《電子技術(shù)應用》
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OPC服務(wù)器的研究及其在CAN總線系統(tǒng)中的實現(xiàn)
摘要: OPC(OLE for Process Control),即用于過程控制的對象鏈接與嵌入技術(shù),是一種規(guī)范,是在工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中使用的硬件和軟件的接口標準,。OPC以組件對象模型和分布式組件對象模型(COM/DCOM)技術(shù)為基礎(chǔ),采用客戶/服務(wù)器(Client/Server)的模式,,定義了一組COM對象及其接口標準,。
Abstract:
Key words :

1 OPC技術(shù)簡介

  1.1 什么是OPC

  OPC(OLE for Process Control),即用于過程控制的對象鏈接與嵌入技術(shù),是一種規(guī)范,是在工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中使用的硬件和軟件的接口標準,。OPC以組件對象模型和分布式組件對象模型(COM/DCOM)技術(shù)為基礎(chǔ),,采用客戶/服務(wù)器(Client/Server)的模式,定義了一組COM對象及其接口標準,。

  OPC規(guī)范是由世界范圍內(nèi)自動化領(lǐng)域中處于領(lǐng)導地位的硬件和軟件開發(fā)商,,在微軟的協(xié)作下制定的,并且已經(jīng)得到越來越多的客戶和硬件制造商的認可,。

  1.2 OPC的意義

  在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中,,針對同一個硬件設(shè)備,每個應用軟件都要根據(jù)自己的需求開發(fā)一套硬件驅(qū)動程序,。這不僅加大了開發(fā)和維護費用,,而且?guī)砹嗽L問沖突問題。

  OPC技術(shù)將各個硬件設(shè)備驅(qū)動程序和通訊程序封裝成獨立的OPC服務(wù)器,,上層應用軟件(作為OPC客戶端)可以不關(guān)心硬件的性能特點,,而通過標準的OPC接口訪問OPC服務(wù)器。

  這樣不僅解決了上述問題,,而且實現(xiàn)了軟件的“即插即用”,。OPC相當于一塊軟件“主板”,它能夠直接與現(xiàn)場的PLC,、工業(yè)網(wǎng)絡(luò),、數(shù)據(jù)采集和Windows CE設(shè)備連接,快速有效地獲取現(xiàn)場實時數(shù)據(jù),。PC機內(nèi)的各種監(jiān)視,、控制和管理等應用軟件則像是插在OPC主板上的軟件“芯片”,芯片可以通過OPC獲得現(xiàn)場實時數(shù)據(jù),,芯片之間也可以按照OPC協(xié)議進行通訊,,從而實現(xiàn)軟件的“即插即用”。

  1.3 OPC對象與接口

  OPC的核心是COM/DCOM技術(shù),。在COM模型中,,軟件的功能被分解為一些組件,,這些組件通過COM協(xié)議在一定條件下連接起來,實現(xiàn)相應的功能,。COM對象分為客戶端和服務(wù)器兩類,,客戶端通過COM接口訪問服務(wù)器[2]。

  OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范描述了OPC服務(wù)器需要實現(xiàn)的COM對象及其接口,,它定義了定制接口(custom interface)和自動化接口(automation interface)[1],。OPC客戶程序通過接口與服務(wù)器通訊,間接讀取數(shù)據(jù),。OPC服務(wù)器必須實現(xiàn)定制接口,,也可以有選擇地實現(xiàn)自動化接口。一般來說,,自動化接口能為VB等高級語言客戶程序提供極大的便利,,但數(shù)據(jù)傳輸效率較低;而定制接口則為用C/C++語言編寫的程序帶來靈活高效的調(diào)用手段。

  OPC客戶程序訪問服務(wù)器時,,創(chuàng)建一個服務(wù)器對象(這里指的是邏輯對象,,目的是利用這個邏輯對象建立與實際服務(wù)器的連接),調(diào)用這個服務(wù)器對象的接口,,服務(wù)器對象創(chuàng)建組對象并返回組對象的指針,,客戶程序獲得組對象的指針后調(diào)用其接口。

  注意,,OPC項并不是OPC客戶直接操作的對象,,因為OPC項沒有定義外部接口,對象的所有操作都是通過包容該項的組對象進行的,。

2 OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計步驟

  2.1 OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的結(jié)構(gòu)

 


圖 1 OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的結(jié)構(gòu)

 

