工业组态人机交互系统的设计

摘 要

　　在工业生产中，由于生产设备分散控制和操作人员集中管理的需要，集散控制系统（DCS）已被广泛应用于各个领域。集散控制系统把控制和管理两个模块分开设计，减小了系统开发的工作量。人机交互作为集散控制系统金字塔最顶端的部分，提供了生产设备与操作人员交互的接口，承担着信息显示、数据通信、模块协调等重要任务，而人机交互系统的组态设计方式以其模块化、智能化、可扩展等优点在工业领域中占据越来越重的地位。

　　本文在分析了国内外常见的组态软件优缺点的情况下，从工业生产实际出发，改进了原有人机交互系统开发方式，针对组态人机交互系统需要实现的功能进行了分析，提出了一种基于 Linux 的组态人机交互系统的软硬件设计方案。本文首先进行了人机交互系统硬件平台的设计，实现了以 TI 公司生产的基于 ARM Cortex-A8 架构的处理器 AM3352 为核心的嵌入式系统架构，包括核心电路、界面显示、人机操作、设备通信、数据存储与传输等功能模块的设计。然后根据处理器和外围芯片的特性，参考现有的软件资源进行引导程序、操作系统、文件系统的移植和优化，以得到适合运行在本系统上的软件，并且移植了 Qte 以使嵌入式设备能够支持丰富的图形库。最后在 QtCreator 中进行了组态软件的开发，利用 Qt 的图形视图框架、对数据库良好的操作支持、脚本程序的解析功能以及第三方的串口类代码等强大功能，实现了基本的图形界面及其动画的组态，数据的定义、存储、查询、修改，通信系统及其协议的设置和定义，以及对脚本语言进行编写、解析和运行等功能。

　　本课题所设计的组态人机交互系统具有成本低、操作简单、实时性好、数据存储安全等优点，设计的组态软件为企业员工提供了简便的开发环境，经过快速的二次开发后即可投入生产，避免了从底层开始设计的很多不必要的琐碎工作。经过实验室和现场调试，能够基本实现组态开发、设备通信、数据存储等功能，满足项目初步要求。

　　关键字：人机交互、组态、Linux、Qt、数据库

ABSTRACT

　　In industrial production, DCS has been widely used in every field since the need of the decentralized control of the devices and the centralized management of operators. DCS use the design thought of hierachy and modulization, and it reduce the workload in development. As it is at the top of the pyramid of the DCS, human-machine interaction system provides the interface for devices and operators, and undertakes many important tasks such as information display, communication, coordinate between modules and so on, the configuration method for develop HMI system has been more and more important in the industrial since its modulization, intelligentialize and expansibility.

　　After analyze the merits and demerit of common configuration software at home and abroad, this paper improve the intrinsic method for development of the HMI system, and put forward a kind of design scheme of HMI system based on Linux from hardware to software. This paper first realizes the the design of hardware, which is an embedded system architecture based on ARM Cortex-A8 processor AM3352, including the core circuit, interface display, man-machine operation, equipment communication, data storage and transmission function module design. Then, according to the characteristics of the processor and the peripheral chips, transplants and optimizes the bootloader, operating system and file system. To make the optimized software operating environment, it transplants the Qte as the support for graphic in the embedded device. Finally, the Qt Creator is used to design the configuration software thinking of its powerful features as the graphical view framework of Qt, the good operation support of the database, the analytic function of the script and the serial port code of the third party, in which realizes the basic graphical interface and animation configuration, the data definition, storage, inquiry and revision, the establishment of the communication system, as well as the script function of edit, analysis and execution.

　　The configuration HMI system has the advantages of low cost, simple operation, good real-time and safe data storage. The configuration software provides a simple development environment for enterprise employees. After rapid secondary development, the products can be put into production, avoiding much work from low level. After the laboratory and on-site debugging, the system can realize the basic configuration development, equipment communication, data storage to meet the initial requirements of the project.

