基于Windows CE 移植電火花線切割加工數(shù)控編程系統(tǒng)的研究

魏萬(wàn)根，張永俊，黃志剛

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

微軟推出的嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 是一個(gè)基于32 位、嵌入式、多任務(wù)、實(shí)時(shí)性能好、通信能力強(qiáng)大、具有模塊化特性的操作系統(tǒng)，適應(yīng)各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。Windows CE 的可裁剪特性與模塊化設(shè)計(jì)方式，使系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)人員能夠?yàn)楦鞣N不同的產(chǎn)品來(lái)定制它。由于擁有自己的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具備獨(dú)立開發(fā)的內(nèi)核，因此被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)計(jì)算設(shè)備、工業(yè)控制、車載電子、智能家電、移動(dòng)通信等領(lǐng)域，使其成為當(dāng)今嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、市場(chǎng)增長(zhǎng)最快、最具發(fā)展?jié)摿Φ那度胧讲僮飨到y(tǒng)。本文基于Windows CE 嵌入式移植Windows 軟件，是滿足嵌入式應(yīng)用軟件快速增長(zhǎng)需求的一個(gè)重要途徑；而移植后的基于Windows CE 平臺(tái)的WEDM（電火花線切割）數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng),將克服惡劣工業(yè)環(huán)境下控制系統(tǒng)的嚴(yán)重不足。

1 Windows CE 與Windows的區(qū)別

1.1 Windows CE 的特性

（1）可裁剪定制內(nèi)核

Windows CE 是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)備（如手持移動(dòng)設(shè)備）而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，一般這類設(shè)備的硬件資源有限（包括RAM、CPU 處理能力等）。這樣，用戶在定制操作系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)功能需求，在滿足設(shè)備功能要求的前提下，盡可能地只選擇必需的模塊加入操作系統(tǒng)中，不需要的模塊組件裁剪出去，最后生成的操作系統(tǒng)映像體積小，能滿足在硬件資源受限的設(shè)備上正常運(yùn)行。Windows CE 內(nèi)核的最小容量只占200 kB，如果增加圖形界面或網(wǎng)絡(luò)支持，內(nèi)核體積大概4 MB 左右。

（2）跨平臺(tái)支持

由于嵌入式設(shè)備的CPU 體系多種多樣，為了適應(yīng)Windows CE 嵌入式系統(tǒng)在異構(gòu)平臺(tái)上的正常運(yùn)行，微軟設(shè)計(jì)的Windows CE 操作系統(tǒng)支持包括x86、ARM、MIPS、SuperH 等主流的CPU 體系結(jié)構(gòu)。

（3）出色的圖形界面

Windows CE 之所以取得巨大的成功，其中一個(gè)主要原因就是具有出色的圖形交互界面，極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們不再需要死記硬背大量的命令，而是能通過(guò)窗口和菜單方便的操作。

（4）良好的通信能力

Windows CE 廣泛支持各種通信硬件、局域網(wǎng)連接和撥號(hào)連接，可用于各種級(jí)別的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備之間的連接。由于同為微軟公司的產(chǎn)品，因此它還提供與Windows 9x/NT/XP 的整合及通信。

（5）高效的開發(fā)工具支持

從Windows CE 6.0 開始，微軟已將Platform Builder for Windows CE 6.0 作為Microsoft Visual Studio 2005（簡(jiǎn)稱VS.NET 2005）的插件集成進(jìn)VS.NET 開發(fā)平臺(tái)中，這就將Windows CE 操作系統(tǒng)定制、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、應(yīng)用程序開發(fā)全部統(tǒng)一到VS.NET 2005 環(huán)境中，使Windows CE 的系統(tǒng)開發(fā)與桌面開發(fā)共享一種開發(fā)平臺(tái)。

1.2 Windows CE 與Windows 的區(qū)別

雖然Windows CE 系統(tǒng)屬于Windows 家族，但兩者具有不同特性，主要體現(xiàn)在：

（1）Windows CE APIs和Win32 API 的不同

與Windows 95/NT/2000/XP/Vista 的API 相比，Windows CE API 是Win32 API 的一個(gè)子集，且其中部分函數(shù)的功能已精簡(jiǎn)，如對(duì)顏色和字體的支持更加有限。Windows CE APIs 相對(duì)于Win32 API 擴(kuò)展了一些特定功能，如通知（notification）和觸摸屏（touch screen）需要硬件功能的支持。此外，對(duì)異常處理也具有使用限制等。因此，桌面上正常運(yùn)行的應(yīng)用程序都不能直接在Windows CE 上運(yùn)行，開發(fā)者需通過(guò)其他辦法重新編排程序結(jié)構(gòu)和函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。

