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

王曉初1　徐　亮1　龔征華2　陳建平2　袁景淇1(上海交通大學自動化系1，上?！?00240;中船708研究所噴水推進技術(shù)重點實驗室2，上?！?00011)

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噴水推進上位機監(jiān)控系統(tǒng)ARM設計與實現(xiàn)

Multi－thread CAN bus ARM

國家自然科學基金資助項目(編號:61233004);

教育部博士點基金資助項目(編號:20110073110018)。

修改稿收到日期:2015－07－28。

第一作者王曉初(1990－)，男，現(xiàn)為上海交通大學控制科學與工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事噴水推進控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的研究。

0　引言

噴水推進是一種重要的船舶動力技術(shù)，廣泛應用于高性能船舶［1］。噴水推進器的可靠運行離不開穩(wěn)定、高效的上位機監(jiān)控系統(tǒng)。噴水推進系統(tǒng)上位機監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務包括:對輸入設備的采樣、為用戶提供良好的人機交互界面、與下位機進行數(shù)據(jù)通信以及對系統(tǒng)信息的存儲與查詢等。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)需要穩(wěn)定、高效的嵌入式硬件和軟件。隨著高性能芯片制造技術(shù)的不斷提升，具有體積小、功耗低、可靠性高的ARM系列芯片得到廣泛應用［2］。由于ARM芯片可適應多種嵌入式操作系統(tǒng)，因此成為嵌入式處理器的首選。在操作系統(tǒng)的選擇上，VxWorks在實時性和可靠性上具有巨大優(yōu)勢，但價格相當昂貴，且開放性差，開發(fā)難度大; Linux具有源代碼開放、實時性和可移植性良好等特點，但是尚沒有很好的用戶圖形界面; WinCE是微軟推出的一款多任務、多線程的實時操作系統(tǒng)，具有緊湊、可靠性高等特點，且用戶圖形界面良好，開發(fā)周期短、通用性強，可滿足大部分工業(yè)領域嵌入式系統(tǒng)開發(fā)［3］。因此，本文采用WinCE作為上位機操作系統(tǒng)。

1　總體框架

基于ARM和WinCE噴水推進系統(tǒng)上位機的總體框架見圖1，主要包括采樣模塊、組態(tài)串口屏、數(shù)據(jù)庫和CAN總線通信4個部分。

圖1　噴水推進系統(tǒng)上位機總體框架Fig. 1　Overall framework of the host computer in waterjet propulsion system

系統(tǒng)采樣模塊包括6路模擬量采樣(A/D)和8路數(shù)字量采樣(DI)，采樣周期達到20 ms;組態(tài)串口屏包括噴水推進系統(tǒng)儀表及數(shù)值的顯示，并提供歷史數(shù)據(jù)查詢的人機交互界面;數(shù)據(jù)庫則對系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)進行存儲，并響應用戶的查詢操作; CAN總線通信作為上位機與下位機的橋梁，完成二者間信息交互。

需要說明的是，盡管WinCE操作系統(tǒng)具有較好的用戶圖形界面，但在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)圖形界面的繪制會消耗系統(tǒng)不小的內(nèi)存資源，制約了系統(tǒng)采樣頻率的提高。因此將系統(tǒng)的人機交互界面模塊獨立出來，以組態(tài)串口屏的形式實現(xiàn)其功能。

2　系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

圖2給出了系統(tǒng)硬件設計框圖，其核心是TI公司生產(chǎn)的AM3352微處理器［4］，內(nèi)核為ARM Cortex－A8，頻率為800 MHz。針對A/D采樣和組態(tài)串口屏模塊，由于二者均為串口(RS－232串口，以下均簡稱串口)通信，可利用處理器自帶的UART1和UART2，并通過MAX3243E芯片轉(zhuǎn)換電平得到串口; 8路DI采樣由系統(tǒng)內(nèi)部提供的GPIO接口實現(xiàn);系統(tǒng)提供的USB OTG接口用于連接計算機，完成程序調(diào)試及下載; LCD接口外接調(diào)試屏，用于開發(fā)過程的界面顯示;存儲器方面，擴展了256 MB DDR3 SDRAM和256 MB NAND Flash，以提高系統(tǒng)性能;同時，為了能夠更大容量地存儲系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)內(nèi)部SD卡接口進行了擴展，得到TF卡接口;處理器還自帶2路CAN總線接口，通過CAN總線控制芯片CTM8251AT，可實現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信［5］。

