喷水推进上位机监控系统ARM设计与实现

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

王晓初1　徐　亮1　龚征华2　陈建平2　袁景淇1(上海交通大学自动化系1，上海　200240;中船708研究所喷水推进技术重点实验室2，上海　200011)



喷水推进上位机监控系统ARM设计与实现

Multi－thread CAN bus ARM

国家自然科学基金资助项目(编号:61233004);

教育部博士点基金资助项目(编号:20110073110018)。

修改稿收到日期:2015－07－28。

第一作者王晓初(1990－)，男，现为上海交通大学控制科学与工程专业在读硕士研究生;主要从事喷水推进控制系统和嵌入式系统的研究。

0　引言

喷水推进是一种重要的船舶动力技术，广泛应用于高性能船舶［1］。喷水推进器的可靠运行离不开稳定、高效的上位机监控系统。喷水推进系统上位机监控系统的主要任务包括:对输入设备的采样、为用户提供良好的人机交互界面、与下位机进行数据通信以及对系统信息的存储与查询等。

上位机监控系统的实现需要稳定、高效的嵌入式硬件和软件。随着高性能芯片制造技术的不断提升，具有体积小、功耗低、可靠性高的ARM系列芯片得到广泛应用［2］。由于ARM芯片可适应多种嵌入式操作系统，因此成为嵌入式处理器的首选。在操作系统的选择上，VxWorks在实时性和可靠性上具有巨大优势，但价格相当昂贵，且开放性差，开发难度大; Linux具有源代码开放、实时性和可移植性良好等特点，但是尚没有很好的用户图形界面; WinCE是微软推出的一款多任务、多线程的实时操作系统，具有紧凑、可靠性高等特点，且用户图形界面良好，开发周期短、通用性强，可满足大部分工业领域嵌入式系统开发［3］。因此，本文采用WinCE作为上位机操作系统。

1　总体框架

基于ARM和WinCE喷水推进系统上位机的总体框架见图1，主要包括采样模块、组态串口屏、数据库和CAN总线通信4个部分。

图1　喷水推进系统上位机总体框架Fig. 1　Overall framework of the host computer in waterjet propulsion system

系统采样模块包括6路模拟量采样(A/D)和8路数字量采样(DI)，采样周期达到20 ms;组态串口屏包括喷水推进系统仪表及数值的显示，并提供历史数据查询的人机交互界面;数据库则对系统实际运行数据进行存储，并响应用户的查询操作; CAN总线通信作为上位机与下位机的桥梁，完成二者间信息交互。

需要说明的是，尽管WinCE操作系统具有较好的用户图形界面，但在开发过程中发现图形界面的绘制会消耗系统不小的内存资源，制约了系统采样频率的提高。因此将系统的人机交互界面模块独立出来，以组态串口屏的形式实现其功能。

2　系统硬件设计与实现

图2给出了系统硬件设计框图，其核心是TI公司生产的AM3352微处理器［4］，内核为ARM Cortex－A8，频率为800 MHz。针对A/D采样和组态串口屏模块，由于二者均为串口(RS－232串口，以下均简称串口)通信，可利用处理器自带的UART1和UART2，并通过MAX3243E芯片转换电平得到串口; 8路DI采样由系统内部提供的GPIO接口实现;系统提供的USB OTG接口用于连接计算机，完成程序调试及下载; LCD接口外接调试屏，用于开发过程的界面显示;存储器方面，扩展了256 MB DDR3 SDRAM和256 MB NAND Flash，以提高系统性能;同时，为了能够更大容量地存储系统运行数据，对系统内部SD卡接口进行了扩展，得到TF卡接口;处理器还自带2路CAN总线接口，通过CAN总线控制芯片CTM8251AT，可实现CAN总线网络的数据通信［5］。

图2　系统硬件设计方案Fig. 2 Design scheme of system hardware

对于硬件的扩展部分，考虑到CAN总线通信和存储器扩展技术比较成熟，因此主要对A/D采样和组态串口屏两个模块作进一步说明。

2. 1 A/D采样

A/D采样包括对手轮、手柄等输入信号的采样，共6路，电压范围为0～5 V，采样周期达到20 ms。考虑到系统只留有4路ADC接口，因此对A/D采样进行扩展。

由于系统具有丰富的UART，且串口通信实现简单、通信波特率可达57 600 Bd/s，因此选用串口实现A/D采样模块与CPU的通信。

为了实现A/D采样，本文选用了PIC18F2423集成芯片。该芯片是美国MICROCHIP公司研发的一种用于开发和控制外围设备的集成电路，自带13通道12位精度A/D模块，单通道转换速率可达50 000次/s，可满足6通道20 ms采样周期要求。

A/D采样模块的工作模式如图3所示。PIC与CPU之间通过串口进行通信。考虑到采样模块的定时并不精确，因此采用CPU通过串口定时发送采样命令，PIC接收命令采样并上传的模式。

