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                    工業組態人機交互系統的設計

                    添加時間:2018/08/10 來源:杭州電子科技大學 作者:王煒煥
                    本文主要提出并設計了一種可以利用組態方式進行開發的人機交互系統,完成了系統的硬件設計、嵌入式軟件設計和簡單功能的組態軟件的實現,從課題研究背景出發,結合了國內外研究現狀,總結出了組態人機交互系統目前的優缺點和發展前景。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      在工業生產中,由于生產設備分散控制和操作人員集中管理的需要,集散控制系統(DCS)已被廣泛應用于各個領域。集散控制系統把控制和管理兩個模塊分開設計,減小了系統開發的工作量。人機交互作為集散控制系統金字塔最頂端的部分,提供了生產設備與操作人員交互的接口,承擔著信息顯示、數據通信、模塊協調等重要任務,而人機交互系統的組態設計方式以其模塊化、智能化、可擴展等優點在工業領域中占據越來越重的地位。

                      本文在分析了國內外常見的組態軟件優缺點的情況下,從工業生產實際出發,改進了原有人機交互系統開發方式,針對組態人機交互系統需要實現的功能進行了分析,提出了一種基于 Linux 的組態人機交互系統的軟硬件設計方案。本文首先進行了人機交互系統硬件平臺的設計,實現了以 TI 公司生產的基于 ARM Cortex-A8 架構的處理器 AM3352 為核心的嵌入式系統架構,包括核心電路、界面顯示、人機操作、設備通信、數據存儲與傳輸等功能模塊的設計。然后根據處理器和外圍芯片的特性,參考現有的軟件資源進行引導程序、操作系統、文件系統的移植和優化,以得到適合運行在本系統上的軟件,并且移植了 Qte 以使嵌入式設備能夠支持豐富的圖形庫。最后在 QtCreator 中進行了組態軟件的開發,利用 Qt 的圖形視圖框架、對數據庫良好的操作支持、腳本程序的解析功能以及第三方的串口類代碼等強大功能,實現了基本的圖形界面及其動畫的組態,數據的定義、存儲、查詢、修改,通信系統及其協議的設置和定義,以及對腳本語言進行編寫、解析和運行等功能。

                      本課題所設計的組態人機交互系統具有成本低、操作簡單、實時性好、數據存儲安全等優點,設計的組態軟件為企業員工提供了簡便的開發環境,經過快速的二次開發后即可投入生產,避免了從底層開始設計的很多不必要的瑣碎工作。經過實驗室和現場調試,能夠基本實現組態開發、設備通信、數據存儲等功能,滿足項目初步要求。

                      關鍵字:人機交互、組態、Linux、Qt、數據庫

                    ABSTRACT

                      In industrial production, DCS has been widely used in every field since the need of the decentralized control of the devices and the centralized management of operators. DCS use the design thought of hierachy and modulization, and it reduce the workload in development. As it is at the top of the pyramid of the DCS, human-machine interaction system provides the interface for devices and operators, and undertakes many important tasks such as information display, communication, coordinate between modules and so on, the configuration method for develop HMI system has been more and more important in the industrial since its modulization, intelligentialize and expansibility.

                      After analyze the merits and demerit of common configuration software at home and abroad, this paper improve the intrinsic method for development of the HMI system, and put forward a kind of design scheme of HMI system based on Linux from hardware to software. This paper first realizes the the design of hardware, which is an embedded system architecture based on ARM Cortex-A8 processor AM3352, including the core circuit, interface display, man-machine operation, equipment communication, data storage and transmission function module design. Then, according to the characteristics of the processor and the peripheral chips, transplants and optimizes the bootloader, operating system and file system. To make the optimized software operating environment, it transplants the Qte as the support for graphic in the embedded device. Finally, the Qt Creator is used to design the configuration software thinking of its powerful features as the graphical view framework of Qt, the good operation support of the database, the analytic function of the script and the serial port code of the third party, in which realizes the basic graphical interface and animation configuration, the data definition, storage, inquiry and revision, the establishment of the communication system, as well as the script function of edit, analysis and execution.

