張營(yíng)建,臧珠萍,曾培峰

(東華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620)

控制軟件中設(shè)備無(wú)關(guān)性的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

張營(yíng)建,臧珠萍,曾培峰

(東華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620)

提出一種設(shè)備無(wú)關(guān)的控制軟件設(shè)計(jì)理念.用文本文件格式保存各種外設(shè)的通信協(xié)議格式以及端口地址定義,通過(guò)工作空間和命令轉(zhuǎn)換器,為計(jì)算機(jī)控制程序提供統(tǒng)一的通信接口.使用標(biāo)準(zhǔn)XML映射的方法實(shí)現(xiàn)物理地址與邏輯地址的匹配.外設(shè)的通信協(xié)議格式變化或者端口改變,無(wú)需修改控制軟件,只要修改相應(yīng)的外設(shè)文本文件,進(jìn)行命令轉(zhuǎn)換和地址映射即可完成數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)性.

設(shè)備無(wú)關(guān)性;物理地址;邏輯地址;M ap映射

工控領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)中,對(duì)外設(shè)的監(jiān)控主要通過(guò)上位機(jī)發(fā)送命令、下位機(jī)響應(yīng)命令的方法實(shí)現(xiàn).上位機(jī)和外設(shè)的監(jiān)控方式主要有兩種:一種是用戶以Window s的編程語(yǔ)言編寫上位機(jī)程序,然后通過(guò)串行口發(fā)送命令,與外設(shè)交換數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控.文獻(xiàn)[1-2]給出了松下 PLC與計(jì)算機(jī)的通信實(shí)現(xiàn);文獻(xiàn)[3]研究了富士 PLC在高速數(shù)字控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.這兩種應(yīng)用都基于了解設(shè)備的通信協(xié)議和通信格式.有些設(shè)備廠家的通信驅(qū)動(dòng)并不公開,為用戶預(yù)留一個(gè)自由口通信方式,由用戶自定義通信協(xié)議格式,西門子PLC的一般用戶只能采用這種通信方式[4-5].另外一種方式是利用組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)組態(tài).目前很多專業(yè)的組態(tài)軟件可以進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)[6-9].文獻(xiàn)[10]列舉了多種工控組態(tài)軟件的應(yīng)用,并進(jìn)行了對(duì)比.常用的組態(tài)軟件有西門子公司的 WinCC、美國(guó) WonderWare公司的 In Touch;國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品主要有北京亞控自動(dòng)化軟件有限公司的組態(tài)王、北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司的MCGS等.文獻(xiàn)[11]比較了高級(jí)語(yǔ)言和組態(tài)軟件兩種方式的不同.W indows編程方式優(yōu)點(diǎn)是:投入成本低,并能根據(jù)需要隨時(shí)對(duì)程序進(jìn)行升級(jí),便于程序的二次開發(fā).但是對(duì)于初級(jí)人員,入門有一定難度,不僅需要了解完整的通信過(guò)程,熟悉編程軟件,而且需要一定的時(shí)間來(lái)完成程序的編制與調(diào)試.應(yīng)用組態(tài)軟件方式的優(yōu)點(diǎn)是:開發(fā)周期短,不需要了解通信過(guò)程,只要調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序即可實(shí)現(xiàn)通信.缺點(diǎn)是軟件的二次開發(fā)受到一定限制,購(gòu)買專用的組態(tài)軟件成本比較高.實(shí)際生產(chǎn)中,如果對(duì)外設(shè)的控制速度要求不太高,或者在成本有限的情況下,通常采用W indows的編程方式.但是這種方式,程序的開發(fā)和外設(shè)的通信格式、協(xié)議以及端口密切相關(guān),外設(shè)的改變或者外設(shè)端口的改變,都會(huì)導(dǎo)致程序的再次開發(fā).

