一種嵌入式數據終端的設計方案與實現

摘要：以MES 在制造業的應用為背景，針對企業車間的數據類型、數據采集手段、數據 下達與顯示方式在各種行業千差萬別的實際情況，提出了一種所有功能透明、受控于上位機 的基于S3C44B0 的嵌入式智能交互終端的數據采集方案。此方案能解決數據采集終端在不同 行業間推廣過程中的通用性問題，縮短系統的開發周期，日常維護和升級都非常方便。詳細 地給出了交互系統的總體模型，嵌入式智能數據交互終端的硬件平臺、軟件框架與設計流程。

1、引言

傳統的 ERP 等信息管理系統在制造業企業內發揮了重要的作用，但這些系統還未能延伸 到車間過程管理的環節,使車間過程管理自動化、信息化、智能化。現在新興的MES 系統為 解決以上的問題，通常在車間借用各種數據交互終端。數據交互終端負責采集和處理最原始 數據并將其傳送到工作站，同時接收工作站下達的操作命令[1]。但是，傳統的數據交互終端 把業務流程及數據采集項定制設計成程序固化在終端內，當業務流程發生變化或在不同行業 中應用時，就需要花費大量時間修改終端程序與上位機應用程序。例如在一個系統中有N 臺終端要實現不同的業務，就要設計N 套終端程序，使得終端程序的版本很多，很明顯不能 適應現代企業的快速變化，也不利于行業間的推廣。本文提出一種新的設計方案，引入業務 功能配置引擎與業務解析引擎。其中業務功能配置引擎為上位機應用程序核心，業務解析引 擎集成于數據交互終端。這樣，當業務或行業變化時，只需改變上位機的業務配置引擎的配 置信息而無需改變終端程序。采用這樣的設計方案可以加快系統開發進度，以及系統在各種 行業中的推廣。

2、嵌入式智能數據交互終端硬件平臺

硬件平臺采用Samsung S3C44B0 處理器，該處理器采用的ARM7TDMI 結構，最高頻率 66MHz[2]。本平臺以此處理器為核心，添加諸多外圍模塊，其硬件平臺框圖如圖1 所示。

鍵盤，RFID 與液晶屏為終端的人機交互平臺;系統的核心模塊通過系統總線與處理器 連接;外接豐富的RAM 與ROM 資源可以提高系統軟件設計的靈活性;以太網作為主要通訊接 口，使得系統通訊更加標準化，保證了通訊的速度與可靠性。在本系統中，除處理器、SDRAM、FlashRom 為主板固定模塊，其它外圍均采用可拔插的設計原理，這樣當需求改變時，只需 插上或拔下需要的外圍模塊即可，這樣的設計思想增加了終端的靈活性并縮短開發周期。

3、軟件設計的思想與實現

3.1 智能數據交互系統的整體模型及工作原理

在講述數據交互終端的軟件實現前，首先介紹系統的整體結構以及其工作原理。圖2 是MES 系統中的底層數據交互的總體模型。數據交互系統的上位機主要由業務需求模塊、業 務配置引擎、數據解析引擎、引擎配置信息與底層通訊模塊組成。系統從上層管理系統中獲 取業務需求，業務配置引擎讀取引擎配置信息，生成業務事件鏈，通過通訊模塊根據工位地 址發送到相應數據交互終端，相反收到采集數據包時，數據解析引擎解析數據交互終端采集 到的數據，最后交由業務需求模塊反饋回上層管理程序。數據交互終端軟件主要由底層通訊 模塊、業務解析引擎、終端表現層與外設驅動與響應模塊組成。終端通訊層接收到上位機的 數據包校驗正確后交由業務解析引擎。解析引擎根據引擎協議解析出業務事件鏈后，通過終 端表現層，并等待數據采集，采集完成后交由采集生成引擎，生成固定格式數據再返回上位 機，從而形成數據交互的閉環。

3.2 終端引擎的實現原理

以上為系統的工作原理，下文接著對數據交互終端業務解析引擎與數據采集引擎的實現 做詳細的介紹。實現的功能主要就是：液晶顯示與外設控制。液晶如何顯示，顯示那些內容， 外設如何控制，在沒經過業務解析引擎前終端都是保持著上次狀態，經過解析后才知道應該 實現那些東西，如何去實現。解析引擎就是根據特定協議將一段數據轉化為邏輯控制功能的 庫。也就是通過一種協議把終端的業務邏輯交給了功能強大的PC 機去處理。終端工作只是 每次邏輯計算后的表現。要實現以上的功能，就必須有一套完整的功能協議棧，設計協議棧 之前，首先將終端的功能進行模塊劃分，這里以通訊模塊往后進行劃分，主要有：鍵盤控制、 液晶顯示、外設采集器控制。每個模塊繼續細化，盡可能表現各個模塊的可能會出現的狀態。 再次，功能協議的實現，協議由協議關鍵字與控制內容組成，比如關鍵字A 代表終端硬件模 塊A，關鍵字A 后面的內容表示上位機要求模塊A 要實現的功能，模塊A 功能繼續細化。如 表1 給出了部分功能協議組成。終端的響應上位機的業務狀態主要由兩個狀態量控制，在程 序上我們定義為兩個全局變量，分別用來表示下位機當前屬于哪個業務功能與所屬該功能的 步驟，在程序上定義為ID 與STEP，上位機系統已經把ID 與SteP 的邏輯流程設計好，例如 在某個ID 與STEP 狀態時，終端屏幕上顯示是工藝完成情況，并要求用戶通過各種采集外設 進行數據采集，提交上位機。每次上位機發送下來的數據都是以ID+STEP+模塊A 控制字 +模塊A 控制數據+模塊B 控制字+模塊B 控制數據+…。同時設置觸發模塊的NEXT_ID與NEXT_STEP。當相應觸發發生時，上位機可以根據NEXT_ID 與NEXT_STEP 向終端發送下個 業務流程與其步驟。比喻上位機是一個龐大的中央處理器，控制著業務流程的整個邏輯計算 與數據的組織，車間的所有終端就更像一個輸入輸出設備圍繞著這個中央處理器。我們知道 計算ID×STEP 個邏輯需要一定的CPU 時間，如果將這個工作交給上位機(CPU 達到G 級的 處理器)去完成，處理能力有限的終端就可以去處理更多的其他采集工作。同時，ID×STEP 個業務界面需要消耗很多的 RAM 與ROM 資源，如果把這些界面固化與終端內部，將大大增 加了終端的硬件成本。而且當需求改變時，必須花大量的工作去更改每個終端的程序與數據。 如果把以上工作交給上位機處理，可以在很小的硬件資源中實現ID×STEP 個功能間的相互 跳轉，而且當業務改變時，只需要改變上位機的邏輯關系與數據，而無需改變終端內部的應 用程序。表一給出了協議的部分組成。