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基于Winodws CE的嵌入式網絡監控系統的設計與實現
摘要：該系統以Windows CE嵌入式操作系統為核心，利用串口及CAN總線與底層I/O節點進行數據通信，并實現對下層設備的實時監控。主控制臺可以直接聯入Internet網，應用嵌入式系統中的網絡功能，將系統故障信息向維修中心的服務器傳遞，實現遠程診斷。布光系統是廣泛應用于電視演播廳、電影攝影柵、體育場館以及舞廳的一種機械化照明燈具有其控制系統，是為增強舞臺藝術效果的一種燈光控制設備。目前，布光系統存在的問題是：人機界面差，操作復雜；不能實時檢測故障部位及原因，系統故障率大，難以維護；不能實現對被控對象的全部控制，只實現了單一、局部控制；缺乏形象的吊桿、燈具動作顯示。
本文介紹的布光監控系統采用數字化分布嵌入式控制系統實現布光任務。在布光系統中采用其于Windows CE的嵌入式網絡監控系統。該系統實時性好，可靠性高；速度快，大容量的特性可以適應不斷增長的系統數據處理需求；體積小，結構設計方便靈活，設備和軟件成本大幅下降；基于Windows的嵌入式開發技術相對普及，人才成本下降。
1 系統概述
應用于布光系統的嵌入式網絡監控系統為數字雙向串行通訊控制系統。整個系統由控制臺、網絡控制器、提升設備、燈具控制器四部分組成。其中控制臺由專用控制臺、備份控制臺和無線遙控三部分構成；網絡控制器負責網絡數據的傳輸，包括控制臺向下傳輸命令和下位機傳感器信號的返回，同時負責各控制臺之間的切換；提升設備由提升機控制器、提升機和吊桿構成；燈具控制器控制燈具實現不同的動作。
系統總體框圖如圖1所示。
主控臺是系統的主要控制平臺，硬件由PC/104和液晶顯示器組成，同時使用Microsoft的Windows CE操作系統。備份控制臺由普通PC機實現，刪減主控制臺功能，保留部分必要的功能，起到備份數據和輔助控制的作用。遙控器是手掛式輔助控制器，在100m內可以可靠有效地控制系統。無線遙控模塊采用單片無線收發一體芯片nRF401。該芯片具有低發射功率和高接收靈敏度的特點。
網絡控制器負責主控臺、備份臺、遙控器三個控制臺直接控制權力的分配，同時負責由上而下控制命令的傳輸以及傳感器信息由下而上的傳遞。網絡控制器與主控臺和備份臺之間的通信分別采用RS-232串口和CAN總線實現。CAN總線具有抗干擾能力強和可靠性高的特點。
被控節點有兩種：一種是提升機控制器，采用變頻調速控制；另一種是燈具控制器。網絡控制器與被控節點之間通過CAN總線進行通信。系統可控路數需達到1000路。因此，為了擴展CAN網的節點，6個CAN總線中轉器與網絡控制器相連，每個中轉器下接6個CAN子網，共有36個CAN總線子網。
2 Windows CE簡介及其特點
主控制臺的操作系統采用微軟公司的嵌入式Windows CE 3.0。Windows CE是一種緊湊、高效、可伸縮的操作系統。主要面向各種嵌入式系統和產品。它具有多線程、多任務、完全搶點式的特點，是專門為各種有很嚴格資源限制的硬件系統設計的。它的模塊化設計使嵌入式系統和應用應用開發者能夠方便地定制以適應一系列不同的產品。Windows CE操作系統包括以下主要模塊：
（1） 內核模塊，支持進程和線程處理及內存管理等基本服務；
（2） 內核系統接口模塊，允許應用軟件訪問操作系統；
（3） 文件系統模塊，支持持久穩固的信息存儲；
（4） 圖形窗口和事件子系統模塊，控制圖形和Windows相關的圖形用戶界面；
（5） 通信模塊，允許同其他設備進行信息交換。
Windows CE支持多種外設和網絡系統，包括鍵盤、鼠標、觸摸屏、串行口、以太網卡、調制解調器、USB設備、單頻設備、并行口、打印機和存儲設備。Windows CE支持超過1000個常用的Microsoft Win32 API和一些附加的編程接口，可用于開發應用程序。這些接口包括COM、MFC、ATL等。此外，Windows CE支持用于管理時間關鍵任務響應的實時處理；各種串行通信和網絡通信技術，包括支持USB；為Windows CE用戶提供Web服務的移動頻道；用于進程間通信的Automation和其他方法；還支持管理可安裝設備等可選組件。
對于Windows CE而言，原始設備制造商（OEM）能開發硬件適配層OAL（OEM Adaptation Layer），其他開發者可以開發內部驅動程序、可安裝驅動程序及運行在嵌入式設備上的應用程序。獨立軟件提供商ISV(Independent Software Vendor)能獨立于硬件平臺開發應用軟件：
（1） 32位多線程、多任務、完全抑占式的操作系統；
（2） 強大的圖像顯示功能支持，用戶能定制完全自己風格的操作界面；
（3） 支持大部分Win32 API，使得基于其他Windows的應用程序地 方便地移值到Windows CE上；
（4） 體積小，并能夠從ROM直接啟動，無需硬盤，不存在系統崩潰和病毒感染問題。
Windows CE是為便攜式電腦設計的新型平臺。它提供Windows操作系統的堅實子集。同時，微軟公司為Windows CE的開發提供了一套完整且功能強大的系列工具，從硬件調試到軟件開發都為用戶提供了方便。
3 系統組成及結構
3.1 主控臺
主控臺是整個系統的核心，主要由PC/104系統、控制臺面板（鍵盤）和液晶顯示器組成，需要接入互聯網。其結構如圖2所示。
3.2 網絡控制器
網絡控制器硬件如圖3所示。
處理器采用美國德州儀器有限公司（TI）的MSP430
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