摘 要： 介紹了基于ARM-WinCE的電機監(jiān)控系統(tǒng),，硬件以ARM9微處理器S3C2410為核心,，軟件基于Windows CE操作系統(tǒng)并使用了ActiveX控件建立界面，實現(xiàn)對步進(jìn)電機和直流電機表面溫度,、轉(zhuǎn)速和運行時間等指標(biāo)的監(jiān)控,。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的系統(tǒng)功能設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、硬件電路設(shè)計,、軟件設(shè)計及測試的過程和結(jié)果。
關(guān)鍵詞： Windows CE,；S3C2410,；ActiveX
嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，它的出現(xiàn)為工業(yè)控制設(shè)備的實時,、智能化提供了強有力的技術(shù)支持[1],。ARM微處理器是嵌入式處理器的典型代表，已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域,。作為32位的RISC架構(gòu),，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴展,。Windows CE操作系統(tǒng)具有很高的實時性,，已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè),、工業(yè)控制,、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。Windows CE能從閃存啟動，從而避免了暴露在灰塵,、高溫和震動環(huán)境下,，使它可以適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。因此Windows CE在工業(yè)控制領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景[2],。
1 系統(tǒng)概述
本系統(tǒng)是一個電機監(jiān)控系統(tǒng),，運行在S3C2410硬件平臺上，軟件運行環(huán)境為Windows CE 5.0操作系統(tǒng),；由ActiveX控件構(gòu)成電機監(jiān)控軟件界面,。系統(tǒng)運行溫度在0~100 ℃之間。通過界面,，可以直觀地看出當(dāng)前直流電機和步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速以及電機運行時間和表面的溫度,，當(dāng)溫度超過75℃時立即控制電機停止運轉(zhuǎn)；還可以控制電機的啟動,、停止,、加速和減速。通過這些實現(xiàn)電機的監(jiān)控,。
2 硬件設(shè)計
硬件電路采用的是ARM9內(nèi)核微處理器S3C2410A,，擴展有64 MB SDRAM、64 MB NAND Flash,、2 MB NOR Flash等存儲器,，可運行Windows CE 5.0操作系統(tǒng)。外設(shè)主要是直流電機,、步進(jìn)電機,、溫度傳感電路、液晶屏等,，硬件框如圖1所示,。
步進(jìn)電機采用了達(dá)林頓管驅(qū)動芯片ULN2003來驅(qū)動四相步進(jìn)電機。溫度傳感器和TFT液晶屏的驅(qū)動電路比較簡單,，下面重點介紹一下直流電機的驅(qū)動電路,。
直流電機驅(qū)動電路如圖2所示。直流電機控制使用了H橋驅(qū)動電路[3],，控制口線為GPB0,、GPH9（GPG0與GPH9為連接S3C2410A核心板時的引腳連接，圖中標(biāo)出的是連接S3C2410A核心板的引腳編號）,。JP17可以斷開直流電機控制電路與S3C2410A的連接,。當(dāng)GPB0輸出高電平時（即ZDJ_A點為3.3 V），則Q2,、Q3導(dǎo)通Q6導(dǎo)通MOTOR_B點為MGV+,，Q6導(dǎo)通，MOTOR_A點為GND，此時直流電機將會正轉(zhuǎn),。由于Q6的集電極通過一個二極管D7連接到H橋的另一個控制端ZDJ_B,，將ZDJ_B控制端電壓鉗在1.0 V以下，因此不管GPH9輸出是高電平還是低電平,，Q4,、Q5都會截止Q8截止，不會造成H橋短路故障,。當(dāng)GPB0輸出為低電平（即ZDJ_A點為0 V）時,，則Q3、Q6截止,，Q7截止,，GPH9的輸出電平可以控制電機反轉(zhuǎn)或停機。若GPH9輸出高電平（即ZDJ_B點為3.3 V）,，則Q4、Q5導(dǎo)通Q8導(dǎo)通MOTOR_A點為MGV+,，Q5導(dǎo)通MOTOR_B點為GND,，此時直流電機將會反轉(zhuǎn)。當(dāng)GPH9輸出低電平時,，Q4,、Q5都會截止Q8截止，電機停機,。二極管D8～D11為續(xù)流二極管,，用于釋放電機線圈上產(chǎn)生的反電動勢。電阻R162,、R163為限流/保護(hù)電阻,。PWM0輸出信號通過一個電阻連接到一個電容上，信號通過R82和C127進(jìn)行濾波,，從而實現(xiàn)一個簡單的DAC控制電路,，將輸出連接接到直流電機驅(qū)動電路，從而實現(xiàn)直流電機驅(qū)動[4],。
3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計是基于Windows CE操作系統(tǒng)之上構(gòu)建的,，軟件框圖如圖3所示。
3.1 驅(qū)動部分
