熊山山+班釗

【摘 要】 彎板式計重儀是一種基于彎板傳感器的動態(tài)計重儀器系統(tǒng)，具有精度高、穩(wěn)定性好、堅固耐用、易于維護(hù)等特點(diǎn)，大量用于高速軸載檢測和收費(fèi)站低速計重。本文簡單描述彎板式計重儀計重原理與系統(tǒng)硬件組成后，探討了為何選擇WinCE 5.0系統(tǒng)作為計重儀操作系統(tǒng)，以及如何在WinCE 5.0下實(shí)現(xiàn)大量采樣數(shù)據(jù)的內(nèi)存存儲。在文章最后，通過總結(jié)彎板式計重儀的特點(diǎn)，闡述了WinCE 5.0嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

【關(guān)鍵詞】 動態(tài)計重儀 WinCE 文件映射

1 彎板式計重儀介紹

動態(tài)計重儀是指車輛不停車通過計重儀后就可以得到車輛重量及相關(guān)信息的儀器系統(tǒng)。目前市場上使用的計重傳感器主要有三大類——稱臺式、石英式及彎板式傳感器。稱臺式傳感器由于響應(yīng)時間長，一般僅適用于車輛低速計重；石英傳感器由于衰減厲害，需要頻繁對其進(jìn)行標(biāo)定，同時，由于材質(zhì)脆，容易損壞；彎板式傳感器具有響應(yīng)迅速、不易衰減、結(jié)實(shí)耐用、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，在高速計重和低速計重均有良好的應(yīng)用。高速計重指車輛高速行駛過程中（一般30km/h以上）的計重，主要用于公路車輛軸載檢測；低速計重一般定義為速度小于15km/h的車輛計重，主要用于高速公路計重收費(fèi)時的車輛計重。

彎板式計重儀由多塊彎板式傳感器（低速計重時四塊，高速計重時兩塊或四塊×車道數(shù)，如圖1）、橋盒放大器、AD數(shù)據(jù)采集卡、DA卡、嵌入式主機(jī)及相關(guān)輔助配件組成。當(dāng)車輛通過安裝在路面上的彎板傳感器時，彎板式傳感器會將車輪壓力轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓經(jīng)過橋盒放大后送入AD采集卡，計重軟件通過分析一段時間的各個傳感器AD值信息就可以得到車輛通過時的各個輪重及相關(guān)信息，進(jìn)而得到軸重、車重、速度、軸距、車型等信息。由于彎板式傳感器及橋盒放大器中電阻對溫度變化敏感，需要計重軟件通過DA卡輸出電壓控制橋盒調(diào)零。彎板式計重儀原理流程如圖2所示。

2 主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

計重儀器系統(tǒng)需要在野外保證長時間運(yùn)行，為了克服溫度變化大、揚(yáng)灰嚴(yán)重等惡劣環(huán)境，必須采用工業(yè)級板卡設(shè)備；同時為了配合無市電供給情況下時，使用風(fēng)能、太陽能低功率發(fā)電設(shè)備供電，應(yīng)當(dāng)選用低功耗板卡。考慮到公路現(xiàn)場重型貨車通過時產(chǎn)生的震動，為了保證板卡連接硬件堅固耐用，我們選擇基于PC104接口的工業(yè)級嵌入式板卡搭建儀器主機(jī)。儀器主板選擇研祥104-1645型工業(yè)計算機(jī)主板，板載500M主頻CPU、512M內(nèi)存，采用2G DOM盤作為存儲設(shè)備；AD采集卡使用中泰公司PM511型AD采集卡，12位數(shù)據(jù)精度，可16路循環(huán)采樣，最大采樣頻率100KHz；DA卡選用中泰PM524型8路DA卡，根據(jù)實(shí)際需要可多塊疊加。

3 主機(jī)操作系統(tǒng)