　　Keywords: HMI, configuration, Linux, Qt, database

　　自从 18 世纪 60 年代英国发展第一次工业革命以来，机器生产方式迅速取代了落后的手工生产，人类跨入工业社会，物质资料的增长越来越依赖于工业生产。进入电气时代后，人与机器之间的交互从之前直接的手工操作转变成自动化控制，随着工业生产的发展，工业控制结构的复杂性大幅度增加，集散型控制系统出现了迅猛的发展趋势，在这个过程中，人机之间的交互显得必不可少，并且占据着越来越重要的地位。集散型控制系统最主要的特征就是采用了分级递阶结构，实现了工业生产设备的集中管理、分散控制。

　　新中国成立后，我国的工业生产也开始迅速蓬勃地生长，尤其是改革开放之后的 30 多年的时间里，我国开始大规模地发展工商业并取得了举世瞩目的成绩，自 2005 年开始，中国由原来的农业大国成功转型为工业大国，到 2011 年时经济总量已经一跃成为世界第二[2][3]。随着信息革命热潮席卷全球，物联网时代的迅速降临，两次技术革命，工业生产和信息技术已经相互融合在一起，作为集散型控制系统金字塔最顶端的部分，人机交互系统成为工业控制领域极其重要的一个部分。

　　人机交互方式的发展历史，大致可分为三个阶段[3]，如图 1.2 所示。第一个阶段是手工操作阶段，该阶段所谓的人机交互其实只是简单的对生产机器的手工直接操作，并依靠操作人员自身对机器的观察感知机器状态，从而在有需要的时候作出相应的措施，图 1.2 中 a 图所示的珍妮纺纱机即是工业发展初期操作人员与机器之间的简单交互。第二个阶段是作业控制语言及交互命令语言阶段，该阶段人机交互的特点是操作人员采用批处理作业语言或者交互命令语言和计算机进行交互，这种方式对操作人员的要求极高，需要熟记许多命令，图 1.2 中b 图所示为穿孔纸片，这些纸片由当时的程序员制作，将这些纸片放入当时的计算机即可运行相应的程序。第三阶段就是目前的图形用户界面阶段，操作人员通过图形用户接口（GUI）获取机器运行状态和信息，并对机器发送执行指令，这种方法不仅提供了一个良好的用户操作接口，更增强了人机交互系统的易用性，对于不了解计算机的用户同样可以使用，并且能够提供更直观的感受，也能使操作人员对错误、警告这方面的信息获得更加及时、有效的提醒。

　　在工业发展的很长一段时间内，人机交互系统的实现往往是针对具体场景进行设计和开发，而一旦工业上对需求有所改变，已经成型的系统就很难适应新的场景，而进行新的开发往往是一项工作量巨大而又枯燥乏味的工作。随着我国工业的不断发展壮大，这种人机交互系统的设计模式越来越无法满足产品设计和开发周期的需求，人力和时间成本的过多投入也导致需要迫切寻找一种方便快捷的开发方式来适应这种快节奏产品开发模式[5]。

　　随着半导体产业的发展，芯片集成度的提升，集成芯片在体积变小的情况下，功能却变得越来越强大，用于嵌入式设备的微控制器由原来简单的单片机变成了性能更强的处理器[6]，不仅处理器运行速度得到很大的提升，而且可以像电脑一样运行大型操作系统。

　　正是在半导体产业和信息技术产业的推动下，组态的设计方式被提出用于人机交互系统的开发[7]。在组态的设计体系中，包括了人机交互系统和组态软件，用户对人机交互系统功能的开发不再需要编写代码，而是在组态软件中通过简单的类似“搭积木”的方式进行。组态软件的功能主要包括如下内容：通过拖拽的方式完成复杂的图形界面的设计，通过设计好的对话框完成图形界面的动画设置，提供数据定义、存储和显示的界面，提供脚本语言的编辑界面和运行时的解析功能等。用户在组态软件中完成这一系列的配置之后，由组态软件自动生成适用于人机交互系统的可执行程序，用户只需要将该可执行程序传输到人机交互系统中运行，就可以实现需要完成的功能。基于这样的背景，实验室和企业合作，进行了基于 Linux 的组态人机交互系统的研究和开发。

