基于Windows系统的工业级触摸式人机界面组态软件的设计与开发

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 1.41MB 68 页 15积分
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第一章 概述
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第一章 概述
触摸屏技术（Touch Screen Technology）是随着计算机技术的发展，为了满
足非专业计算机用户操作计算机的需要而逐渐发展与成熟起来的。由于触摸屏技
术的应用，并且系统提供了良好友善的交互界面，消除了用户操作计算机时面对
诸如键盘等交互设备时的畏惧、困惑心理。他们只需要利用手指或光笔等触摸屏
幕上相应的内容即可控制计算机的运行，操作非常简单，提高了用户的兴趣，并
且因为感受到了计算机对信息处理的强大功能，从而激发起用户对学习、掌握计
算机技术的积极性。触摸屏技术对于计算机技术的普及和利用可以发挥非常重要
的作用。[1]
§1.1 工业级触摸式人机界面的介绍
工业级触摸式人机界面，又称工业级触摸屏，如图 1-1 所示。总起来说，工
业级触摸屏系统可分为两大部分，即系统组态软件部分和人机界面部分。
图 1-1 工业级触摸式人机界面
系统组态软件部分是设计触摸屏工作画面的工作平台。用户将这个软件安装
在上位计算机中。对于工业级触摸屏来说，该组态软件包含三部分内容：一个拥
有丰富元件库的触摸屏画面设计环境；触摸屏画面离线模拟模块；和与多种主流
PLC 通信完成触摸屏显示控制功能的在线模拟模块。
用户设计好工作界面，通过通信电缆将工作界面下载到人机界面部分。它将
按照用户的要求将工作界面显示在触摸式屏幕上。如果人机界面部分与工业控制
器（如可编程控制器、单片机等）已经正确连接了通信电缆，在触摸屏上可以显
示控制器的相关工作参数，用手指操作工作界面上的控制元件，工业控制器也会
产生相应的控制动作，从而达到用户的控制要求。
基于 Windows 系统的工业级触摸式人机界面的组态软件的设计与开发
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§1.2 课题产生的背景及意义
从二十世纪六十年代到八十年代，主要是专业的计算机人员跟计算机打交道，
对大部分人来说，计算机还是一个新生事物。但从二十世纪九十年代开始，人们
对计算机已经不再陌生。随着计算机性能的多样化、体积的小型化、产量的巨大
化、价格的平民化，越来越多的人开始学习和使用计算机，很快它成了人们工作
的一种常用工具。到二十一世纪的今天，大家已经离不开计算机，在某些场合它
甚至已经代替了传统的劳动工具。随着计算机技术的飞速发展，计算机已经在社
会的各行各业中得到了普遍应用。伴随着计算机普及率的提高，人们对计算机的
要求也越来越多样化，不再一味的追求快速，而是向人性化方向发展，这包括操
作简便、可靠性高、可适应各种工作环境等等。
触摸屏技术的悄然兴起，为计算机技术向人性化方向发展提供了有利条件。
它简单易学，尤其适合非专业人员；可靠性高，可以适应各种不同的工作环境。
由于它的这些优点，触摸屏技术很快被人们接受，已经广泛应用在各个领域。在
工业控制行业中，触摸屏的特点更是得到了充分的发挥。一方面，由于操作工人
的文化水平比较低，他们对计算机的了解非常有限，让他们用一台工业 PC 来控制
机器的运转也许不是一件非常容易的事情；另一方面，由于工厂的工作环境非常
恶劣，有噪声、有灰尘、有油污、有振动，不是所有的计算机都可以适应这样的
环境。工业级触摸屏就像是专门针对工业控制行业的这些特点度身定做的。它的
友好的个性化的触摸式人机界面消除了操作工人对计算机的惧怕心理，它的高可
靠性绝对可以承受工厂恶劣环境的考验。
现在市场上工业级触摸屏产品非常多，我们在为用户设计的项目中大量使用
了工业级触摸屏产品，它们功能强大，但是由于大部分是进口产品或台湾生产，
所以价格比较高。以 HITECH 公司的 5.7 寸单色触摸屏为例，大概要 4000 元。对
于一些成本较低的工控设备，这样的价格并不合适，而且许多小型的工控项目对
触摸屏的功能要求比较单一，现在比较流行的触摸屏产品对它们来说是资源的浪
