噴水推進(jìn)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)ARM設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ARM－based Design and Implementation of Supervision Control System for Waterjet Propulsion

王曉初1　徐　亮1　龔征華2　陳建平2　袁景淇1(上海交通大學(xué)自動(dòng)化系1，上?！?00240;中船708研究所噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，上?！?00011)

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噴水推進(jìn)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)ARM設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Multi－thread CAN bus ARM

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):61233004);

教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):20110073110018)。

修改稿收到日期:2015－07－28。

第一作者王曉初(1990－)，男，現(xiàn)為上海交通大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的研究。

0　引言

噴水推進(jìn)是一種重要的船舶動(dòng)力技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高性能船舶［1］。噴水推進(jìn)器的可靠運(yùn)行離不開穩(wěn)定、高效的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。噴水推進(jìn)系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)包括:對(duì)輸入設(shè)備的采樣、為用戶提供良好的人機(jī)交互界面、與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以及對(duì)系統(tǒng)信息的存儲(chǔ)與查詢等。

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要穩(wěn)定、高效的嵌入式硬件和軟件。隨著高性能芯片制造技術(shù)的不斷提升，具有體積小、功耗低、可靠性高的ARM系列芯片得到廣泛應(yīng)用［2］。由于ARM芯片可適應(yīng)多種嵌入式操作系統(tǒng)，因此成為嵌入式處理器的首選。在操作系統(tǒng)的選擇上，VxWorks在實(shí)時(shí)性和可靠性上具有巨大優(yōu)勢(shì)，但價(jià)格相當(dāng)昂貴，且開放性差，開發(fā)難度大; Linux具有源代碼開放、實(shí)時(shí)性和可移植性良好等特點(diǎn)，但是尚沒有很好的用戶圖形界面; WinCE是微軟推出的一款多任務(wù)、多線程的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有緊湊、可靠性高等特點(diǎn)，且用戶圖形界面良好，開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)，可滿足大部分工業(yè)領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)開發(fā)［3］。因此，本文采用WinCE作為上位機(jī)操作系統(tǒng)。

1　總體框架

基于ARM和WinCE噴水推進(jìn)系統(tǒng)上位機(jī)的總體框架見圖1，主要包括采樣模塊、組態(tài)串口屏、數(shù)據(jù)庫(kù)和CAN總線通信4個(gè)部分。

圖1　噴水推進(jìn)系統(tǒng)上位機(jī)總體框架Fig. 1　Overall framework of the host computer in waterjet propulsion system

系統(tǒng)采樣模塊包括6路模擬量采樣(A/D)和8路數(shù)字量采樣(DI)，采樣周期達(dá)到20 ms;組態(tài)串口屏包括噴水推進(jìn)系統(tǒng)儀表及數(shù)值的顯示，并提供歷史數(shù)據(jù)查詢的人機(jī)交互界面;數(shù)據(jù)庫(kù)則對(duì)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并響應(yīng)用戶的查詢操作; CAN總線通信作為上位機(jī)與下位機(jī)的橋梁，完成二者間信息交互。

需要說(shuō)明的是，盡管WinCE操作系統(tǒng)具有較好的用戶圖形界面，但在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)圖形界面的繪制會(huì)消耗系統(tǒng)不小的內(nèi)存資源，制約了系統(tǒng)采樣頻率的提高。因此將系統(tǒng)的人機(jī)交互界面模塊獨(dú)立出來(lái)，以組態(tài)串口屏的形式實(shí)現(xiàn)其功能。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖2給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖，其核心是TI公司生產(chǎn)的AM3352微處理器［4］，內(nèi)核為ARM Cortex－A8，頻率為800 MHz。針對(duì)A/D采樣和組態(tài)串口屏模塊，由于二者均為串口(RS－232串口，以下均簡(jiǎn)稱串口)通信，可利用處理器自帶的UART1和UART2，并通過MAX3243E芯片轉(zhuǎn)換電平得到串口; 8路DI采樣由系統(tǒng)內(nèi)部提供的GPIO接口實(shí)現(xiàn);系統(tǒng)提供的USB OTG接口用于連接計(jì)算機(jī)，完成程序調(diào)試及下載; LCD接口外接調(diào)試屏，用于開發(fā)過程的界面顯示;存儲(chǔ)器方面，擴(kuò)展了256 MB DDR3 SDRAM和256 MB NAND Flash，以提高系統(tǒng)性能;同時(shí)，為了能夠更大容量地存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部SD卡接口進(jìn)行了擴(kuò)展，得到TF卡接口;處理器還自帶2路CAN總線接口，通過CAN總線控制芯片CTM8251AT，可實(shí)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信［5］。

