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布光系统中采用基于Windows CE的嵌入式网络监控系统解析
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2017-10-30
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布光系统是广泛应用于电视演播厅、电影摄影棚、体育场馆以及舞厅的一种机械化照明灯具及其控制系统，是为增强舞台艺术效果的一种灯光控制设备。目前，布光系统存在的问题是：人机界面差，操作复杂;不能实时检测故障部位及原因，系统故障率大，难以维护;不能实现对被控对象的全部控制，只实现了单一、局部控制;缺乏形象的吊杆、灯具动作显示。
本文介绍的布光监控系统采用数字化分布嵌入式控制系统实现布光任务。在布光系统中采用基于Windows CE的嵌入式网络监控系统。该系统实时性好，可靠性高;速度快，大容量的特性可以适应不断增长的系统数据处理需求;体积小，结构设计方便灵活，设备和软件成本大幅下降;基于Windows的嵌入式开发技术相对普及，人才成本下降。
1 系统概述
应用于布光系统的嵌入式网络监控系统为数字双向串行通讯控制系统。整个系统由控制台、网络控制器、提升设备、灯具控制器四部分组成。其中控制台由专用控制台、备份控制台和无线遥控三部分构成;网络控制器负责网络数据的传输，包括控制台向下传输命令和下位机传感器信号的返回，同时负责各控制台之间的切换;提升设备由提升机控制器、提升机和吊杆构成;灯具控制器控制灯具实现不同的动作。
系统总体框图如图1所示。
主控台是系统的主要控制平台，硬件由PC/104和液晶显示器组成，同时使用Microsoft的Windows CE操作系统。备份控制台由普通PC机实现，删减主控制台功能，保留部分必要的功能，起到备份数据和辅助控制的作用。遥控器是手持式辅助控制器，在100m内可以可靠有效地控制系统。无线遥控模块采用单片无线收发一体芯片nRF401。该芯片具有低发射功率和高接收灵敏度的特点。
网络控制器负责主控台、备份台、遥控器三个控制台直接控制权力的分配，同时负责由上而下控制命令的传输以及传感器信息由下而上的传递。网络控制器与主控台和备份台之间的通信分别采用RS-232串口和CAN总线实现。CAN总线具有抗干扰能力强和可靠性高的特点。
被控节点有两种：一种是提升机控制器，采用变频调速控制;另一种是灯具控制器。网络控制器与被控节点之间通过CAN总线进行通信。系统可控路数需达到1000路。因此，为了扩展CAN网的节点数，6个CAN总线中转器与网络控制器相连，每个中转器下接6个CAN子网，共有36个CAN总线子网。
2 Windows CE简介及其特点
主控制台的操作系统采用微软公司的嵌入式Windows CE 3.0。Windows CE是一种紧凑、高效、可伸缩的操作系统。主要面向各种嵌入式系统和产品。它具有多线程、多任务、完全抢占式的特点，是专门为各种有很严格资源限制的硬件系统设计的。它的模块化设计使嵌入式系统和应用程序开发者能够方便地定制以适应一系列不同的产品。Windows CE操作系统包括以下主要模块：
（1）内核模块，支持进程和线程处理及内存管理等基本服务;
（2）内核系统接口模块，允许应用软件访问操作系统;
（3）文件系统模块，支持持久稳固的信息存储;
（4）图形窗口和事件子系统模块，控制图形和Windows相关的图形用户界面;
（5）通信模块，允许同其他设备进行信息交换。
Windows CE支持多种外设和网络系统，包括键盘、鼠标、触摸屏、串行口、以太网卡、调制解调器、USB设备、音频设备、并行口、打印机和存储设备。Windows CE支持超过1000个常用的Microsoft Win32 API和一些附加的编程接口，可用于开发应用程序。这些接口包括COM、MFC、ATL等。此外，Windows CE支持用于管理时间关键任务响应的实时处理;各种串行通信和网络通信技术，包括支持USB;为Windows CE用户提供Web服务的移动频道;用于进程间通信的Automation和其他方法;还支持管理可安装设备等可选组件。
对于Windows CE而言，原始设备制造商（OEM）能开发硬件适配层OAL（OEM Adaptation Layer），其他开发者可以开发内部驱动程序、可安装驱动程序及运行在嵌入式设备上的应用程序。独立软件提供商ISV（Independent Software Vendor）能独立于硬件平台开发应用软件。与其他操作系统比较，Windows CE具有下列优越性：
（1）32位多线程、多任务、完全抢占式的操作系统;
（2）强大的图形显示功能支持，用户能定制完全自己风格的操作界面;
（3）支持大部分Win32 API，使得基于其他Windows的应用程序能方便地移植到Windows CE上;
