基于WindowsCE的HIRFL-CSR前端控制系統設計
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關鍵詞：分布控制系統；嵌入式操作系統；Windows
蘭州重離子加速器冷卻存儲環工程(HIRFL_CSR) 控制系統是一個由CSR 電源系統、注入引出系統、內靶系統、真空系統、電子冷卻系統等多個分系統組成的多層分布式控制系統， 各分系統通過以太網與前端控制系統連接，其前端控制系統是以嵌入式計算機為控制節點的分布式控制子系統， 系統組成框圖見圖1。
WindowsCE 嵌入式操作系統
Windows CE 是微軟公司推出的一種嵌入式實時操作系統，目前最高版本是WindowsCENet， 具備完整的操作系統特征和端對端開發環境， 包括了基于WindowsCE 的定制設備所需的諸多功能， 可以為有限資源的硬件設計多線程、完整優先級、多任務的系統， 特別是模塊化的特點允許它對于從掌上電腦到專用工業控制器的用戶電子設備進行定制。
WindowsCE 能從內存磁盤中啟動， 操作系統的基本內核可以精簡到只需200kB 的ROM ， 同時操作系統采用層狀的體系結構， 具有層次性強、可移植性好， 組件化可剪裁、強調編程接口和支持上層應用等特點， 系統提供對嵌入式中斷的支持， 更好的線程響應和更多的優先級別， 使得應用系統更具有實時性， 而且也使開發人員在控制嵌入式系統的調度時更加靈活。WindowsCE 能夠支持Act iveX、Java 以及M FC/ATL 等技術， 提供對Internet 的開發支持， 命名開發人員可以利用原理的編程技術經驗， 方便地開發基于WindowsCE 的應用程序.與其他操作系統相比，W indowsCE 具有以下特點:
1) 32 位多線程、多任務、完全搶占式的操作系統;
2) 強大的圖形顯示功能支持， 用戶能完全定制自己風格的操作界面;
3 ) 支持大部分Win32 A P I， 使得基于其他Window s 的應用程序能方便地移植到WindowsCE 上;
4) 體積小， 并能從ROM 直接啟動， 無需硬盤， 不存在系統崩潰和病毒感染問題。
系統的硬件結構
該前端控制系統節點的硬件結構由4 部分組成: 研樣ECL -1541CLDNA 單板計算機、以太網、RS232/485 總線、受控設備， 其中受控設備由大量帶有標準串行設備接口的工業儀表組成， 其組成結構如圖2 所示。
整個系統的核心操作平臺是研樣EC3-1541CLDNA 單板計算機， 該平臺是國內第一款在146mm 102mm 尺寸上開發的全功能嵌入式工業級主板。其CPU 為N S GX I 200～300MHz 低功率處理器， 數據存儲采用MSystem 的電子硬盤“DiskOnChip 2000”。單板機還集成有: 鍵盤接口、鼠標接口、兩個RS232接口、一個并口、一個網卡接口及液晶顯示器接口。系統通過以太網接口與上層系統連接， 通過RS232 接口與受控設備相連。
系統的軟件實現
系統功能
H IRFL -CSR 前端控制系統在功能上可分為守護進程和數據處理兩部分。守護進程負責監聽串行設備通信端口和以太網通信端口， 認證遠端的登錄用戶并監測系統狀態， 響應上層控制系統的控制請求。數據處理部分包括實時數據采集與顯示， 實時狀態監測與報警及與上層控制系統的數據交換。
WindowsCE 平臺定制
創建基于WindowsCE 的應用程序， 首先要搭建一個WindowsCE 平臺， 即根據目前設備的硬件組成的WindowsCE 進行定制， 安裝或創建設備驅動， 生成一個基于目標設備硬件配置的操作系統映像文件， 通過網卡、串口或并口將映像文件下載到目標設備的硬件平臺中.WindowsCE 平臺創建過程見圖3。
軟件實現
由于WindowsCE 支持大部分Win32 應用程序接口(A P I) ， 這使得WindowsCE 下的應用程序與Win32 平臺下的應用程序有很強的通用性， 但WindowsCE 下的程序設計僅支持UNICODEWindows 函數。此外，Microsof t 公司提供了EVB、EVC 專用于WindowsCE 下的應用程序開發， 在其最新推出的Visual Studio.Net 2003 中也提供了開發W indowsCE 應用程序的功能。
本系統軟件采用eMbeddedVisualC+ + 4.0開發， 根據功能需求， 將軟件分為3 個模塊， 即圖形用戶界面、串行通信和網絡通信。
1) 圖形用戶界面模塊
WindowsCE 的圖形用戶界面相當出色，它擁有基于MicrosoftInternetExplorer的Internet 瀏覽器， 支持TrueType 字體， 可以利用豐富靈活的控件庫在WindowsCE 環境下為嵌入式應用程序建立各種專門的圖形用戶界面。本文實現的前端控制系統中， 用戶界面主要 用于實現設備采集數據的曲線顯示、報表輸出，設備狀態的模擬顯示和報警處理等內容。
2) 串行通信模塊
嵌入式單板計算機采用RS-232-C 標準與串行設備通過串行連接交換數據。WindowsCE 支持基于Windows 的臺式機上用于串行通信的標準函數。主要有CreateFile()、ReadFile( )、WriteFile ( )、CloseHandle ( )、GetCommState ( )、SetCommState ( )、SetupComm ()、Pu rgeComm ()、SetCommM ask( )、WaitComm Event ( )、ClearComm Erro r ( ) 等函數。使用這些函數可實現打開、關閉和操作串行口， 傳送和接收數據以及管理連接等。在具體的串行通信程序開發中， 采用事件驅動方式。為了實時響應事件， 創建專門的監視輔助線程， 有數據到達時依靠事件驅動， 讀入數據并運行相應的接收數據處理程序完成相應的工作。
3) 網絡通信模塊
嵌入式計算機通過以太網與上層系統通信， 采用傳輸控制協議(TCP) 通信， 嵌入式計算機為客戶端， 上層控制系統為服務器端， 在通信模塊中， 首先輸入通信的遠程服務器的IP 地址和通信端口號， 創建Winsock 套接字， 綁定IP地址和端口號， 然后與遠程服務器正處于偵聽狀態的套接字建立連接， 從而將從設備采集到的數據和設備狀態傳送給上層控制系統的數據庫服務器或從上層控制系統讀取相應的控制指令。
結論
Windows CE 是一個具有搶占式多任務功能， 并具有強大通信能力的嵌入式操作系統。基于WindowsCE 開發的嵌入式分布控制系統具有友好的用戶界面， 并能夠縮短開發周期， 提高系統的可擴展、可移植和互操作性。本文設計的基于WindowsCE 操作系統的嵌入式分布系統 已成功地應用于HIRFL_CSR 分布式控制系統的前端控制中。
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