基于Windows平臺設(shè)備驅(qū)動模塊的開發(fā)

馮克平(上海工程技術(shù)大學(xué)資產(chǎn)管理及保障處，上海201260)

0 引 言

計算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及工業(yè)自動化程度的迅速提高，人們對工業(yè)自動化的要求也越來越高，表現(xiàn)在種類繁多的控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)軟件時，工控領(lǐng)域的工程師需通過手工或委托第三方編寫人機(jī)接口應(yīng)用軟件，開發(fā)周期長，效率低，可靠性差；或者購買專用的工控系統(tǒng)，通常是封閉的、功能專一的很難與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，升級和增加功能都受到嚴(yán)重的限制。工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件的出現(xiàn)，為根本改變這一狀況提供了可能[1]。

工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件是從分布式監(jiān)控系統(tǒng)(distributed control system，DCS)發(fā)展而來。它不僅保留了DCS所具有的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集處理功能、數(shù)據(jù)通訊及信息管理和操作顯示功能，而且有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時多任務(wù)、接口開放、使用靈活、功能多樣、運(yùn)行可靠和可擴(kuò)充性。工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件，顧名思義它是以靈活多樣的組態(tài)方式而不是編程方式為用戶提供良好的開發(fā)界面和簡捷的使用方法，其預(yù)設(shè)的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能[2]。

評價一個工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件的優(yōu)劣，首先要看它支持I/O設(shè)備的種類是否豐富，以及在組態(tài)了多種I/O設(shè)備下的目標(biāo)應(yīng)用程序的運(yùn)行速度，然后還要看它是否便于功能擴(kuò)展及版本升級。所以，如何開發(fā)一個具有支持豐富的I/O設(shè)備并有很好的數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時性，這在開發(fā)工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件中占據(jù)了重要的地位。

本文以從事開發(fā)工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件和設(shè)備驅(qū)動模塊的經(jīng)驗(yàn)，分析當(dāng)今各種主流工控設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，探討如何在Windows平臺上構(gòu)建一個適用于各種I/O通訊方式的設(shè)備驅(qū)動模塊開發(fā)平臺，從設(shè)計思路到應(yīng)用實(shí)例，提出了開發(fā)設(shè)備驅(qū)動模塊的框架結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵部分的過程實(shí)現(xiàn)。

1 Windows平臺下監(jiān)控組態(tài)軟件綜述

在Windows平臺上開發(fā)的工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件系統(tǒng)，要充分發(fā)揮Windows所具有的實(shí)時多任務(wù)特性，一般將數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)顯示打印等分成若干個任務(wù)線程來完成。主要模塊有：系統(tǒng)任務(wù)管理、數(shù)據(jù)采集、畫面顯示、報表打印、系統(tǒng)組態(tài)、設(shè)備驅(qū)動模塊等[1]。通常工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件系統(tǒng)是由組態(tài)子系統(tǒng)和運(yùn)行子系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成的[2]：

(1)組態(tài)子系統(tǒng)自動化工程設(shè)計師為實(shí)施其控制方案，常在組態(tài)子系統(tǒng)支持下進(jìn)行應(yīng)用程序的系統(tǒng)生成工作。通過建立一系列用戶數(shù)據(jù)文件(如：設(shè)備配置文件IO.ini，圖形目標(biāo)文件Monitor.ini)，供運(yùn)行子系統(tǒng)運(yùn)行時使用。組態(tài)子系統(tǒng)可由若干個組態(tài)程序模塊組成，如設(shè)備驅(qū)動組態(tài)模塊、數(shù)據(jù)采集組態(tài)模塊、圖形顯示組態(tài)模塊、實(shí)時數(shù)據(jù)庫組態(tài)模塊等。

(2)運(yùn)行子系統(tǒng)在系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境下，目標(biāo)應(yīng)用程序被載入計算機(jī)內(nèi)存并投入實(shí)時運(yùn)行。系統(tǒng)任務(wù)管理模塊會根據(jù)已組態(tài)好的用戶數(shù)據(jù)文件以多線程方式啟動各個運(yùn)行模塊，完成采集和監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場工程運(yùn)行狀況以圖形或報表的方式顯示出來。運(yùn)行子系統(tǒng)由畫面顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)備驅(qū)動模塊等組成。

本文的分析主要涉及“數(shù)據(jù)采集模塊”和“設(shè)備驅(qū)動模塊”。

1.1 動態(tài)鏈接庫技術(shù)

