摘  要： 介紹了一種船舶主機燃油粘度試驗臺中粘度控制器的設計。包括控制器人機界面的設計、控制器的嵌入式開發平臺和開發環境、硬件接口設計原理以及軟件設計方法等。
關鍵詞： 嵌入式；主機；粘度；控制

　近代船舶柴油機為降低營運成本，使用低質燃油，由于在常溫下其粘度很高，在管路中難以運輸，更不能直接噴入氣缸進行燃燒。為了保證船舶主機燃燒良好，能正常運行，燃油粘度必須保持在一個合適的范圍內[1]。半實物主機燃油粘度仿真控制系統，把船上的燃油粘度控制系統遷移到了教學實驗室中。本文內容為試驗臺上粘度控制器的設計與實現。
1 粘度控制器人機界面
　粘度控制器人機界面如圖1所示。矩形區域為LCD顯示區域。下方8個按鍵區域為控制狀態選擇區，分別有粘度控制、溫度控制、手動控制和停止控制、主界面、設置模式、報警復位等按鍵。右邊16個按鍵的區域為數字鍵操作區域和符號鍵區域。包括數字鍵、修改數據、移動光標、清除數據、確定等按鍵。

2 控制器硬件設計
　在本半實物主機燃油粘度控制系統設計中，燃油粘度控制器需要實現操作模式、控制方式、開關量、數據量等狀態的顯示，也要實現各個變量的修改，也可以進行報警復位的操作。為實現如上功能，除需要嵌入式網絡模塊外還需有LCD顯示、鍵盤輸入、與上位機通信、開關量輸出等模塊。
2.1 嵌入式網絡模塊
　控制器以成都英創的EM9260嵌入式網絡模塊為基礎開發完成。EM9260是一款面向工業自動化領域的高性價比嵌入式網絡模塊，其內核CPU為工業級品質的AT91SAM9260，模塊已預裝正版Window CE5.0實時多任務操作系統，用戶可直接使用Microsoft提供的免費軟件開發工具eVC（+SP4）或其他更高版本的開發工具，在EM9260上開發自己的應用程序。英創公司針對EM9260提供了完整的接口底層驅動以及豐富的應用程序范例，用戶可在此基礎上方便、快速地開發出各種工控產品。
2.2 LCD顯示部分
　EM9260的主要應用領域是那些需要連續工作的工業環境，甚至是無人值守的環境，因此對顯示的要求相對較低。即使使用LCD，通常也是顯示一些設備工況信息，因此可選用一些低成本LCD模塊，如控制器為KS0108、分辨率為128×64的點陣LCD模塊就是典型的低成本LCD。在程序設計上，LCD顯示僅僅是作為ISA總線上擴展的簡單外設，而不是通常意義下的Windows顯示窗口。從CE的觀點來看，EM9260屬于典型的無頭設備（Headless）。對常用的幾款低成本LCD屏，EM9260的LCD驅動程序可實現自動識別，為客戶產品的LCD選型提供了靈活性。
　控制器選用240×128 LCD屏，將信號線與模塊連接即可實現。LCD信號接口電路如圖2所示。

　圖4是通過ISA總線擴展矩陣鍵盤的原理圖，用1片74HCT139對總線地址譯碼，再通過74HCT273實現8位數字輸出用于掃描輸出，通過74HCT245回讀掃描碼，僅需要3個器件，就能實現8×8矩陣鍵盤擴展。
外接矩陣鍵盤原理圖如圖5所示。

　將CAN接口與CAN接口卡按信號線相接，即可實現與上位機的通信。
2.5 開關量輸出部分
　使用嵌入式模塊的GPIO輸出接口，可以實現控制器的報警聲音，以及指示燈的點亮。電路如圖7所示。