费。成本较低、直接针对用户功能的、自身带有 I/O 可以实现 PLC 功能的触摸屏
在工控领域还比较少见。为了适应市场的需要，满足广大中小型用户的需求，研
制低成本面向用户的工业级触摸屏产品迫在眉睫。我们上海理工大学数控数显实
验室从 2001 年 11 月开始进行这方面的研究开发工作，以期为工业级触摸式人机
界面的发展注入新的力量。
第一章 概述
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§1.3 课题研究的主要内容
在参考了 HITECH 和 EasyView 等比较成熟的产品的基础上，我们以基本理论
为指导，以实际应用作为主要目的，设计开发了我们的工业级触摸式人机界面，
为国内该领域的企业提供一些有价值的参考。
一个完整的触摸式人机界面的开发研制过程，工作量比较大，全部工作由数
控数显实验室的老师和同学一起合作完成。为了提高开发效率，加快开发进度，
将任务分为两大部分：系统组态软件部分的设计开发和人机界面部分的设计开发。
本小组主要完成系统组态软件部分的设计开发工作。
在组态软件的设计开发过程中，主要研究以下几方面的内容：
1. 熟悉工业级触摸式人机界面系统的总体设计方案
工业级触摸屏系统的研制开发工作虽然分为两大部分，但是分工不分家，这
需要开发人员的精诚合作。设计系统组态软件最终是为人机界面部分服务的，所
以在开发系统组态软件之前，应该对工业级触摸式人机界面系统的总体设计方案
有一个非常清楚的概念。在对系统功能、液晶显示控制原理、硬件电路、软件流
程等方面了解的基础上，再设计开发组态软件，才能达到有的放矢，方面使用的
目的。
2. 基于 Windows 系统的组态软件的开发方法
了解软件工程的基本思想，熟悉软件工程过程，比较各种软件生存期模型，
最终确定工业级触摸屏组态软件开发模型，建立系统结构化的开发方法，形成正
确可行的开发思路，为工业级触摸屏组态软件的设计开发作好准备工作。
3. 基于 Windows 系统的组态软件的设计
这部分是该课题的重点。将从工业级触摸屏组态软件可行性与需求性分析入
手，分别介绍该软件的体系结构，各个模块的功能，模块方案的讨论和确定，数
据结构和算法，以及每个模块的程序实现方法。通过这一部分的设计，使工业级
触摸屏组态软件基本可以达到预期的功能要求。
4. 组态软件的测试与维护
在开发软件的过程中，使用了许多保证软件质量的方法分析、设计和实现软
件，但难免会在工作中犯错误。这样，在软件产品中就会隐藏许多错误和缺陷。
测试的目的就是在软件投入运行之前，尽可能多地发现错误并排除错误。
软件维护是软件系统交付使用以后，为了改正错误或满足新的需要而修改软
件的过程。解决开发阶段尚未解决的问题，同时，还要解决维护工作本身所产生
的问题。作好软件的维护工作不仅能够排除软件中存在的错误，使它能够正常工
作，而且还可以使它扩充功能，提高性能，为用户带来新的效益。
基于 Windows 系统的工业级触摸式人机界面的组态软件的设计与开发
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5. 该系统在实际科研项目中的应用
工业级触摸式人机界面系统的可靠性和稳定性的测试，是通过在实际工程中
的应用来实现的。由数控数显实验室研制开发的这款工业级触摸屏已经在许多科
研项目和实际生产中应用，并且受到了用户的一致好评。本文主要以中国科技大
学国家同步辐射实验室的波荡器控制系统为例，介绍触摸屏液晶显示控制系统在
在线模拟模式下控制实验仪器工作的过程，对系统组态软件的各个方面进行现场
测试和进一步的改进。
第二章 工业级触摸屏人机界面总体方案介绍
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第二章 工业级触摸式人机界面总体方案介绍
一个工业级触摸式人机界面的开发工作包括很多内容，从开发系统组态软件
到为硬件部分编写操作系统，从使用组态软件设计工作画面到画面下载到人机界
面部分，从画面程序的解码到通过人机界面与现场控制器的通讯使画面按要求显
示出来并控制现场控制器的工作等等。完成这些工作必须了解系统的总体结构和
要实现的功能，本章从工业级触摸式人机界面的应用情况和与传统控制面板的比
较入手，介绍系统的功能、基本架构和工作流程以及主要显示控制元件。
