魯遙遙 ，胡戰(zhàn)虎 ，汪 暾 ，王志平

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006；2.廣東省自動(dòng)化研究所，廣州 510070）

我國壓鑄工業(yè)與國際先進(jìn)水平相比，在設(shè)計(jì)、技術(shù)、管理等方面均存在較大差距，還處于向先進(jìn)國家跟蹤學(xué)習(xí)的階段，目前國內(nèi)許多壓鑄企業(yè)主要存在生產(chǎn)數(shù)據(jù)繁多且難以實(shí)時(shí)采集、生產(chǎn)人員的效率難以評(píng)價(jià)、設(shè)備生產(chǎn)效果及稼動(dòng)率難以精確計(jì)算等問題。這些問題嚴(yán)重制約了企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，使得壓鑄企業(yè)不能滿足當(dāng)前信息化發(fā)展的需求。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用單片機(jī)作為主控制器，存在維護(hù)困難、信息處理能力有限、交互功能差等不足。本文針對(duì)壓鑄行業(yè)的特點(diǎn)和存在的問題，利用嵌入式技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種基于嵌入式Linux系統(tǒng)及Qt_Embedded應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)壓鑄機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，通過車間的無線WiFi網(wǎng)絡(luò)，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)；當(dāng)有新的生產(chǎn)信息發(fā)送過來時(shí)，電子看板同步更新，方便企業(yè)的管理人員及時(shí)掌握車間的生產(chǎn)狀況并調(diào)整生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)管控一體化、數(shù)據(jù)傳遞信息化的要求，大大提高了壓鑄企業(yè)的車間管理水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合壓鑄企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集的功能要求，本系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩大部分。硬件設(shè)計(jì)部分包括以CPU模塊為核心的硬件電路及其各種外設(shè)的接口，軟件設(shè)計(jì)則包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫和圖形界面應(yīng)用程序的編寫。壓鑄車間系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓鑄車間系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture of die casting workshop

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由核心板和底板電路組成，核心板是由CPU微處理器、64 M的SDRAM、256 M的NAND FLASH、2 M的NOR FLASH以及復(fù)位電路等組成的ARM最小系統(tǒng)。底板是核心板的擴(kuò)展，底板集成了UART接口、USB接口、以太網(wǎng)接口、JTAG接口、LCD接口、4路輸入接口等，這種設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，底板和核心板分開設(shè)計(jì)，核心板可以多次使用[1]。其硬件功能框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件功能框圖Fig.2 Functional block diagram of system hardware

2.1 CPU微處理器

CPU是整個(gè)系統(tǒng)的核心單元，是使整個(gè)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵所在。本文所用到的CPU微處理器是三星公司生產(chǎn)的ARM9系列芯片S3C2440，該芯片同時(shí)滿足低價(jià)格、低功耗、高性能的設(shè)計(jì)要求，而且支持Linux系統(tǒng)的移植。

2.2 RFID采集技術(shù)

本系統(tǒng)采用2種RFID閱讀器分別作為讀取模具條碼與員工條碼的設(shè)備，其中一種為C236023超高頻RFID閱讀器，如圖3所示，該RFID閱讀器與RFID電子標(biāo)簽搭配使用，需預(yù)先將模具條碼信息寫入該電子標(biāo)簽中，然后將其嵌入到相應(yīng)的模具中，再通過安置在模具上方的超高頻閱讀器讀取出電子標(biāo)簽里面的模具條碼信息。另一種為專供員工打卡使用的EM系列的125 kHz非接觸式射頻ID讀卡器，如圖4所示。這2種RFID閱讀器都帶有RS232接口，將其與主控制器上的串口連接，再通過相應(yīng)的軟件編程即可實(shí)現(xiàn)二者的通信。

圖3 超高頻RFID閱讀器Fig.3 UHF RFID reader

圖4 低頻ID讀卡器Fig.4 Low frequency ID reader

2.3 開關(guān)量采集電路

壓鑄機(jī)的控制系統(tǒng)主要以PLC為核心，針對(duì)壓鑄機(jī)的設(shè)備特點(diǎn)，本系統(tǒng)通過捕獲壓鑄機(jī)控制板上的PLC脈沖信號(hào)來實(shí)時(shí)監(jiān)控壓鑄機(jī)的運(yùn)行狀況，共設(shè)有4路直流開關(guān)量采集輸入通道。硬件電路如圖5所示（以其中一路為例）。其中，TLP627光耦具有良好的隔離作用，可以使采集信號(hào)更加穩(wěn)定，二極管IN4007用來防止反向電流擊穿光耦。

