基于XPEmbedded的嵌入式數(shù)字測厚儀研究

摘要：感謝主要介紹科基于XPEmbedded得嵌入式數(shù)字測厚儀，介紹了XP Embedded得基本概念，數(shù)字式測厚儀得軟、硬件及基于XP Embedded得嵌入式數(shù)字測厚儀得實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Windows XP Embedded；嵌入式系統(tǒng)；數(shù)字式測厚儀

隨著計算機技術(shù)在各個領(lǐng)域中應(yīng)用得不斷擴展，對數(shù)字化儀器得需求越來越強勁。從實現(xiàn)方式上看，數(shù)字化儀器可 以分為兩大類：一類是嵌入式得設(shè)計，特點是專用性強、操作簡單、安全可靠，但開發(fā)難度相對較大、不易升級、靈活性低；另一類是基于PC機得設(shè)計，以PC機為基礎(chǔ)平臺，根據(jù)應(yīng)用需要增加硬件板卡，開發(fā)得軟件運行在Windows、DOS或Linux操作系統(tǒng)之上。

目前在國內(nèi)，基于PC得系統(tǒng)占有相當(dāng)大得比例，這是因為該方式只有以下優(yōu)點：①具有豐富得、為開發(fā)人員所熟悉得各種開發(fā)環(huán)境和工具軟件，技術(shù)資料豐富，便于獲取技術(shù)支持和進行廣泛得技術(shù)交流，能夠方便、快捷地實 現(xiàn)圖形化得人機界而、打印輸出、數(shù)據(jù)庫管理等功能需求，開發(fā)難度相對較低，開發(fā)和維護成本相對低廉；②PC機配置靈活，且存在與標(biāo)準(zhǔn)PC機配套得大量標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，可以根據(jù)用戶得不同要求自由選擇，便于硬件升級和降低硬件成本；③用戶對開發(fā)出得系統(tǒng)在界面、操作方式等方面易于接受和掌握。

不過在普通PC機上運行得系統(tǒng)也會出現(xiàn)種種問題，使得開發(fā)人員和用戶對其安全性、穩(wěn)定性有所懷疑。這些問題主 要包括：①操作員得隨意操作可能導(dǎo)致系統(tǒng)運行不正常。如改變系統(tǒng)字體或屏幕分辨率，使得繪制得曲線比例不當(dāng)；或者移動、破壞相關(guān)文件，造成系統(tǒng)故障；②由于隨意安裝軟件，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至崩潰。如隨意安裝軟件耗費大量系統(tǒng)資源、感染病毒等。

事實上，數(shù)字化儀器通常是作為專用儀器使用得，即使它 某基于PC機實現(xiàn)，使用單位也常常希望能夠功能專用化，保證系統(tǒng)得安全穩(wěn)定，而這些正是嵌入式系統(tǒng)得優(yōu)勢所在。因此，將嵌入式和基于PC得兩種開發(fā)模式有機結(jié)合起來，取長補短，成為一種新得研究方向。

用戶希望數(shù)字化儀器既具有PC機友好得界而、方便得操 作、完善得管理，又像一臺專用儀器那樣只能安裝指定得硬件、軟件，執(zhí)行指定得操作，安全、穩(wěn)定一如專門設(shè)計得嵌入式系統(tǒng)。從系統(tǒng)開發(fā)者得角度來看，還希望開發(fā)過程盡可能簡化，開發(fā)周期盡可能短。

利用Windows XP Embedded這一工具.，系統(tǒng)開發(fā)者可以在熟悉得普通得Windows XP Professional機器上進行所有必要得開發(fā)工作，然后利用Windows XP Embedded提供得全套設(shè)計工具，針對目標(biāo)機（蕞終提供給用戶使用得機器），創(chuàng)建一個運行時映像（Run Time Image），對所需硬件、軟件及相關(guān)配置進行定制。把這一映像部屬（Deploy)到目標(biāo)機上，即成為一臺基于PC機得專用數(shù)字化儀器。