（2）Windows CE 的MFC和標(biāo)準(zhǔn)MFC 的不同

Windows CE 不支持桌面MFC 所有類，如Windows CE 中的MFC 不支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)連接中的Data Access Object（DAO）與Open Database Connectivity（ODBC），以及Multiple－Document Interface（MDI）用戶界面、Object Linking and Embedding（OLE）和Rich Edit 控件，因此，需增加、修改和刪除一些類。新增類有CCeSocket、CCeDBEnum、CCeDBDatabase、CCeDBProp和IRecord 等類別，刪除類如CFontDialog和CPrintSetupDialog，因此，也就沒(méi)有Font Selection 對(duì)話框和Printer Setup 對(duì)話框。

（3）存儲(chǔ)器容量的不同

桌面Windows 最早擁有512 M 內(nèi)存，如今已發(fā)展到1～2 GB，但Windows CE 設(shè)備一般都配置少量的RAM、頻率較低的微處理器，且像臺(tái)式PC 上大容量的存儲(chǔ)設(shè)備和磁盤基本都沒(méi)有。Windows CE在內(nèi)存管理方面必須要比其他Windows 操作系統(tǒng)更節(jié)約物理內(nèi)存和虛擬地址空間。當(dāng)移植一個(gè)應(yīng)用程序到Windows CE 時(shí)，應(yīng)著眼于頻繁使用的功能。在程序中建立全局內(nèi)存使用機(jī)制，自行監(jiān)控、管理內(nèi)存及GDI 對(duì)象，避免頻繁的內(nèi)存分配和GDI 創(chuàng)建、銷毀操作。

（4）測(cè)試和調(diào)試的不同

開發(fā)Win32 目標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)用程序，所有的測(cè)試和調(diào)試直接在PC 上完成。但Windows CE 卻不同，如果為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Windows CE 目標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)程序，基本上所有的開發(fā)和調(diào)試工作在開發(fā)工具提供的Windows CE 仿真環(huán)境中進(jìn)行。而如果是基于非標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺(tái)，當(dāng)仿真環(huán)境中調(diào)試成功的程序真正運(yùn)行在目標(biāo)系統(tǒng)上時(shí)，難免出現(xiàn)許多意外的故障，因此，需考慮采用另一種辦法替代虛擬的檢測(cè)環(huán)境。Windows CE API 包含了用于調(diào)試的接口（如DebugActiveProcess和DebugEvent），以此建立系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試；或依據(jù)目標(biāo)硬件和應(yīng)用程序，使用Windows CE 的Remote API 功能進(jìn)行輔助調(diào)試。

此外，Windows CE 設(shè)備電源有限；Windows CE縮減了C/C++運(yùn)行庫(kù)（RTL）；由于大部分Windows CE 設(shè)備采用觸摸屏設(shè)計(jì)，沒(méi)有鼠標(biāo)，人機(jī)交互方式由指示筆輕擊屏幕完成；硬件平臺(tái)是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)存在的必要條件，是嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，Windows CE 不像PC 那樣有標(biāo)準(zhǔn)的配置，硬件并不標(biāo)準(zhǔn)化，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，由于設(shè)備制造商都是由不同領(lǐng)域不同的應(yīng)用廠商發(fā)展而來(lái)，所以硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、不盡相同，僅CPU 體系結(jié)構(gòu)就有多種，因此會(huì)加大程序開發(fā)的難度；Windows CE 驅(qū)動(dòng)程序有內(nèi)核和用戶2 種模式，默認(rèn)運(yùn)行在內(nèi)核模式，這有利于性能設(shè)備的提高，但也增加了影響系統(tǒng)各方面性能的不確定因素，如不穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)被加入到內(nèi)核，將會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性等多方面性能產(chǎn)生致命的影響。

2 Windows CE 應(yīng)用程序的開發(fā)流程

第一步：搭建應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)，按順序安裝軟件。

第二步：設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件。不同于PC 機(jī)追求容量大、功能全，嵌入式系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計(jì)，在功能符合要求的條件下，盡量去除不需要的硬件部件，以此降低開發(fā)成本和增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

第三步：開發(fā)BSP。BSP 是介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間的一件軟件層，有了BSP 抽象層后，Windows CE 就能通過(guò)它間接地和硬件進(jìn)行通信，讓操作系統(tǒng)在不同體系結(jié)構(gòu)的硬件平臺(tái)上移植運(yùn)行。BSP 與特定的嵌入式操作系統(tǒng)相關(guān)，并與開發(fā)板一一對(duì)應(yīng)。