目前市場上主流的嵌入式操作系統(tǒng)有WinCE系統(tǒng)和嵌入式Linux兩大類。WinCE嵌入式操作系統(tǒng)是微軟公司推出的32位嵌入式操作系統(tǒng)，相較于微軟桌面操作系統(tǒng)具有系統(tǒng)穩(wěn)定、資源占用小、價格便宜等特點(diǎn)。嵌入式Linux操作系統(tǒng)是一個開源系統(tǒng)，可以免費(fèi)使用，但是人機(jī)界面不友好、開發(fā)調(diào)試難度大，維護(hù)成本較高。通過二者對比表（見表1），可以發(fā)現(xiàn)，在需要良好人機(jī)交互、對價格敏感度不高的情況下，選用WinCE嵌入式操作系統(tǒng)具有內(nèi)核完善、界面友好、開發(fā)調(diào)試容易、廠商支持多、易于維護(hù)等優(yōu)勢。

WinCE 5.0是CE系統(tǒng)發(fā)展過程中一個比較重要的階段。CE 5.0相較于之前的CE版本，內(nèi)核結(jié)構(gòu)及內(nèi)存管理模式基本沒有太大的變化，但在CE 5.0之后的CE 6.0，微軟就重新設(shè)計了其內(nèi)核架構(gòu)及內(nèi)存管理。在CE 6.0及后面版本中，內(nèi)存管理由平面模式提升為立體模式，從而實(shí)現(xiàn)了提升進(jìn)程限制和單進(jìn)程虛擬內(nèi)存限制。同時，為提升內(nèi)核安全性，CE 6.0修改了驅(qū)動模式，將驅(qū)動分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，使得OEM廠商可以限制第三方驅(qū)動在內(nèi)核態(tài)的運(yùn)行。如此，在CE 6.0系統(tǒng)下，大量外圍設(shè)備如AD采集卡、DA采集卡的添加就必須有主板提供商CE系統(tǒng)的支持，為外圍設(shè)備選型增添了諸多麻煩。考慮到計重儀器系統(tǒng)是面向單一應(yīng)用，CE 5.0操作系統(tǒng)的32個進(jìn)程總數(shù)限制對我們儀器開發(fā)不會造成任何影響，而且，由于CE 5.0成熟時間長，廠商支持多，應(yīng)用成熟，故而WinCE 5.0嵌入式系統(tǒng)用作彎板式計重儀操作系統(tǒng)是一個很好的選擇。

4 計重軟件內(nèi)存開辟失敗及解決辦法

開發(fā)計重軟件，尤其是開發(fā)低速計重軟件時，考慮到車輛通過計重儀時間可能過長，需要保存一定量的傳感器原始數(shù)據(jù)。在低速計重中，為了保證計重精度，每個通道的采樣頻率為8096Hz，共4個通道，總采樣頻率為32384Hz；每個采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)精度12位，需要2個字節(jié)的short型來保存數(shù)據(jù)，這樣每秒鐘的數(shù)據(jù)量為63KB。為了保存15分鐘的原始傳感器信息，需要內(nèi)存空間為15×60×63KB=55MB。但是，當(dāng)直接開辟55MB的內(nèi)存空間時，程序會直接報錯退出，提示空間不夠。而通過查看內(nèi)存使用情況時，發(fā)現(xiàn)還有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于55MB的內(nèi)存空閑。

通過查找文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，CE 5.0操作系統(tǒng)對虛擬內(nèi)存實(shí)施分片式管理，每個進(jìn)程僅僅只分配了32MB的虛擬內(nèi)存空間，虛擬內(nèi)存分配如圖3所示（圖片從網(wǎng)絡(luò)截?。?2位的CE 5.0系統(tǒng)可以管理4GB的虛擬內(nèi)存，其中高地址2GB部分，也就是地址從0x80000000到0xFFFFFFFF的虛擬內(nèi)存為內(nèi)核占用空間，應(yīng)用程序無法使用。低地址0x00000000到0x7FFFFFFF部分為應(yīng)用程序使用空間。應(yīng)用程序使用部分，一共分為64個分割槽（slot），每個分割槽的大小為32MB，其中slot0為當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程的內(nèi)存空間，slot1到slot32共32個分割槽（512MB虛擬空間）分別供每個進(jìn)程獨(dú)立使用，slot33到slot62這部分虛擬內(nèi)存供所有進(jìn)程公用，slot63保存一些資源信息。在每個分割槽中，進(jìn)程使用虛擬內(nèi)存的方式如圖4所示（圖片從網(wǎng)絡(luò)截取），進(jìn)程內(nèi)存占用從低地址向高地址方向，動態(tài)庫內(nèi)存占用從高地址向低地址方向，當(dāng)從兩個方向的地址分配相遇時，進(jìn)程內(nèi)存便被消耗殆盡，進(jìn)程崩潰。endprint

