嵌入式組態軟件系統的研究

嵌入式系統的主要作用是實時控制、監視、管理移動計算機、數據處理等，或者輔助其它設備運轉，完成各種自動化處理的任務。

　　　　嵌入式系統以應用為中心，以半導體技術、控制技術計算機技術和通訊技術為基礎，強調硬件軟件的協同性與整合性，軟件與硬件可剪裁，以滿足系統對功能、成本、體積和功耗等要求。

　　　　最簡單的嵌入式系統僅有執行單一功能的控制能力。在唯一的ROM中僅有實現單一功能的控制程序,無微型操作系統。復雜的嵌入式系統，例如個人數字助理（PDA）、手持電腦（HPC）等，具有與PC機幾乎一樣的功能，實質上與PC的區別僅僅是將微型操作系統與應用軟件嵌入在ROM、RAM與FALSH存儲器中，而不是存儲于磁盤等載體中。很多復雜的嵌入式系統又是由若干個小型嵌入式系統集成的。

　　　　隨著后PC時代的到來，在工業及其他相關領域的客戶更注重使用符合其特定需求并帶有智能的嵌入式工業控制組態軟件。此種組態軟件可大大縮短嵌入式產品投放市場的時間，而且使產品具有豐富的人機界面，嵌入式WEB及符合IEC61131-3的控制邏輯功能，并且可以存儲相當數量的歷史數據，部分完成現場工作站級計算機的功能。

　　這里給出不同行業的一些應用舉例： 
　　l、 制造及過程控制：人機操作面板、控制機床、電機驅動、測試設備、環境監測、輸配電設備、煉油廠設備、遠程無人采集監控站。
　　2、 醫療衛生設備：X光機、CT、醫政管理系統、病房監測系統；
　　3、樓宇自控及商業零售網點、商業POS、保安監控設備；
　　4、 辦公設備及信息家電、機頂盒、手機嵌入系統、程控電話；
　　5、 網絡化可組態設備，如下圖：
　　

歸納起來，我們可以給出嵌入式組態軟件在工業過程中的應用模式。其中應用軟件的HMI組件，基于Windows NT ，可以通過該平臺上的網絡服務獲得現場控制器的操作及監視數據，當然還有一些其他的HMI擴展組件以完成特定功能（如趨勢、報表及歷史記錄等）。而位于嵌入式系統的Internet組件可將所設計的HMI界面通過其內嵌的Web服務程序發布至Internet以供操作人員通過瀏覽器進行監控，而邏輯和流程控制組件基于現場級的帶有實時操作系統的控制器，利用IEC61131-3完成嵌入式控制功能。

　　一般來講嵌入式工業自動化組態軟件是一種用于嵌入式系統并帶有網絡功能（包括Internet服務功能）的嵌入式應用軟件，嵌入式系統是指可嵌入至某一設備、產品并可連接至網絡的帶有智能（即微處理器或微控制器）的設備。嵌入式組態軟件分開發系統和運行系統。嵌入式組態軟件的開發環境一般運行于具有良好人機界面的Windows 操作系統上，而運行環境可基于多種嵌入式操作系統如Windows CE， DeltaOS，NT Embedded及LINUX和Dos之上，甚至直接支持特定CPU，嵌入式自動化組態軟件的運行系統大多為組件式可伸縮配置結構，一般包括：人機界面HMI組件（包括歷史數據瀏覽、報表及趨勢圖等可選模塊）、歷史數據記錄組件、網絡通訊組件、Internet組件、Control 邏輯和流程控制組件及實時內核。

　　北京昆侖通態公司即將推出的嵌入式組態軟件包（Mcgs For Embedded）包括組態環境和運行環境兩大部分。組態環境運行于具備良好人機界面的Windows操作系統上，具備與北京昆侖通態公司已經推出的通用版本組態軟件和WWW版本組態軟件相同的組態環境界面，有效幫助用戶建造從嵌入式設備，現場監控工作站到企業生產監控信息網在內的完整解決方案；并有助于用戶開發的項目在這三個層次上的平滑遷移。
　　
　　這個嵌入式組態軟件包的組態環境包括：
　　1. 工程管理器（包括項目、實時數據庫、設備等的管理）。
　　2. 畫面組態，包括趨勢圖，報警和報表。
　　3. 實時數據庫和歷史數據庫的組態。
　　4. 編譯下載系統，組態安全系統。
　　5. 作為嵌入式組態核心的控制系統組態包括以下部分：

