硬件控制規(guī)范化訪問API的一種實(shí)現(xiàn)方法*

何波玲，張志春，隋菱歌

(1.長(zhǎng)春金融高等專科學(xué)校;2.空軍航空大學(xué)軍事仿真技術(shù)研究所)

0 引言

在數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、系統(tǒng)仿真等工程實(shí)踐中，硬件設(shè)備與應(yīng)用軟件之間的接口問題尚未規(guī)范化，對(duì)大型工程而言，由此產(chǎn)生的硬件驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和應(yīng)用程序開發(fā)之間的關(guān)聯(lián)依賴、相似任務(wù)的重復(fù)開發(fā)、軟硬件集成時(shí)的接口處理等問題，都對(duì)工程開發(fā)效率產(chǎn)生影響.針對(duì)此問題，該文對(duì)硬件接口的規(guī)范化問題進(jìn)行了研究，定義了一個(gè)簡(jiǎn)潔規(guī)范的硬件控制量的標(biāo)識(shí)方法和訪問方法，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)符合該規(guī)范的可重用的支持分布式處理的工程化軟件中間件(即硬件訪問服務(wù)系統(tǒng)).解決了如下問題:

(1)規(guī)范的簡(jiǎn)潔性:硬件控制量的標(biāo)識(shí)方法和訪問方法必需簡(jiǎn)單、優(yōu)雅，便于硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員和應(yīng)用軟件開發(fā)人員使用.

(2)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性:因?yàn)榇蟛糠止こ虒?duì)硬件的控制都有實(shí)時(shí)性要求，因此，系統(tǒng)必須滿足該類工程的需求.

(3)系統(tǒng)的通用性和可重用性:系統(tǒng)應(yīng)具有通用性，即不依賴于具體硬件控制技術(shù)且當(dāng)硬件控制量增減或值域發(fā)生變化時(shí)，無需對(duì)源碼進(jìn)行修改或重編譯，實(shí)現(xiàn)軟件的可重用性.

(4)支持工程的分布式處理，且配置簡(jiǎn)單靈活:分布式處理是現(xiàn)代工程的最重要處理方式之一，大型工程對(duì)硬件的控制常常分布式的，因此，該項(xiàng)目必須是分布處理和多節(jié)點(diǎn)部署的，而且只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置就可應(yīng)用于不同的工程項(xiàng)目.

(5)支持工程的無縫集成:利用該規(guī)范，硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員和應(yīng)用軟件開發(fā)人員可獨(dú)立、并行地硬件驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件的開發(fā)，并在工程集成階段實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，降低集成成本.

(6)支持主流傳輸協(xié)議和方式:目前，分布式處理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的通信主要采用以太網(wǎng)(UDP)、反射內(nèi)存(RFM)網(wǎng)和DLL共享等三種主要數(shù)據(jù)傳輸方式，系統(tǒng)同支持這些傳輸協(xié)議和方式.

(7)支持對(duì)硬件檢測(cè)和維護(hù):在目標(biāo)系統(tǒng)交付使用后，必須定期對(duì)硬件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，系統(tǒng)應(yīng)該最大程度地滿足硬件檢測(cè)維護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)要求，使硬件檢測(cè)維護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)簡(jiǎn)單化.

1 硬件標(biāo)識(shí)

系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL［1］的形式向用戶(即程序)提供硬件訪問服務(wù)接口(即編程接口)，通過該接口，硬件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)或采樣的程序可按如下標(biāo)識(shí)訪問每個(gè)硬件量.

面板上的每個(gè)硬件量(模擬輸出量AO，模擬輸入量 AI，開關(guān)輸出量 DO，開關(guān)入量 DI［2-3］)以二維方式進(jìn)行標(biāo)識(shí).硬件量編號(hào)規(guī)則如下(見圖1).

圖1 硬件量標(biāo)識(shí)

AO(面板編號(hào)，控制量編號(hào) )［:范圍］;AI(面板編號(hào)，控制量編號(hào) )［:范圍］;DO(面板編號(hào)，控制量編號(hào))［:取值列表］;DI(面板編號(hào)，控制量編號(hào) )［:取值列表］.

