基于嵌入式系统触摸屏组态软件的设计与开发

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 1.27MB 65 页 15积分
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摘 要
触摸屏的操作简便性和高可靠性在工控领域得到了充分的发挥。工业级触摸
屏作为工业时代和嵌入式计算机技术发展的产物,正在被广泛地应用在工业控制
的各个领域。
针对目前工业控制中触摸屏的应用现状和市场分析，我们研制出了一款工业级
触摸屏。该款触摸屏不但具有传统的触模式人机界面的作用，而且本身带有扩展
I/O，可以通过专门通讯协议控制伺服电机、变频器、单片机和 PLC 等工业现场控
制器，同时实现人机界面交互和控制等功能。
本文简单介绍了工业级触摸屏的硬件组成；分析了各个器件的性能与应用；详
细论述了触摸屏组态软件的面向对象的设计思路和实现过程，并重点讨论画面信
息的编译格式、编译过程、画面信息上载和下传、在线模拟和离线模拟等模块。
另外，本文结合工业级触模屏在实际工程中的具体应用，对本系统在工业中的应
用情况进行了介绍。
在吸取第一版本软件开发经验的基础上，本系统在许多方面进行了很大改进,
提出了一种嵌入式工控级触模屏软件的开发思路，对国内相关技术的研究开发提
供了有价值的参考和借鉴。
关键词： 触摸屏 控制器 组态软件 嵌入式系统
Abstract
Convenient operation and high dependability of touch screen have been adequately
brought into play in industry. The industrial touch screen, which acting as product of the
industry times and embedded computer technology was widely applied in most field of
industry.
According to the market and application of the industrial screen, This touch screen
system we developed not only provides the traditional usage of touch screen, but also
provides extend I/O ports. More important it also has capability of controlling
servo-motor、transducer、micro-controller and PLC etc through communication protocol,
which achieves the function of Human-Machine Interface and control.
This paper has a general description and analysis about hardware components of
touch screen. It also introduces Object-Oriented software development and realizing
process of touch screen configuration software. Compiled-screen file format,
compile-process, compiled-screen information download and upload, online simulation
and offline simulation are also expatiated. In addition this paper gives a description of
current application of this system in industy fields by analyzing a case.
Based on experience of 1st version, Current version has a significant improvment in
many aspects, which gives a way of developing relative application and offers valuable
reference to people who engage in the research works in relevant fields.
Key Words: Touch Screen; Controller; Configuration Software; Embedded System
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后 PC（Post-PC）时代，嵌入式系
统已经广泛地渗透到工业控制、科学研究、军事技术、各类产业和商业文化艺术
以及人们的日常生活等方方面面中。目前，各种各样的新型嵌入式设备在应用数
量上已经远远超过了通用计算机。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的智能
人机界面、数字机床、工业机器人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产
和服务方式。
§1.1 嵌入式系统简介、应用和发展[34]
嵌入式系统源于上世纪六十年代，最早出现在武器控制中，后来用于军事指
挥控制和通信系统，现在广泛用于民用机电一体化产品中。嵌入式计算机经历了