                      The configuration HMI system has the advantages of low cost, simple operation, good real-time and safe data storage. The configuration software provides a simple development environment for enterprise employees. After rapid secondary development, the products can be put into production, avoiding much work from low level. After the laboratory and on-site debugging, the system can realize the basic configuration development, equipment communication, data storage to meet the initial requirements of the project.

                      Keywords: HMI, configuration, Linux, Qt, database

                      自從 18 世紀 60 年代英國發展第一次工業革命以來,機器生產方式迅速取代了落后的手工生產,人類跨入工業社會,物質資料的增長越來越依賴于工業生產。進入電氣時代后,人與機器之間的交互從之前直接的手工操作轉變成自動化控制,隨著工業生產的發展,工業控制結構的復雜性大幅度增加,集散型控制系統出現了迅猛的發展趨勢,在這個過程中,人機之間的交互顯得必不可少,并且占據著越來越重要的地位。集散型控制系統最主要的特征就是采用了分級遞階結構,實現了工業生產設備的集中管理、分散控制。

                      新中國成立后,我國的工業生產也開始迅速蓬勃地生長,尤其是改革開放之后的 30 多年的時間里,我國開始大規模地發展工商業并取得了舉世矚目的成績,自 2005 年開始,中國由原來的農業大國成功轉型為工業大國,到 2011 年時經濟總量已經一躍成為世界第二[2][3]。隨著信息革命熱潮席卷全球,物聯網時代的迅速降臨,兩次技術革命,工業生產和信息技術已經相互融合在一起,作為集散型控制系統金字塔最頂端的部分,人機交互系統成為工業控制領域極其重要的一個部分。

                      人機交互方式的發展歷史,大致可分為三個階段[3],如圖 1.2 所示。第一個階段是手工操作階段,該階段所謂的人機交互其實只是簡單的對生產機器的手工直接操作,并依靠操作人員自身對機器的觀察感知機器狀態,從而在有需要的時候作出相應的措施,圖 1.2 中 a 圖所示的珍妮紡紗機即是工業發展初期操作人員與機器之間的簡單交互。第二個階段是作業控制語言及交互命令語言階段,該階段人機交互的特點是操作人員采用批處理作業語言或者交互命令語言和計算機進行交互,這種方式對操作人員的要求極高,需要熟記許多命令,圖 1.2 中b 圖所示為穿孔紙片,這些紙片由當時的程序員制作,將這些紙片放入當時的計算機即可運行相應的程序。第三階段就是目前的圖形用戶界面階段,操作人員通過圖形用戶接口(GUI)獲取機器運行狀態和信息,并對機器發送執行指令,這種方法不僅提供了一個良好的用戶操作接口,更增強了人機交互系統的易用性,對于不了解計算機的用戶同樣可以使用,并且能夠提供更直觀的感受,也能使操作人員對錯誤、警告這方面的信息獲得更加及時、有效的提醒。

                      在工業發展的很長一段時間內,人機交互系統的實現往往是針對具體場景進行設計和開發,而一旦工業上對需求有所改變,已經成型的系統就很難適應新的場景,而進行新的開發往往是一項工作量巨大而又枯燥乏味的工作。隨著我國工業的不斷發展壯大,這種人機交互系統的設計模式越來越無法滿足產品設計和開發周期的需求,人力和時間成本的過多投入也導致需要迫切尋找一種方便快捷的開發方式來適應這種快節奏產品開發模式[5]。

                      隨著半導體產業的發展,芯片集成度的提升,集成芯片在體積變小的情況下,功能卻變得越來越強大,用于嵌入式設備的微控制器由原來簡單的單片機變成了性能更強的處理器[6],不僅處理器運行速度得到很大的提升,而且可以像電腦一樣運行大型操作系統。

                      正是在半導體產業和信息技術產業的推動下,組態的設計方式被提出用于人機交互系統的開發[7]。在組態的設計體系中,包括了人機交互系統和組態軟件,用戶對人機交互系統功能的開發不再需要編寫代碼,而是在組態軟件中通過簡單的類似“搭積木”的方式進行。組態軟件的功能主要包括如下內容:通過拖拽的方式完成復雜的圖形界面的設計,通過設計好的對話框完成圖形界面的動畫設置,提供數據定義、存儲和顯示的界面,提供腳本語言的編輯界面和運行時的解析功能等。用戶在組態軟件中完成這一系列的配置之后,由組態軟件自動生成適用于人機交互系統的可執行程序,用戶只需要將該可執行程序傳輸到人機交互系統中運行,就可以實現需要完成的功能;谶@樣的背景,實驗室和企業合作,進行了基于 Linux 的組態人機交互系統的研究和開發。

