單片機測控系統(tǒng)的軟硬件平臺技術

1． 前言

目前，隨著芯片技術及單片機功能的不斷發(fā)展和成熟，單片機技術已經在工業(yè)測控系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。市場上出現(xiàn)了很多型號的單片機和相應的外圍模塊化產品，尤以8051系列和PIC單片機最為流行。功能強大的各種單片機的確減輕了控制系統(tǒng)設計人員的工作量，但它存在兩個問題：其一，在選定單片機過程中沒有考慮軟硬件的綜合設計，即只考慮了硬件的方便性，沒有考慮與之相應的軟件，所以在系統(tǒng)設計周期中，硬件與軟件的設計過程分離且相互獨立，在系統(tǒng)集成前沒有交互作用；其二，在硬件選擇過程中，沒有考慮系統(tǒng)開發(fā)周期及成本，往往需要購買專用的開發(fā)系統(tǒng)及編程器，開發(fā)人員還要花費一定的時間熟悉指令和仿真器，延長開發(fā)周期。顯然，這種依據(jù)項目功能選擇單片機的設計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。當最后軟件與硬件組合到一起時，很可能要對硬件或軟件進行修改，有時甚至要增加部分特制的硬件，從而導致開發(fā)周期延長、系統(tǒng)綜合性能下降及潛在開發(fā)費用的增加。為此，要在開發(fā)周期和費用的限制下設計完整的控制系統(tǒng)，需要采用軟硬件綜合設計的方法。本文提出的軟硬件平臺技術，正是在軟硬件綜合設計思想的基礎上，考慮到單片機測控系統(tǒng)的獨特性及其在大多數(shù)應用領域中的相似性，以一種通用的硬件平臺和軟件平臺來實現(xiàn)計算機測控系統(tǒng)快速有效的綜合設計。用戶只需依據(jù)項目要求編制相應程序，即可完成整個系統(tǒng)的設計。

2． 平臺技術介紹　　

以往在單片機測控系統(tǒng)中總是孤立地對待每一個工程項目，因此每做一個項目時，都需要從頭做起，效率很低。事實上，雖然單片機測控系統(tǒng)沒有辦公或管理系統(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，組成基本框架——即平臺。通常的單片機測控系統(tǒng)的組成框圖如圖一所示?！?/p>

在生產過程的控制中，從信號檢測和輸出控制兩個方向來看，單片機測控系統(tǒng)通常要處理3種類型的信號：

 ① 表示生產過程運行情況的開關量信號，如各種被控設備的啟停狀態(tài)、接觸器的開閉狀態(tài)、操作面板上的開關狀態(tài)以及各種物理量的上下限報警信號等。

 ② 反映生產過程工況和驅動現(xiàn)場控制裝置的模擬量信號，如模擬量輸入的重量、流量、轉速、壓力、料位、成分等，模擬量輸出的連續(xù)調節(jié)的調節(jié)閥，電動執(zhí)行機構等，它們都是一些隨時間連續(xù)變化的模擬量。

 ③ 純數(shù)字設備要求的數(shù)字信號，如與上位機進行通訊的RS232、RS485串行口、微型打印機等常規(guī)外設，某些數(shù)字式執(zhí)行裝置（步進電機及數(shù)顯裝置）以及某些數(shù)字式檢測裝置（光電碼盤，數(shù)字流量計等）。此類純數(shù)字信號大都可直接與單片機的數(shù)據(jù)線或通訊接口相連，其標準性和通用性很強，應用十分方便。而前兩類信號則大多與工業(yè)現(xiàn)場打交道，情況要復雜得多，這也是在系統(tǒng)設計中最難標準化、最費時的一項工作。平臺技術綜合應用軟硬件技術，力圖綜合工業(yè)現(xiàn)場中的大多數(shù)測控系統(tǒng)的主要部分，將圖一中的數(shù)字信號輸入、模擬信號輸入、A/D多路轉換、開關量輸出、模擬量輸出、鍵盤、數(shù)碼管顯示、與上位機通訊、看門狗電路、 FLASH存儲等硬件部分綜合成一個硬件平臺；依據(jù)該硬件平臺開發(fā)相應的鍵盤輸入模塊、數(shù)碼管顯示模塊、A/D轉換模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、與上位機通訊模塊等，并由這些模塊綜合成一個通用軟件平臺。兩者互為補充，又互為支持。

2． 1 硬件平臺

設計的單片機測控系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：

 ①實現(xiàn)單片機與生產過程之間的信息變換，包括A/D轉換、D/A轉換、電平變換、數(shù)字量的輸入輸出等。

 ②實現(xiàn)單片機與生產過程之間的信息傳送，包括多路信息的分時采集、多路控制的分時操作等。所有的功能做在一塊含CPU的主線路板上（也可稱為CPU板），鍵盤和顯示部分根據(jù)系統(tǒng)具體的面板要求靈活配置，實現(xiàn)單片機測控系統(tǒng)的鍵盤輸入和數(shù)碼管顯示。

③單片機測控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及設置參數(shù)的存儲及硬件看門狗。

由于許多相同或相近行業(yè)的生產過程很相似，所以對同行業(yè)的不同廠家的生產工藝過程，其單片機硬件平臺完全可以通用，其不同部分及具體實現(xiàn)工藝可留各軟件平臺去協(xié)調，這對于中小型企業(yè)是非常適合的。根據(jù)測控系統(tǒng)功能設計的硬件平臺如圖二所示。

