單片機測控系統的軟硬件平臺技術

1． 前言

目前，隨著芯片技術及單片機功能的不斷發展和成熟，單片機技術已經在工業測控系統中得到了廣泛的應用。市場上出現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，沒有考慮系統開發周期及成本，往往需要購買專用的開發系統及編程器，開發人員還要花費一定的時間熟悉指令和仿真器，延長開發周期。顯然，這種依據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，從而導致開發周期延長、系統綜合性能下降及潛在開發費用的增加。為此，要在開發周期和費用的限制下設計完整的控制系統，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的獨特性及其在大多數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計算機測控系統快速有效的綜合設計。用戶只需依據項目要求編制相應程序，即可完成整個系統的設計。

2． 平臺技術介紹　　

以往在單片機測控系統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沒有辦公或管理系統那樣規范，但還是有一定規律。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的組成框圖如圖一所示。　

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、接觸器的開閉狀態、操作面板上的開關狀態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，模擬量輸出的連續調節的調節閥，電動執行機構等，它們都是一些隨時間連續變化的模擬量。

③ 純數字設備要求的數字信號，如與上位機進行通訊的RS232、RS485串行口、微型打印機等常規外設，某些數字式執行裝置（步進電機及數顯裝置）以及某些數字式檢測裝置（光電碼盤，數字流量計等）。此類純數字信號大都可直接與單片機的數據線或通訊接口相連，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現場打交道，情況要復雜得多，這也是在系統設計中最難標準化、最費時的一項工作。平臺技術綜合應用軟硬件技術，力圖綜合工業現場中的大多數測控系統的主要部分，將圖一中的數字信號輸入、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；依據該硬件平臺開發相應的鍵盤輸入模塊、數碼管顯示模塊、A/D轉換模塊、數字量輸入/輸出模塊、數據存儲模塊、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主要實現的功能有：

①實現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、數字量的輸入輸出等。

②實現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系統具體的面板要求靈活配置，實現單片機測控系統的鍵盤輸入和數碼管顯示。

③單片機測控系統采集數據及設置參數的存儲及硬件看門狗。