圖2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案Fig. 2 Design scheme of system hardware

對(duì)于硬件的擴(kuò)展部分，考慮到CAN總線通信和存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)比較成熟，因此主要對(duì)A/D采樣和組態(tài)串口屏兩個(gè)模塊作進(jìn)一步說(shuō)明。

2. 1 A/D采樣

A/D采樣包括對(duì)手輪、手柄等輸入信號(hào)的采樣，共6路，電壓范圍為0～5 V，采樣周期達(dá)到20 ms?？紤]到系統(tǒng)只留有4路ADC接口，因此對(duì)A/D采樣進(jìn)行擴(kuò)展。

由于系統(tǒng)具有豐富的UART，且串口通信實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、通信波特率可達(dá)57 600 Bd/s，因此選用串口實(shí)現(xiàn)A/D采樣模塊與CPU的通信。

為了實(shí)現(xiàn)A/D采樣，本文選用了PIC18F2423集成芯片。該芯片是美國(guó)MICROCHIP公司研發(fā)的一種用于開發(fā)和控制外圍設(shè)備的集成電路，自帶13通道12位精度A/D模塊，單通道轉(zhuǎn)換速率可達(dá)50 000次/s，可滿足6通道20 ms采樣周期要求。

A/D采樣模塊的工作模式如圖3所示。PIC與CPU之間通過串口進(jìn)行通信?？紤]到采樣模塊的定時(shí)并不精確，因此采用CPU通過串口定時(shí)發(fā)送采樣命令，PIC接收命令采樣并上傳的模式。

圖3　A/D采樣工作模式Fig. 3 A/D sampling mode

2. 2組態(tài)串口屏

組態(tài)串口屏是帶有組態(tài)控件、串口控制的液晶屏。組態(tài)控件包括文本、儀表、曲線、圖標(biāo)、進(jìn)度條等，組態(tài)串口屏接收CPU通過串口發(fā)送的指令，便可完成顯示操作?？紤]到在WinCE上繪制大量?jī)x表、數(shù)值會(huì)消耗大量系統(tǒng)資源，因此將上位機(jī)的人機(jī)交互顯示界面以組態(tài)串口屏的方式獨(dú)立出來(lái)，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本系統(tǒng)選用廣州大彩光電科技有限公司生產(chǎn)的10. 4英寸(1英寸= 25.4 mm)組態(tài)串口屏，其核心處理器為Cortex－M3 +高速FPGA，帶觸摸，內(nèi)置虛擬數(shù)字小鍵盤和全功能鍵盤，支持串口通信方式，最高通信波特率可達(dá)115 200 Bd/s。

組態(tài)串口屏的示意界面見圖4，其主要包括運(yùn)行參數(shù)儀表顯示、輸入(模擬量和開關(guān)量)顯示以及查詢界面顯示。

圖4　組態(tài)串口屏顯示界面Fig. 4　Display interface of serial configuration screen

CPU發(fā)送給組態(tài)串口屏的數(shù)據(jù)主要包括兩類:①用戶設(shè)定信息和噴水推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行信息;②根據(jù)用戶查詢信息從數(shù)據(jù)庫(kù)提取出的歷史數(shù)據(jù)。需要注意的是，當(dāng)待顯示數(shù)據(jù)過多時(shí)，可選擇分次發(fā)送并調(diào)整發(fā)送頻率，以便組態(tài)串口屏更好地完成顯示功能。

3　軟件設(shè)計(jì)

噴水推進(jìn)系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)過程采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的軟件模塊，之后再將各獨(dú)立軟件模塊和上位機(jī)任務(wù)合理地結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)各項(xiàng)功能。本節(jié)先簡(jiǎn)要介紹基于ARM的WinCE 7. 0操作系統(tǒng)的定制過程，然后重點(diǎn)討論多線程技術(shù)、WinCE下串口通信和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)。

3. 1 WinCE系統(tǒng)定制

Platform Builder是微軟公司發(fā)布的一款用于定制WinCE操作系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)人員可使用這個(gè)集成開發(fā)環(huán)境完成嵌入式操作系統(tǒng)的定制、編譯和調(diào)試［6］。通過Platform Builder，最終可得到該平臺(tái)操作系統(tǒng)。其具體形式為映像文件nk. bin和nk. nb0，其中nk. nb0可通過相應(yīng)工具下載到開發(fā)板內(nèi)存中運(yùn)行。最后，在應(yīng)用程序開發(fā)前，需使用Platform Builder針對(duì)硬件開發(fā)板輸出相應(yīng)的軟件開發(fā)工具包(software development kit，SDK)，用以輔助硬件程序的開發(fā)。