                      本課題最初用于織機控制系統,主要針對目前落后的人機交互系統設計模式提出的一種改進,并將原來的人機交互系統上的需求移植到新的模式中。本課題中電控箱和織機機械結構由浙江康立科技有限公司提供,本課題主要主要實現組態人機交互系統部分。本課題具體研究內容如下:

                     。1)分析原有的人機交互系統實現的功能,在此基礎上增加工業人機交互系統常用的功能,明確系統需求,針對需求指定設計方案。

                     。2)熟悉 CotexARM-A8 架構,查閱系統所用處理器和外圍芯片數據手冊,掌握芯片的電氣特性,制作硬件電路板。

                     。3)研究操作系統的工作原理和 Linux 操作系統的內核結構、啟動流程、內存管理、任務調度等,研究 Linux 內核的移植和優化,熟悉 Linux 操作系統下應用程序的編寫和驅動代碼的修改,熟悉引導程序 U-Boot 的移植和優化。

                     。4)研究 UBI 文件系統的實現原理,了解其性能和適用性,完成根文件系統的移植,并在文件系統中加入 Qt 庫,以支持豐富的圖形界面和事件機制。

                     。5)研究組態軟件的工作原理和實現方式,研究 QtCreator 使用方法,完成組態軟件的設計與開發,能夠實現基本的界面、動畫、通信、腳本等功能的組態。

                      本文主要分為七個章節,每一個章節的主要內容如下:

                      第 1 章 緒論 本章介紹了課題的研究背景、組態人機交互系統的概念以及當前形勢和發展趨勢,分析了國內外組態軟件的概況和發展前景,闡述了本課題研究的目的意義和內容。

                      第 2 章 組態人機交互系統工作原理和方案設計 本章首先介紹了組態人機交互系統的工作原理,分析了系統的整體需求和技術指標,在此基礎上,分析了系統的整體設計框架和策略,然后進一步細化需求,從嵌入式設備的軟硬件以及組態軟件的開發上進行方案的對比和選擇,確定具體的硬件設計、嵌入式軟件設計、通信接口、數據庫技術以及組態軟件設計。

                      第 3 章 人機交互系統硬件電路設計 本章主要介紹了人機交互設備具體的硬件電路設計,首先介紹了硬件整體框圖,然后具體到核心電路的選擇和每個外圍模塊電路的設計,分析各個模塊的設計思路、芯片選型及實現方法。

                      第 4 章 人機交互系統軟件設計 本章主要介紹了人機交互設備具體的軟件設計,首先介紹了軟件設計的整體框架,然后詳細介紹軟件部分需要完成的工作,包括 Bootloader、操作系統的移植、文件系統的制作、圖形庫和數據庫的支持等。

                      第 5 章 組態軟件設計 本章首先通過分析組態軟件需要實現的功能,介紹組態軟件的整體設計思想和框架,然后分成圖形界面、數據庫、通信系統和腳本設計四個部分詳細介紹整個組態軟件的實現方案。

                      第 6 章 人機交互系統調試 本章首先對人機交互系統硬件各個模塊分別進行測試,然后結合在組態軟件中開發的程序,綜合進行功能上的調試。

                      第 7 章 總結與展望 本章總結了本文的研究成果,并且在此成果上提出了一些不足和需要改進的地方,分析下一步工作需要完成的任務。

                      工業組態人機交互系統調試:

                    直流穩壓電源
                    直流穩壓電源

                    數字萬用表
                    數字萬用表

                    示波器
                    示波器

                    人機交互系統正面
                    人機交互系統正面

                    人機交互系統背面
                    人機交互系統背面

                    5V 電源紋波
                    5V 電源紋波

                    3.3V 電源紋波
                    3.3V 電源紋波

                    1.8V 電源紋波
                    1.8V 電源紋波

                    1.5V 電源紋波
                    1.5V 電源紋波

                    系統啟動時信息輸出
                    系統啟動時信息輸出

                    串口數據收發
                    串口數據收發

                    軟件編譯對話框
                    軟件編譯對話框

                    編譯錯誤提示對話框
                    編譯錯誤提示對話框

                    設備與電控箱連接測試
                    設備與電控箱連接測試

                    系統啟動界面
                    系統啟動界面

                    觸摸校準界面
                    觸摸校準界面

                    目 錄

                      摘 要
                      ABSTRACT
                      目 錄
                      第 1 章 緒論
                        1.1 課題研究背景
                        1.2 課題研究現狀與發展趨勢
                          1.2.1 國外研究現狀
                          1.2.2 國內研究現狀
                          1.2.3 發展趨勢
                        1.3 課題研究目的和意義
                        1.4 課題來源和研究內容及論文框架
                          1.4.1 課題來源
                          1.4.2 課題研究內容
                          1.4.3 論文框架
                      第 2 章 組態人機交互系統工作原理和方案設計
                        2.1 組態人機交互系統工作原理
                        2.2 系統整體需求與技術指標
                        2.3 人機交互系統方案設計
                          2.3.1 人機交互系統硬件設計
                          2.3.2 人機交互系統軟件設計
                        2.4 組態軟件方案設計
                        2.5 本章小結
                      第 3 章 人機交互系統硬件電路設計
                        3.1 人機交互系統硬件結構框圖
                        3.2 人機交互系統核心電路設計
                        3.3 LCD 顯示驅動電路設計
                        3.4 串口通信電路設計
                        3.5 以太網通信電路設計
                        3.6 CAN 總線電路設計
                        3.7 USB 接口電路設計
                        3.8 TF 卡接口電路設計
                        3.9 系統電源電路設計
                        3.10 本章小結
                      第 4 章 人機交互系統軟件設計
                        4.1 嵌入式系統整體軟件框架
                        4.2 Bootloader 移植
                          4.2.1 U-Boot 概述25
                          4.2.2 設置系統開機圖片
                          4.2.3 U-Boot 優化
                          4.2.4 U-Boot 編譯
                        4.3 Linux 操作系統內核移植
                          4.3.1 LCD 驅動修改
                          4.3.2 Linux 內核優化
                          4.3.3 Linux 配置與編譯
                        4.4 文件系統制作
                          4.4.1 文件系統概述
                          4.4.2 UBI 文件系統制作
                        4.5 Qt 移植
                          4.5.1 Qt 源代碼配置與編譯
                          4.5.2 tslib 配置與編譯
                          4.5.3 將 Qt 加入到文件系統中
                        4.6 本章小結
                      第 5 章 組態軟件設計
                        5.1 組態軟件整體設計框架
                        5.2 圖形界面的設計
                          5.2.1 圖形系統設計方案
                          5.2.2 畫板的設計
                          5.2.3 圖形庫設計
                          5.2.4 動畫效果設計
                        5.3 數據庫設計
                          5.3.1 數據庫系統整體設計架構
                          5.3.2 實時數據的處理
                          5.3.3 歷史數據庫的設計與開發
                        5.4 串口通信系統設計
                        5.5 腳本程序設計
                          5.5.1 腳本程序整體設計
                          5.5.2 腳本文件編輯模塊
                          5.5.3 腳本文件加載模塊
                        5.6 本章小結
                      第 6 章 組態人機交互系統調試
                        6.1 調試環境與實物展示
                        6.2 人機交互系統模塊調試
                          6.2.1 電源模塊調試
                          6.2.2 串口調試
                          6.2.3 CAN 調試
                          6.2.4 以太網調試
                          6.2.5 USB 口調試
                          6.2.6 TF 卡調試
                        6.3 用戶界面和組態功能調試
                          6.3.1 組態軟件調試
                          6.3.2 系統啟動調試
                          6.3.3 組態功能調試
                        6.4 本章小結
                      第 7 章 總結與展望
                        7.1 本文總結
                        7.2 后續工作展望
                      致 謝
                      參考文獻
                      附 錄

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