本文提出一種設(shè)備無(wú)關(guān)[12-13]的控制軟件設(shè)計(jì)理念.將各種外設(shè)的通信協(xié)議格式以及端口地址以XML格式保存在映射文件中.上位機(jī)對(duì)外設(shè)進(jìn)行監(jiān)控時(shí),讀入相應(yīng)的映射文件,用標(biāo)準(zhǔn) xml[14-15]來(lái)解析映射關(guān)系,實(shí)現(xiàn)物理地址與邏輯地址的匹配及控制命令格式的轉(zhuǎn)換,完成上位機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)通信.當(dāng)外設(shè)變更時(shí),只需修改映射文件,無(wú)需對(duì)上位機(jī)程序進(jìn)行任何修改,從而為計(jì)算機(jī)控制程序提供了統(tǒng)一的通信接口,實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)性.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)RS 485串口總線接口與不同的設(shè)備或控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.為了解決各個(gè)外設(shè)、生產(chǎn)廠商制定的通信協(xié)議不同帶來(lái)的問(wèn)題,本文提出并構(gòu)建的與外設(shè)驅(qū)動(dòng)無(wú)關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng),能夠識(shí)別具有RS 485接口的多種設(shè)備,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及實(shí)現(xiàn)控制.本文中系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System construction

圖形界面:為用戶提供人機(jī)交互接口,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信息的顯示和鍵盤的設(shè)定.顯示信息包括:系統(tǒng)的設(shè)備列表、設(shè)備的工作狀態(tài)、設(shè)備的內(nèi)部參數(shù)等.鍵盤設(shè)定可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù),修改設(shè)備的某些信息,向外設(shè)寫數(shù)據(jù).

系統(tǒng)信息與設(shè)備列表監(jiān)控:用于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行在線設(shè)備管理和在線設(shè)備配置,用不同的通信協(xié)議按地址順序進(jìn)行通信查詢.通過(guò)查詢比較,將建立起通信的設(shè)備信息與設(shè)備列表信息相比較,顯示建立起通信的設(shè)備;若有新的設(shè)備連接到系統(tǒng),則系統(tǒng)自動(dòng)添加新設(shè)備到設(shè)備列表.

工作空間:開辟了系統(tǒng)的局部?jī)?nèi)存空間,存儲(chǔ)需要對(duì)外設(shè)內(nèi)存空間修改的信息,實(shí)現(xiàn)與各種外設(shè)內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能.系統(tǒng)存儲(chǔ)下位機(jī)的信息,通過(guò)工作空間使得外設(shè)信息與系統(tǒng)內(nèi)部信息達(dá)到統(tǒng)一,保證數(shù)據(jù)的完整性.

Map映射:系統(tǒng)要求工控領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不能因?yàn)樵O(shè)備輸出端口的臨時(shí)更改或者交換,對(duì)系統(tǒng)的軟件造成影響.因此定義了系統(tǒng)的物理地址與邏輯地址.物理地址定義為外設(shè)的實(shí)際端口地址;邏輯地址定義為系統(tǒng)內(nèi)部的內(nèi)存地址.M ap映射通過(guò)改變地址的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)物理地址與邏輯地址的對(duì)應(yīng).

設(shè)備命令轉(zhuǎn)換:將系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式與外設(shè)需要的協(xié)議格式進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換,然后,通過(guò) RS 485發(fā)送到外設(shè)[16].

系統(tǒng)的各個(gè)主要模塊在下面進(jìn)行詳細(xì)的討論.

2 工作空間

系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互及對(duì)外設(shè)的控制.從局部性原理來(lái)看,CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí),無(wú)論是取指令還是存取數(shù)據(jù),所訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元都趨于聚集在一個(gè)較小的連續(xù)區(qū)域中.這個(gè)連續(xù)的區(qū)域就是工作空間.工作空間與外設(shè)的內(nèi)存空間相比,體積雖小,但是足以用來(lái)保存在某一時(shí)間段所需要的數(shù)據(jù).