图3　A/D采样工作模式Fig. 3 A/D sampling mode

2. 2组态串口屏

组态串口屏是带有组态控件、串口控制的液晶屏。组态控件包括文本、仪表、曲线、图标、进度条等，组态串口屏接收CPU通过串口发送的指令，便可完成显示操作。考虑到在WinCE上绘制大量仪表、数值会消耗大量系统资源，因此将上位机的人机交互显示界面以组态串口屏的方式独立出来，以提高系统稳定性。

本系统选用广州大彩光电科技有限公司生产的10. 4英寸(1英寸= 25.4 mm)组态串口屏，其核心处理器为Cortex－M3 +高速FPGA，带触摸，内置虚拟数字小键盘和全功能键盘，支持串口通信方式，最高通信波特率可达115 200 Bd/s。

组态串口屏的示意界面见图4，其主要包括运行参数仪表显示、输入(模拟量和开关量)显示以及查询界面显示。

图4　组态串口屏显示界面Fig. 4　Display interface of serial configuration screen

CPU发送给组态串口屏的数据主要包括两类:①用户设定信息和喷水推进系统实际运行信息;②根据用户查询信息从数据库提取出的历史数据。需要注意的是，当待显示数据过多时，可选择分次发送并调整发送频率，以便组态串口屏更好地完成显示功能。

3　软件设计

喷水推进系统上位机软件设计过程采用模块化设计，根据不同的硬件设备，设计出相应的软件模块，之后再将各独立软件模块和上位机任务合理地结合起来，从而实现上位机各项功能。本节先简要介绍基于ARM的WinCE 7. 0操作系统的定制过程，然后重点讨论多线程技术、WinCE下串口通信和SQLite数据库的实现。

3. 1 WinCE系统定制

Platform Builder是微软公司发布的一款用于定制WinCE操作系统的集成开发环境，开发人员可使用这个集成开发环境完成嵌入式操作系统的定制、编译和调试［6］。通过Platform Builder，最终可得到该平台操作系统。其具体形式为映像文件nk. bin和nk. nb0，其中nk. nb0可通过相应工具下载到开发板内存中运行。最后，在应用程序开发前，需使用Platform Builder针对硬件开发板输出相应的软件开发工具包(software development kit，SDK)，用以辅助硬件程序的开发。

3. 2应用程序开发

3. 2. 1多线程技术

分析A/D采样模块可知: CPU需完成定时、发送和接收3个任务，以实现系统定时采样。为了实现系统精确定时，选用Query Performance Frequency＆Counter基于硬件时钟的定时方式。该定时方式通过获取系统频率和系统计数器，可实现毫秒级精确定时。

针对系统采样频率高、数据量大的情况，可对系统发送和接收任务分别创建线程，以提高系统资源的利用效率，从而加快系统应用程序的响应速度。WinCE提供了便捷的线程创建机制，包括基于Win API和MFC这2种线程创建方式［7］，这里选用MFC中的CWinThread类创建线程。其中发送线程的相关代码如下。

接收线程的创建与发送过程类似，用于读取采样数据。接收在发送结束后自行启动，且发送与接收应轮流执行。在开发过程中发现二者并不同步，导致数据接收不正确，因此考虑对发送和接收线程进行同步处理。

WinCE操作系统中，提供了事件(event)、互斥对象(mutex)、信号量(semaphores)和临界区(critical _ section)4种同步控制对象来实现线程间的同步［7－8］。结合本系统要求和各个同步控制对象的特点及使用情况，选择互斥对象来实现发送和接收线程的同步。互斥对象的原理为只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限，且互斥对象只有一个，因此决定了某一时刻只有一个线程在运行［7］。为了使得发送线程和接收线程轮流拥有互斥对象，在每个线程执行完毕后释放互斥对象，并利用Sleep()函数使当前线程进入挂起状态，以确保另一线程的执行。

以下为利用互斥对象实现线程同步的代码。

3. 2. 2 WinCE下串口通信

发送和接收线程都需要通过串口进行操作，WinCE下串口通信主要包括3个步骤［9］:①初始化串口;②串口通信;③关闭串口。其实现代码如下:

串口发送较简单，这里仅对串口读数据进行分析。串口读数据使用ReadFile函数(使用见上述代码)，其中dwLength为指定要读取的字节数，dwLengthRcv为实际读取的字节数。A/D采样每次上传数据为12字节，因此应取dwLength =12，即当ReadFile函数读到12字节数据后返回，这时dwLengthRcv = dwLength = 12。数据偶尔丢失会导致实际读取数小于12，从而影响整个数据的正常接收。事实上，串口读数据函数ReadFile还与串口超时参数有关。下面将对串口超时参数的选择进行分析说明。

