微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究

　　摘要　本文詳細(xì)地論述了微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱MADM)的典型結(jié)構(gòu)、各部分的功能和作用，以及系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。提出了微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及的核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù)，對(duì)微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有參考作用。 
　　關(guān)鍵詞　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)　自動(dòng)檢測(cè)　檢測(cè)技術(shù) 

1　前言 

　　檢測(cè)問(wèn)題廣泛存在于各個(gè)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，隨著人類生活水平、生產(chǎn)力水平的提高，檢測(cè)問(wèn)題越來(lái)越多，對(duì)檢測(cè)提出的要求也越來(lái)越高：要求能更快、更準(zhǔn)、更靈敏、更可靠地完成檢測(cè)任務(wù)；要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)；要求研制出更多更好的、智能化的、多功能化的、數(shù)字化的、集成化的、微型/小型化的儀器儀表或檢測(cè)系統(tǒng)。此外，由于檢測(cè)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，檢測(cè)的參數(shù)范圍不斷延伸，部分參數(shù)本來(lái)就難于檢測(cè)，且許多情況下需要檢測(cè)的參數(shù)又與其它背景物理量摻雜在一起，此時(shí)必須使用復(fù)雜的儀器儀表或檢測(cè)系統(tǒng)，才能完成檢測(cè)任務(wù)。自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)作為自動(dòng)化科學(xué)的一個(gè)重要分支，作為專門(mén)研究檢測(cè)問(wèn)題的一門(mén)實(shí)用型、綜合型的新興邊沿學(xué)科已經(jīng)形成。而微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)(Microcomputer automatic-detection and measurement,簡(jiǎn)稱MADM)是自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)發(fā)展的高級(jí)形式?！拔C(jī)自動(dòng)檢測(cè)”就是使用微機(jī)及相關(guān)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)儀器、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)。本文就微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)討論。 

2　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 

　　對(duì)智能儀器儀表、個(gè)人儀器、自動(dòng)測(cè)試儀器及系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)(CAT)等等典型儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)特點(diǎn)深入分析，發(fā)現(xiàn)它們都屬于檢測(cè)技術(shù)的分支領(lǐng)域，其技術(shù)特點(diǎn)、功能、結(jié)構(gòu)具有相似性，都屬于微機(jī)(包括各種單片微機(jī)、微處理器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、工控機(jī)等等)在這些分支領(lǐng)域的不同應(yīng)用形式，它們的設(shè)計(jì)技術(shù)也具有很大的相似性。為此，抽象出微機(jī)在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)中應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)形式，稱為“微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)”，相應(yīng)的技術(shù)稱為“微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)”。 

2.1　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 

　　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由下列子系統(tǒng)組成： 
　　　微機(jī)基本子系統(tǒng)(包括CPU、RAM、ROM或EPROM、EEPROM等) 
　　　數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及接口 
　　　數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)及接口 
　　　數(shù)據(jù)分配子系統(tǒng)及接口 
　　　基本輸入輸出(I/O)子系統(tǒng)及接口 

圖1　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 

2.2　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的基本功能 

　　微機(jī)基本子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，例如進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理、控制決策、產(chǎn)生特殊的測(cè)試信號(hào)，控制整個(gè)檢測(cè)過(guò)程等等。此外，利用微機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力和高速運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)命令識(shí)別，邏輯判斷、非線性誤差修正，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的自校正，系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自診斷、自組織等功能。 

　　數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及接口，用于和傳感器、檢測(cè)元件、變送器聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)參數(shù)采集、選路控制、零點(diǎn)校正、量程自動(dòng)切換等功能。在各式各樣的微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是必不可少的，被測(cè)對(duì)象的有關(guān)參數(shù)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)收集、整理后，經(jīng)它的接口傳送到微機(jī)子系統(tǒng)處理。 

　　基本I/O子系統(tǒng)及接口，用于實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對(duì)話、輸入或改系統(tǒng)參數(shù)、改變系統(tǒng)工作狀態(tài)，輸出檢測(cè)結(jié)果、動(dòng)態(tài)顯示測(cè)控過(guò)程，實(shí)現(xiàn)以多種形式輸出、顯示、記錄、報(bào)警等功能。 