工作空間的維護(hù)主要包含兩方面內(nèi)容:(1)監(jiān)視外部的變化,當(dāng)外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí),對(duì)應(yīng)內(nèi)部的相應(yīng)空間也要發(fā)生同步變化;(2)用戶通過(guò)操作界面更改數(shù)據(jù)或者修改參數(shù),內(nèi)部區(qū)域的相應(yīng)參數(shù)變化時(shí),需要外設(shè)區(qū)域的參數(shù)同步變化.

上位機(jī)與外設(shè)交換數(shù)據(jù)主要有兩種數(shù)據(jù)格式:整型數(shù)據(jù)和布爾型數(shù)據(jù).整型數(shù)據(jù)主要是系統(tǒng)發(fā)送和接收的命令、對(duì)外設(shè)設(shè)定的參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)等;布爾型數(shù)據(jù)主要是一些開關(guān)量的變化.不管是整型數(shù)據(jù)還是布爾型數(shù)據(jù),都需要通過(guò)串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.由于對(duì)不同的外設(shè)傳遞數(shù)據(jù)是分時(shí)處理的,且數(shù)據(jù)傳遞的目的地地址不同,因此需要先將要傳遞的數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)的內(nèi)存中,即存放在工作空間中.本文根據(jù)數(shù)據(jù)格式的不同以及存放地址的不同,在工作空間構(gòu)建 Integer表和Bool表.Integer表存放整型數(shù)據(jù)的邏輯地址和當(dāng)前需要更新的內(nèi)容;Bool表存放布爾型數(shù)據(jù)的邏輯地址和當(dāng)前外設(shè)端口開關(guān)量相應(yīng)的狀態(tài).

不同生產(chǎn)廠商的外設(shè)物理地址(如外設(shè)的通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址或端口地址)方式不一樣.西門子PLC的通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址為 V寄存器,例如V 100,輸入端口定義為 I寄存器,例如 I 0.0,輸出端口定義為Q寄存器,例如Q 0.0;松下 PLC的通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址為R寄存器,例如R 100,輸入端口定義為X寄存器,例如X 00,輸出端口定義為 Y寄存器,例如 Y10;三菱PLC和OM RON PLC都有自己的規(guī)范.為了使上位機(jī)對(duì)不同的物理地址的訪問(wèn)統(tǒng)一起來(lái),與外設(shè)無(wú)關(guān),本文通過(guò)一種中間語(yǔ)言將這些信息統(tǒng)一到工作空間中.XML具有嚴(yán)密的條理性、邏輯性和良好的結(jié)構(gòu)性等特點(diǎn),是一種良好的中間描述語(yǔ)言.因此系統(tǒng)的工作表 Integer表和Bool表用 XML語(yǔ)言構(gòu)建.Integer表格式如下所示:,“LogAddress”字段代表邏輯地址(如:邏輯地址1 000),表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)存放的內(nèi)存地址,“Value”是當(dāng)前的數(shù)據(jù)(如:100).Bool表定義采用地址與位地址相結(jié)合的方式表示.定義如下:,其中:“LogAddress”字段代表邏輯地址的位信息(如:邏輯地址1 000的第1位),表示當(dāng)前需要修改的位地址,“Value”是當(dāng)前的邏輯值(如:1).

如果傳遞的數(shù)據(jù)是按照邏輯地址連續(xù)存放,外設(shè)接收數(shù)據(jù)也是按照物理地址連續(xù)存放,數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程只需要一一對(duì)應(yīng)即可.當(dāng)工作空間的數(shù)據(jù)分布與外設(shè)數(shù)據(jù)的分布情況不完全一致時(shí),需要采用地址映射的方法.

3 Map映射

按照一般的程序設(shè)計(jì)方法,外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輸出端口出現(xiàn)相互交換,或者端口損壞等情況,上位機(jī)程序需要重新編寫.為了解決這個(gè)問(wèn)題,提出M ap映射的方案.通過(guò)地址映射的方式實(shí)現(xiàn)物理地址與邏輯地址的對(duì)應(yīng),從而保證外設(shè)地址改變,而不修改應(yīng)用程序,使得系統(tǒng)正常運(yùn)行.