圖2　系統(tǒng)硬件設計方案Fig. 2 Design scheme of system hardware

對于硬件的擴展部分，考慮到CAN總線通信和存儲器擴展技術(shù)比較成熟，因此主要對A/D采樣和組態(tài)串口屏兩個模塊作進一步說明。

2. 1 A/D采樣

A/D采樣包括對手輪、手柄等輸入信號的采樣，共6路，電壓范圍為0～5 V，采樣周期達到20 ms。考慮到系統(tǒng)只留有4路ADC接口，因此對A/D采樣進行擴展。

由于系統(tǒng)具有豐富的UART，且串口通信實現(xiàn)簡單、通信波特率可達57 600 Bd/s，因此選用串口實現(xiàn)A/D采樣模塊與CPU的通信。

為了實現(xiàn)A/D采樣，本文選用了PIC18F2423集成芯片。該芯片是美國MICROCHIP公司研發(fā)的一種用于開發(fā)和控制外圍設備的集成電路，自帶13通道12位精度A/D模塊，單通道轉(zhuǎn)換速率可達50 000次/s，可滿足6通道20 ms采樣周期要求。

A/D采樣模塊的工作模式如圖3所示。PIC與CPU之間通過串口進行通信?？紤]到采樣模塊的定時并不精確，因此采用CPU通過串口定時發(fā)送采樣命令，PIC接收命令采樣并上傳的模式。

圖3　A/D采樣工作模式Fig. 3 A/D sampling mode

2. 2組態(tài)串口屏

組態(tài)串口屏是帶有組態(tài)控件、串口控制的液晶屏。組態(tài)控件包括文本、儀表、曲線、圖標、進度條等，組態(tài)串口屏接收CPU通過串口發(fā)送的指令，便可完成顯示操作。考慮到在WinCE上繪制大量儀表、數(shù)值會消耗大量系統(tǒng)資源，因此將上位機的人機交互顯示界面以組態(tài)串口屏的方式獨立出來，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本系統(tǒng)選用廣州大彩光電科技有限公司生產(chǎn)的10. 4英寸(1英寸= 25.4 mm)組態(tài)串口屏，其核心處理器為Cortex－M3 +高速FPGA，帶觸摸，內(nèi)置虛擬數(shù)字小鍵盤和全功能鍵盤，支持串口通信方式，最高通信波特率可達115 200 Bd/s。

組態(tài)串口屏的示意界面見圖4，其主要包括運行參數(shù)儀表顯示、輸入(模擬量和開關(guān)量)顯示以及查詢界面顯示。

圖4　組態(tài)串口屏顯示界面Fig. 4　Display interface of serial configuration screen

CPU發(fā)送給組態(tài)串口屏的數(shù)據(jù)主要包括兩類:①用戶設定信息和噴水推進系統(tǒng)實際運行信息;②根據(jù)用戶查詢信息從數(shù)據(jù)庫提取出的歷史數(shù)據(jù)。需要注意的是，當待顯示數(shù)據(jù)過多時，可選擇分次發(fā)送并調(diào)整發(fā)送頻率，以便組態(tài)串口屏更好地完成顯示功能。

3　軟件設計

噴水推進系統(tǒng)上位機軟件設計過程采用模塊化設計，根據(jù)不同的硬件設備，設計出相應的軟件模塊，之后再將各獨立軟件模塊和上位機任務合理地結(jié)合起來，從而實現(xiàn)上位機各項功能。本節(jié)先簡要介紹基于ARM的WinCE 7. 0操作系統(tǒng)的定制過程，然后重點討論多線程技術(shù)、WinCE下串口通信和SQLite數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)。