作為Windows系統(tǒng)中一種重要的模塊化方法，動態(tài)鏈接庫(DLL)技術(shù)是一種在Windows平臺下代碼可重用的技術(shù)。本文設(shè)計的設(shè)備驅(qū)動模塊開發(fā)平臺就是采用Windows的動態(tài)鏈接庫技術(shù)，即每個設(shè)備的驅(qū)動模塊都以DLL形式提供的。

在數(shù)據(jù)采集模塊中，因采用了動態(tài)鏈接庫技術(shù)，所以可以針對不同的設(shè)備、不同的通訊協(xié)議和實(shí)際需求，調(diào)用對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動模塊DLL。即用hLibrary=LoadLibrary(設(shè)備驅(qū)動模塊文件名)方式動態(tài)裝載驅(qū)動模塊，然后用lpDriverProc=GetProcAddress(hLibrary,"Driver")記住DLL的地址，當(dāng)需要訪問該設(shè)備的時候調(diào)用該DLL中的函數(shù)，這樣可大大提高系統(tǒng)的可靠性，滿足不同情況的要求，同時也可以提高程序開發(fā)的效率。

1.2 硬件通訊接口分析歸類

工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件中通訊接口的一大特點(diǎn)就是面向種類繁多的硬件設(shè)備，有通過插在PCI、ISA插槽的板卡形式與計算機(jī)連接，有通過串行口以RS232/485的方式和上位機(jī)通信，有通過網(wǎng)絡(luò)通訊方式與工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件連接，仔細(xì)分析各自的特點(diǎn)并找出它們的共性，對開發(fā)通用的設(shè)備驅(qū)動模塊是非常有價值的，如圖1所示。

(1)獨(dú)立板卡類通訊

獨(dú)立板卡類包括模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換板、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換板、開關(guān)量(DI/DO)輸入輸出板及通信板卡等。它們直接插入計算機(jī)的總線槽里，通過ISA或PCI總線擴(kuò)展槽與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。每塊板都有一個基地址范圍，計算機(jī)通過訪問該基地址即可達(dá)到輸入輸出數(shù)據(jù)。

在Windows平臺下，生產(chǎn)板卡類的廠家一般會提供以下4種主要的WindowsAPI函數(shù)：

板卡初始化：Open()、Start()；

功能設(shè)置查詢：SetRange()、SetGain()、GetRange()、GetGain()、IsDataReady()、Status()；

數(shù)據(jù) IO：In()、Out()、DI()、DO()；

暫停、關(guān)閉：Stop()、Close()。

(2)串口類通訊

各種智能儀表和智能模塊設(shè)備通常是通過串口 (通常叫COM口)與計算機(jī)連接通訊，或者說通過計算機(jī)的串口，采用該設(shè)備的通信協(xié)議與之通訊。但在Windows平臺下，無論是哪種通信協(xié)議，其通訊操作就如同對文件操作一樣，串行設(shè)備的打開和關(guān)閉操作與文件的打開和關(guān)閉使用的函數(shù)完全相同。幾個重要的WinAPI函數(shù)說明如下：

打開關(guān)閉串口通訊資源函數(shù)——CreateFile和CloseHandle；

配置串口通訊資源函數(shù)——BuildCommDCB和SetComm-State；

讀寫串口數(shù)據(jù)函數(shù)——ReadFile和WriteFile；

設(shè)置通訊事件函數(shù)——WriteCommEvent。

(3)網(wǎng)絡(luò)類通訊

網(wǎng)絡(luò)通訊可以采用TCP(transfercontrolprotocol)或者UDP(userdatagramprotocol)兩種方式，一般在工控軟件中考慮到數(shù)據(jù)的可靠傳輸，多數(shù)是采用TCP面向連接的通訊協(xié)議。

Windows平臺提供了方便的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)接口——Socket，用戶所開發(fā)的應(yīng)用程序可以通過網(wǎng)絡(luò)與其它Socket應(yīng)用程序通信。使用Socket開發(fā)應(yīng)用程序主要包括以下幾個基本步驟：創(chuàng)建并配置Socket、建立Socket連接、通過Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、關(guān)閉Socket。

2 數(shù)據(jù)采集模塊及設(shè)備驅(qū)動模塊設(shè)計

根據(jù)以上分析可以看出，無論那種通訊方式都存在設(shè)備初始化、數(shù)據(jù)的讀寫、關(guān)閉通訊口3個基本步驟，而其它操作(如：功能設(shè)置查詢、配置通訊資源等)或歸類在設(shè)備初始化階段或用設(shè)備配置文件(如：IO.ini)詳細(xì)描述。

