單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)技術(shù)

1． 前言

目前，隨著芯片技術(shù)及單片機(jī)功能的不斷發(fā)展和成熟，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多型號(hào)的單片機(jī)和相應(yīng)的外圍模塊化產(chǎn)品，尤以8051系列和PIC單片機(jī)最為流行。功能強(qiáng)大的各種單片機(jī)的確減輕了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作量，但它存在兩個(gè)問(wèn)題：其一，在選定單片機(jī)過(guò)程中沒(méi)有考慮軟硬件的綜合設(shè)計(jì)，即只考慮了硬件的方便性，沒(méi)有考慮與之相應(yīng)的軟件，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期中，硬件與軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程分離且相互獨(dú)立，在系統(tǒng)集成前沒(méi)有交互作用；其二，在硬件選擇過(guò)程中，沒(méi)有考慮系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期及成本，往往需要購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)及編程器，開(kāi)發(fā)人員還要花費(fèi)一定的時(shí)間熟悉指令和仿真器，延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期。顯然，這種依據(jù)項(xiàng)目功能選擇單片機(jī)的設(shè)計(jì)方法限制了平衡軟硬件的能力，不能充分發(fā)揮軟硬件各自的潛力。當(dāng)最后軟件與硬件組合到一起時(shí)，很可能要對(duì)硬件或軟件進(jìn)行修改，有時(shí)甚至要增加部分特制的硬件，從而導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)、系統(tǒng)綜合性能下降及潛在開(kāi)發(fā)費(fèi)用的增加。為此，要在開(kāi)發(fā)周期和費(fèi)用的限制下設(shè)計(jì)完整的控制系統(tǒng)，需要采用軟硬件綜合設(shè)計(jì)的方法。本文提出的軟硬件平臺(tái)技術(shù)，正是在軟硬件綜合設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，考慮到單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的獨(dú)特性及其在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中的相似性，以一種通用的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)快速有效的綜合設(shè)計(jì)。用戶(hù)只需依據(jù)項(xiàng)目要求編制相應(yīng)程序，即可完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2． 平臺(tái)技術(shù)介紹　　

以往在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中總是孤立地對(duì)待每一個(gè)工程項(xiàng)目，因此每做一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，都需要從頭做起，效率很低。事實(shí)上，雖然單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)沒(méi)有辦公或管理系統(tǒng)那樣規(guī)范，但還是有一定規(guī)律。因此可以將共同的部分抽象出來(lái)，組成基本框架——即平臺(tái)。通常的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成框圖如圖一所示?！?/p>

在生產(chǎn)過(guò)程的控制中，從信號(hào)檢測(cè)和輸出控制兩個(gè)方向來(lái)看，單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通常要處理3種類(lèi)型的信號(hào)：

 ① 表示生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行情況的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，如各種被控設(shè)備的啟停狀態(tài)、接觸器的開(kāi)閉狀態(tài)、操作面板上的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及各種物理量的上下限報(bào)警信號(hào)等。

 ② 反映生產(chǎn)過(guò)程工況和驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)控制裝置的模擬量信號(hào)，如模擬量輸入的重量、流量、轉(zhuǎn)速、壓力、料位、成分等，模擬量輸出的連續(xù)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)閥，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，它們都是一些隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量。