基于芯片的嵌入式系统、标准总线的嵌入系统、嵌入式 PC 及高性能嵌入式计算机
几个发展的阶段。它是计算机(Computer)、通信(Communication)与控制(Control)结
合的产品，也是计算机、通信与消费类(Consumer)“3C”结合的信息家电产品以
及其它数字化电子信息产品的核心。
根据 IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监
视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。目前国内一个普遍被认同的定义是：
以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适应应用系统对功能、
可靠性、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌
入式软件组成。硬件以芯片、插座、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部，
软件是实时多任务操作系统和各种专用的应用软件，一般装在处理器的内存中。
嵌入式计算机主要用于讯号处理与控制，应用领域十分广泛。微处理器与微
控制器就是最普遍应用的嵌入式计算机，数量几亿到十几亿，远远大于个人计算
机台式机，其应用领域主要有三个方面：
1．军事国防领域：武器控制，从火炮控制、高炮指挥仪到导弹控制（弹上计
算机），从坦克、轰炸机、舰艇、雷达、电子对抗等军事电子装备到军事通信及军
事指挥系统。
2．民用电子装备及机电一体化设备：各种测量仪器仪表；数控装置、工业控
制机、机器人等工业电子设备；机电一体化工程机械及农业机械；汽车、机车、
民航及船舶电子设备；办公自动化装备；计算机外部设备；通讯控制器及通讯设
备；商用收款机等商用电子设备；医疗电子设备等。
3．家用电器及消费类电子产品：数字电视机机顶盒、录相机、VCD、DVD、
手机、呼机、可视电话、掌上电脑、个人数字助理（PDA）、家庭网络设备、洗衣
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机、电冰箱、智能玩具、防火防盗设备等。
嵌入式系统产业是二十一世纪信息产业新的经济增长点，其市场是计算机市
场的重要组成部分，芯片级嵌入式系统数量将远远大于台式机，单板机微控制器
产量达几十亿片，如 1998 年微控制器需求量估计为 27 亿片，而目前台式机销量
刚过 1亿台。世界嵌入式系统硬件和软件开发工具市场 1996 年约 650 亿美元，目
前将达 1200 亿美元。据 IDC 估计 1999 年全球信息家电产品（包括联网电视、掌
上型联网设备等）总销售量将达 1400 万台，到 2002 年将达 5568 万台，嵌入式系
统也将用于通讯控制、汽车电子设备、机电一体化产品。
在国内，嵌入式系统也有巨大的市场。首先家用电器数字化，计算机通信与
消费类产品的结合，所谓 3C 产品需要量数以千万台计。洗衣机、电冰箱、微波炉、
机顶盒、VCD、DVD、家庭影院等每年所需要的芯片和嵌入式计算机几千万台。
其次在工业控制、通讯控制、智能仪器、手持式移动电话、掌上型电脑、汽车电
子装置、商用终端等对嵌入式计算机每年总需求量也要千百万台；教育电脑、学
习机、记事本年需求量亦在几十万台至几百万台。Motorola 公司嵌入式计算机及
数字 DNA 产品在我国 1999 年市场销售额 83.7 亿美元,2000 年将达 102.2 亿美元，
预测 2004 年将达 188.6 亿美元，平均年增长率为 17.6%。未来五年中，利用信息
化电器实现上网的人数也有几千万。到 2005 年我国嵌入式计算机将创造 2000~2500
亿元的效益，嵌入式计算机是信息产业新的经济增长点。
嵌入式系统将向网络化、智能化、规范化、集成化方向发展。随着微处理器，
半导体工艺技术的进展，嵌入式系统向高性能、低功耗、平台源代码公开化方向
发展。无论家用、工业用、军用都将更普及，在营造数字化中国的过程中将发挥
不可替代的巨大推进作用。
§1.2 嵌入式工业级触摸屏的介绍
嵌入式工业级触摸屏人机界面，又称工业级触摸屏，其是嵌入式系统在工业
控制过程中典型应用，主要被用来监视、控制和辅助工业设备运行的人机交互设
备，如图 1-1 所示。嵌入式工业级触摸屏系统可分为两大部分，即系统上位机组态
软件部分和下位机触摸屏部分。
图1-1 嵌入式工业级触摸屏
系统组态软件部分是设计触摸屏画面的工作平台。用户将这个软件安装在上
第一章 绪 论
3
位计算机中。对于工业级触摸屏来说，该组态软件包含三部分内容：一个拥有丰
富元件库的触摸屏画面设计编辑环境；触摸屏画面保存和编译模块；离线模拟和
与多种主流 PLC 通信完成触摸屏显示控制功能的在线模拟模块。
用户设计好的工作画面信息，通过通信电缆将其下载到工业级触摸屏部分。
它将按照用户的要求将工作画面显示在工业级触摸屏的屏幕上。如果工业级触摸
屏与工业控制器（如 PLC 可编程控制器、单片机等）已经正确连接了通信电缆，
那么用户只需用手指操作人机界面上的控制元件，工业控制器也会产生相应的控
制动作，从而达到用户的控制要求。
§1.3 嵌入式工业级触摸屏产生的背景和意义[1] [2]
随着嵌入式系统的不断发展，相关技术产业也正在迅速崛起，嵌入式触摸屏
就是其中的一种，为计算机技术向人性化方向发展提供了有利条件。嵌入式触摸
屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，
用户只要用手指轻轻触摸屏上的字符和文字就能实现对主机操作，从而使人机交
互更为直接和方便。由于它的这些优点，触摸屏技术很快被人们接受，已经广泛
应用在各个领域。在工业控制行业中，触摸屏更是以其易于操作的优势深得用户
的喜爱。一方面，它对操作工人的文化素质要求比较低，即使对计算机的了解非