系統(tǒng)初始化時(shí),對(duì)系統(tǒng)擁有的不同的外設(shè)構(gòu)造一個(gè)M ap映射文件,該文件包含了整型和布爾型數(shù)據(jù),給出了邏輯地址與物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

M ap表定義格式如下:

Map表中包含了西門子PLC和其他PLC的映射信息,在西門子上面分別定義了兩種不同形式(整型和布爾型)的邏輯地址和物理地址的映射關(guān)系.整型數(shù)據(jù)定義的有:邏輯地址1 000,對(duì)應(yīng)西門子的物理地址V 100;布爾型數(shù)據(jù)定義的有:邏輯地址2 000.0,對(duì)應(yīng)西門子的物理地址I 0.0;邏輯地址3 000.0,對(duì)應(yīng)西門子的物理地址Q 0.0.其他PLC定義方式和西門子的類似.通過(guò)該文件使外設(shè)的物理地址與邏輯地址對(duì)應(yīng).

映射的對(duì)應(yīng)關(guān)系有兩種情況:(1)地址的改變需要進(jìn)行映射.若整型數(shù)據(jù)中物理地址與邏輯地址不一致,則需要記錄Map映射表中相對(duì)應(yīng)的項(xiàng);若布爾型數(shù)據(jù)中物理地址的位地址被修改,也要記錄Map映射表中相對(duì)應(yīng)的項(xiàng).(2)地址不需要映射.若物理地址與邏輯地址相一致,為了節(jié)約文件空間,則不需要記錄在Map表中.

具體映射過(guò)程是:當(dāng)工作空間的數(shù)據(jù)反映到外設(shè)時(shí),要先根據(jù)邏輯地址去Map表中進(jìn)行物理地址查找.若查找到對(duì)應(yīng)的項(xiàng),此項(xiàng)即是映射后的物理地址;若找不到對(duì)應(yīng)的項(xiàng),邏輯地址就是物理地址.當(dāng)外設(shè)中的數(shù)據(jù)反映到工作空間時(shí),同樣根據(jù)邏輯地址在Map表中進(jìn)行物理地址查找,找到對(duì)應(yīng)的項(xiàng)即是映射后的邏輯地址;若未找到,物理地址就是對(duì)應(yīng)的邏輯地址.

從Map表格式來(lái)看,每一個(gè)設(shè)備都有對(duì)應(yīng)的映射塊,不同的設(shè)備映射塊不同,因此M ap映射表容量會(huì)很大.另外,每一個(gè)工作空間都要進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出或者外部數(shù)據(jù)輸入操作,都要確認(rèn)數(shù)據(jù)是否要進(jìn)行地址的轉(zhuǎn)換,如果對(duì)整個(gè)映射表查詢一次,會(huì)造成映射查找時(shí)速度很慢.為了提高查找速度,在系統(tǒng)中構(gòu)建一個(gè)臨時(shí)表,其行數(shù)與工作空間相同.無(wú)論物理地址與邏輯地址是否一致,都在該臨時(shí)表中進(jìn)行登記,得到一一對(duì)應(yīng)關(guān)系.查找過(guò)程中,僅查找該臨時(shí)表進(jìn)行對(duì)應(yīng).為保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性,臨時(shí)表需要隨工作空間、Map映射表的更新而更新.

4 設(shè)備命令轉(zhuǎn)換

當(dāng)外設(shè)的物理地址確定之后,可以將操作的數(shù)據(jù)傳遞到外設(shè),或者將外設(shè)的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存空間.根據(jù)數(shù)據(jù)流的方向不同,可以有以下兩個(gè)程序流程.

4.1 發(fā)送程序流程

完成發(fā)送命令串的組合,并發(fā)送給外設(shè).

(1)讀入兩個(gè)文件到內(nèi)存空間:一個(gè)是邏輯地址表文件Logical.xml,另一個(gè)是物理地址與邏輯地址映射文件M ap.xml.Logical.xml的格式為:.M ap.xml的格式為: