摘  要： 介紹了一種船舶主機燃油粘度試驗臺中粘度控制器的設計,。包括控制器人機界面的設計、控制器的嵌入式開發(fā)平臺和開發(fā)環(huán)境,、硬件接口設計原理以及軟件設計方法等,。
關鍵詞： 嵌入式；主機,；粘度,；控制

　近代船舶柴油機為降低營運成本，使用低質(zhì)燃油,，由于在常溫下其粘度很高,，在管路中難以運輸，更不能直接噴入氣缸進行燃燒,。為了保證船舶主機燃燒良好,，能正常運行，燃油粘度必須保持在一個合適的范圍內(nèi)[1],。半實物主機燃油粘度仿真控制系統(tǒng),，把船上的燃油粘度控制系統(tǒng)遷移到了教學實驗室中。本文內(nèi)容為試驗臺上粘度控制器的設計與實現(xiàn),。
1 粘度控制器人機界面
　粘度控制器人機界面如圖1所示,。矩形區(qū)域為LCD顯示區(qū)域。下方8個按鍵區(qū)域為控制狀態(tài)選擇區(qū),，分別有粘度控制,、溫度控制、手動控制和停止控制,、主界面,、設置模式、報警復位等按鍵,。右邊16個按鍵的區(qū)域為數(shù)字鍵操作區(qū)域和符號鍵區(qū)域,。包括數(shù)字鍵、修改數(shù)據(jù),、移動光標,、清除數(shù)據(jù)、確定等按鍵,。

2 控制器硬件設計
　在本半實物主機燃油粘度控制系統(tǒng)設計中,，燃油粘度控制器需要實現(xiàn)操作模式、控制方式,、開關量,、數(shù)據(jù)量等狀態(tài)的顯示，也要實現(xiàn)各個變量的修改,，也可以進行報警復位的操作,。為實現(xiàn)如上功能，除需要嵌入式網(wǎng)絡模塊外還需有LCD顯示,、鍵盤輸入,、與上位機通信,、開關量輸出等模塊。
2.1 嵌入式網(wǎng)絡模塊
　控制器以成都英創(chuàng)的EM9260嵌入式網(wǎng)絡模塊為基礎開發(fā)完成,。EM9260是一款面向工業(yè)自動化領域的高性價比嵌入式網(wǎng)絡模塊,，其內(nèi)核CPU為工業(yè)級品質(zhì)的AT91SAM9260，模塊已預裝正版Window CE5.0實時多任務操作系統(tǒng),，用戶可直接使用Microsoft提供的免費軟件開發(fā)工具eVC（+SP4）或其他更高版本的開發(fā)工具,，在EM9260上開發(fā)自己的應用程序。英創(chuàng)公司針對EM9260提供了完整的接口底層驅動以及豐富的應用程序范例,，用戶可在此基礎上方便,、快速地開發(fā)出各種工控產(chǎn)品。
2.2 LCD顯示部分
　EM9260的主要應用領域是那些需要連續(xù)工作的工業(yè)環(huán)境,，甚至是無人值守的環(huán)境,，因此對顯示的要求相對較低。即使使用LCD,，通常也是顯示一些設備工況信息,，因此可選用一些低成本LCD模塊，如控制器為KS0108,、分辨率為128×64的點陣LCD模塊就是典型的低成本LCD,。在程序設計上，LCD顯示僅僅是作為ISA總線上擴展的簡單外設,，而不是通常意義下的Windows顯示窗口,。從CE的觀點來看，EM9260屬于典型的無頭設備（Headless）,。對常用的幾款低成本LCD屏,，EM9260的LCD驅動程序可實現(xiàn)自動識別，為客戶產(chǎn)品的LCD選型提供了靈活性,。
　控制器選用240×128 LCD屏,，將信號線與模塊連接即可實現(xiàn)。LCD信號接口電路如圖2所示,。

　圖4是通過ISA總線擴展矩陣鍵盤的原理圖,，用1片74HCT139對總線地址譯碼，再通過74HCT273實現(xiàn)8位數(shù)字輸出用于掃描輸出,，通過74HCT245回讀掃描碼,，僅需要3個器件，就能實現(xiàn)8×8矩陣鍵盤擴展,。
外接矩陣鍵盤原理圖如圖5所示,。

　將CAN接口與CAN接口卡按信號線相接，即可實現(xiàn)與上位機的通信,。
2.5 開關量輸出部分
　使用嵌入式模塊的GPIO輸出接口,，可以實現(xiàn)控制器的報警聲音,，以及指示燈的點亮。電路如圖7所示,。