  本文實現(xiàn)的OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器具有數(shù)據(jù)采集的功能,,提供符合OPC規(guī)范的定制接口。主要由OPC 服務(wù)器對象,、OPC 組對象,、OPC 項對象和針對CAN(Controller Area Network控制器局域網(wǎng))通訊卡編寫的I/O 動態(tài)鏈接庫(DLL)組成,采用如圖1所示的結(jié)構(gòu),。

  OPC 服務(wù)器對象是客戶端與服務(wù)器交互的首要對象,。客戶端通過訪問服務(wù)器對象的接口函數(shù)與之進行交互,。一個服務(wù)器對象里可以設(shè)置一個以上的組對象,。OPC 服務(wù)器對象的主要功能是:①創(chuàng)建和管理OPC 組對象;②管理服務(wù)器內(nèi)部的狀態(tài)信息;③將服務(wù)器的錯誤代碼翻譯成描述性語句;④瀏覽服務(wù)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)。

  OPC 組對象用于組織管理服務(wù)器內(nèi)部的實時數(shù)據(jù)信息,,它是OPC 項對象的集合,。正因為有了組對象,OPC應用程序就可以成批地對所需要的數(shù)據(jù)進行訪問,,也可以以組為單位啟動或停止數(shù)據(jù)訪問,。其主要功能是:①管理組對象內(nèi)部的狀態(tài)信息;②創(chuàng)建和管理項對象;③OPC服務(wù)器內(nèi)部的實時數(shù)據(jù)存取服務(wù)(同步或異步方式),。

  OPC 服務(wù)器對象和組對象支持的接口由OPC規(guī)范定義,但并未規(guī)定具體如何實現(xiàn),,需要開發(fā)人員自己完成,。

  OPC項則與現(xiàn)場設(shè)備中的模塊相對應,它包含數(shù)據(jù)項的值(value),、品質(zhì)(quality)和時間戳(time stamp),。

  I/O DLL是針對具體硬件設(shè)備開發(fā)的驅(qū)動程序,實現(xiàn)從現(xiàn)場設(shè)備讀取數(shù)據(jù)的功能,。

  2.2 實現(xiàn)OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的主要步驟:

  2.2.1 獲得并注冊O(shè)PC標準組件

  根據(jù)COM規(guī)范,,COM服務(wù)器可分為進程內(nèi)服務(wù)器、本地服務(wù)器和遠程服務(wù)器,。后兩種服務(wù)器與客戶程序運行在不同的進程空間,屬于進程外服務(wù)器,。為了實現(xiàn)進程間通訊,,需要用到代理/存根模塊。代理/存根模塊由接口描述語言(IDL)直接生成,。OPC基金會為每種OPC服務(wù)器提供了相應的代理/存根動態(tài)鏈接庫,,這些文件可以在OPC基金會的網(wǎng)站(www.opcfoundation.org)上免費下載。

  注意,,設(shè)計OPC服務(wù)器時可以在OPC對象上增加接口以滿足特定的要求,,但不能修改標準的OPC IDL文件或相應的 proxy/stub DLL。新增的接口描述應定義在獨立的IDL文件中,,并由該文件生成獨立的代理/存根模塊來完成接口的調(diào)用工作,。

  組件的注冊將在后面介紹。

  2.2.2 編寫OPC服務(wù)器代碼

  首先定義0PC數(shù)據(jù)服務(wù)器的名稱(ProgID)和類標識(CLSID),,實現(xiàn)COM庫的初始化功能和0PC數(shù)據(jù)服務(wù)器類廠對象的接口功能,。然后實現(xiàn)OPC對象和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。接下來針對具體硬件編寫I/O DLL,,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時讀取,。這項工作是十分繁重的,要求開發(fā)人員具有良好的COM編程知識,,具體過程限于篇幅不能詳述,,這里指出兩點引起注意:

  ⑴全局唯一標識符(GUID)

  GUID是為每個COM對象提供的十六字節(jié)標識數(shù),。COM類至少有兩個GUID:類標識(CLSID)和接口標識(IID),。CLSID用于標識COM類,登記在Windows注冊表中,,包含指向包括COM類的DLL或EXE組件的路徑,。IID用于標識該類的接口,,被應用程序用來查詢和觸發(fā)該類的方法,也登記在注冊表中,。由于對象類是由GUID標識的,,所以必須保證它們的唯一性,才能使最終用戶在使用由不同軟件商開發(fā)的組件時不會發(fā)生沖突,。

  可以使用宏DEFINE_GUID (name , long , word , word , word , byte1 , … ,byte8 )

