魏曉晴，吳旭光，白曉娟，郝 方，張 偉

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072；2. 中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110032）

0 引言

工業(yè)注塑機(jī)[1]逐漸向著特大型，精密儀器的方向發(fā)展，因而對(duì)控制系統(tǒng)的要求越來越高，如今基于嵌入式的專用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位[2]，這類控制系統(tǒng)能夠滿足特定的注塑需求，實(shí)現(xiàn)高精度的控制功能，存儲(chǔ)大量的模具資料。

更可靠，更直觀的控制界面是控制系統(tǒng)發(fā)展的要求。本文的界面就是為注塑機(jī)的一種嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，與傳統(tǒng)的控制界面相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：多種控制功能、良好的通信功能、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、圖形動(dòng)畫界面。提高了界面的易用性、可靠性和美觀性。

1 嵌入式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的工作界面基于一種嵌入式控制系統(tǒng)[3]，該控制系統(tǒng)采用上位機(jī)＋下位機(jī)的結(jié)構(gòu)[4]，如圖1所示。

上位機(jī)完成人機(jī)接口、控制算法、系統(tǒng)管理等功能，硬件上選用PC104總線結(jié)構(gòu)的VDX-6354，功能強(qiáng)大。其外圍接口包括：普通鍵盤和鼠標(biāo)、任意尺寸的VGA或者TFT液晶顯示屏和觸摸屏、CF卡、以太網(wǎng)口、串口、USB口及音頻接口等。軟件上選用Windows XPe操作系統(tǒng)，可支持多種通用語言，如C++，可靠性高，處理速度快，人機(jī)界面友好。

下位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量I/O、數(shù)據(jù)預(yù)處理、D/A轉(zhuǎn)換等任務(wù),根據(jù)需要選擇了16位低功耗高性能的MSP430F149芯片。

上、下位機(jī)之間通過RS-485實(shí)現(xiàn)串行通信,傳輸速度快，距離遠(yuǎn)，并且能夠組網(wǎng)，使系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。

2 工作界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)上位機(jī)操作系統(tǒng)是Windows，因而用C++來進(jìn)行界面開發(fā)就十分方便，并且界面實(shí)時(shí)性好，友好易用。因此本文運(yùn)用VC++的MFC，編寫基于對(duì)話框的工作界面，并且選用上位機(jī)串口進(jìn)行通信。

2.1 界面結(jié)構(gòu)

該界面可對(duì)注塑機(jī)運(yùn)作情況進(jìn)行監(jiān)控，并可通過調(diào)整參數(shù)等而改變注塑機(jī)的工作，根據(jù)需求，主要可劃分為監(jiān)控界面和設(shè)置界面。

界面操作流程如圖2所示：系統(tǒng)啟動(dòng),自檢完成后進(jìn)入主畫面，從該界面可進(jìn)入六種操作模式，任何一個(gè)操作模式在運(yùn)行前都應(yīng)該通過串口向下位機(jī)申請(qǐng)信號(hào)量，沒有取得該信號(hào)量的時(shí)候不被允許進(jìn)入該項(xiàng)操作。

監(jiān)控部分：生產(chǎn)狀況及各主要參數(shù)之監(jiān)察頁面是整個(gè)界面系統(tǒng)的重點(diǎn)，承載了主要的控制工作。因?yàn)橛腥N控制工作方式[5]，監(jiān)控部分可劃分為三個(gè)子界面，分別是：手動(dòng)控制模式，半自動(dòng)控制模式和全自動(dòng)控制模式。手動(dòng)模式時(shí)上位機(jī)發(fā)出一個(gè)命令，下位機(jī)控制注塑機(jī)完成一個(gè)生產(chǎn)動(dòng)作；半自動(dòng)模式時(shí)上位機(jī)發(fā)出一個(gè)命令，下位機(jī)控制注塑機(jī)完成一個(gè)生產(chǎn)周期；全自動(dòng)模式時(shí)下位機(jī)控制注塑機(jī)自動(dòng)完成上位機(jī)設(shè)定的N個(gè)生產(chǎn)周期。

設(shè)置部分：各動(dòng)作與狀態(tài)參數(shù)之設(shè)置頁面。可分為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模式，手動(dòng)調(diào)模模式和系統(tǒng)調(diào)試模式三個(gè)子界面。

2.2 半自動(dòng)控制界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

下面以監(jiān)控工作模式的半自動(dòng)控制界面為例，分析界面的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 界面的設(shè)計(jì)

整個(gè)界面可分為標(biāo)題欄、菜單欄和工作區(qū)三大部分。標(biāo)題欄顯示軟件圖標(biāo)，以及當(dāng)前工作頁面名稱。菜單欄可實(shí)現(xiàn)控制功能以及頁面跳轉(zhuǎn)。主工作區(qū)對(duì)生產(chǎn)狀況及各主要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)察。

主工作區(qū)又可分為三個(gè)部分：工作環(huán)境監(jiān)控，工藝流程監(jiān)控，工作情況監(jiān)控與警報(bào)，如圖3所示。

工作環(huán)境監(jiān)控：如時(shí)間顯示、環(huán)境溫度顯示等等。

工藝流程監(jiān)控：將一個(gè)塑模的整個(gè)工藝周期分為9個(gè)工作段，并且以動(dòng)畫形式表現(xiàn)在界面上，更直觀方便的實(shí)現(xiàn)了對(duì)注塑機(jī)工作的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

工作情況監(jiān)控與警報(bào)：顯示警報(bào)監(jiān)控下的壓力值、溫度比、運(yùn)行動(dòng)作、螺桿轉(zhuǎn)速、動(dòng)作完成情況等等。