 ③ 純數(shù)字設(shè)備要求的數(shù)字信號(hào)，如與上位機(jī)進(jìn)行通訊的RS232、RS485串行口、微型打印機(jī)等常規(guī)外設(shè)，某些數(shù)字式執(zhí)行裝置（步進(jìn)電機(jī)及數(shù)顯裝置）以及某些數(shù)字式檢測(cè)裝置（光電碼盤(pán)，數(shù)字流量計(jì)等）。此類(lèi)純數(shù)字信號(hào)大都可直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)線或通訊接口相連，其標(biāo)準(zhǔn)性和通用性很強(qiáng)，應(yīng)用十分方便。而前兩類(lèi)信號(hào)則大多與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)打交道，情況要復(fù)雜得多，這也是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最難標(biāo)準(zhǔn)化、最費(fèi)時(shí)的一項(xiàng)工作。平臺(tái)技術(shù)綜合應(yīng)用軟硬件技術(shù)，力圖綜合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的大多數(shù)測(cè)控系統(tǒng)的主要部分，將圖一中的數(shù)字信號(hào)輸入、模擬信號(hào)輸入、A/D多路轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)量輸出、模擬量輸出、鍵盤(pán)、數(shù)碼管顯示、與上位機(jī)通訊、看門(mén)狗電路、 FLASH存儲(chǔ)等硬件部分綜合成一個(gè)硬件平臺(tái)；依據(jù)該硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的鍵盤(pán)輸入模塊、數(shù)碼管顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、與上位機(jī)通訊模塊等，并由這些模塊綜合成一個(gè)通用軟件平臺(tái)。兩者互為補(bǔ)充，又互為支持。

2． 1 硬件平臺(tái)

設(shè)計(jì)的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

 ①實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程之間的信息變換，包括A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、電平變換、數(shù)字量的輸入輸出等。

 ②實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程之間的信息傳送，包括多路信息的分時(shí)采集、多路控制的分時(shí)操作等。所有的功能做在一塊含CPU的主線路板上（也可稱(chēng)為CPU板），鍵盤(pán)和顯示部分根據(jù)系統(tǒng)具體的面板要求靈活配置，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的鍵盤(pán)輸入和數(shù)碼管顯示。

③單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及設(shè)置參數(shù)的存儲(chǔ)及硬件看門(mén)狗。

由于許多相同或相近行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程很相似，所以對(duì)同行業(yè)的不同廠家的生產(chǎn)工藝過(guò)程，其單片機(jī)硬件平臺(tái)完全可以通用，其不同部分及具體實(shí)現(xiàn)工藝可留各軟件平臺(tái)去協(xié)調(diào)，這對(duì)于中小型企業(yè)是非常適合的。根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)如圖二所示。

在設(shè)計(jì)的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)中，中心單片機(jī)采用AT89C52 單片機(jī)，AT89C52 內(nèi)有8k 字節(jié)的快速擦寫(xiě)存儲(chǔ)器Flash 無(wú)須外接程序存儲(chǔ)器EPROM，縮小了線路板的體積，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性；數(shù)字量信號(hào)（如報(bào)警輸入，極限位置）等直接接到單片機(jī)的INT0、INT1、 T0、T1端，以便單片機(jī)及時(shí)響應(yīng)信號(hào)輸入；8路模擬量輸入經(jīng)過(guò)AD0809 A/D轉(zhuǎn)換與89C52的數(shù)據(jù)線相連；模擬量輸出信號(hào)采用DAC0832芯片，變換成電壓或電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)連續(xù)閥、電動(dòng)執(zhí)行器等裝置；開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)經(jīng)過(guò) 74LS373鎖存，光電隔離驅(qū)動(dòng)，控制開(kāi)關(guān)量輸出；數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路選用擁有串行總線的MAX7219，可帶8位數(shù)碼管或64個(gè)發(fā)光管，用于顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和進(jìn)行聲光報(bào)警；鍵盤(pán)電路選用單片機(jī)的高8位地址線接上拉電阻，軟件程序掃描確定鍵碼的方法；看門(mén)狗電路選用X25045，以防止數(shù)據(jù)丟失和CPU 誤動(dòng)作，該芯片將看門(mén)狗定時(shí)器電源監(jiān)控電路與EEPROM三個(gè)功能部分集成于單個(gè)封裝內(nèi)，可編程操作，可靠性高、功耗低，內(nèi)含512 字節(jié)EEPROM，用于存儲(chǔ)通訊地址、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等；與上位機(jī)通訊的芯片采用MAX485，可使通訊距離達(dá)1200米左右。

2． 2 軟件平臺(tái)

