單片機(jī)測控系統(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)測控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。市場上出現(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)問題：其一，在選定單片機(jī)過程中沒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)過程分離且相互獨(dú)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(fèi)一定的時(shí)間熟悉指令和仿真器，延長開發(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)致開發(fā)周期延長、系統(tǒng)綜合性能下降及潛在開發(fā)費(fèi)用的增加。為此，要在開發(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)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)快速有效的綜合設(shè)計(jì)。用戶只需依據(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(tái)。通常的單片機(jī)測控系統(tǒng)的組成框圖如圖一所示。　

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

① 表示生產(chǎn)過程運(yùn)行情況的開關(guān)量信號(hào)，如各種被控設(shè)備的啟停狀態(tài)、接觸器的開閉狀態(tài)、操作面板上的開關(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)過程工況和驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場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)字式檢測裝置（光電碼盤，數(shù)字流量計(jì)等）。此類純數(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。而前兩類信號(hào)則大多與工業(yè)現(xiàn)場打交道，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(hào)輸入、模擬信號(hào)輸入、A/D多路轉(zhuǎn)換、開關(guān)量輸出、模擬量輸出、鍵盤、數(shù)碼管顯示、與上位機(jī)通訊、看門狗電路、 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)開發(fā)相應(yīng)的鍵盤輸入模塊、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(shí)現(xiàn)單片機(jī)測控系統(tǒng)的鍵盤輸入和數(shù)碼管顯示。

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