圖5 開關(guān)量采集電路Fig.5 Switch quantity acquisition circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分著重介紹開關(guān)量采集驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和Qt_Embedded圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

3.1 開關(guān)量采集驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

如圖6所示，應(yīng)用程序和Linux內(nèi)核之間的接口是通過系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的，Linux內(nèi)核和硬件設(shè)備之間的接口是通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為L(zhǎng)inux內(nèi)核重要的組成部分，它的作用是彌補(bǔ)應(yīng)用程序不能直接操作硬件設(shè)備的缺陷，搭建應(yīng)用程序與硬件設(shè)備之間的橋梁，使應(yīng)用程序以操作文件的方式訪問硬件設(shè)備。

圖6 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)與軟硬件系統(tǒng)的關(guān)系Fig.6 Relationship between Linux device driver and software and hardware system

Linux支持的設(shè)備分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[2]，三者中最簡(jiǎn)單最通用的是字符設(shè)備，具有可以直接讀寫無需緩存的特點(diǎn)。開關(guān)量采集驅(qū)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的設(shè)備屬于字符設(shè)備。file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的核心，當(dāng)應(yīng)用程序操作設(shè)備文件時(shí)， 所調(diào)用的 open、write、read、close 等函數(shù)最終會(huì)調(diào)用這個(gè)結(jié)構(gòu)中指定的 open、write、read、close等函數(shù)，此結(jié)構(gòu)體具體代碼如下：

mydrv_open函數(shù)主要作用是使能4路開關(guān)量通路所對(duì)應(yīng)的 4個(gè)中斷引腳 EINT8、EINT11、EINT13、EINT14。釋放設(shè)備由 release（）函數(shù)來完成，其作用與open相反。本驅(qū)動(dòng)程序中引入了poll機(jī)制，poll（）函數(shù)將當(dāng)前進(jìn)程自動(dòng)加入到等待隊(duì)列中，這時(shí)還未進(jìn)入休眠，根據(jù)mydrv_read函數(shù)所獲取的引腳狀態(tài)來判斷休眠與否，如果輸入引腳電平發(fā)生變化，則不會(huì)進(jìn)入休眠，反之則進(jìn)入休眠；在休眠過程中，如果發(fā)生中斷的話，就會(huì)喚醒進(jìn)程，返回應(yīng)用程序繼續(xù)執(zhí)行。4路中斷引腳的電平變化與返回值對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。以其中一路為例，EINT8引腳遇到上升沿，中斷處理函數(shù)返回?cái)?shù)值0x01，遇到下降沿，返回?cái)?shù)值0x81。將中斷引腳的電平變化以數(shù)值的形式直觀表達(dá)，方便后續(xù)的應(yīng)用程序調(diào)用。

表1 中斷引腳電平變化與返回值對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Correspondences of interrupt pin change and the return value

在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于用戶空間與Linux內(nèi)核空間不能直接相互訪問，Linux內(nèi)核提供了一個(gè)copy_to_user函數(shù)，借助該函數(shù)可以完成內(nèi)核空間到用戶空間的數(shù)據(jù)傳遞。

3.2 Qt_Embedded圖形界面應(yīng)用程序開發(fā)

壓鑄機(jī)在正常工作情況下具有唯一占有性，即從工人打卡開始到工人打卡結(jié)束，每臺(tái)壓鑄機(jī)只能配有1個(gè)工人在崗，具體操作流程如圖7所示。從應(yīng)用程序啟動(dòng)開始，現(xiàn)場(chǎng)的LCD觸摸屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主界面，在員工打卡以前，需要做出相應(yīng)的判斷才能往下執(zhí)行。如果當(dāng)前存在員工條碼，又接收到了新的員工打卡請(qǐng)求，對(duì)應(yīng)在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，即是上一個(gè)員工下班的時(shí)候忘記打卡，新的員工來上班。在這種情況下，不能直接把上一個(gè)員工的信息覆蓋掉，必須將上一個(gè)員工的模具計(jì)數(shù)、在崗時(shí)間等相關(guān)信息保存好，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)給服務(wù)器，再進(jìn)行下一個(gè)員工上班的操作。