3 控制器軟件設計
　主板安裝了操作系統(tǒng)WindowsCE,，WindowsCE是微軟公司嵌入式,、移動計算平臺的基礎,，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng),，是基于掌上電腦類的電子設備操作系統(tǒng),，Windows CE是精簡的Windows 95，它的圖形用戶界面相當出色,。Windows CE是有優(yōu)先級的多任務操作系統(tǒng),，它允許多重功能、進程在相同時間系統(tǒng)中運行Windows CE支持最大的32位同步進程,。一個進程包括一個或多個線程,，每個線程代表進程的一個獨立部分，一個線程被指定為進程的基本線程,，進程也能創(chuàng)造一個未定數(shù)目的額外線程,，額外線程實際數(shù)目僅由可利用的系統(tǒng)資源限定[2]。
　軟件開發(fā)工具為eVC,，eVC是微軟針對嵌入式系統(tǒng)提供的一套功能完善且可免費獲取的開發(fā)工具,，與PC平臺通用的VC保持了高度的一致性，同時考慮C/C++的執(zhí)行效率,，因此eVC被作為EM9260應用程序開發(fā)的首選工具,。建立好英創(chuàng)ARM9嵌入式模塊所需的硬、軟件開發(fā)環(huán)境,，并利用以太網(wǎng)將開發(fā)主機和英創(chuàng)ARM9嵌入式模塊連接成功以后,，用戶就可以通過eVC開發(fā)、調(diào)試自己所需的應用程序了,。eVC開發(fā)環(huán)境和普通的VC非常相似,，客戶可以通過市面上很常見的大量VC書籍資料來進行編程方面的學習。然而,，使用eVC開發(fā)和VC的最大區(qū)別之一在于VC開發(fā)的程序直接運行于普通PC機,；eVC開發(fā)的應用程序最終要在目標機而非PC機上運行調(diào)試。這一過程是廣大VC程序員和剛接觸嵌入式系統(tǒng)的工程師所不熟悉的,。
3.1 系統(tǒng)主程序軟件設計
　根據(jù)控制器系統(tǒng)設計,，軟件開發(fā)涉及到LCD菜單顯示、按鍵,、CAN通信等操作,?？刂破髦鞒绦蛄鞒虉D如圖8所示。

3.2 矩陣鍵盤軟件設計
　矩陣鍵盤驅動程序每隔20 ms掃描一次鍵盤,，判斷是否有按鍵輸入,，如果確認了按鍵輸入，則產(chǎn)生WM_KEYDOWN消息,，緊接著判斷按鍵是否釋放,，按鍵釋放后產(chǎn)生WM_KEYUP消息，然后進行下一次掃描,，如此循環(huán),。圖9是按鍵掃描程序的流程圖。