　　l 軟邏輯組態，實現邏輯控制功能的軟PLC系統。
　　l 連續過程組態及配置，實現流程控制的流程圖系統。
　　l 調試工具，允許在線監視各個內部變量的值，監控流程執行順序，允許重新設置和啟動流程運行。
　　l 仿真運行工具，在開發環境中，仿真運行控制流程，離線測試控制效果。
　　
　　這個嵌入式組態軟件包的運行環境包含了一個嵌入式實時多任務操作系統，可以運行于低端硬件平臺，典型的應用平臺如下：

　　l 24MHz Intel386EX 高性能32 位微處理器。
　　l 2M 字節系統RAM 包括支持DOS 的640KB 基本存儲器及相應的高端存儲器。
　　l 512K 字節Flash 存儲器。
　　l 10BASE-T 以太網控制接口NE2000 兼容。
　　l 一個標準RS232C 串口。
　　l 可以連接字符或點陣LCD 接口也可支持數字LED 接口。
　　l 可連接擴展小鍵盤。
　　l 可以連接液晶屏或顯示器。
　　l 可直接支持M-System 公司的DiskOnChip 2000 系列芯片。
　　l 供電電壓5V，工作電流330mA

　　對于更高的性能需求，可以使用更高的CPU，更大的內存，并擴充串口或總線采集設備等等。

　　運行于運行環境中的，是由組態環境組態出來的控制流程和業務邏輯。整個運行系統由任務（task）來組織。每個任務包括一個控制流程，由控制流程執行器執行。任務可以由事件或中斷，定時時間間隔，系統出錯或報警，以及上位機指令來調用。運行環境的特殊狀態（例如：啟動，關閉）都有相應的事件對應。每個任務有優先級設置，高優先的任務能夠中斷低級優先任務。同優先級的程序若時間間隔設置不同，可競爭強占CPU資源。在控制流程中，可以進行邏輯和數學運算，流程判斷和執行，設備掃描和處理，控制算法的循環計算、以及網絡通訊等操作。

　　除了控制流程，運行環境中還包括以下一些系統服務。
　　l 通訊服務，實現MCGS系統之間以及與其他系統之間的數據交換。
　　l 存盤服務，實現采集數據的存儲處理操作。
　　l 日志服務，實現系統運行日志記錄功能。
　　l 調試服務，輔助實現開發過程中的調試功能。
　　
　　由于嵌入式組態軟件交叉平臺開發的特性，以及其特殊的實時性能和穩定性能要求，在整個開發過程中，調試工具起了一個非常重要的作用，可以說，調試工具的簡便易用，功能強大是嵌入式組態軟件被用戶接受的核心因素之一。MCGS嵌入式組態軟件提供了如下的調試功能。

　　1）、帶有斷點設置功能。可以選擇任意任務中，在控制流程執行的任意位置停止。
　　2）、監控運行系統運行狀態。通過串口或TCP/IP網絡通訊，采集運行系統實時數據庫各個數據對象的數值，并在上位機的調試環境中顯示出來。
　　3）、在線修改。在線情況下，修改部分組態結果或參數，運行環境可以接受組態環境的命令，在任意時刻停止運行，重新下載組態結果或更新部分組態結果，重新開始運行。
　　4）、運行系統實時數據庫數據對象數值的觀測和強制改變，以方便系統的調試。
　　5）、仿真運行。允許在離線狀態下（不連接嵌入式系統），測試控制邏輯。仿真狀態下，允許如下操作：可設置斷點；直觀顯示各個流程執行狀態，各個變量當前數值；仿真I/O結果；輸入通過直接點擊對應的輸入點的狀態燈來實現，數字量輸入允許直接改變模擬量，彈出電位器或數字輸入界面，模擬量和計數計時的值允許由數字直接輸出。 

　　同時，由于嵌入式組態軟件按功能剪裁的特性，以及其內嵌的實時多任務操作系統，可以在保證整個嵌入系統小體積，低成本，高實時性，高可靠性的同時，方便不具備嵌入式軟件開發經驗的用戶在極短的時間內，使用嵌入式組態軟件快速開發完成一個嵌入式系統，并極大縮短嵌入式產品進入市場的速度。