（4）体积小，并能够从ROM直接启动，无需硬盘，不存在系统崩溃和病毒感染问题。
Windows CE是为便携式电脑设计的新型平台。它提供Windows操作系统的坚实子集。同时，微软公司为Windows CE的开发提供了一套完整且功能强大的系列工具，从硬件调试到软件开发都为用户提供了方便。
本文介绍的布光监控系统采用数字化分布嵌入式控制系统实现布光任务。在布光系统中采用基于Windows CE的嵌入式网络监控系统。该系统实时性好，可靠性高;速度快，大容量的特性可以适应不断增长的系统数据处理需求;体积小，结构设计方便灵活，设备和软件成本大幅下降;基于Windows的嵌入式开发技术相对普及，人才成本下降。
1 系统概述
应用于布光系统的嵌入式网络监控系统为数字双向串行通讯控制系统。整个系统由控制台、网络控制器、提升设备、灯具控制器四部分组成。其中控制台由专用控制台、备份控制台和无线遥控三部分构成;网络控制器负责网络数据的传输，包括控制台向下传输命令和下位机传感器信号的返回，同时负责各控制台之间的切换;提升设备由提升机控制器、提升机和吊杆构成;灯具控制器控制灯具实现不同的动作。
系统总体框图如图1所示。
主控台是系统的主要控制平台，硬件由PC/104和液晶显示器组成，同时使用Microsoft的Windows CE操作系统。备份控制台由普通PC机实现，删减主控制台功能，保留部分必要的功能，起到备份数据和辅助控制的作用。遥控器是手持式辅助控制器，在100m内可以可靠有效地控制系统。无线遥控模块采用单片无线收发一体芯片nRF401。该芯片具有低发射功率和高接收灵敏度的特点。
网络控制器负责主控台、备份台、遥控器三个控制台直接控制权力的分配，同时负责由上而下控制命令的传输以及传感器信息由下而上的传递。网络控制器与主控台和备份台之间的通信分别采用RS-232串口和CAN总线实现。CAN总线具有抗干扰能力强和可靠性高的特点。
被控节点有两种：一种是提升机控制器，采用变频调速控制;另一种是灯具控制器。网络控制器与被控节点之间通过CAN总线进行通信。系统可控路数需达到1000路。因此，为了扩展CAN网的节点数，6个CAN总线中转器与网络控制器相连，每个中转器下接6个CAN子网，共有36个CAN总线子网。
2 Windows CE简介及其特点
主控制台的操作系统采用微软公司的嵌入式Windows CE 3.0。Windows CE是一种紧凑、高效、可伸缩的操作系统。主要面向各种嵌入式系统和产品。它具有多线程、多任务、完全抢占式的特点，是专门为各种有很严格资源限制的硬件系统设计的。它的模块化设计使嵌入式系统和应用程序开发者能够方便地定制以适应一系列不同的产品。Windows CE操作系统包括以下主要模块：
（1）内核模块，支持进程和线程处理及内存管理等基本服务;
（2）内核系统接口模块，允许应用软件访问操作系统;
（3）文件系统模块，支持持久稳固的信息存储;
（4）图形窗口和事件子系统模块，控制图形和Windows相关的图形用户界面;
（5）通信模块，允许同其他设备进行信息交换。
Windows CE支持多种外设和网络系统，包括键盘、鼠标、触摸屏、串行口、以太网卡、调制解调器、USB设备、音频设备、并行口、打印机和存储设备。Windows CE支持超过1000个常用的Microsoft Win32 API和一些附加的编程接口，可用于开发应用程序。这些接口包括COM、MFC、ATL等。此外，Windows CE支持用于管理时间关键任务响应的实时处理;各种串行通信和网络通信技术，包括支持USB;为Windows CE用户提供Web服务的移动频道;用于进程间通信的Automation和其他方法;还支持管理可安装设备等可选组件。
对于Windows CE而言，原始设备制造商（OEM）能开发硬件适配层OAL（OEM Adaptation Layer），其他开发者可以开发内部驱动程序、可安装驱动程序及运行在嵌入式设备上的应用程序。独立软件提供商ISV（Independent Software Vendor）能独立于硬件平台开发应用软件。与其他操作系统比较，Windows CE具有下列优越性：
（1）32位多线程、多任务、完全抢占式的操作系统;
（2）强大的图形显示功能支持，用户能定制完全自己风格的操作界面;
（3）支持大部分Win32 API，使得基于其他Windows的应用程序能方便地移植到Windows CE上;
（4）体积小，并能够从ROM直接启动，无需硬盘，不存在系统崩溃和病毒感染问题。
Windows CE是为便携式电脑设计的新型平台。它提供Windows操作系统的坚实子集。同时，微软公司为Windows CE的开发提供了一套完整且功能强大的系列工具，从硬件调试到软件开发都为用户提供了方便。
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