　　本课题最初用于织机控制系统，主要针对目前落后的人机交互系统设计模式提出的一种改进，并将原来的人机交互系统上的需求移植到新的模式中。本课题中电控箱和织机机械结构由浙江康立科技有限公司提供，本课题主要主要实现组态人机交互系统部分。本课题具体研究内容如下：

　　（1）分析原有的人机交互系统实现的功能，在此基础上增加工业人机交互系统常用的功能，明确系统需求，针对需求指定设计方案。

　　（2）熟悉 CotexARM-A8 架构，查阅系统所用处理器和外围芯片数据手册，掌握芯片的电气特性，制作硬件电路板。

　　（3）研究操作系统的工作原理和 Linux 操作系统的内核结构、启动流程、内存管理、任务调度等，研究 Linux 内核的移植和优化，熟悉 Linux 操作系统下应用程序的编写和驱动代码的修改，熟悉引导程序 U-Boot 的移植和优化。

　　（4）研究 UBI 文件系统的实现原理，了解其性能和适用性，完成根文件系统的移植，并在文件系统中加入 Qt 库，以支持丰富的图形界面和事件机制。

　　（5）研究组态软件的工作原理和实现方式，研究 QtCreator 使用方法，完成组态软件的设计与开发，能够实现基本的界面、动画、通信、脚本等功能的组态。

　　本文主要分为七个章节，每一个章节的主要内容如下：

　　第 1 章 绪论 本章介绍了课题的研究背景、组态人机交互系统的概念以及当前形势和发展趋势，分析了国内外组态软件的概况和发展前景，阐述了本课题研究的目的意义和内容。

　　第 2 章 组态人机交互系统工作原理和方案设计 本章首先介绍了组态人机交互系统的工作原理，分析了系统的整体需求和技术指标，在此基础上，分析了系统的整体设计框架和策略，然后进一步细化需求，从嵌入式设备的软硬件以及组态软件的开发上进行方案的对比和选择，确定具体的硬件设计、嵌入式软件设计、通信接口、数据库技术以及组态软件设计。

　　第 3 章 人机交互系统硬件电路设计 本章主要介绍了人机交互设备具体的硬件电路设计，首先介绍了硬件整体框图，然后具体到核心电路的选择和每个外围模块电路的设计，分析各个模块的设计思路、芯片选型及实现方法。

　　第 4 章 人机交互系统软件设计 本章主要介绍了人机交互设备具体的软件设计，首先介绍了软件设计的整体框架，然后详细介绍软件部分需要完成的工作，包括 Bootloader、操作系统的移植、文件系统的制作、图形库和数据库的支持等。

　　第 5 章 组态软件设计 本章首先通过分析组态软件需要实现的功能，介绍组态软件的整体设计思想和框架，然后分成图形界面、数据库、通信系统和脚本设计四个部分详细介绍整个组态软件的实现方案。