在設計的單片機測控系統(tǒng)硬件平臺中，中心單片機采用AT89C52 單片機，AT89C52 內有8k 字節(jié)的快速擦寫存儲器Flash 無須外接程序存儲器EPROM，縮小了線路板的體積，增強了系統(tǒng)的抗干擾性；數(shù)字量信號（如報警輸入，極限位置）等直接接到單片機的INT0、INT1、 T0、T1端，以便單片機及時響應信號輸入；8路模擬量輸入經過AD0809 A/D轉換與89C52的數(shù)據(jù)線相連；模擬量輸出信號采用DAC0832芯片，變換成電壓或電流信號驅動連續(xù)閥、電動執(zhí)行器等裝置；開關量輸出信號經過 74LS373鎖存，光電隔離驅動，控制開關量輸出；數(shù)碼管顯示驅動電路選用擁有串行總線的MAX7219，可帶8位數(shù)碼管或64個發(fā)光管，用于顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)和進行聲光報警；鍵盤電路選用單片機的高8位地址線接上拉電阻，軟件程序掃描確定鍵碼的方法；看門狗電路選用X25045，以防止數(shù)據(jù)丟失和CPU 誤動作，該芯片將看門狗定時器電源監(jiān)控電路與EEPROM三個功能部分集成于單個封裝內，可編程操作，可靠性高、功耗低，內含512 字節(jié)EEPROM，用于存儲通訊地址、系統(tǒng)參數(shù)設置等；與上位機通訊的芯片采用MAX485，可使通訊距離達1200米左右。

2． 2 軟件平臺

軟件平臺分成兩部分，一部分直接置于硬件平臺上，稱為系統(tǒng)軟件平臺，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、運行控制算法、輸出控制量、現(xiàn)場參數(shù)設定、現(xiàn)場參數(shù)數(shù)碼管顯示等底層功能，所有工作通過建立在硬件平臺的軟件模塊由單片機主程序組織在一起構成系統(tǒng)軟件平臺，所以是軟硬件綜合設計的結合點；另一部分用于與上位管理機進行通訊，稱為通訊軟件平臺，它主要完成與上位管理機的通訊，傳遞現(xiàn)場數(shù)據(jù)、狀態(tài)和接受上位機指令等工作。軟件平臺一方面要充分發(fā)揮硬件平臺的潛力，在現(xiàn)有硬件資源的條件下，讓系統(tǒng)根據(jù)實際工業(yè)測控系統(tǒng)的工藝要求完成更多的工作，從而節(jié)省硬件成本費用；另一方面，軟件平臺是用戶二次開發(fā)的主要依據(jù)，為了縮短開發(fā)周期，其軟件實現(xiàn)的主要功能都可以做成標準模塊，方便二次開發(fā)使用。根據(jù)硬件開發(fā)平臺設計的單片機軟件主程序和相應的功能模塊框圖如圖所示。

3　平臺技術的特點　　

這種軟硬件綜合設計的平臺技術概括起來有如下特點：

① 開發(fā)效率高。平臺系統(tǒng)具有應用系統(tǒng)的基本框架，用戶只要適當修改軟件，即可生成應用系統(tǒng)。

② 實時性好。由于測控系統(tǒng)平臺基于單片機MCU，同時還具有自帶的眾多功能模塊，通過串行口與微機PC通訊，所以既可以作為獨立的智能儀表或控制器使用，又可以與上位機進行實時通訊，構成功能更強大的集散控制系統(tǒng)。

③  徹底根除產品開發(fā)中大量低水平重復工作，平臺的可靠性積累，保證基于平臺開發(fā)的產品具有良好的可靠性，平臺的標準化、系列化、規(guī)范化設計極大地有利于產品的生產、維修與更新。

4  應用實例　　

對于發(fā)酵過程溫度控制系統(tǒng)和金剛石研磨控制系統(tǒng)這兩種不同系統(tǒng)的設計，就可以用平臺技術很方便地實現(xiàn)，其系統(tǒng)框圖見圖四及圖五。

發(fā)酵過程溫度控制系統(tǒng)：輸入量有發(fā)酵原料溫度和蒸汽管道壓力兩個，控制量為罐內溫度，通過調節(jié)冷水閥門開度和蒸汽閥門開度實現(xiàn)，為實現(xiàn)此目標，只須利用通用的軟硬件平臺，對系統(tǒng)軟件平臺稍作修改即可完成設計。

金剛石研磨控制系統(tǒng)：輸入量有金剛石型號、重量，控制量為電機轉速，對于此系統(tǒng)，同樣只要利用通用的軟硬件平臺，按照該系統(tǒng)的特定要求修改系統(tǒng)平臺軟件，很容易實現(xiàn)新的設計。

5 結束語　　

這種基于軟硬件綜合設計的平臺技術，能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)中的軟硬件資源，節(jié)省硬件費用和軟件開發(fā)開銷，同時也大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，是一種先進的單片機測控系統(tǒng)設計方法?？蓮V泛應用于眾多單片機工業(yè)測控系統(tǒng)中。

叁考文獻
1何立民：單片機應用技術選編。北京航空航天大學出版社。1994
2王修才，劉祖望：單片機接口技術。復旦大學出版社 1995
3潘新民：微型計算機控制技術。人民郵電出版社  1987