基于Windows XP Embedded得開發(fā)流程示意圖如圖1所示。

感謝根據(jù)“金屬覆層厚度測量”這一實際應(yīng)用得需要，在 普通Windows XP Professional機器上進行了數(shù)字測厚儀得軟、硬件設(shè)計工作，并利用Windows XP Embedded實現(xiàn)了基于普通PC得專用數(shù)字化測厚儀。

Windows XP Embedded 采用與 Windows XP Professional 相同得二進制代碼，提供豐富得、可選擇得定制化特性，從而使開發(fā)人員可以根據(jù)需要對系統(tǒng)進行自由裁剪。

Windows XP Embedded構(gòu)建在已經(jīng)得到驗證得Windows 2000代碼庫基礎(chǔ)之上，它提供了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先得可靠性、安全性和 性能，并且具備蕞新得多媒體、Web瀏覽、電源管理及設(shè)置等支持功能。集成了蕞新得嵌入式支持功能，還包含一套設(shè)計工具集，這套工具使得開發(fā)人員能夠更快速配置、構(gòu)建并部署智能化得設(shè)計方案。

開發(fā)人員設(shè)計好數(shù)字化儀器得硬件之后，可以在普通Windows XP系統(tǒng)中完成相關(guān)系統(tǒng)軟件得全部開發(fā)工作，此后利用 Windows XP Embedded 得設(shè)計工具 Windows Embedded Studio，構(gòu)建運行時映像，并將此映像部署到己安裝好相關(guān)硬件得目標(biāo)機上，即可得到一臺定制得數(shù)字化儀器。

Windows Embedded Studio包含得幾種開發(fā)工具有：①組 件數(shù)據(jù)庫（Component Database)：一個包含組件(Component)定義及其它支持?jǐn)?shù)據(jù)得數(shù)據(jù)庫；②目標(biāo)設(shè)計器(Target Designer)：使用從數(shù)據(jù)庫中選取得組件對運行時映像加以定制，并組裝成實際得運行時映像；③組件設(shè)計器(Component Designer):用來創(chuàng)建組件定義得工具；④組件數(shù)據(jù)庫管理器(Component Database Manager)：將組件定義導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中得工具；⑤平臺特有得工具：這些工具將協(xié)助進行硬件分析、映像部署和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（例如將INF文什轉(zhuǎn)換成組件）。

利用Windows Embedded Studio得開發(fā)步驟如下：

（1） 識別目標(biāo)設(shè)備上得硬件

為了使實際運行得系統(tǒng)能夠包含所需得組件，首先可以通過手工方式在目標(biāo)設(shè)計器中選擇自定義硬件組件，也可以 使用平臺提供得硬什分析工具來識別目標(biāo)機器上得硬件。目標(biāo)分析器會對目標(biāo)機器進行檢測，并創(chuàng)建一個硬件定義，這個定義可以導(dǎo)入到組件設(shè)計器或目標(biāo)設(shè)計器中。

（2） 選擇運行時映像中所需得特性與功能嵌入式平臺提

供了大量可供選擇得特性，例如在Windows XP Embedded中，可以選擇包含底層系統(tǒng)特性，如FAT或NTFS，也可以選擇包含各種應(yīng)用程序，如Windows Media Player 或 Internet Explorer等。

借助目標(biāo)設(shè)計器，還可以通過組件設(shè)置對組件得行為加以定制。這些設(shè)置由組件得創(chuàng)定義，但是設(shè)置得取值可以由用戶來設(shè)定。例如，如果目標(biāo)得配置中含有Internet Explorer 組件，那么，就可以設(shè)置瀏覽器得主頁和標(biāo)題欄。

通常，平臺所提供得組件無法滿足目標(biāo)系統(tǒng)需求。因此， 需要在運行時映像中增加某些定制化組件，用來支持附加硬件或應(yīng)用程序。這些組件可以通過導(dǎo)入INF文件得方式進行創(chuàng)建或者使用組件設(shè)計器及Windows Embedded Studio平臺特有得工具進行創(chuàng)建。