串口读有两种超时:间隔超时和总超时，分别用T1和T0表示。其中，间隔超时T1是指在接收时两个字符之间的最大时延，总超时T0是指读操作总共花费的最大时间。通常，总超时T0一般取较大值(如1 000 ms)，以保证数据的正常读取;间隔超时T1用于控制ReadFile读取间隔字符的最长等待时间，会对接收过程产生重大影响。以本文为例，采样周期Ts= 20 ms，即CPU间隔20 ms接收12 B数据。假设某异常情况下CPU只接收了10 B，因未达到设定要求而进入等待状态。此时，为了不影响下次数据的接收，间隔超时应小于采样周期，即T1＜Ts，至于本次接收的错误数据应当丢弃。

3. 2. 3 SQLite数据库的实现

(1)SQLite3数据库在WinCE平台下的移植。

SQLite数据库是由D. Richard Hipp开发的一个基于C库的轻量级嵌入式关系数据库引擎。SQLite3是其最新版本，具有自身短小、快速高效、稳定可靠、可移植性好等众多优点［10］，非常适合嵌入式系统中数据的存储管理。

SQLite没有提供针对WinCE系统平台统一的工程配置文件，需要根据不同平台自己创建工程［11］。SQLite3在WinCE 7.0平台的移植流程主要包括4个步骤:①创建SQLite3动态链接库;②获取CppSQLite3U;③将SQLite3加入项目工程;④应用程序配置。

(2)SQLite3数据库的使用。

SQLite3数据库在WinCE上的使用主要包括创建数据库和表、插入记录和查询记录，下面给出相应关键代码。

4　测试结果

对完成的上位机系统进行短时和长时的测试，结果表明该系统基本达到预期，可靠、稳定。其中:高速采样周期为20 ms; CAN总线通信周期为20 ms; SQLite数据库每隔1 s进行存储;组态串口屏实现了用户设定和运行信息的显示，刷新频率为500 ms，同时响应了用户的查询操作。

表1给出了系统A/D采样过程的统计信息。

表1　A/D采样统计信息Tab. 1 A/D sampling statistics

需要指出的是，A/D采样周期决定了系统运行周期，对整个系统运行效率影响重大。从表1可以看出，系统的采样周期为20 ms，达到了设定要求。

5　结束语

本系统建立在ARM Cortex－A8硬件和WinCE 7. 0操作系统的基础上，完成了喷水推进系统上位机数据采集、存储、显示、通信等各项功能。针对系统仪表显示消耗大量系统资源的情况，利用组态串口屏将系统的人机交互界面独立出来，提高了系统稳定性和实时性。另一方面，在处理器A/D采样通道数不足的情况下，利用串口对其进行了扩展，并在串口通信中利用多线程技术实现了系统的20 ms的定时采样。测试结果表明，系统的各项性能均达到了预期效果。

参考文献

［1］钮会武.喷水推进装置及其控制技术研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009.

［2］周旭，李小敏，俞承芳.基于ARM的集散系统上位机设计［J］.仪器仪表学报，2006(S1): 704－706.

［3］陈立定，杨俊辉，肖力扬.三种通用嵌入式操作系统的分析与比较［J］.微计算机信息，2009(11): 89－91.

［4］凌秀泽，周俊，王俊仁.基于AM335X的液晶显示控制系统设计［J］.计算机测量与控制，2015(1): 96－98.

［5］马舒.基于CAN总线的汽车倒车雷达系统研究［D］.长春:吉林大学，2012.

［6］余宏兵，李宝安，申功勋.基于ARM的WinCE系统定制［J］.现代电子技术，2008(10): 73－75.

［7］黄丹，邵惠鹤.基于Windows CE平台的多线程编程［J］.微计算机信息，2007，35(7): 53－55.

［8］阚能琪. VC + +串口通信中多线程技术的应用研究［J］.西华大学学报:自然科学版，2005(4): 84－85，88.

［9］韩宝俊，卢建华，闵华松. WinCE下串口通信模型设计与实现［J］.计算机工程与设计，2008(8): 1997－1999.

［10］廖一鹏.嵌入式SQLite在温湿度巡检仪中的应用［J］.光电技术应用，2010(5): 61－64，79.

［11］刘祥，邓中亮，吴巍荪. SQLite3在基于WinCE平台的智能移动终端的应用［J］.工业控制计算机，2009(3):19－20.

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

王晓初1徐亮1龚征华2陈建平2袁景淇1
(上海交通大学自动化系1，上海200240;中船708研究所喷水推进技术重点实验室2，上海200011)

摘要:为提高喷水推进监控系统的效能和可靠性，提出了一种基于ARM Cortex－A8内核和WinCE 7. 0操作系统的上位机监控系统设计方案。分析了系统的硬件架构和软件实现，并详细讨论了系统采样模块、人机交互界面的设计与实现，以及WinCE下多线程编程和SQLite数据库实现等关键技术。该系统可实现6通道高速采样，人机交互界面良好，且具有体积小、功耗低、可靠性高等优点。

关键词:喷水推进嵌入式系统上位机监控系统WinCE串口通信多线程CAN总线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

中图分类号:TH－39; TP312

文献标志码:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603011