摘 要： 介紹了一種船舶主機燃油粘度試驗臺中粘度控制器的設計。包括控制器人機界面的設計、控制器的嵌入式開發(fā)平臺和開發(fā)環(huán)境、硬件接口設計原理以及軟件設計方法等。
關鍵詞： 嵌入式；主機；粘度；控制
近代船舶柴油機為降低營運成本，使用低質燃油，由于在常溫下其粘度很高，在管路中難以運輸，更不能直接噴入氣缸進行燃燒。為了保證船舶主機燃燒良好，能正常運行，燃油粘度必須保持在一個合適的范圍內[1]。半實物主機燃油粘度仿真控制系統(tǒng)，把船上的燃油粘度控制系統(tǒng)遷移到了教學實驗室中。本文內容為試驗臺上粘度控制器的設計與實現。
1 粘度控制器人機界面
粘度控制器人機界面如圖1所示。矩形區(qū)域為LCD顯示區(qū)域。下方8個按鍵區(qū)域為控制狀態(tài)選擇區(qū)，分別有粘度控制、溫度控制、手動控制和停止控制、主界面、設置模式、報警復位等按鍵。右邊16個按鍵的區(qū)域為數字鍵操作區(qū)域和符號鍵區(qū)域。包括數字鍵、修改數據、移動光標、清除數據、確定等按鍵。
2 控制器硬件設計
在本半實物主機燃油粘度控制系統(tǒng)設計中，燃油粘度控制器需要實現操作模式、控制方式、開關量、數據量等狀態(tài)的顯示，也要實現各個變量的修改，也可以進行報警復位的操作。為實現如上功能，除需要嵌入式網絡模塊外還需有LCD顯示、鍵盤輸入、與上位機通信、開關量輸出等模塊。
2.1 嵌入式網絡模塊
控制器以成都英創(chuàng)的EM9260嵌入式網絡模塊為基礎開發(fā)完成。EM9260是一款面向工業(yè)自動化領域的高性價比嵌入式網絡模塊，其內核CPU為工業(yè)級品質的AT91SAM9260，模塊已預裝正版Window CE5.0實時多任務操作系統(tǒng)，用戶可直接使用Microsoft提供的免費軟件開發(fā)工具eVC（+SP4）或其他更高版本的開發(fā)工具，在EM9260上開發(fā)自己的應用程序。英創(chuàng)公司針對EM9260提供了完整的接口底層驅動以及豐富的應用程序范例，用戶可在此基礎上方便、快速地開發(fā)出各種工控產品。
2.2 LCD顯示部分
EM9260的主要應用領域是那些需要連續(xù)工作的工業(yè)環(huán)境，甚至是無人值守的環(huán)境，因此對顯示的要求相對較低。即使使用LCD，通常也是顯示一些設備工況信息，因此可選用一些低成本LCD模塊，如控制器為KS0108、分辨率為128×64的點陣LCD模塊就是典型的低成本LCD。在程序設計上，LCD顯示僅僅是作為ISA總線上擴展的簡單外設，而不是通常意義下的Windows顯示窗口。從CE的觀點來看，EM9260屬于典型的無頭設備（Headless）。對常用的幾款低成本LCD屏，EM9260的LCD驅動程序可實現自動識別，為客戶產品的LCD選型提供了靈活性。
控制器選用240×128 LCD屏，將信號線與模塊連接即可實現。LCD信號接口電路如圖2所示。
圖4是通過ISA總線擴展矩陣鍵盤的原理圖，用1片74HCT139對總線地址譯碼，再通過74HCT273實現8位數字輸出用于掃描輸出，通過74HCT245回讀掃描碼，僅需要3個器件，就能實現8×8矩陣鍵盤擴展。
外接矩陣鍵盤原理圖如圖5所示。
將CAN接口與CAN接口卡按信號線相接，即可實現與上位機的通信。
2.5 開關量輸出部分
使用嵌入式模塊的GPIO輸出接口，可以實現控制器的報警聲音，以及指示燈的點亮。電路如圖7所示。
3 控制器軟件設計
主板安裝了操作系統(tǒng)WindowsCE，WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上電腦類的電子設備操作系統(tǒng)，Windows CE是精簡的Windows 95，它的圖形用戶界面相當出色。Windows CE是有優(yōu)先級的多任務操作系統(tǒng)，它允許多重功能、進程在相同時間系統(tǒng)中運行Windows CE支持最大的32位同步進程。一個進程包括一個或多個線程，每個線程代表進程的一個獨立部分，一個線程被指定為進程的基本線程，進程也能創(chuàng)造一個未定數目的額外線程，額外線程實際數目僅由可利用的系統(tǒng)資源限定[2]。
