MCGS平臺(tái)下51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件開發(fā)與應(yīng)用

包建華 張興奎 胡福年

(徐州師范大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

工控組態(tài)軟件(monitor and control generated system，MCGS)是指在數(shù)據(jù)采集和過程控制中使用的專用軟件，它提供了監(jiān)控層的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，一般用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控層，其靈活的組態(tài)方式，可使用戶快速構(gòu)建專業(yè)級(jí)的工業(yè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)［1］。

工控組態(tài)軟件是一套基于WindowsNT/2000/XP操作系統(tǒng)、可用來快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。它為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理、流程控制、動(dòng)畫顯示、報(bào)表輸出等用來解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)［2］。在實(shí)際應(yīng)用中，由于所用設(shè)備的特殊性或?qū)嶋H工程的需要以及用戶的個(gè)性化需求，MCGS提供了一套開放的、可擴(kuò)充的接口規(guī)范和配套的高級(jí)開發(fā)工具包，允許用戶根據(jù)自己的需要來開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件［3］。本文開發(fā)的基于MCGS的AT89C52單片機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件可完成現(xiàn)場終端和上位機(jī)間的可靠通信，從而實(shí)現(xiàn)對房間溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)測和報(bào)警限值的在線設(shè)置。

1 MCGS設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件概況

MCGS采用Active DLL構(gòu)件的方式來實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并通過規(guī)范的對象鏈接與嵌入(object linking and embedding，OLE)接口，將Active DLL構(gòu)件掛接到MCGS中，使其構(gòu)成一個(gè)整體。由于設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件和MCGS運(yùn)行在同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)，故設(shè)備構(gòu)件的運(yùn)行速度快、可靠性高。OLE是一個(gè)可擴(kuò)充的開放標(biāo)準(zhǔn)，用于實(shí)現(xiàn)不同軟件之間的相互操作，因此，可以使用VB、VC、Delphi等語言來編制MCGS的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。鑒于Visual Basic的通用性和簡單性，且VB6.0以上的版本是以二進(jìn)制碼來編譯執(zhí)行程序，其運(yùn)行速度巳接近或超過VC，完全能滿足設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件所需的速度要求，因此，本文采用VB6.0進(jìn)行單片機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的開發(fā)。

與MCGS相連接的外部設(shè)備分為獨(dú)立設(shè)備、父設(shè)備和子設(shè)備3類。獨(dú)立設(shè)備是可獨(dú)立工作、完成特定數(shù)據(jù)輸入輸出功能的設(shè)備，如用于模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出的PC接口卡等;父設(shè)備是本身不直接處理數(shù)據(jù)輸入輸出，但能管理其他設(shè)備的工作，如串行口設(shè)備等;子設(shè)備是本身具有處理數(shù)據(jù)輸入輸出的功能，但只有和對應(yīng)的父設(shè)備一起才能構(gòu)成完整的工作系統(tǒng)的設(shè)備，如PLC設(shè)備、帶智能通信功能的儀器儀表等。單片機(jī)是工作在串行口父設(shè)備下的子設(shè)備，MCGS提供了串行口父設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，需要開發(fā)的是掛接在串行口父設(shè)備下的子設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件［4-5］。MCGS與單片機(jī)通信結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 通信結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of communication

MCGS設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)方法和原理與標(biāo)準(zhǔn)VB的ActiveDLL基本一致，不同的是MCGS規(guī)定了一套接口規(guī)范，只有遵守這些接口規(guī)范的ActiveDLL，才能用作 MCGS的設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件。具體來說，開發(fā)MCGS設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的過程就是根據(jù)通信協(xié)議制定的數(shù)據(jù)幀格式，對MCGS接口規(guī)范中的5個(gè)屬性函數(shù)和8個(gè)方法函數(shù)進(jìn)行定義、編程、調(diào)試和掛接，從而完成設(shè)備功能的配置。

2 MCGS設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的開發(fā)

對MCGS設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的開發(fā)可以采用以下兩種方法加以完成:一種是利用開發(fā)向?qū)煽蚣埽缓笤赩isual Basic編程環(huán)境中加入自己的驅(qū)動(dòng)程序部分;另一種是利用現(xiàn)有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行移植。本文采用的是前一種方法。

