基于Windows CE 的嵌入式工业监控系统

摘　要：WindowsCE是面向32位处理器的模块化抢先式多任务实时嵌入式操作系统,以其紧凑、高效、可裁减等优点适用于硬件资源受限的各种工业监控系统中。本文首先分析了WindowsCE.NET的技术特点和在工控领域应用的优点，最后介绍了在井下胶带输送机集中监控系统中,基于WindowsCE嵌入式操作系统与 PC104模块的智能监控分站的软硬件设计开发。

关键词：嵌入式系统，监控系统，windows CE，嵌入式操作系统
 
1． 引言

    早期的嵌入式系统通常是以单个芯片为核心的系统，大部分应用于一些工业控制系统中，功能简单，成本低，通常没有操作系统的支持。随着微电子技术的进步，芯片的功能大大增强，16位和32位的嵌入式微处理器逐渐成为嵌入式系统设计的主流。但是，只有嵌入式微处理器是不够的，还需要有一个运行于嵌入式微处理器上的系统平台，嵌入式操作系统便应运而生。嵌入式操作系统要有良好的可移植性，能够运行于不同的微处理器上；内核开销小、效率高、具有高度的模块化和扩展性；可以提供多任务、多进程、多线程处理；有多种设备支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；向用户提供大量应用程序接口，应用软件开发工作变得规范，可实现模块化编程。另一方面，随着应用对象的扩大和技术的进步，嵌入式操作系统传统应用领域——工业控制领域对工业控制系统的功能和性能提出了许多新的要求。例如，适应恶劣的工作环境，熟悉和友好的用户界面，统一的编程界面，强大的通信功能和多媒体功能等。很多软件厂商迎合这种发展需要，推出了多种不同特点的嵌入式操作系统。

2．  Windows CE 嵌入式操作系统

    WindowsCE（简称WinCE）便是由微软公司推出的一个面向嵌入式应用的通用操作系统，由于它的3.0 及以前版本的实时性较差，在工业控制领域应用较少，主要应用在便携式和信息家电领域。Windows CE.NET（简称WinCE.NET）是他的最新版本（也就是4.0），它的出现极大地改善了它的实时性能,和通讯能力，为Win CE进入工业控制领域奠定了基础。
    从系统的角度看，WinCE.NET 不仅仅是一个操作系统，他还包括多种微处理器以及板卡设备的支持、系统开发工具、应用开发工具、集成的应用程序等[1]，所有这些构成了WinCE.NET的体系机构，如图1所示。

图1 Windows CE.NET体系结构

    从图1中可以看出,一个基于WINCE的嵌入式系统可分为四个层次,从底层到上层分别是硬件层、硬件支持层、操作系统层和应用程序层。硬件层是系统的硬件,包括微处理器和各种周边设备。硬件支持层也成为硬件抽象层（BSP）,它提供了硬件和操作系统之间的接口,操作系统要访问具体的硬件就可以通过BSP层提供的API进行访问,而不必直接与硬件打交道。操作系统层中有WINCE的组件,用户可以根据自己的需要进行定制,选择需要的组件,去掉不必要的组件,这样可以减小内存需求,使系统性能达到最优。应用程序层是用户为特定的嵌入式系统开发的应用程序。

    Win.NET 的一个很明显的特点就是可裁减、可配置，这就体现在操作系统层中：它有一个很小的内核(NK.EXE)，基本实现六类功能调度、内存管理、异常处理、系统内通信机制、核心API和系统调试功能。其余功能在单独模块中实现，例如设备管理模块（Device.exe）是设备管理的核心；数据存储模块（filesys.exe）提供基本的数据存储能力，包括对象存储和文件系统，图形用户界面模块（GWES.exe）；另外还有通信模块、驱动程序模块、OAL/HAL模块、Win32系统服务等等。在Windows CE操作系统的构造工具Platform Builder 中，每一个模块可以称之为一个特性（Feature），系统提供的特性之间可能是独立的也有可能有一些依赖关系，Platform Builder可以管理这些特性，并且可以跟踪这些关系，通过增加或者删除这些特性来配置系统，而背后的模块组织、编译、装配等工作由PlatformBuilder 完成，最终生成一个结构紧凑的可实际运行的系统镜像文件。