軟件平臺(tái)分成兩部分，一部分直接置于硬件平臺(tái)上，稱(chēng)為系統(tǒng)軟件平臺(tái)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行控制算法、輸出控制量、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)碼管顯示等底層功能，所有工作通過(guò)建立在硬件平臺(tái)的軟件模塊由單片機(jī)主程序組織在一起構(gòu)成系統(tǒng)軟件平臺(tái)，所以是軟硬件綜合設(shè)計(jì)的結(jié)合點(diǎn)；另一部分用于與上位管理機(jī)進(jìn)行通訊，稱(chēng)為通訊軟件平臺(tái)，它主要完成與上位管理機(jī)的通訊，傳遞現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、狀態(tài)和接受上位機(jī)指令等工作。軟件平臺(tái)一方面要充分發(fā)揮硬件平臺(tái)的潛力，在現(xiàn)有硬件資源的條件下，讓系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的工藝要求完成更多的工作，從而節(jié)省硬件成本費(fèi)用；另一方面，軟件平臺(tái)是用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)的主要依據(jù)，為了縮短開(kāi)發(fā)周期，其軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能都可以做成標(biāo)準(zhǔn)模塊，方便二次開(kāi)發(fā)使用。根據(jù)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的單片機(jī)軟件主程序和相應(yīng)的功能模塊框圖如圖所示。

3　平臺(tái)技術(shù)的特點(diǎn)　　

這種軟硬件綜合設(shè)計(jì)的平臺(tái)技術(shù)概括起來(lái)有如下特點(diǎn)：

① 開(kāi)發(fā)效率高。平臺(tái)系統(tǒng)具有應(yīng)用系統(tǒng)的基本框架，用戶(hù)只要適當(dāng)修改軟件，即可生成應(yīng)用系統(tǒng)。

② 實(shí)時(shí)性好。由于測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)基于單片機(jī)MCU，同時(shí)還具有自帶的眾多功能模塊，通過(guò)串行口與微機(jī)PC通訊，所以既可以作為獨(dú)立的智能儀表或控制器使用，又可以與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，構(gòu)成功能更強(qiáng)大的集散控制系統(tǒng)。

③  徹底根除產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中大量低水平重復(fù)工作，平臺(tái)的可靠性積累，保證基于平臺(tái)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品具有良好的可靠性，平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化設(shè)計(jì)極大地有利于產(chǎn)品的生產(chǎn)、維修與更新。

4  應(yīng)用實(shí)例　　

對(duì)于發(fā)酵過(guò)程溫度控制系統(tǒng)和金剛石研磨控制系統(tǒng)這兩種不同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就可以用平臺(tái)技術(shù)很方便地實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖四及圖五。

發(fā)酵過(guò)程溫度控制系統(tǒng)：輸入量有發(fā)酵原料溫度和蒸汽管道壓力兩個(gè)，控制量為罐內(nèi)溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)冷水閥門(mén)開(kāi)度和蒸汽閥門(mén)開(kāi)度實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，只須利用通用的軟硬件平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)軟件平臺(tái)稍作修改即可完成設(shè)計(jì)。

金剛石研磨控制系統(tǒng)：輸入量有金剛石型號(hào)、重量，控制量為電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)于此系統(tǒng)，同樣只要利用通用的軟硬件平臺(tái)，按照該系統(tǒng)的特定要求修改系統(tǒng)平臺(tái)軟件，很容易實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)　　

這種基于軟硬件綜合設(shè)計(jì)的平臺(tái)技術(shù)，能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)中的軟硬件資源，節(jié)省硬件費(fèi)用和軟件開(kāi)發(fā)開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)也大大縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，是一種先進(jìn)的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。可廣泛應(yīng)用于眾多單片機(jī)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。

叁考文獻(xiàn)
1何立民：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用技術(shù)選編。北京航空航天大學(xué)出版社。1994
2王修才，劉祖望：?jiǎn)纹瑱C(jī)接口技術(shù)。復(fù)旦大學(xué)出版社 1995
3潘新民：微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。人民郵電出版社  1987