3 控制器軟件設計
　主板安裝了操作系統WindowsCE，WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統，是基于掌上電腦類的電子設備操作系統，Windows CE是精簡的Windows 95，它的圖形用戶界面相當出色。Windows CE是有優先級的多任務操作系統，它允許多重功能、進程在相同時間系統中運行Windows CE支持最大的32位同步進程。一個進程包括一個或多個線程，每個線程代表進程的一個獨立部分，一個線程被指定為進程的基本線程，進程也能創造一個未定數目的額外線程，額外線程實際數目僅由可利用的系統資源限定[2]。
　軟件開發工具為eVC，eVC是微軟針對嵌入式系統提供的一套功能完善且可免費獲取的開發工具，與PC平臺通用的VC保持了高度的一致性，同時考慮C/C++的執行效率，因此eVC被作為EM9260應用程序開發的首選工具。建立好英創ARM9嵌入式模塊所需的硬、軟件開發環境，并利用以太網將開發主機和英創ARM9嵌入式模塊連接成功以后，用戶就可以通過eVC開發、調試自己所需的應用程序了。eVC開發環境和普通的VC非常相似，客戶可以通過市面上很常見的大量VC書籍資料來進行編程方面的學習。然而，使用eVC開發和VC的最大區別之一在于VC開發的程序直接運行于普通PC機；eVC開發的應用程序最終要在目標機而非PC機上運行調試。這一過程是廣大VC程序員和剛接觸嵌入式系統的工程師所不熟悉的。
3.1 系統主程序軟件設計
　根據控制器系統設計，軟件開發涉及到LCD菜單顯示、按鍵、CAN通信等操作。控制器主程序流程圖如圖8所示。

3.2 矩陣鍵盤軟件設計
　矩陣鍵盤驅動程序每隔20 ms掃描一次鍵盤，判斷是否有按鍵輸入，如果確認了按鍵輸入，則產生WM_KEYDOWN消息，緊接著判斷按鍵是否釋放，按鍵釋放后產生WM_KEYUP消息，然后進行下一次掃描，如此循環。圖9是按鍵掃描程序的流程圖。