2.2.2 半自動(dòng)控制模式的實(shí)現(xiàn)

該模式實(shí)現(xiàn)的控制功能為：上位機(jī)界面向下位機(jī)系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)命令，下位機(jī)控制注塑機(jī)完成一個(gè)工作周期。

算法實(shí)現(xiàn)如下：設(shè)定一個(gè)BULL型控制變量m_w，默認(rèn)為FALSE，如果菜單項(xiàng)命令“開始/下一?！北稽c(diǎn)擊，該變量變?yōu)門RUE，并且向下位機(jī)發(fā)送開始信號(hào)，下位機(jī)收到信號(hào)后按順序調(diào)用完成一個(gè)塑模的9個(gè)工作段的全部代碼，控制機(jī)器完成一周期工作，并且向上位機(jī)發(fā)送停止信號(hào)，上位機(jī)收到信號(hào)后將m_w變?yōu)镕ALSE,界面同時(shí)停止監(jiān)控。部分代碼示例如下：

1）菜單項(xiàng)命令“開始/下一模”被點(diǎn)擊時(shí)，m_w的狀態(tài)設(shè)定：

2）完成一模后，收到下位機(jī)停止信號(hào)，m_w=FALSE,系統(tǒng)停止，并且各變量清零：

m_w=FALSE; m_3_8=_T("未運(yùn)行");m_3_43=_T("停止監(jiān)控");//監(jiān)控停止

l=0;k=0;n=0;r=0;s=0;v=0;z=0;a=0;……//界 面各變量清零

2.3 “異或擦除”動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)

為了在實(shí)現(xiàn)多種控制功能的基礎(chǔ)上，滿足人機(jī)的友好交互，這里將高實(shí)時(shí)性且易實(shí)現(xiàn)的C++“異或擦除”動(dòng)畫技術(shù)運(yùn)用于界面的開發(fā)，將注塑機(jī)的實(shí)時(shí)工作情況以動(dòng)畫形式表現(xiàn)在界面上，更直觀方便的實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控，如圖3所示。

該動(dòng)畫原理是：在圖像所在原位置反色畫出圖像，二者相消，相當(dāng)于擦除原圖像；并在新位置繪出新圖像。如果反復(fù)不斷地擦除和重新繪畫，圖像看起來就會(huì)像是在屏幕上穿越移動(dòng)。它占用內(nèi)存資源少且執(zhí)行速度快，而諸如利用動(dòng)態(tài)開辟圖視口方法、利用顯示頁和編輯頁交替變化、利用畫面存儲(chǔ)再重放的方法等程序比較復(fù)雜，且要對(duì)圖像不斷進(jìn)行存取操作，這需要耗費(fèi)大量內(nèi)存資源，降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，而異或擦除法動(dòng)畫則可以很好解決上述問題。

該動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)過程如下：根據(jù)工藝流程獨(dú)立編寫各個(gè)工作段顯示代碼，下位機(jī)運(yùn)行到哪個(gè)工作段，上位機(jī)獲得相應(yīng)信號(hào)，調(diào)用相應(yīng)圖像顯示代碼，以顯示當(dāng)前工作畫面。

部分代碼示例（如開模工作段）如下：

3 串口通信的實(shí)現(xiàn)

本界面提供了與下位機(jī)通信的接口，從而形成了一個(gè)功能比較完整的系統(tǒng)。通信串口選用RS-485[6]，異步，半雙工傳輸，默認(rèn)通訊協(xié)議方式采用ASCII方式。它數(shù)據(jù)最高傳輸速率高，抗共模噪聲干擾性好，傳輸距離遠(yuǎn)，并且能夠組網(wǎng)，使系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。

安裝驅(qū)動(dòng)后，將RS485串口模擬為上位機(jī)的COM口，就可以利用VC的通信控件MSComm編程串口通信，進(jìn)行串口初始化，捕捉并處理各種通信事件，完成接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等通信管理。該控件采用事件驅(qū)動(dòng)的接收方式。

向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了基于嵌入式控制系統(tǒng)的注塑機(jī)圖形工作界面，在完成多種控制功能和通信任務(wù)的基礎(chǔ)上，將“異或擦除”動(dòng)畫技術(shù)運(yùn)用于嵌入式工作界面開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了圖形化的工作監(jiān)控。測試證明，該界面能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定地完成實(shí)時(shí)監(jiān)控、通信、顯示功能，達(dá)到了預(yù)期的良好效果。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：充分利用硬件資源，實(shí)現(xiàn)了多種上位機(jī)控制模式算法，并且把“異或擦除”動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制（此方法也同樣適應(yīng)用于其他微控制器的人機(jī)工作界面），選用RS485通信增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

[1] 鐘漢如. 注塑機(jī)控制系統(tǒng)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[2] 吳建華. 嵌入式網(wǎng)絡(luò)注塑機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)[D]. 浙江大學(xué),2005.

[3] 肖鼎新, 吳旭光, 馮歡歡, 侯京鋒. 基于PC/104的工業(yè)注塑機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2010, 32(10): 70-73.

[4] 高云迪, 吳旭光, 史建華 , 胡超凡. 基于嵌入式Linux的工業(yè)注塑機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2009,17(1): 69-71.

[5] 方慶華, 康存鋒, 馬春敏. 基于軟PLC的全電子注塑機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2006, 34(4): 58-60.

[6] 李現(xiàn)勇. Visual C++串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐[M]. 北京:人民郵電出版社, 2004.