第四步：定制操作系統(tǒng)模塊。

第五步：完成以上定制后，編譯形成nk.bin 或nk.nb0 文件，至此，Windows CE 的內(nèi)核定制完成。

第六步：定制與安裝SDK，聯(lián)機(jī)調(diào)試建立開發(fā)環(huán)境。

第七步：開發(fā)應(yīng)用程序，最后形成用戶程序文件.exe、.cab。

第八步：安裝并通過(guò)同步軟件ActiveSync 或網(wǎng)絡(luò)功能下載至Flash，脫機(jī)運(yùn)行。

Windows 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)比PC 機(jī)端開發(fā)復(fù)雜得多，因?yàn)镻C 機(jī)端開發(fā)基本上是純軟件的應(yīng)用開發(fā)，而嵌入式系統(tǒng)開發(fā)既要考慮硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，又要開發(fā)平臺(tái)上的應(yīng)用軟件以及庫(kù)函數(shù)兼容等各類問(wèn)題。

3 移植Windows 程序到Windows CE 的關(guān)鍵要素

（1）當(dāng)從PC 平臺(tái)移植已有的Win32 應(yīng)用程序到Windows CE 時(shí)，主要工作是找到合適的Windows CE API 來(lái)替換原有的Win32 API。如Windows CE 去掉了桌面Windows 中的一些用來(lái)向前兼容DOS和Windows 3.x 的函數(shù)。因此，移植程序往往考慮改變程序邏輯繞過(guò)這些函數(shù)或類；或是提供另一個(gè)函數(shù)或一系列函數(shù)的組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)那個(gè)函數(shù)的功能；再者，自己編寫函數(shù)或類執(zhí)行與所缺函數(shù)和類相同的任務(wù)；最后，尋找其他組織的解決方案。

（2）由于EVC 只支持單文檔的應(yīng)用程序，所以應(yīng)將多文檔程序轉(zhuǎn)換為單文檔程序，該過(guò)程主要在VC 平臺(tái)上進(jìn)行。主要步驟是：首先，查找代碼中的CMultiDoc 將其替換為CSingleDoc；其次，查找到CProjectApp 類中的InitInstance 函數(shù)，將多文檔模塊改為添加單文檔模塊；最后，在頭文件和源文件中分別找到CMainFram 函數(shù)，將其繼承關(guān)系改為CFrameWnd。相應(yīng)地將CMainFrame 里面頭文件內(nèi)的宏改為DECLARE_DYNCREATE（CMainFrame），同時(shí)，源文件里面的宏也相應(yīng)地改為IMPLEMENT_DYNCREATE（CMainFrame，CFrameWnd）。

（3）VC 編程使用的是ASCII 文本，而在Windows CE 系統(tǒng)環(huán)境下使用的是Unicode 碼。因此，在編譯過(guò)程中，一些輸出文本語(yǔ)句會(huì)報(bào)錯(cuò)。解決的辦法是：包含Tchar.h 文件；使用Win32 字符串函數(shù)而不是C 運(yùn)行時(shí)態(tài)庫(kù)的函數(shù)；聲明中使用TCHAR、LPTSTR和其他類型；增加一個(gè)數(shù)組指針或字符計(jì)數(shù)時(shí)，使用sizeof；使用TEXT 宏和_T 宏進(jìn)行字符串映射。另外，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的不匹配也會(huì)導(dǎo)致報(bào)錯(cuò)。

（4）用戶界面問(wèn)題。Windows CE 設(shè)備的屏幕空間較小，為了減少占用，菜單和工具欄不再設(shè)計(jì)為獨(dú)立的，而是都被包含在命令欄中。命令欄中包含了菜單、按鈕和組合框等，有效節(jié)省Windows CE 設(shè)備較小的屏幕空間，這也正是其界面的獨(dú)特所在。但命令欄沒(méi)有?？抗δ?，通常被指定在屏幕的頂部。基于Windows CE MFC 的窗口創(chuàng)建函數(shù)的主要代碼為：

因此，在掌握CAWEP 功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)的前提下，按照以上要點(diǎn)將不符合Windows CE 運(yùn)行環(huán)境的部分進(jìn)行刪減、替換或重構(gòu)，使移植后的CAWEP 在滿足圖形處理和代碼輸出兩大功能的前提下，外觀精簡(jiǎn)舒適、系統(tǒng)穩(wěn)定高效。

4 實(shí)現(xiàn)Windows CE 與Windows 同步測(cè)試環(huán)境

4.1 建立同步

在定制Windows CE 操作系統(tǒng)后，安裝SDK，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)同步是開發(fā)應(yīng)用程序的重要環(huán)節(jié)（圖1）?；谔烨禩Q2440 開發(fā)板為硬件平臺(tái)，論述以下幾個(gè)主要步驟：