2 驅(qū)動(dòng)端程序和用戶端程序模式

系統(tǒng)提供的服務(wù)接口簡(jiǎn)潔明了、易于使用.以下是驅(qū)動(dòng)端用戶和用戶端用戶使用進(jìn)行硬件量訪問的示例.

(1)驅(qū)動(dòng)端使用示例

(2)用戶端使用示例

3 系統(tǒng)部署

系統(tǒng)支持驅(qū)動(dòng)端和用戶端的多節(jié)點(diǎn)配置(圖2).動(dòng)態(tài)連接庫(kù)具有通用性，即不依賴于具體硬件控制技術(shù)且當(dāng)硬件控制量增減或值域發(fā)生變化時(shí)，無需對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)進(jìn)行修改或重編譯.對(duì)不同的應(yīng)用，只需根據(jù)具體的硬件控制量和節(jié)點(diǎn)配置要求，準(zhǔn)備好控制量外部定義文件(4.1)、信息港配置文件(4.2)和網(wǎng)絡(luò)傳輸配置文件(4.3)即可.

4 配置文件

4.1 通信端標(biāo)識(shí)配置

UDP傳輸信息港［4］配置在外部配置文件Config.net中描述，其格式如下:

［0］0號(hào)信息港= ＜IP0，PORT0＞

［1］1號(hào)信息港= ＜IP1，PORT1＞

…

［n］n號(hào)信息港= ＜IPn，PORTn＞

圖2 系統(tǒng)部署圖

4.2 傳輸配置

傳輸配置在外部配置文件DrvConfigEx.txt(驅(qū)動(dòng)端)和UsrConfigEx.txt(用戶端)中描述.驅(qū)動(dòng)端外部配置文件和用戶端外部配置文件具有相同的格式:

4.3 硬件量配置

硬件量外部定義配置用來描述系統(tǒng)中實(shí)際的硬件控制量，它和硬件標(biāo)識(shí)圖(見圖1)中的控制量標(biāo)識(shí)一一相對(duì)應(yīng)，可在繪制控制量標(biāo)識(shí)圖時(shí)同時(shí)產(chǎn)生.以下給出文件的格式(其中，DO、DI的狀態(tài)數(shù)缺省為2).

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

5.1 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

以下僅介紹有助于描述系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).

5.1.1 AO-AI數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(1)一維存儲(chǔ)區(qū)

用來存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)端和用戶端模擬量的當(dāng)前值.

在驅(qū)動(dòng)端和用戶端各設(shè)置獨(dú)立的一維存儲(chǔ)區(qū)，是為了解決驅(qū)動(dòng)端和用戶端在使用DLL共享數(shù)據(jù)傳輸方式下所引起的正常進(jìn)程和檢測(cè)、維護(hù)進(jìn)程的數(shù)據(jù)傳輸沖突問題.

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在DLL中以共享節(jié)［1］的方式存儲(chǔ)，以支持DLL共享數(shù)據(jù)傳輸及控制量的多進(jìn)程共享.

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系由動(dòng)態(tài)連接庫(kù)啟動(dòng)時(shí)讀取外部定義文件RegAOs.txt和RegAIs.txt而建立.5.1.2 DO-DI數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)一維存儲(chǔ)區(qū)

unsigned char hwioDrvDO［MAXDOTOTAL］，hwioDrvDI［MAXDITOTAL］;

unsigned char hwioUsrDO［MAXDOTOTAL］，hwioUsrDI［MAXDITOTAL］;

(2)中間檢索數(shù)據(jù)

short hwioIdxToDO［MAXPANEL］［MAXDO］，hwioIdxToDI［MAXPANEL］［MAXDI］;

unsigned char g_nStatusOfDO［MAXDOTOTAL］，g_nStatusOfDI［MAXDITOTAL］;

(3)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系

對(duì)驅(qū)動(dòng)端，DO(i，j)=hwioDrvDO［hwioIdxTo-DO［i］［j］］;DI(i，j)=hwioDrvDI［hwioIdxToDI［i］［j］］;

對(duì)用戶端，DO(i，j)=hwioUsrDO［hwioIdxTo-DO［i］［j］］;DI(i，j)=hwioUsrDI［hwioIdxToDI［i］［j］］;

g_nStatusOfDO［idx］:序號(hào)為idx的DO狀態(tài)數(shù);g_nStatusOfDI［idx］:序號(hào)為 idx的 DI狀態(tài)數(shù).