3. 1 WinCE系統(tǒng)定制

Platform Builder是微軟公司發(fā)布的一款用于定制WinCE操作系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)人員可使用這個集成開發(fā)環(huán)境完成嵌入式操作系統(tǒng)的定制、編譯和調(diào)試［6］。通過Platform Builder，最終可得到該平臺操作系統(tǒng)。其具體形式為映像文件nk. bin和nk. nb0，其中nk. nb0可通過相應工具下載到開發(fā)板內(nèi)存中運行。最后，在應用程序開發(fā)前，需使用Platform Builder針對硬件開發(fā)板輸出相應的軟件開發(fā)工具包(software development kit，SDK)，用以輔助硬件程序的開發(fā)。

3. 2應用程序開發(fā)

3. 2. 1多線程技術(shù)

分析A/D采樣模塊可知: CPU需完成定時、發(fā)送和接收3個任務，以實現(xiàn)系統(tǒng)定時采樣。為了實現(xiàn)系統(tǒng)精確定時，選用Query Performance Frequency＆Counter基于硬件時鐘的定時方式。該定時方式通過獲取系統(tǒng)頻率和系統(tǒng)計數(shù)器，可實現(xiàn)毫秒級精確定時。

針對系統(tǒng)采樣頻率高、數(shù)據(jù)量大的情況，可對系統(tǒng)發(fā)送和接收任務分別創(chuàng)建線程，以提高系統(tǒng)資源的利用效率，從而加快系統(tǒng)應用程序的響應速度。WinCE提供了便捷的線程創(chuàng)建機制，包括基于Win API和MFC這2種線程創(chuàng)建方式［7］，這里選用MFC中的CWinThread類創(chuàng)建線程。其中發(fā)送線程的相關(guān)代碼如下。

接收線程的創(chuàng)建與發(fā)送過程類似，用于讀取采樣數(shù)據(jù)。接收在發(fā)送結(jié)束后自行啟動，且發(fā)送與接收應輪流執(zhí)行。在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)二者并不同步，導致數(shù)據(jù)接收不正確，因此考慮對發(fā)送和接收線程進行同步處理。

WinCE操作系統(tǒng)中，提供了事件(event)、互斥對象(mutex)、信號量(semaphores)和臨界區(qū)(critical _ section)4種同步控制對象來實現(xiàn)線程間的同步［7－8］。結(jié)合本系統(tǒng)要求和各個同步控制對象的特點及使用情況，選擇互斥對象來實現(xiàn)發(fā)送和接收線程的同步?；コ鈱ο蟮脑頌橹挥袚碛谢コ鈱ο蟮木€程才具有訪問資源的權(quán)限，且互斥對象只有一個，因此決定了某一時刻只有一個線程在運行［7］。為了使得發(fā)送線程和接收線程輪流擁有互斥對象，在每個線程執(zhí)行完畢后釋放互斥對象，并利用Sleep()函數(shù)使當前線程進入掛起狀態(tài)，以確保另一線程的執(zhí)行。

以下為利用互斥對象實現(xiàn)線程同步的代碼。

3. 2. 2 WinCE下串口通信

發(fā)送和接收線程都需要通過串口進行操作，WinCE下串口通信主要包括3個步驟［9］:①初始化串口;②串口通信;③關(guān)閉串口。其實現(xiàn)代碼如下:

串口發(fā)送較簡單，這里僅對串口讀數(shù)據(jù)進行分析。串口讀數(shù)據(jù)使用ReadFile函數(shù)(使用見上述代碼)，其中dwLength為指定要讀取的字節(jié)數(shù)，dwLengthRcv為實際讀取的字節(jié)數(shù)。A/D采樣每次上傳數(shù)據(jù)為12字節(jié)，因此應取dwLength =12，即當ReadFile函數(shù)讀到12字節(jié)數(shù)據(jù)后返回，這時dwLengthRcv = dwLength = 12。數(shù)據(jù)偶爾丟失會導致實際讀取數(shù)小于12，從而影響整個數(shù)據(jù)的正常接收。事實上，串口讀數(shù)據(jù)函數(shù)ReadFile還與串口超時參數(shù)有關(guān)。下面將對串口超時參數(shù)的選擇進行分析說明。