  其中 name 是標識數(shù)的名字,,其余參數(shù)是實際的ID碼。類標識的命名慣例是CLSID_ClassName ,,而接口ID的命名慣例是IID_InterfaceName,。

  有兩種途徑來獲得GUID:

  ①Microsoft Visual C++提供了兩個工具來產(chǎn)生GUID:UUIDGen.exe和GUIDGen.exe(大小寫沒有影響),。前者是一個命令行程序,,直接產(chǎn)生一個GUID;后者是一個基于對話框的應用程序,運行UUIDGen.exe,,產(chǎn)生一個Create GUID對話框,。它提供四種格式,選定之后,,按New GUID鍵產(chǎn)生新的GUID,,顯示在Result欄中;按Copy鍵可以復制產(chǎn)生的結(jié)果。

 ?、诶肅OM庫提供的API函數(shù)來產(chǎn)生GUID:

  HRESULT CoCreateGuid (GUID *pguid )

  如果創(chuàng)建GUID成功,,則函數(shù)返回S_OK,并且pguid將指向所得到的GUID值,。

⑵OPC組件的注冊

 

  注冊表是客戶和組件程序共同訪問的信息倉庫,,通常情況下,當組件程序被安裝到計算機上之后,,必須通過某種途徑把它的信息注冊到注冊表中,,然后客戶程序才能根據(jù)注冊表中的信息對組件程序進行操作。

  根據(jù)COM規(guī)范,,組件程序可分為自注冊組件程序和非自注冊組件程序,。OPC基金會提供的組件都是自注冊組件。對于非自注冊組件程序,,其注冊過程與組件程序沒有直接關(guān)系,,必須單獨進行注冊信息的配置,比如,,可以編寫一個注冊表文件,,然后在RegEdit中引入。

  對于DLL形式的進程內(nèi)自注冊組件,Windows系統(tǒng)提供了RegSvr32.exe注冊工具進行組件注冊和注銷,。組件程序本身必須包含DllRegisterServer和DllUnregisterServer兩個注冊表入口函數(shù),。注冊和注銷的格式分別為:

  RegSvr32 <系統(tǒng)路徑> 

  RegSvr32 /u <系統(tǒng)路徑> 

  對于EXE形式的進程外自注冊組件,COM規(guī)范規(guī)定,,必須支持兩個命令行參數(shù)/RegServer和/UnregServer(大小寫無關(guān),,并且“/”可以用“-”代替),以便完成注冊和注銷操作,。注冊和注銷的格式分別為:

  <系統(tǒng)路徑> /RegServer

  <系統(tǒng)路徑> /UnregServer

  2.2.3 測試OPC服務(wù)器

  OPC服務(wù)器經(jīng)過調(diào)試之后,,還需要利用OPC客戶程序?qū)λ闹饕δ苓M行測試。

3 OPC技術(shù)在CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的應用

  本文開發(fā)的OPC服務(wù)器是針對華控公司的CAN通訊卡編寫的,,用于從華控的CAN通訊卡和RSM智能模塊組成的現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)中讀取信息,。

  3.1 系統(tǒng)組成

  系統(tǒng)主要由上位機, CAN通訊卡,,OPC 客戶端,,OPC服務(wù)器,RSM智能模塊,,通訊媒體等組成,。如圖2所示。

 


圖2 系統(tǒng)構(gòu)成

 

 ?、偕衔粰C的軟、硬件配置: Microsoft Windows 98/2000 或Windows NT操作系統(tǒng);32M以上內(nèi)存,、1G以上可用硬盤空間,、SVGA顯示卡。

 ?、贑AN通訊卡選用華控公司的HK-CAN30B,,它是一種將CAN通訊協(xié)議與PC機PCI總線標準相連接的非智能CAN插卡,通過該卡可對工業(yè)現(xiàn)場具有CAN通訊接口的儀表和控制設(shè)備進行監(jiān)控,。

 ?、跜AN現(xiàn)場設(shè)備選用華控的RSM智能模塊,每個模塊都是在一個嵌入式實時多任務(wù)的內(nèi)核管理下周期性工作,,按組態(tài)要求定時地向上發(fā)送和取得數(shù)據(jù),。

  ④通訊媒體可以選用雙絞線,、帶屏蔽雙絞線等,。

  ⑤客戶端選用力控公司的力控2.6監(jiān)控組態(tài)軟件,。力控2.6支持OPC技術(shù),。它作為OPC客戶端,充分利用了OPC服務(wù)器的強大性能,為工程人員提供了方便高效的數(shù)據(jù)訪問能力,。在力控中可以同時掛接任意多個OPC服務(wù)器,,每個OPC服務(wù)器都可以當作一個外部設(shè)備進行定義、增加或刪除,。

