MCGS平臺下51單片機驅動構件開發與應用

包建華 張興奎 胡福年

(徐州師范大學電氣工程及自動化學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

工控組態軟件(monitor and control generated system，MCGS)是指在數據采集和過程控制中使用的專用軟件，它提供了監控層的軟件平臺和開發環境，一般用于自動控制系統的監控層，其靈活的組態方式，可使用戶快速構建專業級的工業自動監控系統［1］。

工控組態軟件是一套基于WindowsNT/2000/XP操作系統、可用來快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統。它為用戶提供了從設備驅動、數據采集到數據處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等用來解決實際工程問題的完整方案和開發平臺［2］。在實際應用中，由于所用設備的特殊性或實際工程的需要以及用戶的個性化需求，MCGS提供了一套開放的、可擴充的接口規范和配套的高級開發工具包，允許用戶根據自己的需要來開發設備驅動構件［3］。本文開發的基于MCGS的AT89C52單片機驅動構件可完成現場終端和上位機間的可靠通信，從而實現對房間溫度的遠程監測和報警限值的在線設置。

1 MCGS設備驅動構件概況

MCGS采用Active DLL構件的方式來實現設備驅動程序，并通過規范的對象鏈接與嵌入(object linking and embedding，OLE)接口，將Active DLL構件掛接到MCGS中，使其構成一個整體。由于設備驅動構件和MCGS運行在同一個進程內，故設備構件的運行速度快、可靠性高。OLE是一個可擴充的開放標準，用于實現不同軟件之間的相互操作，因此，可以使用VB、VC、Delphi等語言來編制MCGS的設備驅動程序。鑒于Visual Basic的通用性和簡單性，且VB6.0以上的版本是以二進制碼來編譯執行程序，其運行速度巳接近或超過VC，完全能滿足設備驅動構件所需的速度要求，因此，本文采用VB6.0進行單片機驅動構件的開發。

與MCGS相連接的外部設備分為獨立設備、父設備和子設備3類。獨立設備是可獨立工作、完成特定數據輸入輸出功能的設備，如用于模擬量輸入輸出、數字量輸入輸出的PC接口卡等;父設備是本身不直接處理數據輸入輸出，但能管理其他設備的工作，如串行口設備等;子設備是本身具有處理數據輸入輸出的功能，但只有和對應的父設備一起才能構成完整的工作系統的設備，如PLC設備、帶智能通信功能的儀器儀表等。單片機是工作在串行口父設備下的子設備，MCGS提供了串行口父設備驅動構件，需要開發的是掛接在串行口父設備下的子設備驅動構件［4-5］。MCGS與單片機通信結構框圖如圖1所示。

圖1 通信結構框圖Fig.1 Block diagram of communication

MCGS設備驅動構件的實現方法和原理與標準VB的ActiveDLL基本一致，不同的是MCGS規定了一套接口規范，只有遵守這些接口規范的ActiveDLL，才能用作 MCGS的設備驅動構件。具體來說，開發MCGS設備驅動構件的過程就是根據通信協議制定的數據幀格式，對MCGS接口規范中的5個屬性函數和8個方法函數進行定義、編程、調試和掛接，從而完成設備功能的配置。

2 MCGS設備驅動構件的開發

對MCGS設備驅動構件的開發可以采用以下兩種方法加以完成:一種是利用開發向導生成框架，然后在Visual Basic編程環境中加入自己的驅動程序部分;另一種是利用現有的設備驅動程序進行移植。本文采用的是前一種方法。

2.1 通信協議與數據格式

數據交互涉及通信協議問題。MCGS設備驅動構件的幀格式如圖2所示。51單片機串口集成了一個全雙工通用異步接收發送器UART。這里采用UART工作在模式1下，按照字節傳輸數據，數據幀格式為1位起始位、8位數據位和1位停止位［6］。

圖2 幀格式Fig.2 Format of frame

2.2 串口操作函數

編寫子設備驅動程序時，主要是對串行端口進行操作。MCGS把復雜的對串行端口的設置(如波特率、數據位長度、數據校驗方式等)、初始化和讀寫操作全部封裝在MCGS提供的串口父設備中。子設備按照通信協議將數據打包，然后調用串口父設備提供的標準串口讀寫函數，即可完成對數據的讀取和發送工作［7］。常用的串行端口操作函數如下。

2.3 屬性接口

MCGS提供的接口規范中共有5個屬性接口，編程者可通過調用屬性接口函數來對設備屬性進行設置。通過設置這5個屬性，可以標明設備的類型、類別、設備的通道個數、設備所用I/O地址的個數和設備所用I/O的基地址。由于是子設備，故單片機驅動構件不需占用系統I/O。本設計需要對某房間的溫度、溫度上/下限報警限值、房間燈盞進行遠程監測與控制，因此，設定的通道個數為7個。5個屬性接口設置代碼具體如下。