2.1 通信協(xié)議與數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)交互涉及通信協(xié)議問題。MCGS設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的幀格式如圖2所示。51單片機(jī)串口集成了一個(gè)全雙工通用異步接收發(fā)送器UART。這里采用UART工作在模式1下，按照字節(jié)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位［6］。

圖2 幀格式Fig.2 Format of frame

2.2 串口操作函數(shù)

編寫子設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，主要是對串行端口進(jìn)行操作。MCGS把復(fù)雜的對串行端口的設(shè)置(如波特率、數(shù)據(jù)位長度、數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式等)、初始化和讀寫操作全部封裝在MCGS提供的串口父設(shè)備中。子設(shè)備按照通信協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，然后調(diào)用串口父設(shè)備提供的標(biāo)準(zhǔn)串口讀寫函數(shù)，即可完成對數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送工作［7］。常用的串行端口操作函數(shù)如下。

2.3 屬性接口

MCGS提供的接口規(guī)范中共有5個(gè)屬性接口，編程者可通過調(diào)用屬性接口函數(shù)來對設(shè)備屬性進(jìn)行設(shè)置。通過設(shè)置這5個(gè)屬性，可以標(biāo)明設(shè)備的類型、類別、設(shè)備的通道個(gè)數(shù)、設(shè)備所用I/O地址的個(gè)數(shù)和設(shè)備所用I/O的基地址。由于是子設(shè)備，故單片機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件不需占用系統(tǒng)I/O。本設(shè)計(jì)需要對某房間的溫度、溫度上/下限報(bào)警限值、房間燈盞進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，因此，設(shè)定的通道個(gè)數(shù)為7個(gè)。5個(gè)屬性接口設(shè)置代碼具體如下。

2.4 方法接口

MCGS在組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境下需要調(diào)用方法接口來實(shí)現(xiàn)特定的功能，如實(shí)現(xiàn)初始化、數(shù)據(jù)的輸入與輸出、通道的數(shù)據(jù)類型說明等功能。

2.4.1 組態(tài)環(huán)境中調(diào)用接口的方法

GetDevName接口供MCGS讀取設(shè)備的類型名稱，MCGS將把這個(gè)名稱顯示在設(shè)備工具箱中。本文設(shè)置如下:GetDevName=“單片機(jī)控制器”;GetDevHelp接口用以顯示設(shè)備構(gòu)件的在線幫助;SetDevPage接口用以設(shè)置設(shè)備構(gòu)件的內(nèi)部屬性頁。當(dāng)把設(shè)備從設(shè)備工具箱中選取到設(shè)備窗口中時(shí)，調(diào)用InitNewDev接口，設(shè)置設(shè)備的缺省屬性值。

2.4.2 運(yùn)行環(huán)境中調(diào)用接口的方法

運(yùn)行環(huán)境中調(diào)用接口的方法具體如下。

①在MCGS運(yùn)行環(huán)境啟動(dòng)時(shí)調(diào)用InitDevRun接口一次，用于對設(shè)備構(gòu)件進(jìn)行初始化工作。

②MCGS調(diào)用GetChlType接口讀取設(shè)備各通道的數(shù)據(jù)類型和通道內(nèi)容的文字描述，在設(shè)備屬性設(shè)置窗口的通道連接屬性頁中所顯示的內(nèi)容來自本接口。本設(shè)計(jì)需設(shè)置7個(gè)通道，第1～4通道用于遠(yuǎn)程控制房間四盞燈的亮滅，使用51 單片機(jī)的 P1.0～P1.3;第 5 通道用于實(shí)時(shí)采集房間的溫度值;第6、第7通道用于在線設(shè)置房間溫度上/下限報(bào)警值。程序代碼如下。

③在MCGS運(yùn)行環(huán)境中，從設(shè)備采集數(shù)據(jù)或向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)通過定時(shí)調(diào)用CollectDevDat接口來完成。設(shè)備構(gòu)件首先調(diào)用父設(shè)備的串口操作函數(shù)ComOutIn-Dat，把命令字寫到串行端口，再輸出到單片機(jī)控制器，單片機(jī)控制器收到命令字后發(fā)送數(shù)據(jù)到串行端口，串行端口讀取返回的數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)存入到數(shù)組Output-Byte()中，然后將數(shù)組中的數(shù)據(jù)解包，把所需要的變量值存放到通道數(shù)組asngdatavalue()中，供MCGS進(jìn)行處理。

