注塑機嵌入式控制系統(tǒng)圖形界面的設計與實現(xiàn)

魏曉晴，吳旭光，白曉娟，郝 方，張 偉

（1. 西北工業(yè)大學 航海學院，西安 710072；2. 中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110032）

0 引言

工業(yè)注塑機[1]逐漸向著特大型，精密儀器的方向發(fā)展，因而對控制系統(tǒng)的要求越來越高，如今基于嵌入式的專用計算機控制系統(tǒng)已經(jīng)占據(jù)了主導地位[2]，這類控制系統(tǒng)能夠滿足特定的注塑需求，實現(xiàn)高精度的控制功能，存儲大量的模具資料。

更可靠，更直觀的控制界面是控制系統(tǒng)發(fā)展的要求。本文的界面就是為注塑機的一種嵌入式控制系統(tǒng)設計的，與傳統(tǒng)的控制界面相比，具有以下優(yōu)勢：多種控制功能、良好的通信功能、實時性強、圖形動畫界面。提高了界面的易用性、可靠性和美觀性。

1 嵌入式控制系統(tǒng)的結(jié)構

本文設計的工作界面基于一種嵌入式控制系統(tǒng)[3]，該控制系統(tǒng)采用上位機＋下位機的結(jié)構[4]，如圖1所示。

上位機完成人機接口、控制算法、系統(tǒng)管理等功能，硬件上選用PC104總線結(jié)構的VDX-6354，功能強大。其外圍接口包括：普通鍵盤和鼠標、任意尺寸的VGA或者TFT液晶顯示屏和觸摸屏、CF卡、以太網(wǎng)口、串口、USB口及音頻接口等。軟件上選用Windows XPe操作系統(tǒng)，可支持多種通用語言，如C++，可靠性高，處理速度快，人機界面友好。

下位機負責數(shù)據(jù)采集、開關量I/O、數(shù)據(jù)預處理、D/A轉(zhuǎn)換等任務,根據(jù)需要選擇了16位低功耗高性能的MSP430F149芯片。

上、下位機之間通過RS-485實現(xiàn)串行通信,傳輸速度快，距離遠，并且能夠組網(wǎng)，使系統(tǒng)具有良好的可擴展性。

2 工作界面的設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)上位機操作系統(tǒng)是Windows，因而用C++來進行界面開發(fā)就十分方便，并且界面實時性好，友好易用。因此本文運用VC++的MFC，編寫基于對話框的工作界面，并且選用上位機串口進行通信。

2.1 界面結(jié)構

該界面可對注塑機運作情況進行監(jiān)控，并可通過調(diào)整參數(shù)等而改變注塑機的工作，根據(jù)需求，主要可劃分為監(jiān)控界面和設置界面。

界面操作流程如圖2所示：系統(tǒng)啟動,自檢完成后進入主畫面，從該界面可進入六種操作模式，任何一個操作模式在運行前都應該通過串口向下位機申請信號量，沒有取得該信號量的時候不被允許進入該項操作。

監(jiān)控部分：生產(chǎn)狀況及各主要參數(shù)之監(jiān)察頁面是整個界面系統(tǒng)的重點，承載了主要的控制工作。因為有三種控制工作方式[5]，監(jiān)控部分可劃分為三個子界面，分別是：手動控制模式，半自動控制模式和全自動控制模式。手動模式時上位機發(fā)出一個命令，下位機控制注塑機完成一個生產(chǎn)動作；半自動模式時上位機發(fā)出一個命令，下位機控制注塑機完成一個生產(chǎn)周期；全自動模式時下位機控制注塑機自動完成上位機設定的N個生產(chǎn)周期。

設置部分：各動作與狀態(tài)參數(shù)之設置頁面?？煞譃橄到y(tǒng)參數(shù)設置模式，手動調(diào)模模式和系統(tǒng)調(diào)試模式三個子界面。

2.2 半自動控制界面的設計與實現(xiàn)

下面以監(jiān)控工作模式的半自動控制界面為例，分析界面的具體設計與實現(xiàn)。

2.2.1 界面的設計

整個界面可分為標題欄、菜單欄和工作區(qū)三大部分。標題欄顯示軟件圖標，以及當前工作頁面名稱。菜單欄可實現(xiàn)控制功能以及頁面跳轉(zhuǎn)。主工作區(qū)對生產(chǎn)狀況及各主要參數(shù)進行監(jiān)察。

主工作區(qū)又可分為三個部分：工作環(huán)境監(jiān)控，工藝流程監(jiān)控，工作情況監(jiān)控與警報，如圖3所示。

工作環(huán)境監(jiān)控：如時間顯示、環(huán)境溫度顯示等等。

工藝流程監(jiān)控：將一個塑模的整個工藝周期分為9個工作段，并且以動畫形式表現(xiàn)在界面上，更直觀方便的實現(xiàn)了對注塑機工作的實時監(jiān)控。

工作情況監(jiān)控與警報：顯示警報監(jiān)控下的壓力值、溫度比、運行動作、螺桿轉(zhuǎn)速、動作完成情況等等。

2.2.2 半自動控制模式的實現(xiàn)