圖1 3類硬件通訊接口數(shù)據(jù)讀寫流程比較

2.1 設(shè)備驅(qū)動模塊

(1)函數(shù)接口

用動態(tài)鏈接庫(DLL)技術(shù)設(shè)計設(shè)備驅(qū)動模塊，定義入口函數(shù)為Driver(WORDFunc,DWORDlpParam)，其中Func是標(biāo)志，lpParam是根據(jù)Func不同值由采集模塊調(diào)用時給出的參數(shù)指針，根據(jù)上節(jié)分析，對3類通訊方式定義一種較為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其描述見表1。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊依次調(diào)用 Driver(DRV_INITIAL，lpParam)、Driver(DEV_INITIAL，lpParam)、Driver(GRP_INITIAL，lpParam)、Driver(GRP_READ，lpParam)、Driver(DEV_INITEND，lpParam)、Driver(DRV_INITEND，lpParam)，就可以完成設(shè)備初始化、數(shù)據(jù)的讀、關(guān)閉通訊口的3個基本步驟。而對1.2中歸納的3類硬件通訊接口，其調(diào)用Driver時的接口參數(shù)略有不同。

獨(dú)立板卡類通訊如表2所示，串口類通訊如表3所示，網(wǎng)絡(luò)類通訊如表4所示，可以看出，對于不同類型的硬件通訊接口只需定義各自的設(shè)備驅(qū)動模塊列表(DRVPARAPTR)和部分設(shè)備列表(DEVPARAPTR)而無需改動其它部分，即可完成數(shù)據(jù)采集模塊和設(shè)備驅(qū)動模塊間的接口定義，大大地減少了設(shè)備驅(qū)動模塊開發(fā)的工作量，縮短了軟件的開發(fā)周期，也能夠確保設(shè)備驅(qū)動模塊的穩(wěn)定性。

表1 通訊方式入口參數(shù)定義描述

表2 獨(dú)立板卡類DLL函數(shù)接口的參數(shù)定義

表3 串口類DLL函數(shù)接口的參數(shù)定義

表4 網(wǎng)絡(luò)類DLL函數(shù)接口的參數(shù)定義

圖2 數(shù)據(jù)讀寫流程

(2)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是服務(wù)于設(shè)備驅(qū)動模塊內(nèi)程序處理流程中所必需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以通用于不同類型的硬件通訊接口。考慮到多任務(wù)及Windows所特有的消息傳遞特性，設(shè)備驅(qū)動模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下(簡略)：

typedef struct tagDATA{

HWND hWnd; //設(shè)備驅(qū)動模塊內(nèi)部的窗體句柄，用于通訊口的消息處理

HANDLE hMutex;//用于存放IO共享緩存的互斥

…

WORD *LinePtr;//存放IO共享緩存，結(jié)構(gòu)為BUFF

WORD NumbersInLine;//動態(tài)記錄IO共享數(shù)據(jù)區(qū)中有效個數(shù)

unsigned char ReadPosOfLine;

unsigned char WritePosOfLine;

}DATA;

typedef struct tagBUFF{

HWND MainWinhWnd;//調(diào)用模塊窗口句柄，用于返回數(shù)據(jù)或設(shè)備通訊狀態(tài)

WORD GroupID;

WORD*AnswerData;//數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)區(qū)指針

WORD *PostErrorCode;//保存通訊口的返回值

…

}BUFF;

其中，互斥量hMutex是針對多任務(wù)運(yùn)行環(huán)境下，各設(shè)備驅(qū)動模塊線程訪問共享數(shù)據(jù)區(qū)(*LinePtr所指向)而設(shè)計的。變量 ReadPosOfLine、WritePosOfLine和 NumbersInLine，動態(tài)記錄環(huán)形共享數(shù)據(jù)區(qū)中的有效數(shù)據(jù)個數(shù)以及存入取出的位置。*AnswerData中存放的是數(shù)據(jù)采集模塊寫入設(shè)備的原始數(shù)據(jù)或設(shè)備中讀出的返回給數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)。

圖2說明了數(shù)據(jù)采集模塊對設(shè)備驅(qū)動模塊的一次讀寫數(shù)據(jù)的流程，前提是設(shè)備驅(qū)動模塊已被調(diào)用了設(shè)備初始化等操作。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