常有限，也可在瞬间学会操作；另一方面，以其高可靠性的优点能够适应工厂等
非常恶劣的工作环境。嵌入式触摸屏就像是专门针对工业控制行业的这些特点度
身定做的。它的友好的个性化的触摸式人机界面消除了操作工人对计算机的惧怕
心理，它的高可靠性绝对可以承受充满噪声、灰尘、油污和振动恶劣工作环境的
考验。
现在市场上工业级触摸屏产品非常多，我们在为用户设计的工控项目中大量
使用了工业级触摸屏产品，它们功能强大，可靠性高，但是由于大部分是进口产
品或台湾生产，所以价格通常也比较高。以 Hitech 公司的 5.7 寸黑白触摸屏为例，
大概要 3000 元。对于一些成本较低的工控设备和中小型用户，这样的价格远远超
过了他们的心理价位，而且许多小型的工控项目对触摸屏的功能要求比较单一，
现在比较流行的触摸屏产品对它们来说是资源的浪费。成本较低、直接针对用户
功能的、能直接控制伺服电机和变频器并且自身带有 I/O 可以实现 PLC 功能的触
摸屏在工控领域还比较少见。为了适应市场的需要，满足广大中小型用户的需求，
研制面向用户低成本的嵌入式触摸屏产品迫在眉睫，我们上海理工大学数控数显
实验室从 2001 年11 月开始进行这方面的研究开发工作并成功于 2002 年6月成功
研制出第一代产品，并于 2002 年12 月开始研制第二代产品，新产品采用 32 位
SAMSUNG 的S3C44B0X 嵌入式 CPU，速度和效率更高，以期为工业级触摸屏人
机界面的发展注入新的力量。
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§1.4 课题研究的主要内容
在参考了 Hitech、EasyView、三菱和 OMRON 等国内外比较成熟产品的基础
上，我们以软件开发的基本理论为指导，以实际应用作为主要目的，设计了嵌入
式工业级触摸屏，为国内该领域的企业提供一些有价值的参考。
一个完整嵌入式工业级触摸屏的开发研制过程，工作量比较大，全部工作由
本实验室人员共同合作完成。为了提高开发效率，加快开发进度，将任务分为两
大部分：系统组态软件的设计开发和下位机软硬件设计开发。本小组主要完成系
统组态软件的设计开发工作，并参与部分硬件设计。
在组态软件的设计开发过程中，主要研究以下几方面的内容：
1. 熟悉嵌入式工业级触摸屏系统的总体设计方案
嵌入式工业级触摸屏系统的设计开发工作虽然分为两大部分，但是系统整体
思路相同，这需要开发人员发扬团队精神，竭力合作。设计系统组态软件最终是
为下位机触摸屏服务，所以在开发系统组态软件之前，应该对工业级触摸屏系统
的总体设计方案有一个非常清楚的概念。在对系统功能、液晶显示控制原理、硬
件电路、软件流程等方面了解的基础上，再设计开发组态软件，才能达到有的放
矢，方便使用的目的。
2. 基于 Windows 系统的组态软件的开发方法
了解软件工程的基本思想，熟悉软件工程过程，最终确定工业级触摸屏组态
软件开发模型，建立系统的开发方法，形成正确可行的开发思路，为基于嵌入式
系统触摸屏组态软件的设计开发做好准备工作。
3. 基于 Windows 系统的组态软件的设计
这部分是该课题的重点。将从基于嵌入式系统触摸屏组态软件可行性与需求
性分析入手，分别介绍该软件的体系结构，软件系统建模方案的讨论和确定，类
结构设计和算法，以及每个模块的程序实现方法。通过这一部分的设计，使工业
级触摸屏组态软件基本可以达到预期的功能要求。
4. 组态软件的测试与维护
在开发组态软件的过程中，使用了许多保证软件质量的方法分析、设计和实现
软件，但难免会在工作中犯错误。这样，在软件产品中就会隐藏许多错误和缺陷。
测试的目的就是在软件投入运行之前，尽可能多地发现错误并排除错误。
软件维护是软件系统交付使用以后，为了改正错误或满足新的需要而修改软件
的过程。软件维护主要解决开发阶段尚未解决的问题，同时还要做维护工作本身
所产生的问题。做好软件的维护工作不仅能够排除软件中存在的错误，使它能够
正常工作，而且还可以使它扩充功能，提高性能，为用户带来新的效益。
5. 该系统在实际科研项目中的应用
嵌入式工业级触摸屏系统的可靠性和稳定性测试，是通过其在实际工程中的
应用来实现。由数控数显实验室研制开发的这款嵌入式工业级触摸屏已经应用在
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5
许多科研项目和实际生产中，并且受到了用户的一致好评。本文主要以十八路毛
皮机控制器为例，介绍在嵌入式工业级触摸屏在线模拟模式下控制实验仪器工作
的过程，对系统组态软件的各个方面进行现场测试和进一步的改进。
摘要：

摘要触摸屏的操作简便性和高可靠性在工控领域得到了充分的发挥。工业级触摸屏作为工业时代和嵌入式计算机技术发展的产物,正在被广泛地应用在工业控制的各个领域。针对目前工业控制中触摸屏的应用现状和市场分析，我们研制出了一款工业级触摸屏。该款触摸屏不但具有传统的触模式人机界面的作用，而且本身带有扩展I/O，可以通过专门通讯协议控制伺服电机、变频器、单片机和PLC等工业现场控制器，同时实现人机界面交互和控制等功能。本文简单介绍了工业级触摸屏的硬件组成；分析了各个器件的性能与应用；详细论述了触摸屏组态软件的面向对象的设计思路和实现过程，并重点讨论画面信息的编译格式、编译过程、画面信息上载和下传、在线模拟和离...

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作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：65 页 大小：1.27MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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