為了實(shí)現(xiàn)計重軟件大量采樣數(shù)據(jù)的存儲，計重程序必須實(shí)現(xiàn)大內(nèi)存的分配使用，此時僅僅從進(jìn)程分割槽中32M的內(nèi)存空間中分配顯然是不現(xiàn)實(shí)的，必須要在進(jìn)程分割槽外，也就是公共內(nèi)存區(qū)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配。通過查找資料，參閱微軟MSDN library，CE 5.0系統(tǒng)提供了一套文件映射API接口以供實(shí)現(xiàn)在公共內(nèi)存區(qū)分配使用內(nèi)存。具體函數(shù)原型如下：

開辟內(nèi)存空間接口：

HANDLE CreateFileMapping（

HANDLE hFile， //開辟文件映射的位置，（HANDLE）INVALID_HANDLE_VALUE表示在內(nèi)存中開辟

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpFileMappingAttributes， //屬性，為NULL

DWORD flProtect， //文件保護(hù)模式，為讀，寫，可執(zhí)行的組合

DWORD dwMaximumSizeHigh，//開辟大小的高字節(jié)位

DWORD dwMaximumSizeLow， //開辟大小的低字節(jié)位

LPCTSTR lpName //映射對象的字符串表示

）；

內(nèi)存空間使用接口：

LPVOID MapViewOfFile（

HANDLE hFileMappingObject， //使用的映射文件，也就是CreateFileMapping的返回值

DWORD dwDesiredAccess， //需要的文件使用模式（讀，寫還是可執(zhí)行）

DWORD dwFileOffsetHigh，//開辟位置偏移量的高字節(jié)位

DWORD dwFileOffsetLow， //開辟位置偏移量的低字節(jié)位

DWORD dwNumberOfBytesToMap //開辟空間大小

）；

內(nèi)存空間釋放接口：

BOOL UnmapViewOfFile（

LPCVOID lpBaseAddress //釋放空間的位置

）；

通過上面的文件映射函數(shù)原型可以發(fā)現(xiàn)，公共內(nèi)存空間的開辟和釋放都很簡單，但是如何使用開辟的空間卻略有麻煩，需要知道使用的具體地址，也就是偏移量。為了使用方便，我們將4K個采樣數(shù)據(jù)作為一個采樣塊，整體存儲使用，每次存儲數(shù)據(jù)量為8KB，偏移量為8096。然后記錄下每個采樣塊的序號、大小、首地址（Map View Of File的返回值）等信息以供采樣數(shù)據(jù)的使用與釋放。這樣我們就實(shí)現(xiàn)了大量采樣數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲使用，解決了計重軟件內(nèi)存分配失敗問題，從而實(shí)現(xiàn)了基于WinCE 5.0系統(tǒng)的彎板式計重儀軟件開發(fā)。

5 結(jié)語

通過WinCE 5.0嵌入式操作系統(tǒng)在彎板式計重儀上的應(yīng)用可以看出，雖然有單進(jìn)程內(nèi)存32MB的限制，但是通過文件映射的方式，可以很容易在公共內(nèi)存區(qū)開辟額外內(nèi)存，同時，只需稍微調(diào)整下數(shù)據(jù)格式就可以很方便的使用該部分內(nèi)存。故而，在面對應(yīng)用單一、價格敏感度不高的應(yīng)用時，選擇WinCE 5.0作為操作系統(tǒng)具有選型方便、廠商支持成熟、系統(tǒng)穩(wěn)定、界面友好、開發(fā)調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀曙新.車輛動態(tài)稱重技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與展望.中外公路，2004（6）：104 - 108.