首先是定時器的分配,。S3C2410A提供了5個定時器Timer0~Timer4,，Timer4分配作為操作系統(tǒng)時鐘Tick，將Timer3分配給觸摸屏,。PWM定時器驅(qū)動程序用Timer0和Timer1得到PWM輸出信號,。PWM定時器根據(jù)正弦函數(shù)sinx的值不斷改變PWM的占空比，就可以輸出一個正弦方波。
在本系統(tǒng)中會使用到GPIO,、PWM等驅(qū)動,，當(dāng)使用這些驅(qū)動時，流式接口驅(qū)動程序把設(shè)備抽象成文件系統(tǒng)進(jìn)行操作,。首先電機監(jiān)控器程序使用API對設(shè)備進(jìn)行訪問,，文件API被操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到FileSys.exe進(jìn)程中；然后FileSys.exe發(fā)現(xiàn)是對設(shè)備進(jìn)行操作,，就會把執(zhí)行交到設(shè)備管理器,，接著設(shè)備管理器根據(jù)具體的請求，調(diào)用不同的流式接口驅(qū)動程序中暴露的接口,；最終,，驅(qū)動程序負(fù)責(zé)與硬件交互。
3.2 線程部分
Windows CE的調(diào)度嚴(yán)格按照優(yōu)先級來進(jìn)行,。具有最高優(yōu)先級的線程如果處于就緒狀態(tài),，總會被調(diào)度系統(tǒng)選中；如果系統(tǒng)中存在多個優(yōu)先級相同的就緒任務(wù),，這些進(jìn)程以時間片輪算法調(diào)度,；如果線程的時間片大小被設(shè)置為0，那它會一直占有處理器,，直到線程結(jié)束后進(jìn)入阻塞掛起或休眠狀態(tài)[5],。
主線程（流程圖如圖4所示）：主要響應(yīng)各種窗口消息事件?？紤]到軟件要能及時響應(yīng)用戶發(fā)出的各種事件,，主線程的優(yōu)先級設(shè)為THREAD_PRIORITY_HIGHEST（高于正常優(yōu)先級2級）。
監(jiān)控功能主要通過3個線程實現(xiàn),。溫度監(jiān)控線程：實現(xiàn)對兩個電機溫度的監(jiān)控,，一旦溫度超過預(yù)定值，立刻停止電機轉(zhuǎn)動,，從而保護(hù)電機,。因為此進(jìn)程的任務(wù)必須及時處理，溫度監(jiān)控線程的優(yōu)先級設(shè)為THREAD_ PRIORITY_TIME_CRITICAL（高于正常優(yōu)先級3級,，具有這個優(yōu)先級的線程不會被搶占）,。步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動控制線程：步進(jìn)電機控制口線為GPC0、GPC5,、GPC6,、GPC7，只有不停地控制時序,，才可以控制電機轉(zhuǎn)動,，電機運行監(jiān)控器軟件單獨使用一個線程來實現(xiàn)控制電機的轉(zhuǎn)動,。步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動控制線程的優(yōu)先級設(shè)為THREAD_ PRIORITY_NORMAL，擁有正常優(yōu)先級,。電機狀態(tài)顯示線程：電機運行監(jiān)控器軟件中有溫度計,，LED時鐘，轉(zhuǎn)速表3個控件分別用來顯示電機的狀態(tài),，任務(wù)量比較大,，占用時間比較多，為了不影響電機運行監(jiān)控器軟件的實時性,，電機狀態(tài)顯示線程的優(yōu)先級設(shè)為THREAD_ PRIORITY_BELOW_NORMA L（低于正常優(yōu)先級一級）,。
3.3 界面部分
設(shè)計虛擬儀器面板。根據(jù)實物,，在虛擬面板上放置設(shè)計好的ActiveX控件,，在對象監(jiān)視器中對各個控件的參數(shù)進(jìn)行修改，使其與實際相符,。再對各個控件進(jìn)行編程,，使其實現(xiàn)實際控件所具備的功能及各個控件之間的邏輯控制關(guān)系。LED數(shù)碼管控件通過矩形背景繪制和數(shù)碼管的繪制產(chǎn)生,；溫度計控件通過水銀柱的繪制和刻度的繪制產(chǎn)生,；圓形儀表盤控件通過一個儀表盤繪制和一個刻度的繪制產(chǎn)生；大字體按鈕控件通過一個立體矩形的繪制和一個大字體的繪制產(chǎn)生,。考慮到刷新可能對界面產(chǎn)生的影響,，在繪制控件過程中均采用雙緩沖技術(shù),。
4 系統(tǒng)測試
將軟件與硬件聯(lián)系起來，得到一個完整的系統(tǒng),。對系統(tǒng)的各項功能進(jìn)行測試,，可以達(dá)到預(yù)期的效果。對電機的運行時間,、轉(zhuǎn)速,、表面溫度等各個指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)控，效果圖如圖5所示,。
本文設(shè)計的是基于Windows CE操作系統(tǒng)的電機監(jiān)控系統(tǒng),。由于硬件的限制，直流電機轉(zhuǎn)速測量是根據(jù)PWM得到的估測值,，如要得到比較理想的結(jié)果,，可以使用轉(zhuǎn)速傳感器來實現(xiàn)測速。盡管如此,，整個系統(tǒng)安全可靠,，實時性和穩(wěn)定性高,，硬件成本低，軟件界面友好,，具有一定的推廣前景,，方便以后移植到實際工控設(shè)備中。
參考文獻(xiàn)
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[5] 何宗鍵.WindowsCE嵌入式系統(tǒng)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社,，2007.