    对系统设计者而言,需要自行开发的是应用程序和直接与硬件有关的部分,包括硬件系统本身、OAL、设备驱动程序[2]。

3．  Win CE在嵌入式控制系统中的应用分析

　　WinCE.NET 适应了工业控制操作系统对严格的实时处理功能，高可靠性，良好的开放性，对人机界面、开发环境、可操作性、成本等方面的要求。这可以从以下几个方面说明：

（1） 实时性

    尽管windows CE 操作系统以前的版本提供一些RTOS性能，但是自Windows CE 3.0以来内核的许多重大改变才使的Windows CE的实时性能得到重大改变。 Windows CE.NET 实时能力的设计目标参考了大量GMPTG的调查研究，它的设计目标可以适应大部分（95％）硬实时系统的需求：1ms定时周期的误差约为100us，在200MHz的X86系统下可以期望达到50us。实时能力的另一个重要指标是中断延时，在Window CE.NET 中 中断延时和处理方式密切相关，ISR延时非常短，IST延时较长。

（2） 可靠性

　　Windows CE内核具有内存管理功能，可以检查出应用造成的系统异常，抑制由于应用不正常直接破坏系统的危险性。所以Windows CE比一般的实时系统健壮。

（3） 人机界面

Window CE 不仅支持图形和窗口，具有多媒体功能，而且还可以利用丰富灵活的控件库在Windows CE环境下为嵌入式应用建立各种图形用户界面，完全可以满足工业控制系统对人机界面的要求。

（4） 开放性

　　Windows CE具有良好的通信能力，广泛支持各种通信硬件、局域网连接以及拨号连接，并提供与PC、内部网以及Internet的连接，包括用于应用级数据传输的设备至设备间的互连。可以内嵌WEB和FPT服务器，使工业监控设备具有IT功能[3]。

（5） 开发成本和开发环境

　　Windows CE的开发成本低，生成和调试工具方便易用。Windows CE Platform Builder 4.0提供了迅速创建Windows CE嵌入式系统需要的全部软件工具。Platform Builder主要包括Windows CE Add-on Pack（插件包）、各种调试工具及Embedded Visual Tools（由面向嵌入式系统开发而进行优化的Embedded Visual Basic和Embedded Visual C++组成）。

    正是基于以上几点，在输送机监控系统的智能监控分站开发中，采用了强大的WinCE.NET作为系统开发平台。

4. 矿井下嵌入式监控器的设计与开发

    井下胶带输送机监控系统，是一种适用于煤矿井下有甲烷和煤尘爆炸危险环境中的，采用本安设计的，通用型、高性能、高可靠性的工业自动化系统，它采用模块化的设计和快插技术，集检测、控制、安全保障、通讯、管理与一体可实现矿井下皮带运输机，工作面刮板运输机，破碎机、转载机的集中控制、监控的通讯等，以及全矿井集中控制。其系统结构简图如图2所示。

 图2输送机集中监控系统结构示意图

    整个监控系统分为三层结构，顶层是中央监控管理层；中间层主要有监控分站组成，称为前置监控层；底层有两种总线：Linie 和 AST 总线，Linie总线用于上位机与矿井下控制器及控制器与控制器之间的连接。AST总线用于控制器与智能IO单元、非智能单元之间的连接。