串口讀有兩種超時:間隔超時和總超時，分別用T1和T0表示。其中，間隔超時T1是指在接收時兩個字符之間的最大時延，總超時T0是指讀操作總共花費的最大時間。通常，總超時T0一般取較大值(如1 000 ms)，以保證數(shù)據(jù)的正常讀取;間隔超時T1用于控制ReadFile讀取間隔字符的最長等待時間，會對接收過程產(chǎn)生重大影響。以本文為例，采樣周期Ts= 20 ms，即CPU間隔20 ms接收12 B數(shù)據(jù)。假設某異常情況下CPU只接收了10 B，因未達到設定要求而進入等待狀態(tài)。此時，為了不影響下次數(shù)據(jù)的接收，間隔超時應小于采樣周期，即T1＜Ts，至于本次接收的錯誤數(shù)據(jù)應當丟棄。

3. 2. 3 SQLite數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

(1)SQLite3數(shù)據(jù)庫在WinCE平臺下的移植。

SQLite數(shù)據(jù)庫是由D. Richard Hipp開發(fā)的一個基于C庫的輕量級嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫引擎。SQLite3是其最新版本，具有自身短小、快速高效、穩(wěn)定可靠、可移植性好等眾多優(yōu)點［10］，非常適合嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲管理。

SQLite沒有提供針對WinCE系統(tǒng)平臺統(tǒng)一的工程配置文件，需要根據(jù)不同平臺自己創(chuàng)建工程［11］。SQLite3在WinCE 7.0平臺的移植流程主要包括4個步驟:①創(chuàng)建SQLite3動態(tài)鏈接庫;②獲取CppSQLite3U;③將SQLite3加入項目工程;④應用程序配置。

(2)SQLite3數(shù)據(jù)庫的使用。

SQLite3數(shù)據(jù)庫在WinCE上的使用主要包括創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和表、插入記錄和查詢記錄，下面給出相應關(guān)鍵代碼。

4　測試結(jié)果

對完成的上位機系統(tǒng)進行短時和長時的測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)基本達到預期，可靠、穩(wěn)定。其中:高速采樣周期為20 ms; CAN總線通信周期為20 ms; SQLite數(shù)據(jù)庫每隔1 s進行存儲;組態(tài)串口屏實現(xiàn)了用戶設定和運行信息的顯示，刷新頻率為500 ms，同時響應了用戶的查詢操作。

表1給出了系統(tǒng)A/D采樣過程的統(tǒng)計信息。

表1　A/D采樣統(tǒng)計信息Tab. 1 A/D sampling statistics

需要指出的是，A/D采樣周期決定了系統(tǒng)運行周期，對整個系統(tǒng)運行效率影響重大。從表1可以看出，系統(tǒng)的采樣周期為20 ms，達到了設定要求。

5　結(jié)束語

本系統(tǒng)建立在ARM Cortex－A8硬件和WinCE 7. 0操作系統(tǒng)的基礎上，完成了噴水推進系統(tǒng)上位機數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、通信等各項功能。針對系統(tǒng)儀表顯示消耗大量系統(tǒng)資源的情況，利用組態(tài)串口屏將系統(tǒng)的人機交互界面獨立出來，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和實時性。另一方面，在處理器A/D采樣通道數(shù)不足的情況下，利用串口對其進行了擴展，并在串口通信中利用多線程技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)的20 ms的定時采樣。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)的各項性能均達到了預期效果。

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

王曉初1徐亮1龔征華2陳建平2袁景淇1
(上海交通大學自動化系1，上海200240;中船708研究所噴水推進技術(shù)重點實驗室2，上海200011)

摘要:為提高噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)的效能和可靠性，提出了一種基于ARM Cortex－A8內(nèi)核和WinCE 7. 0操作系統(tǒng)的上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計方案。分析了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件實現(xiàn)，并詳細討論了系統(tǒng)采樣模塊、人機交互界面的設計與實現(xiàn)，以及WinCE下多線程編程和SQLite數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)6通道高速采樣，人機交互界面良好，且具有體積小、功耗低、可靠性高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞:噴水推進嵌入式系統(tǒng)上位機監(jiān)控系統(tǒng)WinCE串口通信多線程CAN總線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

中圖分類號:TH－39; TP312

文獻標志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603011