作   者 ：華中科技大學(xué) 控制科學(xué)與工程系 吳力煒 葉念渝
　　關(guān)鍵詞： 組態(tài)軟件 設(shè)備驅(qū)動程序 RS-485串行通信
　　1 引言
　　組態(tài)軟件設(shè)備驅(qū)動程序用于提供了連接計(jì)算機(jī)硬件的軟件接口，在裝入后成為操作系統(tǒng)內(nèi)核的-部分，也就是說它成為操作系統(tǒng)的信任部分。因此，任何設(shè)備驅(qū)動程序的細(xì)小錯誤都可能引起操作系統(tǒng)的崩潰，要避免這樣的事情發(fā)生，只有反復(fù)測試所寫的代碼，遵循編寫驅(qū)動程序的規(guī)則。
　　最簡單的方法是購買現(xiàn)成的驅(qū)動程序來直接處理我們的設(shè)備，但這樣的驅(qū)動程序存在連接與嵌入錯誤的風(fēng)險(xiǎn)。另外，可以通過修改各種商業(yè)通用驅(qū)動程序與許多簡單的設(shè)備打交道。如果自己編寫驅(qū)動程序的話，盡量使用某個標(biāo)準(zhǔn)的總線驅(qū)動程序或者類驅(qū)動程序，因?yàn)樗鼈兺ǔ?shí)現(xiàn)了我們所需要的大量功能。如果設(shè)備只有一個專門的用途，則為它編寫一個單一驅(qū)動程序來處理所有設(shè)備的請求可能是最簡單的解決方案。
　　三維力控組態(tài)軟件提供了力控I/O驅(qū)動程序接口軟件開發(fā)工具包FIOS SDK，F(xiàn)IOS SDK提供了標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)接口，開發(fā)人員僅需要根據(jù)I/O設(shè)備的具體通信協(xié)議或驅(qū)動接口說明，填寫幾個掃描函數(shù)的實(shí)現(xiàn)代碼，進(jìn)行必要的調(diào)試與測試，即可完成一種FIOS的開發(fā)。
　　2 課題背景
　　目前筆者接手的項(xiàng)目是X機(jī)場助航燈光計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)場燈光實(shí)施II類運(yùn)行時，其能見度在800m至400m之間，要求燈光設(shè)備可靠性高、故障少，但往往燈具在運(yùn)行過程中產(chǎn)生故障是隨機(jī)的，其故障率達(dá)到某一個值時，將不能滿足II類運(yùn)行要求[1][2]。為保證監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，采用雙機(jī)容錯模式與力控工業(yè)控制組態(tài)軟件相結(jié)合的方法，通過硬件冗余、軟件組態(tài)的可靠設(shè)計(jì)、Visual C++與力控組態(tài)軟件的結(jié)合，并以RS-485總線作為網(wǎng)絡(luò)連接線，實(shí)現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)庫配置，設(shè)計(jì)了基于力控組態(tài)環(huán)境的雙機(jī)容錯系統(tǒng)。開發(fā)此系統(tǒng)的任務(wù)之一，就是自主開發(fā)驅(qū)動程序，將自定義的通信協(xié)議寫入驅(qū)動程序之中。而三維力控組態(tài)軟件提供了I/O驅(qū)動程序接口開發(fā)工具包(FIOS SDK)，因此，開發(fā)驅(qū)動的主要工作就是利用組態(tài)軟件提供的接口函數(shù)和輸入輸出類庫編寫Ioapi中的代碼，以達(dá)到I/O設(shè)備的控制要求[3]。由于此項(xiàng)目的開發(fā)在Visual C++ 6.0環(huán)境中進(jìn)行，學(xué)習(xí)Windows WDM驅(qū)動程序設(shè)計(jì)對于深入理解內(nèi)核態(tài)驅(qū)動程序開發(fā)、編寫相應(yīng)的接口程序也很有幫助。
　　3 開發(fā)工具--FIOS SDK簡介[5][6]
　　FIOS SDK開發(fā)環(huán)境完全基于32位Windows平臺。它使用動態(tài)鏈接庫(DLL)技術(shù)將開發(fā)人員開發(fā)的代碼整合到力控組態(tài)
　　軟件系統(tǒng)中。FIOS SDK提供給程序員的開發(fā)接口為API函數(shù)和C++類庫。
　　FIOS SDK主要由4部分組成:設(shè)備組態(tài)接口(Iodevcfg)、數(shù)據(jù)連接組態(tài)接口(Ioitemui)、I/O監(jiān)控接口Ioapi和I/O服務(wù)器程序Ioserver。其中，Iodevcfg:負(fù)責(zé)管理設(shè)備組態(tài)過程;Ioitemui:負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)連接組態(tài)過程;Ioapi:負(fù)責(zé)完成與I/O設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控過程，包括:對通信協(xié)議的解析、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等;Ioserver:由FIOS SDK提供，用于完成對Ioapi 的動態(tài)裝載，調(diào)用并執(zhí)行Ioapi實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)出函數(shù)。它封裝了大部分開發(fā)人員不必關(guān)心的技術(shù)細(xì)節(jié)，如完成與I/O設(shè)備的底層通信(串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信等)、設(shè)備超時處理、設(shè)備故障診斷等。Ioserver還完成與實(shí)時數(shù)據(jù)庫DB之間的通信，它把從I/O設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)Ioapi解析轉(zhuǎn)換后提交給DB，或者將DB下置給I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)Ioapi解析轉(zhuǎn)換后寫入I/O設(shè)備。
　　因此，開發(fā)人員僅需要開發(fā)Iodevcfg、Ioitemui、Ioapi三部分的代碼。下面就以這三個部分的代碼、界面開發(fā)為例，說明在力控組態(tài)軟件中進(jìn)行驅(qū)動開發(fā)的步驟。
