开源纯C#工控网关+组态软件(八)表达式编译器

一、   引子

 监控画面的主要功能之一就是跟踪下位机变量变化,并将这些变化展现为动画。大部分时候,界面上一个图元组件的某个状态,与单一变量Tag绑定,比如电机的运行态,绑定一个MotorRunning信号;但有些时候不会这么简单,比如温度计在温度高于50℃显示红色;某设备报警,可能是多个条件其中之一触发的结果;变量变化触发一系列连锁反应…如此种种。考虑到工控行业大部分技术人员并非计算机专业出身,如何能够用最少的编码解决各种复杂的变量-动画绑定问题,无疑要费一番心思。

二、   方案选型

针对变量动画绑定问题,可以选择的方案包括如下几种:

  • 脚本编译器

不少大型组态软件包含强大的脚本编辑器,支持诸如VBS、Python甚至C脚本语言。脚本自带语法编辑器、调试器和编译器,调用的API包罗万象,如数据库API,通讯API,画面组态API…可以用脚本实现非常复杂的逻辑。

但基于下面几种考虑,我没有实现这类的脚本编译器:

  1. 不同于大部分组态软件包含一个独立的界面设计器,我用Visual Studio来肩挑语法编辑、调试、编译和界面设计的重任,没必要多此一举的搞一个独立的脚本编译器。
  2. C#结合Visual Studio来调用通讯、数据库链接的各类函数,C#包含强大的语法功能,配合.NET 类库几乎无所不能,同时C#也支持脚本化,没有必要在使用其他脚本语言。

对于复杂的逻辑,就让C#配合VS神器来完成吧。

  • 运算符重载。

曾经研究过一个C#写的脚本编译系统,它可以实现两个特定集合间的四则运算和逻辑运算,如List1.A+List2.A;List1.A>List2.B。看上去集合就像一个普通的数值那样参与运算和操作。

运算符重载是C#一个强大的语法功能,可以重载的操作符如下:

运算符

可重载性

+、-、!、~、++、--、true、false

可以重载这些一元运算符。
  true和false运算符必须成对重载。

+、-、*、/、%、&、|、^、<<、>>

可以重载这些二元运算符。

==、!=、<、>、<=、>=

可以重载比较运算符。必须成对重载。

&&、||

不能重载条件逻辑运算符。
  但可以使用能够重载的&和|进行计算。

[]

不能重载数组索引运算符,但可以定义索引器。

()

不能重载转换运算符,但可以定义新的转换运算符。

+=、-=、*=、/=、%=、&=、|=、^=、<<=、>>=

不能显式重载赋值运算符。
  在重写单个运算符如+、-、%时,它们会被隐式重写。

=、.、?:、->、new、is、sizeof、typeof

 

无疑运算符重载用的好可以写出语义更清晰、更简洁的代码。

比如有一种复数类型Complex,有两个坐标x和y;定义ComplexA大于ComplexB为: A的x,y中至少有一个大于B的x,y。我只需要重载>操作符(相应的最好重载>=,<,<=),以后只需要A>B就能代替重复啰嗦的A.x>B.x||A.y>B.y。更可喜的是,重载后的>,<这些运算符,在.Net表达式树(ExpressionTree)中已经替换了它原来的语义。因此运算符重载在我这个编译器也有它用武之地。

但出于下面两个原因,它只适合作为编译引擎的辅助,而不适合单独使用:

  1. 首先运算符重载只针对特定的类型;对于不熟悉C#语法特性的编程者,理解并正确的使用运算符重载不是件容易的事。
  2. 运算符重载可以减少重复的代码,让语法更简洁;但依然要写C#代码,不适合大部分工控人员。
  •  订阅事件

如果想省事,最简单的办法是直接写代码,例如:如果一台电机的运行需要A,B,C三个前提条件均满足,我就分别订阅A、B、C的变量变化事件,如果A由fasle变为true,再看看其他两个变量触发没有。也就是写这样几行代码:

            var tag1 = App.Server["A"];
            var tag2 = App.Server["B"];
            var tag3 = App.Server["C"];
            if (tag1 != null && tag2 != null && tag3 != null
            {
                tag1.ValueChanged += (s, e) =>
                  {
                      if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)
                      {
                          //执行
                      }
                  };
                tag2.ValueChanged += (s, e) =>
                {
                    if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)
                    {
                        //执行
                    }
                };
                tag3.ValueChanged += (s, e) =>
                {
                    if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)
                    {
                        //执行
                    }
                };
            }

看上去不算复杂吧?如果界面上有50个动画,这样的代码就要写50次。不但浪费时间,改起来麻烦,查起来也麻烦。更糟糕的是,不懂编程的人还用不了。

  •  表达式编译器

对于大部分零编程基础的上位机设计人员,他们需要的是一种没有学习和理解成本的、简单直观的变量绑定方式。

比如温度计在温度高于50℃显示红色,就一句话【temperature>50】;某设备显示报警,可能是多个报警变量其中之一触发的结果,只需写【Alarm1||Alarm2||Alarm3】…借助微软强大的表达式引擎,如果能解析这类变量表达式,设计者只需要知道图元与变量的逻辑关系;而极少数表达式也难以企及的功能,略微懂一点C#就可以实现。这样就可以做到使用简单,上手容易,同时又可以满足复杂的需求。