（1）安裝ActiveSync_4.1_setup.exe。

（2）啟動(dòng)Windows CE 系統(tǒng)，將PC 的USB 接口與Windows CE 的USB Device 接口連接，PC 端會(huì)要求安裝USB 驅(qū)動(dòng)，在網(wǎng)上下載或直接使用商家提供的驅(qū)動(dòng)程序，安裝SECBULK 文件。

（3）連接同步時(shí)，需要將目標(biāo)機(jī)時(shí)間修改為宿主機(jī)當(dāng)前時(shí)。

圖1 宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)建立同步

4.2 同步運(yùn)行試驗(yàn)程序

在宿主機(jī)上先編寫一個(gè)程序，建立與目標(biāo)機(jī)同步后，向目標(biāo)機(jī)發(fā)送指令代碼，可看到其在目標(biāo)機(jī)上的運(yùn)行情況。主要操作過(guò)程如下：

（1）調(diào)出程序。

（2）選擇菜單“工具欄”—“連接到設(shè)備”，前提是安裝好TQ2440A_SDK。連接成功后（圖2），對(duì)話框顯示“至‘TQ2440A_SDK ARMV4I Device’連接成功”。

圖2 TQ2440A_SDK ARMV4I Device 連接成功

（3）選擇菜單“調(diào)試”—“啟動(dòng)調(diào)試”，在開發(fā)工具下端窗口顯示編譯過(guò)程。編譯成功后，生成.exe或.cab 文件后，發(fā)送至目標(biāo)機(jī)執(zhí)行程序。程序結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 程序運(yùn)行結(jié)果

同步工作完成后，即可在PC 端自由設(shè)計(jì)程序，根據(jù)Windows 與Windows CE 的異同，及移植程序要素，實(shí)戰(zhàn)裝載進(jìn)目標(biāo)機(jī)測(cè)試，從而完成軟件的開發(fā)、移植。

5 CAWEP 移植后的初期預(yù)想界面

計(jì)算機(jī)輔助線切割數(shù)控編程系統(tǒng)CAWEP 在Windows 上運(yùn)行的界面、功能模塊及結(jié)構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖4和圖5。移植到Windows CE 系統(tǒng)后，基本上繼承了在Windows 環(huán)境下運(yùn)行的絕大部分功能，能實(shí)現(xiàn)在設(shè)備屏幕上創(chuàng)建和編輯2D 矢量制表及模板、文件轉(zhuǎn)換、仿真加工、模擬軌跡、生成輸出B 及ISO 代碼（G 代碼），再通過(guò)使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（PPP）和串行線路互聯(lián)協(xié)議（SLIP）進(jìn)行直接或撥號(hào)連接，傳輸代碼至解釋模塊，從而實(shí)現(xiàn)一體化控制線切割機(jī)床的加工，這種新型的加工控制方式，也將給用戶帶來(lái)全新的創(chuàng)意體驗(yàn)。CAWEP 移植后，在Windows CE上運(yùn)行的初期預(yù)想界面見(jiàn)圖6。

圖4 CAWEP 在Windows 上運(yùn)行的界面

圖5 CAWEP 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖6 CAWEP 在Windows CE 上運(yùn)行的預(yù)想界面

6 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)化PC 數(shù)控系統(tǒng)由于振動(dòng)、灰塵、潮濕、高溫及其他環(huán)境影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障和數(shù)據(jù)丟失。而正值Windows CE 操作系統(tǒng)被嵌入式領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的數(shù)字時(shí)代，基于該平臺(tái)應(yīng)用軟件的開發(fā)需求已成為不可抵擋的趨勢(shì)。在掌握Windows CE 與Windows 應(yīng)用程序之間的聯(lián)系和區(qū)別之后，將對(duì)Windows CE 應(yīng)用軟件的開發(fā)提供方便與科學(xué)依據(jù)，Windows 程序移植到Windows CE 儼然成為加快軟件開發(fā)效率和提高軟件質(zhì)量的重要途徑?；赪indows CE 的線切割數(shù)控編程廉價(jià)微小型控制系統(tǒng),將能在工業(yè)極端環(huán)境里連續(xù)長(zhǎng)期高效穩(wěn)定地工作，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，克服PC 的弊端，提供統(tǒng)一的、可伸縮的解決方案，將專用硬件的耐用性與PC的靈活性結(jié)合在一起。因此，Windows CE 在工業(yè)控制領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

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