2.4 方法接口

MCGS在組態環境和運行環境下需要調用方法接口來實現特定的功能，如實現初始化、數據的輸入與輸出、通道的數據類型說明等功能。

2.4.1 組態環境中調用接口的方法

GetDevName接口供MCGS讀取設備的類型名稱，MCGS將把這個名稱顯示在設備工具箱中。本文設置如下:GetDevName=“單片機控制器”;GetDevHelp接口用以顯示設備構件的在線幫助;SetDevPage接口用以設置設備構件的內部屬性頁。當把設備從設備工具箱中選取到設備窗口中時，調用InitNewDev接口，設置設備的缺省屬性值。

2.4.2 運行環境中調用接口的方法

運行環境中調用接口的方法具體如下。

①在MCGS運行環境啟動時調用InitDevRun接口一次，用于對設備構件進行初始化工作。

②MCGS調用GetChlType接口讀取設備各通道的數據類型和通道內容的文字描述，在設備屬性設置窗口的通道連接屬性頁中所顯示的內容來自本接口。本設計需設置7個通道，第1～4通道用于遠程控制房間四盞燈的亮滅，使用51 單片機的 P1.0～P1.3;第 5 通道用于實時采集房間的溫度值;第6、第7通道用于在線設置房間溫度上/下限報警值。程序代碼如下。

③在MCGS運行環境中，從設備采集數據或向設備輸出數據通過定時調用CollectDevDat接口來完成。設備構件首先調用父設備的串口操作函數ComOutIn-Dat，把命令字寫到串行端口，再輸出到單片機控制器，單片機控制器收到命令字后發送數據到串行端口，串行端口讀取返回的數據，再把數據存入到數組Output-Byte()中，然后將數組中的數據解包，把所需要的變量值存放到通道數組asngdatavalue()中，供MCGS進行處理。

按照通信協議，發送幀格式采用“#”+“地址編號”+“命令數據”+“!”，然后將該字符串轉換為ASCII碼發送至單片機控制器。數據接收幀格式與之類似。

在CollectDevDat接口中編制的程序代碼如下。

在VB的程序模塊DevBas.bas中編制的源程序代碼如下。

通過調用父設備的串口操作函數ComOutInDat，實現與單片機控制器交互數據，相應的程序代碼如下。

④在MCGS中，周期性讀寫參數都是在通道連接中實現的。因此，本設計中沒有對RunDevCommand接口函數進行編程。

3 下位機的通信程序設計

本文選用Atmel公司的AT89C52單片機作為下位機，房間溫度傳感器選用 DALLAS公司的DS18B20。DS18B20采用1-Wire總線，可將溫度直接轉換成串行數字信號供微控制器處理，測溫范圍為-55～+125℃，最大分辨率可達0.0625 K［8］。

下位單片機通過串口和上位機交換數據，采用T1作為UART的波特率發生器。單片機晶振頻率選為11.0592 MHz，設置 SMOD=0、TH1=0FDH，可得到波特率為9600 bit/s。這樣獲得的波特率誤差率為0，提高了串口通信的可靠性。為提高數據交互的實時性，單片機收/發數據采用中斷方式。按照前述數據通信協議約定，單片機串行口的中斷服務程序流程如圖3所示。

圖3 中斷服務程序流程圖Fig.3 Flowchart of the interrupt service

4 驅動構件測試與應用

MCGS為設備驅動構件提供了一套在VB環境下進行在線調試的運行機制，使用戶能夠隨時在VB源代碼一級對構件的接口函數進行調試、測試，以驗證編程正確性。編程調試工作完成后，經編譯，生成*.dll文件，只要把此文件拷貝到D:MCGSProgramDrivers的目錄下(假定MCGS系統安裝時的目錄為D:MCGS)，即完成設備驅動構件的掛接工作［9］。

啟動MCGS組態環境，在工作臺中打開設備組態窗口，再通過設備工具箱的“設備管理”窗口，完成自主開發的單片機驅動構件在Windows中的登記工作。

本文開發的基于MCGS的51單片機驅動構件可實現對房間溫度的實時監測，并能夠在上位機中對房間溫度的上/下限報警限值進行在線設置。系統運行中一旦溫度超限，上位機監控可立即實現漢語語音報警，其中的聲音文件由中科大訊飛信息科技公司“InterPhonic CN語音合成系統”產生，效果如真人發音［10］。同時，系統可實現在上位機上對房間的4個燈盞進行遠程開啟與關閉。

5 結束語

工控組態軟件開發的計算機監控系統具有系統配置靈活、開發周期短、通用性強、可靠性高等特點，MCGS提供了一套規范的設備驅動程序接口，用戶可方便靈活地開發設備驅動程序。熟練掌握MCGS設備驅動構件的開發方法不僅大大拓寬了硬件選型范圍，也為開發基于MCGS的計算機監控系統提供技術保證。實際運行表明，本文開發的基于MCGS的51單片機驅動構件效果良好，數據交互及時可靠。

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