    可以看出，监控智能分站是顶层和底层信息的枢纽，负责检测和控制信号的上传下达，系统的稳定运行有赖于智能分站的稳定运行。因此，在笔者开发的井下胶带输送机监控分站,从硬件和软件上考虑了他的稳定性。主控计算机采用了研华PC/104总线结构的产品PCM-3350 嵌入式ＣＰＵ模块和PCM-3612 RS485/422串行通讯卡。PCM-335内置美国国家半导体公司的GX1-233 MHz嵌入式处理器，自带10/100Base-T 网卡，板载 LCD 控制器支持36位图像，带有2个串口和1个并口、1个软驱接口、1个CF卡电子盘接口和1个IDE接口，主板功耗小于10W。具体设计中采用了一块基板,在其上引出CPU模块的ＰＣ104总线,把PC104模块当作一块普通的应用功能板插在基板上,在基板上再插上其它具体的功能板,如Ｉ/Ｏ模板、Ａ/Ｄ模板等,就构成了一个完整的应用系统。系统硬件总体结构如图3所示。

    此方法的特点是：采用基板将嵌入式计算机和其它PC104模块连接起来而代替以往将Ｉ/Ｏ扩展板直接插入到计算机中的办法,它体现了嵌入式系统的设计方法。另外，根据煤矿行业电气设备要求,在硬件方面,设计了达到本安要求信号量采集板和模拟量采集转换板,用于采集系统各种状态量;采用大尺寸彩色液晶显示屏和不锈钢小键盘作为人机接口。

    PCM3350上运行WinCE操作系统。WINCE的开发平台Plateform Builder 4.0主要用来进行相应的操作系统配置和编译，由于微软提供的标准串口驱动不支持多串口共享中断，而系统又没有足够的中断供多串口使用，所以必须根据设置好3612的中断和基地址开发相应的可共享中断的多串口驱动。有了串口驱动，将其加入到用户组件库中，然后再的加入相应的网卡，LCD显示，CF卡，USB驱动,以及一些应用服务如：MFC类库，硬盘驱动，另外加入Web Server用于远程网络访问。这些都确定后，然后配置相应的内存和上面各种功能的相应注册表键值，然后编译操作系统镜像并下载，进行相应的操作系统功能测试就可以了。

　　该监控系统应用软件采用MCGS嵌入版组态软件。它是基于Windows CE实时多任务操作系统的专门应用于嵌入式操作系统的应用组态软件。运行时，监控系统将通过串口按照串行协议从控制器周期读取数据并存储在组态软件的实时数据库中，并以图形、文本、动画等形式显示在液晶屏上，然后通过工业以太网上位机查询和数据同步[4]。
    由于采用了Wince.NET 嵌入式操作系统，使监控系统的实时性和可靠性的到保障，而且MCGS嵌入版组态软件使Wince.Net 用户界面得到进一步加强。整个系统的软件部分可以存储在一片32M的CF卡中，具有体积小、防尘、抗震等优点，可以在各种恶略环境下长期工作。

5. 总结

　　到目前为止，工业控制系统中的自动化设备仍然受专用硬件或工业化PC平台的限制。专用硬件通常十分耐用，并能抗恶劣环境，但是只能用于单一的、特定的用途。虽然工业化PC比专用硬件更具有灵活性，但是由于振动、灰尘、潮湿、高温以及其它环境问题的影响，工业化PC平台经常会出现故障和数据丢失。Windows CE操作系统是一个适合下一代互连工业自动化设备的理想小体积嵌入平台。WinCE还具有很强的实时性能，支持确定性的响应时间控制。Windows CE能从闪存启动，从而避免了暴露在灰尘、高温和震动环境下，使它可以适应恶劣的生产环境。基于Windows CE的嵌入式控制系统提供统一的、可伸缩的解决方案，将专用硬件的耐用性与PC的灵活性结合在一起。因此Windows CE在工业控制领域有着很好的应用前景。

参考文献

[1]陈向群，Windows CE.NET 系统分析及实验教程[M]机械工业出版社
[2]胡虚怀 郑若忠， WindowsCE的结构与特征分析[J] 计算机时代 2000年01期
[3]刘少情，吴慧中，王国中 基于WindowsCE 3.0的嵌入式系统开发 [J]计算机与现代化 2002年 第2期（78）P31-P35
[4]基于Web及Windows CE的HMI 测控技术1999 18卷 第6期