3. 2應(yīng)用程序開發(fā)

3. 2. 1多線程技術(shù)

分析A/D采樣模塊可知: CPU需完成定時(shí)、發(fā)送和接收3個(gè)任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定時(shí)采樣。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確定時(shí)，選用Query Performance Frequency＆Counter基于硬件時(shí)鐘的定時(shí)方式。該定時(shí)方式通過獲取系統(tǒng)頻率和系統(tǒng)計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)精確定時(shí)。

針對(duì)系統(tǒng)采樣頻率高、數(shù)據(jù)量大的情況，可對(duì)系統(tǒng)發(fā)送和接收任務(wù)分別創(chuàng)建線程，以提高系統(tǒng)資源的利用效率，從而加快系統(tǒng)應(yīng)用程序的響應(yīng)速度。WinCE提供了便捷的線程創(chuàng)建機(jī)制，包括基于Win API和MFC這2種線程創(chuàng)建方式［7］，這里選用MFC中的CWinThread類創(chuàng)建線程。其中發(fā)送線程的相關(guān)代碼如下。

接收線程的創(chuàng)建與發(fā)送過程類似，用于讀取采樣數(shù)據(jù)。接收在發(fā)送結(jié)束后自行啟動(dòng)，且發(fā)送與接收應(yīng)輪流執(zhí)行。在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)二者并不同步，導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收不正確，因此考慮對(duì)發(fā)送和接收線程進(jìn)行同步處理。

WinCE操作系統(tǒng)中，提供了事件(event)、互斥對(duì)象(mutex)、信號(hào)量(semaphores)和臨界區(qū)(critical _ section)4種同步控制對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)線程間的同步［7－8］。結(jié)合本系統(tǒng)要求和各個(gè)同步控制對(duì)象的特點(diǎn)及使用情況，選擇互斥對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收線程的同步?；コ鈱?duì)象的原理為只有擁有互斥對(duì)象的線程才具有訪問資源的權(quán)限，且互斥對(duì)象只有一個(gè)，因此決定了某一時(shí)刻只有一個(gè)線程在運(yùn)行［7］。為了使得發(fā)送線程和接收線程輪流擁有互斥對(duì)象，在每個(gè)線程執(zhí)行完畢后釋放互斥對(duì)象，并利用Sleep()函數(shù)使當(dāng)前線程進(jìn)入掛起狀態(tài)，以確保另一線程的執(zhí)行。

以下為利用互斥對(duì)象實(shí)現(xiàn)線程同步的代碼。

3. 2. 2 WinCE下串口通信

發(fā)送和接收線程都需要通過串口進(jìn)行操作，WinCE下串口通信主要包括3個(gè)步驟［9］:①初始化串口;②串口通信;③關(guān)閉串口。其實(shí)現(xiàn)代碼如下:

串口發(fā)送較簡(jiǎn)單，這里僅對(duì)串口讀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。串口讀數(shù)據(jù)使用ReadFile函數(shù)(使用見上述代碼)，其中dwLength為指定要讀取的字節(jié)數(shù)，dwLengthRcv為實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)。A/D采樣每次上傳數(shù)據(jù)為12字節(jié)，因此應(yīng)取dwLength =12，即當(dāng)ReadFile函數(shù)讀到12字節(jié)數(shù)據(jù)后返回，這時(shí)dwLengthRcv = dwLength = 12。數(shù)據(jù)偶爾丟失會(huì)導(dǎo)致實(shí)際讀取數(shù)小于12，從而影響整個(gè)數(shù)據(jù)的正常接收。事實(shí)上，串口讀數(shù)據(jù)函數(shù)ReadFile還與串口超時(shí)參數(shù)有關(guān)。下面將對(duì)串口超時(shí)參數(shù)的選擇進(jìn)行分析說(shuō)明。