　　通信子系統(tǒng)及接口，用于實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與其它儀器儀表、系統(tǒng)的通信與互聯(lián)，依靠通信子系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際問(wèn)題需求靈活構(gòu)造不同規(guī)模、不同用途的微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，如分布式測(cè)控系統(tǒng)，集散型測(cè)控系統(tǒng)等。通信接口的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，與采用的總線技術(shù)、總線規(guī)范有關(guān)。例如有IEEE-488(或GP－IB)總線、RS－232C總線、STD總線、VXI總線、現(xiàn)場(chǎng)總線等等，總線技術(shù)及規(guī)范不同，需要采用不同的軟硬件接口實(shí)現(xiàn)方法，不同的技術(shù)平臺(tái)支撐。 

　　數(shù)據(jù)分配子系統(tǒng)及接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)控對(duì)象、被測(cè)試組件、測(cè)試信號(hào)發(fā)生器、甚至于系統(tǒng)本身和檢測(cè)操作過(guò)程的自動(dòng)控制。 

　　接口(Interface)根據(jù)實(shí)際需要以各種形式大量存在于系統(tǒng)中，接口的作用是完成它所聯(lián)接的設(shè)備之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換(如進(jìn)行信號(hào)功率匹配、阻抗匹配、電平轉(zhuǎn)換和匹配)和交換、信號(hào)(如控制命令、狀態(tài)/數(shù)據(jù)信號(hào)、尋址信號(hào)等)傳輸、信號(hào)拾取，對(duì)信息進(jìn)行必要的緩沖或鎖存，增強(qiáng)微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的功能。  

3　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 

　　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要經(jīng)歷問(wèn)題定義，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件編制，軟件調(diào)試與測(cè)試等過(guò)程。一般采用模塊化和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，即自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法，適當(dāng)劃分模塊可提高設(shè)計(jì)與調(diào)試的效率。微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)不僅要接收來(lái)源于傳感器、檢測(cè)元件或變送器的信號(hào)，而且要接收和處理來(lái)自于控制面板的按鈕或開(kāi)關(guān)信號(hào)，或由通信系統(tǒng)傳來(lái)的控制命令等信號(hào)，還要求系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理能力，能實(shí)時(shí)完成各種測(cè)控任務(wù)。因此，微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件對(duì)實(shí)時(shí)性有一定程序的要求，同時(shí)，還要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行管理和調(diào)度。 

　　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件通常由監(jiān)控程序、中斷服務(wù)程序、檢測(cè)與控制算法、通信與控制程序等組成。系統(tǒng)常用的模塊及相互關(guān)系如下： 
　　 
　　控制算法　(各類自動(dòng)控制算法) 
　　　　　　　　鍵盤(pán)/面板管理 
　　人－機(jī)接口　顯示輸出 
　　　　　　　　打印輸出 
　　通信與控制 
　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘 
　　故障自診斷與處理 
　　監(jiān)控程序的主要作用是及時(shí)響應(yīng)來(lái)自系統(tǒng)或外部的各種服務(wù)請(qǐng)求，有效地管理系統(tǒng)軟硬件資源，并在系統(tǒng)一旦發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和作出相應(yīng)的處理。監(jiān)控程序由若干功能模塊組成(圖2所示)，監(jiān)控程序調(diào)用功能模塊，形成一有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)對(duì)微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的全面管理。因此微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)軟件的核心。 


圖2　監(jiān)控主程序結(jié)構(gòu) 

3.1　監(jiān)控主程序結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì) 

　　監(jiān)控主程序取決于系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度和鍵盤(pán)操作方式。常用的結(jié)構(gòu)形式有：①作業(yè)優(yōu)先調(diào)度型。系統(tǒng)的作業(yè)有優(yōu)先權(quán)差別，高優(yōu)先權(quán)者先運(yùn)行。②作業(yè)順序調(diào)度型。作業(yè)的觸發(fā)方式有接力方式，定時(shí)觸發(fā)方式，外部信號(hào)觸發(fā)方式。③鍵碼分析作業(yè)調(diào)度型。操作者由鍵盤(pán)或遙控通信來(lái)發(fā)出作業(yè)調(diào)度命令。 

3.2　初始化管理 

　　對(duì)系統(tǒng)的初始化管理包括硬件和軟件的初始化。硬件初始化對(duì)系統(tǒng)中各硬件資源設(shè)定明確的初始化狀態(tài)，包括對(duì)可編程器件初始化，各I/O口初始狀態(tài)設(shè)定，為系統(tǒng)硬件資源分配任務(wù)等。軟件初始化包括中斷安排，堆棧初始化，狀態(tài)變量初始化，各軟件標(biāo)志初始化，系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，各變量存儲(chǔ)單元初始化，系統(tǒng)參數(shù)初始化等。 