該模式實現(xiàn)的控制功能為：上位機界面向下位機系統(tǒng)發(fā)出一個命令，下位機控制注塑機完成一個工作周期。

算法實現(xiàn)如下：設定一個BULL型控制變量m_w，默認為FALSE，如果菜單項命令“開始/下一模”被點擊，該變量變?yōu)門RUE，并且向下位機發(fā)送開始信號，下位機收到信號后按順序調(diào)用完成一個塑模的9個工作段的全部代碼，控制機器完成一周期工作，并且向上位機發(fā)送停止信號，上位機收到信號后將m_w變?yōu)镕ALSE,界面同時停止監(jiān)控。部分代碼示例如下：

1）菜單項命令“開始/下一?！北稽c擊時，m_w的狀態(tài)設定：

2）完成一模后，收到下位機停止信號，m_w=FALSE,系統(tǒng)停止，并且各變量清零：

m_w=FALSE; m_3_8=_T("未運行");m_3_43=_T("停止監(jiān)控");//監(jiān)控停止

l=0;k=0;n=0;r=0;s=0;v=0;z=0;a=0;……//界 面各變量清零

2.3 “異或擦除”動畫的實現(xiàn)

為了在實現(xiàn)多種控制功能的基礎上，滿足人機的友好交互，這里將高實時性且易實現(xiàn)的C++“異或擦除”動畫技術運用于界面的開發(fā)，將注塑機的實時工作情況以動畫形式表現(xiàn)在界面上，更直觀方便的實現(xiàn)了監(jiān)控，如圖3所示。

該動畫原理是：在圖像所在原位置反色畫出圖像，二者相消，相當于擦除原圖像；并在新位置繪出新圖像。如果反復不斷地擦除和重新繪畫，圖像看起來就會像是在屏幕上穿越移動。它占用內(nèi)存資源少且執(zhí)行速度快，而諸如利用動態(tài)開辟圖視口方法、利用顯示頁和編輯頁交替變化、利用畫面存儲再重放的方法等程序比較復雜，且要對圖像不斷進行存取操作，這需要耗費大量內(nèi)存資源，降低系統(tǒng)實時性，而異或擦除法動畫則可以很好解決上述問題。

該動畫的實現(xiàn)過程如下：根據(jù)工藝流程獨立編寫各個工作段顯示代碼，下位機運行到哪個工作段，上位機獲得相應信號，調(diào)用相應圖像顯示代碼，以顯示當前工作畫面。

部分代碼示例（如開模工作段）如下：

3 串口通信的實現(xiàn)

本界面提供了與下位機通信的接口，從而形成了一個功能比較完整的系統(tǒng)。通信串口選用RS-485[6]，異步，半雙工傳輸，默認通訊協(xié)議方式采用ASCII方式。它數(shù)據(jù)最高傳輸速率高，抗共模噪聲干擾性好，傳輸距離遠，并且能夠組網(wǎng)，使系統(tǒng)具有良好的可擴展性。

安裝驅(qū)動后，將RS485串口模擬為上位機的COM口，就可以利用VC的通信控件MSComm編程串口通信，進行串口初始化，捕捉并處理各種通信事件，完成接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等通信管理。該控件采用事件驅(qū)動的接收方式。

向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)的部分實現(xiàn)代碼如下：

4 結(jié)束語

本文構建了基于嵌入式控制系統(tǒng)的注塑機圖形工作界面，在完成多種控制功能和通信任務的基礎上，將“異或擦除”動畫技術運用于嵌入式工作界面開發(fā)，實現(xiàn)了圖形化的工作監(jiān)控。測試證明，該界面能夠準確穩(wěn)定地完成實時監(jiān)控、通信、顯示功能，達到了預期的良好效果。

本文創(chuàng)新點：充分利用硬件資源，實現(xiàn)了多種上位機控制模式算法，并且把“異或擦除”動畫技術應用于工業(yè)控制（此方法也同樣適應用于其他微控制器的人機工作界面），選用RS485通信增強了系統(tǒng)的可擴展性。

[1] 鐘漢如. 注塑機控制系統(tǒng)[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社,2004.

[2] 吳建華. 嵌入式網(wǎng)絡注塑機人機界面設計[D]. 浙江大學,2005.

[3] 肖鼎新, 吳旭光, 馮歡歡, 侯京鋒. 基于PC/104的工業(yè)注塑機控制器設計[J]. 制造業(yè)自動化, 2010, 32(10): 70-73.

[4] 高云迪, 吳旭光, 史建華 , 胡超凡. 基于嵌入式Linux的工業(yè)注塑機控制器設計[J]. 計算機測量與控制, 2009,17(1): 69-71.

[5] 方慶華, 康存鋒, 馬春敏. 基于軟PLC的全電子注塑機控制系統(tǒng)設計[J]. 工程塑料應用, 2006, 34(4): 58-60.

[6] 李現(xiàn)勇. Visual C++串口通信技術與工程實踐[M]. 北京:人民郵電出版社, 2004.