单片机测控系统的软硬件平台技术

1． 前言

目前，随着芯片技术及单片机功能的不断发展和成熟，单片机技术已经在工业测控系统中得到了广泛的应用。市场上出现了很多型号的单片机和相应的外围模块化产品，尤以8051系列和PIC单片机最为流行。功能强大的各种单片机的确减轻了控制系统设计人员的工作量，但它存在两个问题：其一，在选定单片机过程中没有考虑软硬件的综合设计，即只考虑了硬件的方便性，没有考虑与之相应的软件，所以在系统设计周期中，硬件与软件的设计过程分离且相互独立，在系统集成前没有交互作用；其二，在硬件选择过程中，没有考虑系统开发周期及成本，往往需要购买专用的开发系统及编程器，开发人员还要花费一定的时间熟悉指令和仿真器，延长开发周期。显然，这种依据项目功能选择单片机的设计方法限制了平衡软硬件的能力，不能充分发挥软硬件各自的潜力。当最后软件与硬件组合到一起时，很可能要对硬件或软件进行修改，有时甚至要增加部分特制的硬件，从而导致开发周期延长、系统综合性能下降及潜在开发费用的增加。为此，要在开发周期和费用的限制下设计完整的控制系统，需要采用软硬件综合设计的方法。本文提出的软硬件平台技术，正是在软硬件综合设计思想的基础上，考虑到单片机测控系统的独特性及其在大多数应用领域中的相似性，以一种通用的硬件平台和软件平台来实现计算机测控系统快速有效的综合设计。用户只需依据项目要求编制相应程序，即可完成整个系统的设计。

2． 平台技术介绍　　

以往在单片机测控系统中总是孤立地对待每一个工程项目，因此每做一个项目时，都需要从头做起，效率很低。事实上，虽然单片机测控系统没有办公或管理系统那样规范，但还是有一定规律。因此可以将共同的部分抽象出来，组成基本框架——即平台。通常的单片机测控系统的组成框图如图一所示。　

在生产过程的控制中，从信号检测和输出控制两个方向来看，单片机测控系统通常要处理3种类型的信号：

 ① 表示生产过程运行情况的开关量信号，如各种被控设备的启停状态、接触器的开闭状态、操作面板上的开关状态以及各种物理量的上下限报警信号等。

 ② 反映生产过程工况和驱动现场控制装置的模拟量信号，如模拟量输入的重量、流量、转速、压力、料位、成分等，模拟量输出的连续调节的调节阀，电动执行机构等，它们都是一些随时间连续变化的模拟量。

 ③ 纯数字设备要求的数字信号，如与上位机进行通讯的RS232、RS485串行口、微型打印机等常规外设，某些数字式执行装置（步进电机及数显装置）以及某些数字式检测装置（光电码盘，数字流量计等）。此类纯数字信号大都可直接与单片机的数据线或通讯接口相连，其标准性和通用性很强，应用十分方便。而前两类信号则大多与工业现场打交道，情况要复杂得多，这也是在系统设计中最难标准化、最费时的一项工作。平台技术综合应用软硬件技术，力图综合工业现场中的大多数测控系统的主要部分，将图一中的数字信号输入、模拟信号输入、A/D多路转换、开关量输出、模拟量输出、键盘、数码管显示、与上位机通讯、看门狗电路、 FLASH存储等硬件部分综合成一个硬件平台；依据该硬件平台开发相应的键盘输入模块、数码管显示模块、A/D转换模块、数字量输入/输出模块、数据存储模块、与上位机通讯模块等，并由这些模块综合成一个通用软件平台。两者互为补充，又互为支持。

2． 1 硬件平台

设计的单片机测控系统主要实现的功能有：

 ①实现单片机与生产过程之间的信息变换，包括A/D转换、D/A转换、电平变换、数字量的输入输出等。

 ②实现单片机与生产过程之间的信息传送，包括多路信息的分时采集、多路控制的分时操作等。所有的功能做在一块含CPU的主线路板上（也可称为CPU板），键盘和显示部分根据系统具体的面板要求灵活配置，实现单片机测控系统的键盘输入和数码管显示。

③单片机测控系统采集数据及设置参数的存储及硬件看门狗。

由于许多相同或相近行业的生产过程很相似，所以对同行业的不同厂家的生产工艺过程，其单片机硬件平台完全可以通用，其不同部分及具体实现工艺可留各软件平台去协调，这对于中小型企业是非常适合的。根据测控系统功能设计的硬件平台如图二所示。