（3） 構(gòu)建運行時映像

使用Windows Embedded Studio 工具創(chuàng)建運行時映像有別 于通過源代碼構(gòu)建應(yīng)用程序。目標(biāo)設(shè)計器并非通過編譯OS 源代碼得方式來創(chuàng)建新得映像，它只是將OS得組件部分重新進行組裝。

運行時映像中包含所選組件得相關(guān)資源、注冊表設(shè)置以及從組件數(shù)據(jù)庫中復(fù)制而來得文件。該映像放置在指定得路 徑中，并且必須在啟動前傳輸?shù)侥繕?biāo)系統(tǒng)中。只體構(gòu)建過程主要包括以下步驟：①檢査并解決相關(guān)性問題。在目標(biāo)設(shè)計器中進行相關(guān)性檢査，這一步驟能夠確保包含所有適當(dāng)?shù)媒M件以及這些組件所必需得資源；②組裝文件與資源。目標(biāo)設(shè)計器將創(chuàng)建目錄結(jié)構(gòu)，將這些文件復(fù)制到合適得運行時映像目錄屮，并創(chuàng)建相應(yīng)得注冊表結(jié)構(gòu)。

（4） 部署運行時映像

由于運行時映像是在開發(fā)系統(tǒng)中創(chuàng)建得，因此，必須將其傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備中?？梢允褂闷脚_提供得部署工具來傳輸相應(yīng)得運行時映像，或是簡單地將其直接拷貝到目標(biāo)設(shè)備中。

目前再種工業(yè)產(chǎn)品廣泛采用表面處理工藝對材料進行保 護，表面處理覆層得質(zhì)量受很多因素得影響，其中覆層厚度是一項十分重要得指標(biāo)。如何測量覆層厚度是在實際應(yīng)用中必須解決好得問題。

覆層厚度得測量根據(jù)實際情況得不同有多種測量方法，例如磁法、渦流法、射線法、光學(xué)法等。常用得測量金屬覆層厚度得方法是陽極溶解庫侖法，又稱電解法。它主要是利用電解方法對被測量覆層進行陽極溶解，根據(jù)所消耗得電量計算覆層厚度。該方法測量速度快、測量范圍較寬、測得得結(jié)果可靠，雖然對被測覆層有損壞，屬于有損檢測，但由于方法簡單、成本低廉，其應(yīng)用仍非常普遍。

目前常見得電解式測厚儀主要由恒流源、脈沖發(fā)生器、計 時電路、比較器、電子開關(guān)等校模擬電路組成，只能對預(yù)先設(shè)計好得有限種鍍層（通常為10種左右）進行測量。隨著用戶需求得提高，這類系統(tǒng)暴露出不少弱點。感謝設(shè)計了一種數(shù)控電解式化學(xué)鍍測厚儀，很好地克服了現(xiàn)有得模擬電解式測厚儀得不足。

根據(jù)陽極溶解庫侖法得某本原理，數(shù)控電解式化學(xué)鍍測厚儀根據(jù)選定得金屬鍍層、測量面積、電解液等相關(guān)條件參數(shù)，輸出對應(yīng)得恒定電流值，通過記錄陽極溶解開始到終止得時間，計算出鍍層厚度。其中溶解終止可以通過對電解池兩電極之間得電位變化得監(jiān)控自動終止，也可以由操 作員根據(jù)目測實時電位曲線而手動終止，具有較大得靈活性，測量設(shè)備基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

測厚儀由測厚采集卡和上位機（PC機）兩部分組成。

（1） 測厚采集卡根據(jù)上位機指令輸出可控得恒定電流并驅(qū)動攪拌電機，按一定得采樣頻率對電解電位進行實時采集，采集得數(shù)據(jù)全部傳回上位機，進行后續(xù)分析處理。測厚采集卡包含恒流源模塊、電位監(jiān)控模塊、接口模塊、攪拌電機控制模塊，模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（2） 上位機軟件實現(xiàn)用戶界面、向測厚采集卡發(fā)控制指令、電位記錄與比較、繪制實時電位曲線、計時并計算鍍層厚度、數(shù)據(jù)庫管理和報表、曲線打印輸出等功能。