　　第 6 章 人机交互系统调试 本章首先对人机交互系统硬件各个模块分别进行测试，然后结合在组态软件中开发的程序，综合进行功能上的调试。

　　第 7 章 总结与展望 本章总结了本文的研究成果，并且在此成果上提出了一些不足和需要改进的地方，分析下一步工作需要完成的任务。

　　工业组态人机交互系统调试：

直流稳压电源

数字万用表

示波器

人机交互系统正面

人机交互系统背面

5V 电源纹波

3.3V 电源纹波

1.8V 电源纹波

1.5V 电源纹波

系统启动时信息输出

串口数据收发

软件编译对话框

编译错误提示对话框

设备与电控箱连接测试

系统启动界面

触摸校准界面

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　目 录
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题研究背景
　　　　1.2 课题研究现状与发展趋势
　　　　　　1.2.1 国外研究现状
　　　　　　1.2.2 国内研究现状
　　　　　　1.2.3 发展趋势
　　　　1.3 课题研究目的和意义
　　　　1.4 课题来源和研究内容及论文框架
　　　　　　1.4.1 课题来源
　　　　　　1.4.2 课题研究内容
　　　　　　1.4.3 论文框架
　　第 2 章 组态人机交互系统工作原理和方案设计
　　　　2.1 组态人机交互系统工作原理
　　　　2.2 系统整体需求与技术指标
　　　　2.3 人机交互系统方案设计
　　　　　　2.3.1 人机交互系统硬件设计
　　　　　　2.3.2 人机交互系统软件设计
　　　　2.4 组态软件方案设计
　　　　2.5 本章小结
　　第 3 章 人机交互系统硬件电路设计
　　　　3.1 人机交互系统硬件结构框图
　　　　3.2 人机交互系统核心电路设计
　　　　3.3 LCD 显示驱动电路设计
　　　　3.4 串口通信电路设计
　　　　3.5 以太网通信电路设计
　　　　3.6 CAN 总线电路设计
　　　　3.7 USB 接口电路设计
　　　　3.8 TF 卡接口电路设计
　　　　3.9 系统电源电路设计
　　　　3.10 本章小结
　　第 4 章 人机交互系统软件设计
　　　　4.1 嵌入式系统整体软件框架
　　　　4.2 Bootloader 移植
　　　　　　4.2.1 U-Boot 概述25
　　　　　　4.2.2 设置系统开机图片
　　　　　　4.2.3 U-Boot 优化
　　　　　　4.2.4 U-Boot 编译
　　　　4.3 Linux 操作系统内核移植
　　　　　　4.3.1 LCD 驱动修改
　　　　　　4.3.2 Linux 内核优化
　　　　　　4.3.3 Linux 配置与编译
　　　　4.4 文件系统制作
　　　　　　4.4.1 文件系统概述
　　　　　　4.4.2 UBI 文件系统制作
　　　　4.5 Qt 移植
　　　　　　4.5.1 Qt 源代码配置与编译
　　　　　　4.5.2 tslib 配置与编译
　　　　　　4.5.3 将 Qt 加入到文件系统中
　　　　4.6 本章小结
　　第 5 章 组态软件设计
　　　　5.1 组态软件整体设计框架
　　　　5.2 图形界面的设计
　　　　　　5.2.1 图形系统设计方案
　　　　　　5.2.2 画板的设计
　　　　　　5.2.3 图形库设计
　　　　　　5.2.4 动画效果设计
　　　　5.3 数据库设计
　　　　　　5.3.1 数据库系统整体设计架构
　　　　　　5.3.2 实时数据的处理
　　　　　　5.3.3 历史数据库的设计与开发
　　　　5.4 串口通信系统设计
　　　　5.5 脚本程序设计
　　　　　　5.5.1 脚本程序整体设计
　　　　　　5.5.2 脚本文件编辑模块
　　　　　　5.5.3 脚本文件加载模块
　　　　5.6 本章小结
　　第 6 章 组态人机交互系统调试
　　　　6.1 调试环境与实物展示
　　　　6.2 人机交互系统模块调试
　　　　　　6.2.1 电源模块调试
　　　　　　6.2.2 串口调试
　　　　　　6.2.3 CAN 调试
　　　　　　6.2.4 以太网调试
　　　　　　6.2.5 USB 口调试
　　　　　　6.2.6 TF 卡调试
　　　　6.3 用户界面和组态功能调试
　　　　　　6.3.1 组态软件调试
　　　　　　6.3.2 系统启动调试
　　　　　　6.3.3 组态功能调试
　　　　6.4 本章小结
　　第 7 章 总结与展望
　　　　7.1 本文总结
　　　　7.2 后续工作展望
　　致 谢
　　参考文献
　　附 录