圖7 員工上下班打卡處理流程Fig.7 Flow chart of employees clocking in and out

3.2.1 建立窗體

Qt Designer是強(qiáng)大的跨平臺(tái)GUI布局和格式構(gòu)建器[3]，可以把設(shè)計(jì)好的Qt應(yīng)用程序界面以u(píng)i文件格式存儲(chǔ)下來。本應(yīng)用程序利用designer工具開發(fā)了7個(gè)窗體，分別為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主窗體mainwindow、員工上崗工種選擇窗體dialog_1a、碑工下崗原因選擇窗體dialog_1ba、非生產(chǎn)人員下崗原因選擇窗體dialog_1bb、碑工崗位選擇窗體dialog_2a、QC檢查輸入窗體dialog_2b、非生產(chǎn)人員崗位選擇窗體dialog_2c。根據(jù)實(shí)際需求選擇控件加入到各窗體中，設(shè)置屬性并且調(diào)整大小和位置。

3.2.2 信號(hào)與槽機(jī)制

Qt的窗口部件有多個(gè)預(yù)定義的槽，當(dāng)一個(gè)特定事件發(fā)生的時(shí)候，一個(gè)信號(hào)被發(fā)射，對(duì)應(yīng)感興趣的槽就會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的相應(yīng)函數(shù)[4]。當(dāng)用戶點(diǎn)擊觸摸屏上的一個(gè)按鈕時(shí)，應(yīng)用程序執(zhí)行相應(yīng)的代碼。一般使用的信號(hào)和槽都是一對(duì)一的，其實(shí)還需要考慮一些其他的關(guān)聯(lián)方式，比如一個(gè)信號(hào)可以連接多個(gè)槽，多個(gè)信號(hào)可以連接到同一個(gè)槽，一個(gè)信號(hào)可以與另一個(gè)信號(hào)相連接[5]。

3.2.3 編寫主函數(shù)

Qt_Embedded圖形界面應(yīng)用程序包含1個(gè)主函數(shù)，是整個(gè)應(yīng)用程序的入口。首先需要?jiǎng)?chuàng)建1個(gè)QApplication的對(duì)象，用于管理整個(gè)應(yīng)用程序的資源，然后定義窗口類對(duì)象并把它作為程序的主窗體，最后調(diào)用 show（）和 exec（）函數(shù)，使程序進(jìn)入消息循環(huán)。

3.2.4 編譯生成可執(zhí)行文件

完成了相應(yīng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)之后，需要使用交叉編譯工具對(duì)源程序進(jìn)行編譯，生成可執(zhí)行文件。在命令行鍵入如下指令：

qmake-project//生成工程項(xiàng)目文件

qmake //生成Makefile文件

make //生成可執(zhí)行文件

4 應(yīng)用結(jié)果

應(yīng)用程序編譯成功后，把可執(zhí)行文件放在/work/nfs_root/fs_mini根文件系統(tǒng)下，要想燒進(jìn)開發(fā)板，還要將這個(gè)根文件系統(tǒng)制作為一個(gè)jffs2映象文件，再燒入ARM開發(fā)板，然后啟動(dòng)應(yīng)用程序，即可看到所開發(fā)的Qt_Embedded圖形界面應(yīng)用程序的實(shí)際效果，如圖8所示。

圖8 實(shí)際應(yīng)用效果Fig.8 Actual application effect chart

5 結(jié)語

本文提出的基于Linux系統(tǒng)及Qt_Embedded的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，實(shí)現(xiàn)了Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)與Qt_Embedded應(yīng)用程序開發(fā)的結(jié)合。通過實(shí)際應(yīng)用表明，本系統(tǒng)使得壓鑄車間的相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)了透明化，提高了企業(yè)管理水平，降低了人工成本；同時(shí)得到了車間主管和工人的認(rèn)可，極大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效益，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]趙君杰.MES終端的嵌入式Linux軟件平臺(tái)技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[2]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]霍亞飛.Qt Creator快速入門[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[4]倪繼利.QT及Linux操作系統(tǒng)窗口設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5]Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C++GUI QT4 編程[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.