軟件開發(fā)工具為eVC，eVC是微軟針對嵌入式系統(tǒng)提供的一套功能完善且可免費獲取的開發(fā)工具，與PC平臺通用的VC保持了高度的一致性，同時考慮C/C++的執(zhí)行效率，因此eVC被作為EM9260應用程序開發(fā)的首選工具。建立好英創(chuàng)ARM9嵌入式模塊所需的硬、軟件開發(fā)環(huán)境，并利用以太網將開發(fā)主機和英創(chuàng)ARM9嵌入式模塊連接成功以后，用戶就可以通過eVC開發(fā)、調試自己所需的應用程序了。eVC開發(fā)環(huán)境和普通的VC非常相似，客戶可以通過市面上很常見的大量VC書籍資料來進行編程方面的學習。然而，使用eVC開發(fā)和VC的最大區(qū)別之一在于VC開發(fā)的程序直接運行于普通PC機；eVC開發(fā)的應用程序最終要在目標機而非PC機上運行調試。這一過程是廣大VC程序員和剛接觸嵌入式系統(tǒng)的工程師所不熟悉的。
3.1 系統(tǒng)主程序軟件設計
根據控制器系統(tǒng)設計，軟件開發(fā)涉及到LCD菜單顯示、按鍵、CAN通信等操作。控制器主程序流程圖如圖8所示。
3.2 矩陣鍵盤軟件設計
矩陣鍵盤驅動程序每隔20 ms掃描一次鍵盤，判斷是否有按鍵輸入，如果確認了按鍵輸入，則產生WM_KEYDOWN消息，緊接著判斷按鍵是否釋放，按鍵釋放后產生WM_KEYUP消息，然后進行下一次掃描，如此循環(huán)。圖9是按鍵掃描程序的流程圖。
根據上述流程圖，封裝的KEY_API類，該類提供兩個方法函數，如下：
//打開鍵盤掃描
//nRow，nCol矩陣鍵盤行列數，最大為8×8
BOOL OpenKeyPad（int nRow，int nCol）；
//關閉鍵盤掃描
BOOL CloseKeyPad（）；
通過KEY_API類，在應用程序中，僅需要調用OpenKeyPad（）函數，就能打開鍵盤掃描程序。當鍵盤上某個鍵按下時，驅動程序將產生WM_KEYDOWN和WM_KEYUP消息。這兩個消息的附加參數（wParam和lParam）包含的是虛擬鍵代碼和掃描碼等信息，應用程序中可通過TranslateMessage函數將WM_KEYDOWN和WM_KEYUP消息組合轉換為一條WM_CHAR消息，該消息的wParam附加參數包含了按鍵字符的ASCII碼[3]。
3.3 CAN通信軟件設計
3.3.1 CAN報文的幀格式
在CAN2.0B中存在兩種不同的幀格式，其主要的區(qū)別在于標識符的長度，具有11位標識符的幀稱為標準幀，而包括有29位標識符的幀稱為擴展幀。
3.3.2 啟動CAN通信接口
CAN通信接口的驅動程序采用的是WinCE下流式驅動程序（StreamDevice Driver），并在此驅動程序的基礎上為客戶封裝了一套簡單實用的API函數。各個函數的定義在can_api.h文件下，在該頭文件中對于各個API函數均有相應的中文說明。作為流式接口函數通常是和文件系統(tǒng)的API函數（如CreateFile）緊密匹配的，因此在使用英創(chuàng)提供的CAN接口的API函數時，首先需要調用CreateFile（…）來獲取CAN接口設備的句柄handle，如使用CAN1通信口，可以用以下函數：
m_hCAN=CreateFile（_T（“CAN1：”），
GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，
0，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL）；
對于CAN2通信接口，只需將其中的名稱換成：_T（“CAN2：”）即可。在創(chuàng)建CAN設備得到有效的handle之后，就可以調用can_api.h中定義的相應函數來啟動CAN設備接口BOOL CAN_StartChip（HANDLE hDevice）；至此CAN通信接口進入工作模式。