在设计的单片机测控系统硬件平台中，中心单片机采用AT89C52 单片机，AT89C52 内有8k 字节的快速擦写存储器Flash 无须外接程序存储器EPROM，缩小了线路板的体积，增强了系统的抗干扰性；数字量信号（如报警输入，极限位置）等直接接到单片机的INT0、INT1、 T0、T1端，以便单片机及时响应信号输入；8路模拟量输入经过AD0809 A/D转换与89C52的数据线相连；模拟量输出信号采用DAC0832芯片，变换成电压或电流信号驱动连续阀、电动执行器等装置；开关量输出信号经过 74LS373锁存，光电隔离驱动，控制开关量输出；数码管显示驱动电路选用拥有串行总线的MAX7219，可带8位数码管或64个发光管，用于显示现场数据和进行声光报警；键盘电路选用单片机的高8位地址线接上拉电阻，软件程序扫描确定键码的方法；看门狗电路选用X25045，以防止数据丢失和CPU 误动作，该芯片将看门狗定时器电源监控电路与EEPROM三个功能部分集成于单个封装内，可编程操作，可靠性高、功耗低，内含512 字节EEPROM，用于存储通讯地址、系统参数设置等；与上位机通讯的芯片采用MAX485，可使通讯距离达1200米左右。

2． 2 软件平台

软件平台分成两部分，一部分直接置于硬件平台上，称为系统软件平台，主要完成现场数据采集、运行控制算法、输出控制量、现场参数设定、现场参数数码管显示等底层功能，所有工作通过建立在硬件平台的软件模块由单片机主程序组织在一起构成系统软件平台，所以是软硬件综合设计的结合点；另一部分用于与上位管理机进行通讯，称为通讯软件平台，它主要完成与上位管理机的通讯，传递现场数据、状态和接受上位机指令等工作。软件平台一方面要充分发挥硬件平台的潜力，在现有硬件资源的条件下，让系统根据实际工业测控系统的工艺要求完成更多的工作，从而节省硬件成本费用；另一方面，软件平台是用户二次开发的主要依据，为了缩短开发周期，其软件实现的主要功能都可以做成标准模块，方便二次开发使用。根据硬件开发平台设计的单片机软件主程序和相应的功能模块框图如图所示。

3　平台技术的特点　　

这种软硬件综合设计的平台技术概括起来有如下特点：

① 开发效率高。平台系统具有应用系统的基本框架，用户只要适当修改软件，即可生成应用系统。

② 实时性好。由于测控系统平台基于单片机MCU，同时还具有自带的众多功能模块，通过串行口与微机PC通讯，所以既可以作为独立的智能仪表或控制器使用，又可以与上位机进行实时通讯，构成功能更强大的集散控制系统。

③  彻底根除产品开发中大量低水平重复工作，平台的可靠性积累，保证基于平台开发的产品具有良好的可靠性，平台的标准化、系列化、规范化设计极大地有利于产品的生产、维修与更新。

4  应用实例　　

对于发酵过程温度控制系统和金刚石研磨控制系统这两种不同系统的设计，就可以用平台技术很方便地实现，其系统框图见图四及图五。

发酵过程温度控制系统：输入量有发酵原料温度和蒸汽管道压力两个，控制量为罐内温度，通过调节冷水阀门开度和蒸汽阀门开度实现，为实现此目标，只须利用通用的软硬件平台，对系统软件平台稍作修改即可完成设计。

金刚石研磨控制系统：输入量有金刚石型号、重量，控制量为电机转速，对于此系统，同样只要利用通用的软硬件平台，按照该系统的特定要求修改系统平台软件，很容易实现新的设计。

5 结束语　　

这种基于软硬件综合设计的平台技术，能够充分发挥系统中的软硬件资源，节省硬件费用和软件开发开销，同时也大大缩短了系统开发周期，是一种先进的单片机测控系统设计方法。可广泛应用于众多单片机工业测控系统中。

叁考文献
1何立民：单片机应用技术选编。北京航空航天大学出版社。1994
2王修才，刘祖望：单片机接口技术。复旦大学出版社 1995
3潘新民：微型计算机控制技术。人民邮电出版社  1987