　　4 開發(fā)實(shí)例
　　以C8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集為例，針對下層RS-485總線通信開發(fā)驅(qū)動程序。
　　4.1 設(shè)備組態(tài)接口(Iodevcfg)開發(fā)
　　(1) I/O描述文件
　　在使用力控進(jìn)行組態(tài)時，一般都要涉及I/O設(shè)備的定義過程。I/O描述文件的文件名為Iodesc.txt。文件內(nèi)容規(guī)定的格式如下(其中，表示回車換行):
　　類別;廠商或I/O程序描述;IOID
　　子類型1;類型號;缺省通信方式;提供設(shè)備地址
　　子類型2;類型號;缺省通信方式;提供設(shè)備地址
　　……
　　因此，在本項(xiàng)目中的I/O描述文件定義為:
　　"X計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);華中科技大學(xué)控制系;CCMSController;0;1;0"表示類型號為0，RS-485通信，不設(shè)置設(shè)備地址。
　　(2) 開發(fā)Iodevcfg.dll
　　開發(fā)人員在編寫Iodevcfg接口程序時主要完成兩部分功能，一是為用戶進(jìn)行設(shè)備組態(tài)時提供一個界面;另外就是將用戶組態(tài)的設(shè)備參數(shù)信息保存起來，以便在開發(fā)編程接口Ioapi時使用。如果力控提供的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備組態(tài)接口能夠完整地描述設(shè)備的有關(guān)信息，就不需要再編寫Iodevcfg接口程序。標(biāo)準(zhǔn)界面如圖1所示，并對串口進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，如圖2所示。

                                                                                              圖1 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備組態(tài)界面

                                                                                                   圖2 串口設(shè)置界面
　　4.2 數(shù)據(jù)連接組態(tài)接口(Ioitemui)開發(fā)
　　在用力控進(jìn)行組態(tài)時，把實(shí)時數(shù)據(jù)庫DB中的點(diǎn)參數(shù)與某種設(shè)備的具體信道建立連接的過程被為數(shù)據(jù)連接過程。Ioitemui要以DLL形式提供，該DLL必須是MFC擴(kuò)展DLL，其缺省文件名稱為Ioitemui.dll。
　　數(shù)據(jù)連接過程對于不同的I/O設(shè)備，其形式和內(nèi)容可能完全不同。因此，必須針對不同的I/O設(shè)備設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)連接形式以保存各種參數(shù)信息。
　　開發(fā)人員在編寫Ioitemui接口程序時也是主要完成兩部分功能，一是為用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)連接組態(tài)時提供一個界面;二是將用戶組態(tài)的設(shè)備參數(shù)信息保存在數(shù)據(jù)連接項(xiàng)結(jié)構(gòu)(以下簡稱連接項(xiàng)結(jié)構(gòu))IOITEMDEF中，以便在開發(fā)I/O監(jiān)控接口Ioapi時使用。這個連接項(xiàng)結(jié)構(gòu)是一個通用結(jié)構(gòu)，由開發(fā)人員自己賦值，自己解釋。界面如圖3所示:

                                                                                               圖3 數(shù)據(jù)連接組態(tài)界面
　　4.3 I/O監(jiān)控接口Ioapi開發(fā)
　　Ioapi是FIOS提供的最重要的一個編程接口，開發(fā)人員的主要工作就是開發(fā)Ioapi部分的程序代碼。Ioapi提供了一組API函數(shù)(掃描函數(shù))和一些C++類庫(IOC, Input Output Class)。這些IOC類庫全部以純虛類的形式提供，并且只有成員函數(shù)，沒有成員變量，主要包括5個類:CItem(數(shù)據(jù)項(xiàng)類)、CPacket(數(shù)據(jù)包類)、CDevice(設(shè)備類)、CChannel(信道類)和CManager(管理器類)。以層級的結(jié)構(gòu)來管理點(diǎn)、包、設(shè)備、信道，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)組態(tài)、參數(shù)信息的獲取和與實(shí)時數(shù)據(jù)庫DB之間的數(shù)據(jù)交換。
　　Ioapi.dll程序中主要完成如下的導(dǎo)出函數(shù)(對于不需要的函數(shù)，一定要刪除，這樣可以使程序的運(yùn)行效率提高):
　　OnCreate－載入Ioapi.dll后立即調(diào)用，這時信道、設(shè)備、包、點(diǎn)都不存在，一般用于設(shè)置程序的標(biāo)題，使用戶比較清楚程序的用途;
　　OnSortItem－所有點(diǎn)導(dǎo)入完畢后調(diào)用，這時候沒有任何包建立;
　　OnItemToPacket－循環(huán)多次添加所有的點(diǎn)到各個包中，基本原則是能一次處理的點(diǎn)打成一個包，使打包合理化;
　　OnBeforeScan－打包完成，正式調(diào)度之前調(diào)用一次，遍歷管理器，信道，設(shè)備，包，點(diǎn);
　　OnCreateDeviceLink－設(shè)備的初始化工作;