　根據(jù)上述流程圖,，封裝的KEY_API類,，該類提供兩個方法函數(shù)，如下：
　//打開鍵盤掃描
　//nRow,，nCol矩陣鍵盤行列數(shù),，最大為8×8
　BOOL OpenKeyPad（int nRow，int nCol）,；
　//關閉鍵盤掃描
　BOOL CloseKeyPad（）,；
　通過KEY_API類，在應用程序中,，僅需要調(diào)用OpenKeyPad（）函數(shù),，就能打開鍵盤掃描程序。當鍵盤上某個鍵按下時,，驅動程序將產(chǎn)生WM_KEYDOWN和WM_KEYUP消息,。這兩個消息的附加參數(shù)（wParam和lParam）包含的是虛擬鍵代碼和掃描碼等信息，應用程序中可通過TranslateMessage函數(shù)將WM_KEYDOWN和WM_KEYUP消息組合轉換為一條WM_CHAR消息,，該消息的wParam附加參數(shù)包含了按鍵字符的ASCII碼[3],。
3.3 CAN通信軟件設計
3.3.1 CAN報文的幀格式
　在CAN2.0B中存在兩種不同的幀格式，其主要的區(qū)別在于標識符的長度,，具有11位標識符的幀稱為標準幀,，而包括有29位標識符的幀稱為擴展幀。
3.3.2 啟動CAN通信接口
　CAN通信接口的驅動程序采用的是WinCE下流式驅動程序（StreamDevice Driver）,，并在此驅動程序的基礎上為客戶封裝了一套簡單實用的API函數(shù),。各個函數(shù)的定義在can_api.h文件下，在該頭文件中對于各個API函數(shù)均有相應的中文說明,。作為流式接口函數(shù)通常是和文件系統(tǒng)的API函數(shù)（如CreateFile）緊密匹配的,，因此在使用英創(chuàng)提供的CAN接口的API函數(shù)時，首先需要調(diào)用CreateFile（…）來獲取CAN接口設備的句柄handle，如使用CAN1通信口,，可以用以下函數(shù)：
　    m_hCAN=CreateFile（_T（“CAN1：”）,，
　   GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，
　             0,，NULL,，OPEN_EXISTING，0,，NULL）,；
　對于CAN2通信接口，只需將其中的名稱換成：_T（“CAN2：”）即可,。在創(chuàng)建CAN設備得到有效的handle之后,，就可以調(diào)用can_api.h中定義的相應函數(shù)來啟動CAN設備接口BOOL CAN_StartChip（HANDLE hDevice）；至此CAN通信接口進入工作模式,。
3.3.3 設置CAN通信接口參數(shù)
　在進行CAN數(shù)據(jù)通信之前，需要設置和CAN通信相關的一些參數(shù),，包括CAN通信的波特率設置以及對接收過濾器的設置,。BOOL CAN_SetBaudRate（HANDLE hDevice，BYTE*index）用于設置CAN通信的波特率,，波特率的設置范圍為：10 kb/s~1 Mb/s,。具體的定義參見can_api.h文件中的注釋說明。通過配置接收過濾器,，CAN通信接口可以實現(xiàn)只接收標識符也接收過濾器預設值相一致的報文,。接收過濾器由接收碼寄存器ACRn和接收屏蔽碼寄存器AMRn來定義，還可以選擇兩種不同的過濾器模式,，單過濾器模式或者雙過濾器模式,。關于ACR、AMR中各位的定義,，參見SJA1000的數(shù)據(jù)手冊,。在英創(chuàng)提供的API函數(shù)中，用戶可以調(diào)用以下函數(shù)來實現(xiàn)接收過濾器的設置：
　BOOL CAN_SetGlobalAcceptanceFilter（HANDLE hDevice,，BYTE*AcceptanceFilter,，BYTE size）
3.3.4 CAN通信接口的數(shù)據(jù)收發(fā)
　采用的CAN通信方案中，CAN通信的數(shù)據(jù)收發(fā)均采用中斷方式,，驅動程序中已自動完成了數(shù)據(jù)的收發(fā)以及內(nèi)部定義的CAN接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)的管理,。對于用戶開發(fā)應用程序來說，只需要調(diào)用英創(chuàng)公司提供的CAN通信API函數(shù)中的收發(fā)函數(shù)即可[4],。
　在進行CAN通信應用程序的開發(fā)時,，對于CAN通信數(shù)據(jù)接收線程可以采用兩種方式：一種可以采用定時查詢，即定時調(diào)用函數(shù)CAN_GetNextReceivedFrame（…）檢測是否接收到CAN報文數(shù)據(jù)；一種可以利用操作系統(tǒng)的消息機制,，采用事件響應的方式,，一旦硬件接收到數(shù)據(jù)報文，底層的驅動接收程序會自動讀取報文,，同時發(fā)送一個接收事件,。作為應用程序的接收線程在等待到該事件后，調(diào)用CAN_GetNextReceivedFrame（…）即可進行CAN數(shù)據(jù)報文的讀取,。需要注意的是函數(shù)CAN_GetNextReceivedFrame每執(zhí)行一次,，只是讀取了1幀CAN數(shù)據(jù)報文，如果在應用程序中需要將最新的數(shù)據(jù)全部讀出,，只需反復調(diào)用該函數(shù),，直到該函數(shù)的返回值為FALSE[5]。
　CAN數(shù)據(jù)報文的發(fā)送比較簡單,，應用程序直接調(diào)用函數(shù)CAN_SendFrame（…）即可,。
　在粘度控制器的開發(fā)中，對嵌入式開發(fā)平臺的熟悉過程至關重要,。其中包括開發(fā)板接口的使用,，各個模塊的調(diào)試和實現(xiàn)。對硬件接口規(guī)劃完成后大量的工作集中在程序的編寫,。包括擴展鍵盤的實現(xiàn)中類庫的加載,、數(shù)字量數(shù)據(jù)位數(shù)的調(diào)試、can通信規(guī)則的調(diào)試,、光標的實現(xiàn)過程中多線程方法的學習和使用,，且解決了調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的由于電磁干擾導致LCD復位黑屏的問題以及LCD背光的實現(xiàn)。
　經(jīng)后期在已完成的3套粘度控制試驗臺上使用測試,，該粘度控制器系統(tǒng)穩(wěn)定,、使用簡單方便，滿足了預期的控制和通信的功能,，但是由于采用的是成品的嵌入式平臺,，開發(fā)板資源配置上還可以優(yōu)化以節(jié)約資源成本。
參考文獻
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