3.3　鍵盤(pán)管理 

　　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的鍵盤(pán)可采用編碼鍵盤(pán)或軟件掃描(非編碼)鍵盤(pán)，與系統(tǒng)采用的微處理機(jī)類型、鍵盤(pán)類型等有關(guān)。 

3.4　顯示管理 

　　顯示方式主要有模擬顯示、數(shù)字顯示、混合顯示等方式。顯示管理軟件的基本任務(wù)是：①更新顯示數(shù)據(jù)；②多參數(shù)巡檢與定點(diǎn)顯示管理。定點(diǎn)顯示方式時(shí)，不斷地將當(dāng)前顯示參數(shù)的更新值送出顯示；巡回顯示方式時(shí)，每隔一定時(shí)間改換一個(gè)新的顯示參數(shù)，并顯示該值；③指示燈管理。對(duì)面板上的LED指示燈或報(bào)警指示燈管理。 

3.5　時(shí)鐘管理 

　　定時(shí)電路及時(shí)鐘管理在微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中必不可少，主要用于：數(shù)據(jù)采樣周期定時(shí)；控制周期定時(shí)；參數(shù)修改數(shù)字增減速度的定時(shí)；多參數(shù)巡顯的顯示周期定時(shí)；動(dòng)態(tài)刷新周期定時(shí)；故障監(jiān)視電路(Watch dog)的定時(shí)信號(hào)等。定時(shí)實(shí)現(xiàn)有硬件、軟件和軟硬件結(jié)合等方法。 

3.6　中斷管理 

　　針對(duì)系統(tǒng)中的各種中斷源和所選用的微處理機(jī)的中斷結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的中斷處理程序模塊，包括中斷管理模塊和中斷服務(wù)模塊。 

3.7　故障自診斷與處理 

　　故障自診斷與處理是微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的基本功能之一，是提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性的重要手段之一。主要形式為：①開(kāi)機(jī)自檢。每當(dāng)電源接通或復(fù)位后，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行一次自檢程序，對(duì)硬件電路進(jìn)行一次檢測(cè)。②周期性自診斷。對(duì)系統(tǒng)周期性地進(jìn)行自診斷。③鍵控自診斷。操作人員按“自診斷”按鍵起動(dòng)自診斷功能。 

3.8　通信與通信控制 

　　通信與通信控制模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)或其它儀器儀表、其它系統(tǒng)的互聯(lián)及通信控制。該模塊的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)采用的通信總線標(biāo)準(zhǔn)，通信協(xié)議，通信接口電路等因素有關(guān)。  

4　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)的核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù) 
　 
  　微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)涉及眾多的知識(shí)領(lǐng)域和先進(jìn)技術(shù)，包括物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)、微電子學(xué)、電子技術(shù)、通信、微機(jī)、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制等等。因此，提出一些關(guān)鍵性的技術(shù)作為微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù)，以此構(gòu)成微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)基本的技術(shù)框架。微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的核心技術(shù)是傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、微機(jī)技術(shù)(包括軟件、硬件設(shè)計(jì)技術(shù))、接口技術(shù)、系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)和集成技術(shù)；相關(guān)技術(shù)是數(shù)據(jù)通信技術(shù)、總線技術(shù)、抗干擾與可靠性技術(shù)、顯示技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子線路設(shè)計(jì)技術(shù)等等。在設(shè)計(jì)好開(kāi)放性的微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)硬件之后，如何充分發(fā)揮微機(jī)的強(qiáng)大技術(shù)資源和潛力，開(kāi)發(fā)友好的中文操作平臺(tái)，使系統(tǒng)具有良好的管理與控制特性，具有良好的可用性，需要很好的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)方法。 

5　結(jié)束語(yǔ) 

　　本文對(duì)微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的概念、系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)、核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù)等內(nèi)容作了一些初步的研究，由于這類系統(tǒng)和技術(shù)是一種通用化的，因而有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和較好的發(fā)展前景。 
作者單位：雷　霖(電子科技大學(xué)檢測(cè)技術(shù)及儀器教研室　成都　610054) 
參考文獻(xiàn) 
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