同时还有下面几个额外的好处:

最少的编码量:在一个界面的cs文件里,几乎没有代码。绑定逻辑在XAML内用直观的方式嵌入:

 

  1. 可以用复制、粘贴和文本替换等功能减少重复编码;
  2. 可以充分利用WPF的设计器扩展,实现一个简单的语法编辑器,实现语法高亮、自动完成并执行语法检查;
  3. 查找变量逻辑和修改很方便。

这个编译器的主要代码在Eval类。

三、   自己实现一个编译器

  • 编译原理

大学计算机都有一门编译原理课程。当年我也捧着一本教材,被“波兰表达式”、“逆波兰表达式”绕的云里雾里,然而逆波兰表达式是实现编译器的关键。

逆波兰表达式的优势在于只用两种简单操作,入栈和出栈就可以搞定任何普通表达式的运算。其运算方式如下:

如果当前字符为变量或者为数字,则压栈,如果是运算符,则将栈顶两个元素弹出作相应运算,结果再入栈,最后当表达式扫描完后,栈里的就是结果。

如何实现自己的编译器,微软已经给大家现成的轮子了。微软的Expression类提供了一套拼接、编译Lambda表达式的完整方法,可以用它轻松定义你自己的语法。相关知识可以参考博客园 装配脑袋的自己动手开发编译器系列文章:http://www.cnblogs.com/Ninputer/archive/2011/06/18/2084383.html。下面就以这个SCADA项目为例:

  • 定义语法

在这一版,我只实现了最基本最常用的一些操作,如四则运算(+-*/)、逻辑运算(&|!)、取反取模、三目条件等运算。

GetOperatorLevel函数按照C#的运算符优先级定义运算优先级。

定义了@开头的自定义函数如@Date取当前日期、@App取当前路径等。

IsConstant方法定义系统常数,其中True/False表示逻辑常量,字符串常量用’’。

  • 编译过程

编译过程就是将一个字符串转换为一个带返回值的函数;函数的参数就是表达式相关的Tag的值。依次为:

  1. RpnExpression方法:将中缀表达式转换为逆波兰表达式。用关键字将表达式字符串分割为一个数组;按照优先级出栈入栈;返回一个逆波兰表达式顺序的字符串列表。
  2. ComplieRpnExp方法:根据逆波兰表达式顺序,依次弹出运算符转换为Expression的各子类如二元表达式BinaryExpression、条件表达式ConditionalExpression、常数表达式ConstantExpression等;参数首先判断是否常数,如果不是,则调用GetTagExpression方法,将字符串转换为方法调用MethodCallExpression,最终会将该参数编译为一个Tag。经过处理最终返回一个LambdaExpression
  3. Eval方法将LambdaExpression编译为一个委托;相关的Tag加入列表TagList。

四、   应用场景

  •   表达式与动画绑定

在每一个界面窗体都有几乎一样的几行代码:

       List<TagNodeHandle> _valueChangedList;

        private void HMI_Loaded(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            lock (this)
            {
                _valueChangedList = cvs1.BindingToServer(App.Server);
            }
        }
 
        private void HMI_Unloaded(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            lock (this)
            {
               App.Server.RemoveHandles(_valueChangedList);
            }
        }

 

其中, BindingToServer就是对当前界面所有图元进行地毯式扫描,搜索出各控件相关的TagReadText表达式并用Eval类编译之;编译的结果转换为带返回值的函数和一个相关Tag的列表;遍历这个Tag列表,将其值变化事件ValueChanged与这个函数链接起来。这样,在加载界面的时候已经完成了编译过程,相关变量的值一旦改变,就会根据表达式返回一个值,如果这个值是布尔量,同时与电机的运行动画绑定,就完成了从表达式到动画的触发过程。

  •   复杂报警条件

报警一般包括超限报警、变量触发报警、差值报警等。但也可能有复杂的报警条件,不能用超限、超差等简单方式表述的,就可以归结为复杂报警,其条件可以用类似动画绑定的表达式来描述,在系统初始化时刻加载、编译为报警条件。

  •  未来改进

编辑器改进:支持命令自动完成、语法高亮、更完善的语法检查。可考虑Sharpdevelop的编辑控件。

支持复杂语法:目前的语法仅仅是简单的四则运算和逻辑表达式。未来考虑支持多段表达式、函数(如正余弦)、属性引用等复杂语法。

五、   下面的计划

写一系列帖子,把架构、原理讲清楚。大致如下:

github地址:https://github.com/GavinYellow/SharpSCADA。QQ群:102486275

posted on 2018-01-29 22:13 老坏猫 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

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