　根據上述流程圖，封裝的KEY_API類，該類提供兩個方法函數，如下：
　//打開鍵盤掃描
　//nRow，nCol矩陣鍵盤行列數，最大為8×8
　BOOL OpenKeyPad（int nRow，int nCol）；
　//關閉鍵盤掃描
　BOOL CloseKeyPad（）；
　通過KEY_API類，在應用程序中，僅需要調用OpenKeyPad（）函數，就能打開鍵盤掃描程序。當鍵盤上某個鍵按下時，驅動程序將產生WM_KEYDOWN和WM_KEYUP消息。這兩個消息的附加參數（wParam和lParam）包含的是虛擬鍵代碼和掃描碼等信息，應用程序中可通過TranslateMessage函數將WM_KEYDOWN和WM_KEYUP消息組合轉換為一條WM_CHAR消息，該消息的wParam附加參數包含了按鍵字符的ASCII碼[3]。
3.3 CAN通信軟件設計
3.3.1 CAN報文的幀格式
　在CAN2.0B中存在兩種不同的幀格式，其主要的區別在于標識符的長度，具有11位標識符的幀稱為標準幀，而包括有29位標識符的幀稱為擴展幀。
3.3.2 啟動CAN通信接口
　CAN通信接口的驅動程序采用的是WinCE下流式驅動程序（StreamDevice Driver），并在此驅動程序的基礎上為客戶封裝了一套簡單實用的API函數。各個函數的定義在can_api.h文件下，在該頭文件中對于各個API函數均有相應的中文說明。作為流式接口函數通常是和文件系統的API函數（如CreateFile）緊密匹配的，因此在使用英創提供的CAN接口的API函數時，首先需要調用CreateFile（…）來獲取CAN接口設備的句柄handle，如使用CAN1通信口，可以用以下函數：
　    m_hCAN=CreateFile（_T（“CAN1：”），
　   GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，
　             0，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL）；
　對于CAN2通信接口，只需將其中的名稱換成：_T（“CAN2：”）即可。在創建CAN設備得到有效的handle之后，就可以調用can_api.h中定義的相應函數來啟動CAN設備接口BOOL CAN_StartChip（HANDLE hDevice）；至此CAN通信接口進入工作模式。
3.3.3 設置CAN通信接口參數
　在進行CAN數據通信之前，需要設置和CAN通信相關的一些參數，包括CAN通信的波特率設置以及對接收過濾器的設置。BOOL CAN_SetBaudRate（HANDLE hDevice，BYTE*index）用于設置CAN通信的波特率，波特率的設置范圍為：10 kb/s~1 Mb/s。具體的定義參見can_api.h文件中的注釋說明。通過配置接收過濾器，CAN通信接口可以實現只接收標識符也接收過濾器預設值相一致的報文。接收過濾器由接收碼寄存器ACRn和接收屏蔽碼寄存器AMRn來定義，還可以選擇兩種不同的過濾器模式，單過濾器模式或者雙過濾器模式。關于ACR、AMR中各位的定義，參見SJA1000的數據手冊。在英創提供的API函數中，用戶可以調用以下函數來實現接收過濾器的設置：
　BOOL CAN_SetGlobalAcceptanceFilter（HANDLE hDevice，BYTE*AcceptanceFilter，BYTE size）
3.3.4 CAN通信接口的數據收發
　采用的CAN通信方案中，CAN通信的數據收發均采用中斷方式，驅動程序中已自動完成了數據的收發以及內部定義的CAN接收緩沖區和發送緩沖區的管理。對于用戶開發應用程序來說，只需要調用英創公司提供的CAN通信API函數中的收發函數即可[4]。
　在進行CAN通信應用程序的開發時，對于CAN通信數據接收線程可以采用兩種方式：一種可以采用定時查詢，即定時調用函數CAN_GetNextReceivedFrame（…）檢測是否接收到CAN報文數據；一種可以利用操作系統的消息機制，采用事件響應的方式，一旦硬件接收到數據報文，底層的驅動接收程序會自動讀取報文，同時發送一個接收事件。作為應用程序的接收線程在等待到該事件后，調用CAN_GetNextReceivedFrame（…）即可進行CAN數據報文的讀取。需要注意的是函數CAN_GetNextReceivedFrame每執行一次，只是讀取了1幀CAN數據報文，如果在應用程序中需要將最新的數據全部讀出，只需反復調用該函數，直到該函數的返回值為FALSE[5]。
　CAN數據報文的發送比較簡單，應用程序直接調用函數CAN_SendFrame（…）即可。
　在粘度控制器的開發中，對嵌入式開發平臺的熟悉過程至關重要。其中包括開發板接口的使用，各個模塊的調試和實現。對硬件接口規劃完成后大量的工作集中在程序的編寫。包括擴展鍵盤的實現中類庫的加載、數字量數據位數的調試、can通信規則的調試、光標的實現過程中多線程方法的學習和使用，且解決了調試過程中發現的由于電磁干擾導致LCD復位黑屏的問題以及LCD背光的實現。
　經后期在已完成的3套粘度控制試驗臺上使用測試，該粘度控制器系統穩定、使用簡單方便，滿足了預期的控制和通信的功能，但是由于采用的是成品的嵌入式平臺，開發板資源配置上還可以優化以節約資源成本。
參考文獻
[1] 姜淑翠.基于單片機的船舶主機燃油黏度控制[D].大連：大連海事大學，2010.
[2] 王洪杰.Windows CE下多線程多路播放的設計[D].天津：天津大學，2006.
[3] 胡在華.實時嵌入式系統的研究與應用[D].長沙：湖南大學，2002.
[4] 蔡建平.關于嵌入式應用開發技術[J].單片機與嵌入式系統應用，2001（3）：5-11，34.
[5] 張琪君.基于面向對象的嵌入式系統軟件開發方法研究及其應用[D].濟南：山東大學，2006.