[2]桂紅，陶振凱.解決WinCE應(yīng)用程序32MB的限制.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2007，26（3）.

[3]何宗鍵.Windows CE嵌入式系統(tǒng).北京航空航天大學(xué)出版社，2006.endprint

為了實(shí)現(xiàn)計重軟件大量采樣數(shù)據(jù)的存儲，計重程序必須實(shí)現(xiàn)大內(nèi)存的分配使用，此時僅僅從進(jìn)程分割槽中32M的內(nèi)存空間中分配顯然是不現(xiàn)實(shí)的，必須要在進(jìn)程分割槽外，也就是公共內(nèi)存區(qū)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配。通過查找資料，參閱微軟MSDN library，CE 5.0系統(tǒng)提供了一套文件映射API接口以供實(shí)現(xiàn)在公共內(nèi)存區(qū)分配使用內(nèi)存。具體函數(shù)原型如下：

開辟內(nèi)存空間接口：

HANDLE CreateFileMapping（

HANDLE hFile， //開辟文件映射的位置，（HANDLE）INVALID_HANDLE_VALUE表示在內(nèi)存中開辟

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpFileMappingAttributes， //屬性，為NULL

DWORD flProtect， //文件保護(hù)模式，為讀，寫，可執(zhí)行的組合

DWORD dwMaximumSizeHigh，//開辟大小的高字節(jié)位

DWORD dwMaximumSizeLow， //開辟大小的低字節(jié)位

LPCTSTR lpName //映射對象的字符串表示

）；

內(nèi)存空間使用接口：

LPVOID MapViewOfFile（

HANDLE hFileMappingObject， //使用的映射文件，也就是CreateFileMapping的返回值

DWORD dwDesiredAccess， //需要的文件使用模式（讀，寫還是可執(zhí)行）

DWORD dwFileOffsetHigh，//開辟位置偏移量的高字節(jié)位

DWORD dwFileOffsetLow， //開辟位置偏移量的低字節(jié)位

DWORD dwNumberOfBytesToMap //開辟空間大小

）；

內(nèi)存空間釋放接口：

BOOL UnmapViewOfFile（

LPCVOID lpBaseAddress //釋放空間的位置

）；

通過上面的文件映射函數(shù)原型可以發(fā)現(xiàn)，公共內(nèi)存空間的開辟和釋放都很簡單，但是如何使用開辟的空間卻略有麻煩，需要知道使用的具體地址，也就是偏移量。為了使用方便，我們將4K個采樣數(shù)據(jù)作為一個采樣塊，整體存儲使用，每次存儲數(shù)據(jù)量為8KB，偏移量為8096。然后記錄下每個采樣塊的序號、大小、首地址（Map View Of File的返回值）等信息以供采樣數(shù)據(jù)的使用與釋放。這樣我們就實(shí)現(xiàn)了大量采樣數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲使用，解決了計重軟件內(nèi)存分配失敗問題，從而實(shí)現(xiàn)了基于WinCE 5.0系統(tǒng)的彎板式計重儀軟件開發(fā)。

5 結(jié)語

通過WinCE 5.0嵌入式操作系統(tǒng)在彎板式計重儀上的應(yīng)用可以看出，雖然有單進(jìn)程內(nèi)存32MB的限制，但是通過文件映射的方式，可以很容易在公共內(nèi)存區(qū)開辟額外內(nèi)存，同時，只需稍微調(diào)整下數(shù)據(jù)格式就可以很方便的使用該部分內(nèi)存。故而，在面對應(yīng)用單一、價格敏感度不高的應(yīng)用時，選擇WinCE 5.0作為操作系統(tǒng)具有選型方便、廠商支持成熟、系統(tǒng)穩(wěn)定、界面友好、開發(fā)調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]何宗鍵.Windows CE嵌入式系統(tǒng).北京航空航天大學(xué)出版社，2006.endprint