　　OnCreatePacketLink－包的初始化工作;
　　OnReadData－IOSCAN程序循環(huán)掃描調(diào)度，形成數(shù)據(jù)采集命令串;
　　OnWriteData－發(fā)生數(shù)據(jù)下送時調(diào)用，形成數(shù)據(jù)下置命令串;
　　OnIsResponseComplete－異步方式下判斷是否完成數(shù)據(jù)的接收，是否將數(shù)據(jù)設(shè)置到DB中;
　　OnAfterSend－發(fā)送數(shù)據(jù)后調(diào)用一次，調(diào)試時可以查看發(fā)送的命令串是否正確;
　　OnTimeout－發(fā)生超時的時候調(diào)用;
　　OnUnloadPacket－包析構(gòu)時調(diào)用;
　　OnClose－CManager析構(gòu)時調(diào)用一次。
　　開發(fā)人員可根據(jù)項(xiàng)目中自定義的通信協(xié)議，將通信協(xié)議寫入函數(shù)OnReadData()、OnWriteData()中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和下置。下面給出OnReadData函數(shù)的部分代碼:
　　INT OnReadData( CPacket* pPacket, LPTSTR lpszSendString, INT& nSendStringLen )
　　{
　　pPacket->SetReady(TRUE);
　　//生成采集命令字符串
　　CDevice* pDevice = pPacket->GetDevice();
　　//得到設(shè)備指針
　　CChannel * pChannel = pDevice->GetChannel();
　　//得到通道指針
　　pChannel->ClearAcceptBuffer();
　　//清空接收緩沖區(qū)
　　CString csDeviceAddr = pDevice->GetAddr();
　　//得到實(shí)際設(shè)備的地址
　　IOITEMDEF * pItemStru = pPacket->GetItem(0)->GetItemStru();
　　//得到包的數(shù)據(jù)
　　BYTE ucIoType = pItemStru->n[IO_TYPE];
　　//得到發(fā)送命令的I/O類型
　　BYTE ucDeviceAddr = pItemStru->n[DEVICE_ADDR];//得到用戶輸入的設(shè)備地址
　　……
　　//需要根據(jù)實(shí)際的通信協(xié)議書寫有關(guān)的程序
　　CString csCommand = "";
　　csCommand = BYTE(FRAME_HEAD);
　　//寫入幀信息頭
　　……
　　csCommand += BYTE(QUERY);
　　//定義幀信息類型
　　csCommand += BYTE(0x01);
　　//有效信息長度為 1 字節(jié)
　　csCommand += BYTE(ucDeviceAddr);
　　//寫入設(shè)備的地址
　　csCommand += LRCCheck(temp_que, 2);
　　//寫入幀尾LRC校驗(yàn)碼
　　nSendStringLen = csCommand.GetLength();
　　CString csPmessage;
　　csPmessage.Format("讀取數(shù)據(jù):設(shè)備地址%X", ucDeviceAddr);
　　pDevice->ShowProcessMessage(csPmessage);
　　pDevice->ShowEventMessage(csPmessage, FALSE);
　　//調(diào)試用，用以顯示觸發(fā)事件
　　for ( int i = 0; i < nSendStringLen; i++ )
　　lpszSendString[i] = csCommand[i];
　　return SEND;
　　}
　　4.4 驅(qū)動程序的調(diào)試
　　通過Visual C++ 6.0編寫的程序，如:Iodevcfg.dll、Ioitemui.dll、Ioapi.dll，必須生成Release版本，否則調(diào)試時，I/O Server調(diào)用時將會出錯，并立即跳出程序的執(zhí)行。調(diào)試顯示過程如附表所示。
　　附表 設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)試過程信息

                                                                                     　附表 設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)試過程信息
　　調(diào)試結(jié)果表明該驅(qū)動程序可以實(shí)現(xiàn)與C8051單片機(jī)的異步通信，完成數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對助航燈光的控制。
　　5 結(jié)束語
　　組態(tài)軟件作為現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和過程控制的專用軟件，在許多行業(yè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。但任何組態(tài)軟件的驅(qū)動程序不可能囊括所有設(shè)備的驅(qū)動程序，特別是對通信協(xié)議有特定要求的設(shè)備，因此，就需要開發(fā)人員根據(jù)自己的通信協(xié)議編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序代碼，并結(jié)合實(shí)際的設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。一個好的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)應(yīng)該是可配置的、可移植的、可搶占式的、可中斷的和多處理器安全的[4]。若想能夠很好地掌握驅(qū)動程序的開發(fā)，最根本的是閱讀驅(qū)動文檔并自己動手編寫驅(qū)動程序。