  3.2 OPC 服務(wù)器與客戶端的連接

  3.2.1 定義OPC設(shè)備

  首先在力控導航器窗口中選擇“實時數(shù)據(jù)庫”中的 “I/O設(shè)備驅(qū)動”并展開,,出現(xiàn)“OPC”設(shè)備。雙擊“OPC(Client)”,,出現(xiàn)I/O設(shè)備定義對話框,。在“設(shè)備名稱”中定義邏輯設(shè)備的名稱(由用戶隨意定義),不妨定義為“OPC”,,在“數(shù)據(jù)更新周期”中指定采集周期,,填寫故障后恢復查詢的周期和最長時間,然后單擊“下一步”,,出現(xiàn)OPC設(shè)備定義對話框,。

  力控會自動搜索計算機系統(tǒng)中已經(jīng)安裝的所有OPC服務(wù)器。如果OPC服務(wù)器編寫無誤并且注冊正確,,則點擊下拉框“OPC 服務(wù)器”時會列出已經(jīng)安裝的所有OPC服務(wù)器的名稱,,選擇要使用的OPC服務(wù)器,這里選擇本文設(shè)計的服務(wù)器“OPC.Server.1”,。

  選擇“Server類型”,,是“當?shù)兀╨ocal)”還是“遠程(remote)”。在“數(shù)據(jù)訪問方式”中選擇“緩沖區(qū)”或“外設(shè)”方式,,對于“緩沖區(qū)”方式,,OPC客戶程序?qū)⑼ㄟ^OPC服務(wù)器的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù);對于“外設(shè)”方式,OPC客戶程序?qū)⑼ㄟ^OPC服務(wù)器直接從設(shè)備讀取數(shù)據(jù),。從設(shè)備直接讀取數(shù)據(jù)速度會慢一些,,一般只有在故障診斷或極特殊的情況下才會使用。在“死區(qū)百分比”中輸入一個百分值,,表示過程數(shù)據(jù)值的變化不超出這個比例將不對其進行數(shù)據(jù)更新,。單擊“確定”就完成了OPC設(shè)備的定義。

  3.2.2 對OPC數(shù)據(jù)項進行數(shù)據(jù)連接

  啟動力控的數(shù)據(jù)庫組態(tài)程序DBMan,。首先在點組態(tài)中創(chuàng)建所要用的變量,,不妨設(shè)為gg1。展開“數(shù)據(jù)連接”項,,已經(jīng)建立的OPC設(shè)備就排列在其中,。雙擊我們剛才建立的OPC設(shè)備 “OPC”,則出現(xiàn)“數(shù)據(jù)連接”對話框,。選擇要連接的點參數(shù)gg1后,,單擊“增加”按鈕,出現(xiàn)“數(shù)據(jù)項組態(tài)”對話框。

  如果OPC服務(wù)器支持“瀏覽”功能,,雙擊右上側(cè)列表框中的“Root”,,列表框會自動列出它提供的數(shù)據(jù)區(qū);如果OPC服務(wù)器不支持“瀏覽”功能,其數(shù)據(jù)項的描述需要用戶根據(jù)OPC服務(wù)器的資料說明,,在“數(shù)據(jù)項”輸入框內(nèi)手工填寫,。選擇“數(shù)據(jù)類型”和“讀寫權(quán)限”,在“訪問路徑”中輸入數(shù)據(jù)的訪問路徑(這一項不是必需的,,需要填寫的,,可以參考所使用的OPC服務(wù)器的手冊),這里不用填寫,。

  最后單擊“確定”按鈕,,就生成了一個數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)連接,如圖3所示,,從而實現(xiàn)了與現(xiàn)場實際信息的連接,。

 


圖3 力控數(shù)據(jù)連接結(jié)果

 

  在系統(tǒng)運行時,力控和服務(wù)器建立連接,,自動完成和OPC服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換,。

4 結(jié)束語

  本文設(shè)計的OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器符合OPC規(guī)范,實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時讀寫,,具有實用價值,。總之,,有了OPC規(guī)范,,控制系統(tǒng)軟件可以高效、穩(wěn)定地對硬件設(shè)備進行數(shù)據(jù)存取,, 系統(tǒng)應用軟件之間也可以靈活地進行信息交互,極大地提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應性,。

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