按照通信協(xié)議，發(fā)送幀格式采用“#”+“地址編號(hào)”+“命令數(shù)據(jù)”+“!”，然后將該字符串轉(zhuǎn)換為ASCII碼發(fā)送至單片機(jī)控制器。數(shù)據(jù)接收幀格式與之類似。

在CollectDevDat接口中編制的程序代碼如下。

在VB的程序模塊DevBas.bas中編制的源程序代碼如下。

通過調(diào)用父設(shè)備的串口操作函數(shù)ComOutInDat，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)控制器交互數(shù)據(jù)，相應(yīng)的程序代碼如下。

④在MCGS中，周期性讀寫參數(shù)都是在通道連接中實(shí)現(xiàn)的。因此，本設(shè)計(jì)中沒有對RunDevCommand接口函數(shù)進(jìn)行編程。

3 下位機(jī)的通信程序設(shè)計(jì)

本文選用Atmel公司的AT89C52單片機(jī)作為下位機(jī)，房間溫度傳感器選用 DALLAS公司的DS18B20。DS18B20采用1-Wire總線，可將溫度直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微控制器處理，測溫范圍為-55～+125℃，最大分辨率可達(dá)0.0625 K［8］。

下位單片機(jī)通過串口和上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，采用T1作為UART的波特率發(fā)生器。單片機(jī)晶振頻率選為11.0592 MHz，設(shè)置 SMOD=0、TH1=0FDH，可得到波特率為9600 bit/s。這樣獲得的波特率誤差率為0，提高了串口通信的可靠性。為提高數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性，單片機(jī)收/發(fā)數(shù)據(jù)采用中斷方式。按照前述數(shù)據(jù)通信協(xié)議約定，單片機(jī)串行口的中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。

圖3 中斷服務(wù)程序流程圖Fig.3 Flowchart of the interrupt service

4 驅(qū)動(dòng)構(gòu)件測試與應(yīng)用

MCGS為設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件提供了一套在VB環(huán)境下進(jìn)行在線調(diào)試的運(yùn)行機(jī)制，使用戶能夠隨時(shí)在VB源代碼一級(jí)對構(gòu)件的接口函數(shù)進(jìn)行調(diào)試、測試，以驗(yàn)證編程正確性。編程調(diào)試工作完成后，經(jīng)編譯，生成*.dll文件，只要把此文件拷貝到D:MCGSProgramDrivers的目錄下(假定MCGS系統(tǒng)安裝時(shí)的目錄為D:MCGS)，即完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的掛接工作［9］。

啟動(dòng)MCGS組態(tài)環(huán)境，在工作臺(tái)中打開設(shè)備組態(tài)窗口，再通過設(shè)備工具箱的“設(shè)備管理”窗口，完成自主開發(fā)的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件在Windows中的登記工作。

本文開發(fā)的基于MCGS的51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件可實(shí)現(xiàn)對房間溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能夠在上位機(jī)中對房間溫度的上/下限報(bào)警限值進(jìn)行在線設(shè)置。系統(tǒng)運(yùn)行中一旦溫度超限，上位機(jī)監(jiān)控可立即實(shí)現(xiàn)漢語語音報(bào)警，其中的聲音文件由中科大訊飛信息科技公司“InterPhonic CN語音合成系統(tǒng)”產(chǎn)生，效果如真人發(fā)音［10］。同時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)上對房間的4個(gè)燈盞進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟與關(guān)閉。

5 結(jié)束語

工控組態(tài)軟件開發(fā)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有系統(tǒng)配置靈活、開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，MCGS提供了一套規(guī)范的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口，用戶可方便靈活地開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。熟練掌握MCGS設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的開發(fā)方法不僅大大拓寬了硬件選型范圍，也為開發(fā)基于MCGS的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供技術(shù)保證。實(shí)際運(yùn)行表明，本文開發(fā)的基于MCGS的51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件效果良好，數(shù)據(jù)交互及時(shí)可靠。

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