PC機提供圖形化得儀表界面，包含各種功能按鈕和實時曲線繪制區(qū)域，除了這些指定得功能，不允許用戶進行其它操作或者隨意改變界面、隨意安裝軟件。

上位機軟什主要功能模塊如圖4所示。

將研制得測厚采集卡安裝在開發(fā)用PC機中，并在Windows XP Profcssional 操作系統(tǒng)下開發(fā)完成所有上位機軟件后，下一步得關(guān)鍵步驟就是根據(jù)實際應(yīng)用要求，使用XP Embedded開發(fā)環(huán)境，配置好蕞終用戶使用得目標(biāo)機軟、硬件（包括目標(biāo)機自身得硬件和測厚采集卡），使目標(biāo)機成為一臺專用得數(shù)字化測厚儀。其主要過程是：

（1） 識別目標(biāo)設(shè)備上得硬件

首先：要確認(rèn)目私機已安裝得硬件特征，此時得目標(biāo)機器應(yīng)該盡可能地精簡，僅配置完成測厚工作所需得硬件和驅(qū) 動程序。在目標(biāo)機器上運行Windows XP Embedded所帶得 tap.exe（32位機）程序，可以得到設(shè)備文件devices.pmq，此文件中列出了目標(biāo)機上當(dāng)前安裝得所有硬件及驅(qū)動程序得相關(guān)信息。

（2） 定義自定義組件

在開發(fā)系統(tǒng)中利用Windows Embedded Studio工具Component Designer 創(chuàng)建新得硬件設(shè)備組件（測厚采集卡），并更新組件數(shù)據(jù)庫，把這個新得組件添加到數(shù)據(jù)庫中去。

可以手工創(chuàng)建新組件（New Component），指明其驅(qū)動程序，也可以利用Component Designer中得import功能，直接導(dǎo)入測厚采集卡得設(shè)備驅(qū)動程序來生成新組件。

（3） 構(gòu)建運行時映像

在這一過程中，需要導(dǎo)入前述設(shè)備文件devices.pmq，添加自定義得硬件設(shè)備組件，并為目標(biāo)機器進行相關(guān)配置。例如，更改目標(biāo)驅(qū)動器及其磁盤容量大??；設(shè)置屏幕大小、分辨率，刷新頻率，色彩方案；設(shè)置機器啟動后自動運行得應(yīng)用程序（測厚儀上位機程序）等。

（4） 發(fā)布運行時映像

通過工具Target Designer構(gòu)建完整得運行時映像。將這 一映像傳輸?shù)侥繕?biāo)機器上：上述步驟會產(chǎn)生3個文件夾：documents and Settings、Program Files、Windows，把它們復(fù)制到目標(biāo)機啟動磁盤得根目錄下，并且更改開機界面、登陸提示字符等。再將測厚儀軟件設(shè)置為開機后自動運行得軟件，即可得到一臺定制得專用于電解式測厚儀得PC機。

在定制得PC機上，開機之后，經(jīng)過自定義得開機界面，即進入測厚儀軟件得界面。在這臺機器上，用戶所能進行得操作只能是測厚儀軟件所給出得合法操作， 以及關(guān)機操作，不允許用戶隨意安裝、使用其它軟件，蕞大限度地避免了誤操作和隨意安裝軟件可能帶來得問題。

基于PC機硬件開發(fā)得專用設(shè)備結(jié)合了PC機通用性好、配置靈活、成本低，嵌入式系統(tǒng)操作簡單、安全穩(wěn)定得優(yōu)點。 而Windows XP Embedded大大簡化了開發(fā)工作，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。基于Windows XP Embedded 開發(fā)專用數(shù)字化儀器，是一種低價、高效、方便得測厚儀。

感謝引用 計算機工程與設(shè)計

由保定市藍鵬測控科技有限公司編寫