串口讀有兩種超時(shí):間隔超時(shí)和總超時(shí)，分別用T1和T0表示。其中，間隔超時(shí)T1是指在接收時(shí)兩個(gè)字符之間的最大時(shí)延，總超時(shí)T0是指讀操作總共花費(fèi)的最大時(shí)間。通常，總超時(shí)T0一般取較大值(如1 000 ms)，以保證數(shù)據(jù)的正常讀取;間隔超時(shí)T1用于控制ReadFile讀取間隔字符的最長(zhǎng)等待時(shí)間，會(huì)對(duì)接收過程產(chǎn)生重大影響。以本文為例，采樣周期Ts= 20 ms，即CPU間隔20 ms接收12 B數(shù)據(jù)。假設(shè)某異常情況下CPU只接收了10 B，因未達(dá)到設(shè)定要求而進(jìn)入等待狀態(tài)。此時(shí)，為了不影響下次數(shù)據(jù)的接收，間隔超時(shí)應(yīng)小于采樣周期，即T1＜Ts，至于本次接收的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)丟棄。

3. 2. 3 SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)

(1)SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)在WinCE平臺(tái)下的移植。

SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)是由D. Richard Hipp開發(fā)的一個(gè)基于C庫(kù)的輕量級(jí)嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。SQLite3是其最新版本，具有自身短小、快速高效、穩(wěn)定可靠、可移植性好等眾多優(yōu)點(diǎn)［10］，非常適合嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理。

SQLite沒有提供針對(duì)WinCE系統(tǒng)平臺(tái)統(tǒng)一的工程配置文件，需要根據(jù)不同平臺(tái)自己創(chuàng)建工程［11］。SQLite3在WinCE 7.0平臺(tái)的移植流程主要包括4個(gè)步驟:①創(chuàng)建SQLite3動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù);②獲取CppSQLite3U;③將SQLite3加入項(xiàng)目工程;④應(yīng)用程序配置。

(2)SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)的使用。

SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)在WinCE上的使用主要包括創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)和表、插入記錄和查詢記錄，下面給出相應(yīng)關(guān)鍵代碼。

4　測(cè)試結(jié)果

對(duì)完成的上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)的測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)基本達(dá)到預(yù)期，可靠、穩(wěn)定。其中:高速采樣周期為20 ms; CAN總線通信周期為20 ms; SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)每隔1 s進(jìn)行存儲(chǔ);組態(tài)串口屏實(shí)現(xiàn)了用戶設(shè)定和運(yùn)行信息的顯示，刷新頻率為500 ms，同時(shí)響應(yīng)了用戶的查詢操作。

表1給出了系統(tǒng)A/D采樣過程的統(tǒng)計(jì)信息。

表1　A/D采樣統(tǒng)計(jì)信息Tab. 1 A/D sampling statistics

需要指出的是，A/D采樣周期決定了系統(tǒng)運(yùn)行周期，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率影響重大。從表1可以看出，系統(tǒng)的采樣周期為20 ms，達(dá)到了設(shè)定要求。

5　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)建立在ARM Cortex－A8硬件和WinCE 7. 0操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成了噴水推進(jìn)系統(tǒng)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示、通信等各項(xiàng)功能。針對(duì)系統(tǒng)儀表顯示消耗大量系統(tǒng)資源的情況，利用組態(tài)串口屏將系統(tǒng)的人機(jī)交互界面獨(dú)立出來(lái)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。另一方面，在處理器A/D采樣通道數(shù)不足的情況下，利用串口對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展，并在串口通信中利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的20 ms的定時(shí)采樣。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)的各項(xiàng)性能均達(dá)到了預(yù)期效果。

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ARM－based Design and Implementation of Supervision Control System for Waterjet Propulsion

王曉初1徐亮1龔征華2陳建平2袁景淇1
(上海交通大學(xué)自動(dòng)化系1，上海200240;中船708研究所噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，上海200011)

摘要:為提高噴水推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的效能和可靠性，提出了一種基于ARM Cortex－A8內(nèi)核和WinCE 7. 0操作系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。分析了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)，并詳細(xì)討論了系統(tǒng)采樣模塊、人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及WinCE下多線程編程和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)6通道高速采樣，人機(jī)交互界面良好，且具有體積小、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:噴水推進(jìn)嵌入式系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)WinCE串口通信多線程CAN總線ARM

Abstract:Based on kernel of ARM Cortex－A8 and WinCE 7. 0 operating system，the design scheme of a supervision control system for waterjet propulsion is proposed. The hardware architecture and software implementation are analyzed，and the key technologies of the design and implementation of sampling module，interactive interface，and multi－thread programming under WinCE and SQLite database are discussed in detail. The system is characterized with 6－channel high－speed sampling，good user interface，compact，low power consumption and high reliability.

Keywords:Waterjet propulsionEmbedded systemHost computer monitoring systemWinCESerial port communication

中圖分類號(hào):TH－39; TP312

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603011