3.3.3 設置CAN通信接口參數
在進行CAN數據通信之前，需要設置和CAN通信相關的一些參數，包括CAN通信的波特率設置以及對接收過濾器的設置。BOOL CAN_SetBaudRate（HANDLE hDevice，BYTE*index）用于設置CAN通信的波特率，波特率的設置范圍為：10 kb/s~1 Mb/s。具體的定義參見can_api.h文件中的注釋說明。通過配置接收過濾器，CAN通信接口可以實現只接收標識符也接收過濾器預設值相一致的報文。接收過濾器由接收碼寄存器ACRn和接收屏蔽碼寄存器AMRn來定義，還可以選擇兩種不同的過濾器模式，單過濾器模式或者雙過濾器模式。關于ACR、AMR中各位的定義，參見SJA1000的數據手冊。在英創(chuàng)提供的API函數中，用戶可以調用以下函數來實現接收過濾器的設置：
BOOL CAN_SetGlobalAcceptanceFilter（HANDLE hDevice，BYTE*AcceptanceFilter，BYTE size）
3.3.4 CAN通信接口的數據收發(fā)
采用的CAN通信方案中，CAN通信的數據收發(fā)均采用中斷方式，驅動程序中已自動完成了數據的收發(fā)以及內部定義的CAN接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)的管理。對于用戶開發(fā)應用程序來說，只需要調用英創(chuàng)公司提供的CAN通信API函數中的收發(fā)函數即可[4]。
在進行CAN通信應用程序的開發(fā)時，對于CAN通信數據接收線程可以采用兩種方式：一種可以采用定時查詢，即定時調用函數CAN_GetNextReceivedFrame（…）檢測是否接收到CAN報文數據；一種可以利用操作系統(tǒng)的消息機制，采用事件響應的方式，一旦硬件接收到數據報文，底層的驅動接收程序會自動讀取報文，同時發(fā)送一個接收事件。作為應用程序的接收線程在等待到該事件后，調用CAN_GetNextReceivedFrame（…）即可進行CAN數據報文的讀取。需要注意的是函數CAN_GetNextReceivedFrame每執(zhí)行一次，只是讀取了1幀CAN數據報文，如果在應用程序中需要將最新的數據全部讀出，只需反復調用該函數，直到該函數的返回值為FALSE[5]。
CAN數據報文的發(fā)送比較簡單，應用程序直接調用函數CAN_SendFrame（…）即可。
在粘度控制器的開發(fā)中，對嵌入式開發(fā)平臺的熟悉過程至關重要。其中包括開發(fā)板接口的使用，各個模塊的調試和實現。對硬件接口規(guī)劃完成后大量的工作集中在程序的編寫。包括擴展鍵盤的實現中類庫的加載、數字量數據位數的調試、can通信規(guī)則的調試、光標的實現過程中多線程方法的學習和使用，且解決了調試過程中發(fā)現的由于電磁干擾導致LCD復位黑屏的問題以及LCD背光的實現。
經后期在已完成的3套粘度控制試驗臺上使用測試，該粘度控制器系統(tǒng)穩(wěn)定、使用簡單方便，滿足了預期的控制和通信的功能，但是由于采用的是成品的嵌入式平臺，開發(fā)板資源配置上還可以優(yōu)化以節(jié)約資源成本。
參考文獻
[1] 姜淑翠.基于單片機的船舶主機燃油黏度控制[D].大連：大連海事大學，2010.
[2] 王洪杰.Windows CE下多線程多路播放的設計[D].天津：天津大學，2006.
[3] 胡在華.實時嵌入式系統(tǒng)的研究與應用[D].長沙：湖南大學，2002.
[4] 蔡建平.關于嵌入式應用開發(fā)技術[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2001（3）：5-11，34.
[5] 張琪君.基于面向對象的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)方法研究及其應用[D].濟南：山東大學，2006.