§2.1 工业级触摸式人机界面的特点及功能
§2.1.1 工业级触摸式人机界面的特点
工业级触摸式人机界面是专门为 PLC 的应用而设计的一种小型工作站，是一
种智能型工业显示器，设计者可以根据需要编辑出各种画面，以文字、数字、图
形来实时显示 PLC 内部状态和数据以及现场设备运行状态，画面上显示操作指示、
参数设定、动作流程、统计资料、报警信息、报表等信息。触摸式人机界面具有
简单易用、使用灵活、可靠性高等优点。由于它所具有的功能能够满足工业控制
的要求，所以工业级触摸式人机界面正逐渐广泛应用于石油、化工、钢铁、污水
处理、包装机械、医疗器械等工业系统的各行各业中。
工业级触摸式人机界面，具有传统操作面板不可比的优越性。（见表 2-1）
表 2-1 工业级触摸式人机界面与传统操作面板的比较
工业级触摸式人机界面
传统控制面板
1
配线简单
配线复杂
2
机种变更容易
面板固定无法变更
3
易懂易学，操作正确性高
易操作，但操作失误率高
4
可用做故障报警显示以及注解
只 有 ALARM 报 警 灯 或 ALARM
CODE，故障排除需要经验
5
可以用做中文或者图形资料的
显示
文字以及图形需要固定在面板
上，不宜修改
6
可以实现动画效果
无此功能
基于 Windows 系统的工业级触摸式人机界面的组态软件的设计与开发
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工业级触摸式人机界面
传统控制面板
7
可以通过密码设定操作人员等
级
无此功能，保护必须通过编写
PLC 程序才能实现
8
报警信息可以打印
无此功能
9
可以实现历史数据跟踪
无此功能
10
数值设定，显示字数无限制
由 LED 显示或指拨开关设定，成
本高
11
设定数值范围可定上下限，安
全性能高
只能通过 PLC 编程来实现
12
数值小数点可任意设定
无此功能
13
不占用 PLC 的 I/O 接点，但需
要 RS232 或者 RS485 通讯模块
占用 PLC 的 I/O 接点，不需要通
讯模块
14
需要设计工具——个人电脑
不需要设计工具，但需要配线
15
电脑化，附加价值高
附加价值低
16
安装简便，提高生产顺畅性
生产效率无法掌握
§2.1.2 工业级触摸式人机界面系统要实现的功能
设计一个系统，首先要熟悉它要实现的功能，有的放矢的进行设计开发才能
达到事半功倍的理想效果。从工业级触摸屏使用者的角度出发，看看它应该实现
哪些功能：
1. 使用计算机中安装的系统组态软件设计工作画面；
2. 在计算机中模拟运行设计好的工作画面，测试按钮功能，对不合适的地方进行
修改；
3. 将设计好的工作画面通过计算机串口下载到人机界面的存储器中；
4. 将人机界面与单片机或可编程控制器等连接；
5. 在工业级触摸式人机界面上实现单片机、可编程控制器的现场控制。
第二章 工业级触摸屏人机界面总体方案介绍
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§2.2 系统的总体架构
图 2-1 工业级触摸屏系统结构示意
根据系统要实现的功能，我们提出了工业级触摸屏系统硬件结构方案，如图
2-1 所示。该系统硬件主要由两个部分组成：触摸式液晶显示屏幕、显示控制系统
硬件电路（包括与设计和下载画面的上位计算机、用作现场控制的单片机和可编
程控制器进行通信的外部接口）。
这个系统的工作流程如图 2-2 所示：
图 2-2 系统工作流程示意
摘要：

第一章概述-1-第一章概述触摸屏技术（TouchScreenTechnology）是随着计算机技术的发展，为了满足非专业计算机用户操作计算机的需要而逐渐发展与成熟起来的。由于触摸屏技术的应用，并且系统提供了良好友善的交互界面，消除了用户操作计算机时面对诸如键盘等交互设备时的畏惧、困惑心理。他们只需要利用手指或光笔等触摸屏幕上相应的内容即可控制计算机的运行，操作非常简单，提高了用户的兴趣，并且因为感受到了计算机对信息处理的强大功能，从而激发起用户对学习、掌握计算机技术的积极性。触摸屏技术对于计算机技术的普及和利用可以发挥非常重要的作用。[1]§1.1工业级触摸式人机界面的介绍工业级触摸式人机界面...

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