為了實(shí)現(xiàn)計重軟件大量采樣數(shù)據(jù)的存儲，計重程序必須實(shí)現(xiàn)大內(nèi)存的分配使用，此時僅僅從進(jìn)程分割槽中32M的內(nèi)存空間中分配顯然是不現(xiàn)實(shí)的，必須要在進(jìn)程分割槽外，也就是公共內(nèi)存區(qū)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配。通過查找資料，參閱微軟MSDN library，CE 5.0系統(tǒng)提供了一套文件映射API接口以供實(shí)現(xiàn)在公共內(nèi)存區(qū)分配使用內(nèi)存。具體函數(shù)原型如下：

開辟內(nèi)存空間接口：

HANDLE CreateFileMapping（

HANDLE hFile， //開辟文件映射的位置，（HANDLE）INVALID_HANDLE_VALUE表示在內(nèi)存中開辟

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpFileMappingAttributes， //屬性，為NULL

DWORD flProtect， //文件保護(hù)模式，為讀，寫，可執(zhí)行的組合

DWORD dwMaximumSizeHigh，//開辟大小的高字節(jié)位

DWORD dwMaximumSizeLow， //開辟大小的低字節(jié)位

LPCTSTR lpName //映射對象的字符串表示

）；

內(nèi)存空間使用接口：

LPVOID MapViewOfFile（

HANDLE hFileMappingObject， //使用的映射文件，也就是CreateFileMapping的返回值

DWORD dwDesiredAccess， //需要的文件使用模式（讀，寫還是可執(zhí)行）

DWORD dwFileOffsetHigh，//開辟位置偏移量的高字節(jié)位

DWORD dwFileOffsetLow， //開辟位置偏移量的低字節(jié)位

DWORD dwNumberOfBytesToMap //開辟空間大小

）；

內(nèi)存空間釋放接口：

BOOL UnmapViewOfFile（

LPCVOID lpBaseAddress //釋放空間的位置

）；

通過上面的文件映射函數(shù)原型可以發(fā)現(xiàn)，公共內(nèi)存空間的開辟和釋放都很簡單，但是如何使用開辟的空間卻略有麻煩，需要知道使用的具體地址，也就是偏移量。為了使用方便，我們將4K個采樣數(shù)據(jù)作為一個采樣塊，整體存儲使用，每次存儲數(shù)據(jù)量為8KB，偏移量為8096。然后記錄下每個采樣塊的序號、大小、首地址（Map View Of File的返回值）等信息以供采樣數(shù)據(jù)的使用與釋放。這樣我們就實(shí)現(xiàn)了大量采樣數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲使用，解決了計重軟件內(nèi)存分配失敗問題，從而實(shí)現(xiàn)了基于WinCE 5.0系統(tǒng)的彎板式計重儀軟件開發(fā)。

5 結(jié)語

通過WinCE 5.0嵌入式操作系統(tǒng)在彎板式計重儀上的應(yīng)用可以看出，雖然有單進(jìn)程內(nèi)存32MB的限制，但是通過文件映射的方式，可以很容易在公共內(nèi)存區(qū)開辟額外內(nèi)存，同時，只需稍微調(diào)整下數(shù)據(jù)格式就可以很方便的使用該部分內(nèi)存。故而，在面對應(yīng)用單一、價格敏感度不高的應(yīng)用時，選擇WinCE 5.0作為操作系統(tǒng)具有選型方便、廠商支持成熟、系統(tǒng)穩(wěn)定、界面友好、開發(fā)調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀曙新.車輛動態(tài)稱重技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與展望.中外公路，2004（6）：104 - 108.

[2]桂紅，陶振凱.解決WinCE應(yīng)用程序32MB的限制.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2007，26（3）.

[3]何宗鍵.Windows CE嵌入式系統(tǒng).北京航空航天大學(xué)出版社，2006.endprint