中導(dǎo)出定制平臺的SDK，并建立以太網(wǎng)交叉調(diào)試環(huán)境，使用Embedded VC++(evc)開發(fā)數(shù)據(jù)采集和控制程序。這個過程類似于桌面應(yīng)用程序開發(fā)，不再贅述。