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系由動(dòng)態(tài)連接庫(kù)啟動(dòng)時(shí)讀取外部定義文件RegDOs.txt和RegDIs.txt而建立.5.1.3 數(shù)據(jù)傳輸區(qū)

(1)驅(qū)動(dòng)端發(fā)送及用戶端接收緩沖區(qū)

(2)用戶端發(fā)送及驅(qū)動(dòng)端接收緩沖區(qū)

●usrtype為用戶類型:NORMALUSR(普通用戶)或SUPERUSR(超級(jí)用戶).

●drvmode指定驅(qū)動(dòng)模式:NORMAL或MAINTAIN，用來表示所傳輸?shù)目刂屏渴怯糜谄胀刂?、還是維護(hù)控制.

●驅(qū)動(dòng)端DLL根據(jù)Usrtype和drvmode確定自己的狀態(tài):

NORMAL= ＜NORMALUSR，任意 ＞;DETECTING= ＜SUPERUSR，NORMAL＞;MAINTAINING= ＜SUPERUSR，MAINTAIN ＞.

●AI［i］、DI［i］、AO［i］、DO［i］為實(shí)際控制量，由外部定義文件(見4.3)確定;每個(gè)AI、AO以float傳輸，每個(gè)DI、DO以bit位傳輸;bit位全1(含float)表示無效數(shù)值，接收端據(jù)此對(duì)多數(shù)據(jù)源進(jìn)行整合.

5.2 算法實(shí)現(xiàn)

5.2.1 初始化服務(wù)接口算法

驅(qū)動(dòng)端初始化服務(wù)接口hwioDrvInit()和用戶端初始化服務(wù)接口hwioUsrInit(int Usrtype)的功能是讀取網(wǎng)絡(luò)配置文件到內(nèi)存并進(jìn)行UDP網(wǎng)絡(luò)初始化.它們的算法極為相似，限于篇幅，下面僅給出hwioUsrInit(int Usrtype)的簡(jiǎn)略算法步驟:

5.2.3 用戶端控制量更新服務(wù)接口算法

5.2.4 硬件量宏定義

6 結(jié)束語(yǔ)

定義了一種規(guī)范的硬件控制量的標(biāo)識(shí)方法和訪問方法，并以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL的形式實(shí)現(xiàn)了該方法.系統(tǒng)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL提供此類應(yīng)用的不變的公共部分，用外部配置文件定義與具體的應(yīng)用相關(guān)的變化部分，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的適應(yīng)性.系統(tǒng)接口簡(jiǎn)潔，易于配置，通用性和重用性高，避免了軟硬件通信協(xié)議的重復(fù)開發(fā);系統(tǒng)支持以太網(wǎng)(UDP)、反射內(nèi)存(RFM)網(wǎng)和DLL共享三種常用的數(shù)據(jù)傳輸方式，并實(shí)現(xiàn)了傳輸方式對(duì)用戶的透明性;系統(tǒng)支持對(duì)硬件控制的在線檢測(cè)和在線維護(hù);系統(tǒng)規(guī)范了硬件控制量的標(biāo)識(shí)和訪問方法，有利于硬件驅(qū)動(dòng)程序和相關(guān)應(yīng)用軟件的并行開發(fā)和無縫集成，可大大提高系統(tǒng)開發(fā)效率.

［1］ ［美］CharlesPetzold.Windows程序設(shè)計(jì)(第5版·英文版)［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［2］ 張志春，徐坤，李小奇，呂巖.基于多串口的單片機(jī)群控系統(tǒng)管理調(diào)度技術(shù)［J］.北京:計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007.2，28(3):625-632.

［3］ 王行仁.飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及技術(shù)［M］.北京:北京航空航天出版社，2000.

［4］ 張志春，何波玲，雷相波.一種通用網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.武漢:海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.2，19(1):53-60.

［5］ 顧穎彥.反射內(nèi)存網(wǎng)實(shí)時(shí)通信技術(shù)的研究［J］.上海:計(jì)算機(jī)工程，2002(07):143-144.