如前所述，數(shù)據(jù)采集模塊啟動后，用hLibrary=LoadLibrary(設(shè)備驅(qū)動模塊文件名)方式動態(tài)裝載設(shè)備驅(qū)動模塊，并用lpDriverProc=GetProcAddress(hLibrary,"Driver")記住DLL的地址，然后分別調(diào)用Driver(DRV_INITIAL，lpParam)、Driver(DEV_INITIAL，lpParam)、Driver(GRP_INITIAL，lpParam)對設(shè)備作初始化操作，當(dāng)需要讀寫數(shù)據(jù)的時候調(diào)用函數(shù) Driver(GRP_READ，lpParam)或 Driver(GRP_WRITE，lpParam)，在數(shù)據(jù)采集模塊退出時調(diào)用Driver(GRP_INITEND，lpParam)、Driver(DEV_INITEND，lpParam)、Driver(DRV_INITEND，lpParam)，關(guān)閉設(shè)備驅(qū)動模塊結(jié)束通訊。

利用Windows的多任務(wù)工具，對不同的設(shè)備端口開設(shè)各自獨(dú)立的線程進(jìn)行監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)對所有硬件設(shè)備數(shù)據(jù)采集的并行處理。數(shù)據(jù)采集模塊在裝載設(shè)備驅(qū)動模塊之前需要得到所有通訊設(shè)備的有關(guān)信息，如：地址范圍、工程量上下限、報警范圍、串口的波特率大小等等，一般是在組態(tài)子系統(tǒng)下由設(shè)備驅(qū)動組態(tài)模塊和數(shù)據(jù)采集組態(tài)模塊完成，并構(gòu)成設(shè)備配置文件(如：IO.ini)。而在運(yùn)行環(huán)境下，數(shù)據(jù)采集模塊通過讀入配置文件得到這些參數(shù)，在以后的 Driver()調(diào)用中作為參數(shù)lpParam傳遞給設(shè)備驅(qū)動模塊。

3 調(diào)用函數(shù)的主要流程

本節(jié)以串口通訊類的設(shè)備驅(qū)動模塊為例，簡述各調(diào)用函數(shù)的主要流程，如圖3~圖6所示。

圖3 設(shè)備驅(qū)動模塊列表初始化及退出流程

圖4 設(shè)備列表初始化及退出流程

圖5 數(shù)據(jù)組表初始化及退出流程

圖6 設(shè)備驅(qū)動模塊內(nèi)的窗體消息處理流程

4 應(yīng)用分析

應(yīng)用本文所述方案，在自行開發(fā)的“工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件”中先后開發(fā)了支持以下一些主要設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動模塊：

獨(dú)立板卡類通訊：CONTEC各類板卡、研華各類板卡；

串口類通訊：三菱PLC、歐姆龍PLC、西門子PLC、Sharp-PLC；

網(wǎng)絡(luò)類通訊：三菱PLC。

從每個設(shè)備的開發(fā)周期看，設(shè)備數(shù)與時間成反比，舉例來說，如果在同類通訊設(shè)備中開發(fā)第一個需兩個人月數(shù)，那么開發(fā)第二個僅需一個人月數(shù)，甚至更少的時間。

根據(jù)不同的工業(yè)現(xiàn)場，在自行開發(fā)的“工業(yè)實(shí)時監(jiān)控組態(tài)軟件”中配置對應(yīng)硬件接口的設(shè)備驅(qū)動模塊構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)，經(jīng)用戶現(xiàn)場組態(tài)運(yùn)行，已成功應(yīng)用在多項(xiàng)具體項(xiàng)目中：

國內(nèi)：上海寶鋼《高爐煤粉制粉裝置的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)》、南京梅山煉鐵廠《1#高爐溫度、壓力計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)》、浙江平湖熔劑廠《現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)》等；

國外：東芝燃料電磁檢測系統(tǒng)、日本洗車機(jī)噴漆系統(tǒng)、TOYOTA BODY設(shè)備檢視生產(chǎn)管理系統(tǒng)等。

5 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)際開發(fā)并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，可以證明本文所給出的設(shè)計思路及設(shè)備驅(qū)動模塊的框架結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

(1)縮短開發(fā)周期：本文對硬件通訊操作的分析歸類，對軟件開發(fā)人員來說不僅可以節(jié)省對同類通訊設(shè)備的重復(fù)開發(fā)，更因分類清晰而便于系統(tǒng)的模塊化開發(fā)，縮短開發(fā)周期。

(2)良好的開放性：按照本文的設(shè)計思路及框架結(jié)構(gòu)所開發(fā)的工業(yè)實(shí)時監(jiān)控軟件系統(tǒng)，具有良好的開放性，它能與多種通訊協(xié)議互聯(lián)，支持多種硬件設(shè)備，提供多種數(shù)據(jù)訪問接口。

(3)易于調(diào)試、維護(hù)升級：共性設(shè)計并進(jìn)行模塊化開發(fā)，不僅有利于開發(fā)過程中的調(diào)試，而且對以后的系統(tǒng)維護(hù)和產(chǎn)品升級也帶來了便利。

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