第七章微機自動檢測系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)§7-1組合化與開放式系統(tǒng)設(shè)計思想§7-2自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法§7-3微機自動檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計§7-4微機自動檢測系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計§7-1組合化與開放式系統(tǒng)設(shè)計思想1.設(shè)計微機自動檢測系統(tǒng)的三個突出問題：產(chǎn)品更新?lián)Q代太快市場競爭日趨激烈如何滿足用戶不同層次和不斷變化的要求2.開放系統(tǒng)的設(shè)計思想從下面幾方面著手：向未來的VLSI開放向不同的用戶層次開放向用戶的特殊要求開放3.開放式系統(tǒng)設(shè)計的方法：基于流行的工業(yè)標準總線結(jié)構(gòu)，針對不同的用戶要求，選用相應(yīng)的功能模塊組合成最終用戶的應(yīng)用系統(tǒng)。§7-1組合化與開放式系統(tǒng)設(shè)計思想4.組合化設(shè)計的基礎(chǔ)：是模塊化，硬、軟件功能模塊化是實現(xiàn)最佳系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。5.組合化設(shè)計的優(yōu)點選用現(xiàn)成的功能模塊可以迅速配套成各種用途的應(yīng)用系統(tǒng)，簡化設(shè)計并縮短設(shè)計周期。結(jié)構(gòu)靈活，便于擴充和更新，使系統(tǒng)的適應(yīng)性強。維修方便快捷。功能模板可以批量生產(chǎn)，使質(zhì)量穩(wěn)定并降低成本。6.可以將組合化設(shè)計分為三層：基礎(chǔ)層、系統(tǒng)層、應(yīng)用層?！?-2自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法7.2.1系統(tǒng)分析7.2.2系統(tǒng)設(shè)計7.2.1系統(tǒng)分析1.系統(tǒng)分析：對要設(shè)計的系統(tǒng)運用系統(tǒng)論的觀點和方法進行全面的分析和研究，選擇最優(yōu)的設(shè)計方案，以達到預(yù)期的目標。2.系統(tǒng)分析分三個步驟：（1）確定任務(wù)（2）提出初步方案確定系統(tǒng)設(shè)計目標；確定系統(tǒng)的功能和范圍；確定系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)或局部功能的劃分；確定系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)；提出設(shè)計的組織方案；制定進度計劃；提出經(jīng)濟預(yù)算，制定投資計劃方案。（3）可行性分析7.2.2系統(tǒng)設(shè)計1.系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計通常采用自頂向下的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法實施步驟分兩步：首先繪制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖和總體信息流程圖；其次是對各子系統(tǒng)功能及相互關(guān)系進行定義和描述。2.系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)和動作結(jié)構(gòu)設(shè)計4.各子系統(tǒng)的設(shè)計與制造5.總裝調(diào)試和實驗分析§7-3微機自動檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計7.3.1微處理機系統(tǒng)及其性能的確定7.3.2系統(tǒng)外部特性對微機系統(tǒng)的要求7.3.3硬件接口設(shè)計1.主機選擇智能儀器儀表及小型測控系統(tǒng)選擇單片機；大型測控系統(tǒng)應(yīng)選擇工控機或高檔微機作為主機2.主機的字長選擇字長越長其運算和控制能力就越強，但成本也增加。在各類智能儀表及設(shè)備中，常采用8位和16位的微處理器，主要用于數(shù)據(jù)處理并兼顧控制，其處理速度快、精度高、功能強、能滿足實時性要求。3.尋址范圍和尋址方式微機的尋址范圍表示系統(tǒng)可存放的程序和數(shù)據(jù)量。選擇適當?shù)膶ぶ贩绞剑苁钩绦蛄看鬄闇p少。7.3.1微處理機系統(tǒng)及其性能的確定7.3.1微處理機系統(tǒng)及其性能的確定4.指令功能單片機集各類微處理器的長處，指令功能較完善，編程靈活方便，應(yīng)用廣泛。5.處理速度處理速度取決于微處理器的時鐘周期、執(zhí)行一條指令所需的周期數(shù)及指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三個因素。6.中斷能力和DMA能力7.負載驅(qū)動能力8.功耗7.3.2系統(tǒng)外部特性對微機系統(tǒng)的

要求1.傳感器（1）選配傳感器的設(shè)計原則要求傳感器的分辨率和精度一般要比系統(tǒng)控制精度高一個數(shù)量級，以彌補后級各種誤差和系統(tǒng)干擾。最好直接選用數(shù)字量、開關(guān)量或脈沖量等數(shù)字型輸出傳感器，以簡化系統(tǒng)設(shè)計。對模擬型輸出，希望有一定的驅(qū)動能力。工作可靠、壽命長、體積小、便于安裝維修、價格適當。7.3.2系統(tǒng)外部特性對微機系統(tǒng)的

要求（2）傳感器和系統(tǒng)間的信息傳送問題設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)預(yù)先考慮抗干擾措施：若共模干擾較大，應(yīng)考慮采用差動信號傳送。采用隔離手段。提高傳送電平。惡劣環(huán)境下，傳送線考慮屏蔽。（3）傳感器輸出與系統(tǒng)接口問題應(yīng)考慮是否需要電平匹配器；數(shù)字量應(yīng)符合數(shù)字接口的電平規(guī)范。7.3.2系統(tǒng)外部特性對微機系統(tǒng)的

要求2.數(shù)據(jù)采集（1）采樣頻率采樣頻率通常取決于三方面的因素：輸入模擬信號的最高頻率fmax；MUX，IA和SHA的響應(yīng)時間；當采樣程序控制輸入輸出時，要考慮CPU將ADC采集的數(shù)據(jù)傳到內(nèi)存所需要的時間。（2）待測數(shù)據(jù)量（3）采樣輸入信息量A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率及位數(shù)7.3.2系統(tǒng)外部特性對微機系統(tǒng)的

要求3.輸出要求（1）選擇合適的執(zhí)行機構(gòu)常用的執(zhí)行機構(gòu)有：交直流電機、步進電機和各種電磁開關(guān)型器件。（2）顯示形式常用的顯示形式有：白熾燈照明的字牌、LED、液晶顯示、計算機圖形顯示等。4.人-機對話能力5.處理要求7.3.3硬件接口設(shè)計7.3.3硬件接口設(shè)計7.3.3硬件接口設(shè)計7.3.3硬件接口設(shè)計1.電平轉(zhuǎn)換電路（1）TTL電平轉(zhuǎn)換成其他電平的電路微機系統(tǒng)和一般的數(shù)字電路都采用TTL電平，而外部電路卻往往采用比較高的電平等級。直接利用集電極開路的高壓輸出TTL電路。7.3.3硬件接口設(shè)計7.3.3硬件接口設(shè)計（2）轉(zhuǎn)換成TTL電平的電路7.3.3硬件接口設(shè)計2.譯碼電路（1）線選法用一根地址線尋址一塊存儲器芯片或一個I/O端口的譯碼方法。線選法的譯碼電路簡單，但它每占用一根地址線，就失去了一塊存儲器的地址空間。它僅適用于存儲區(qū)容量較小，或者內(nèi)存容量不要求擴展的場合。7.3.3硬件接口設(shè)計（2）全譯碼法對全部地址總線進行譯碼的方法。優(yōu)點：不存在浪費存儲空間問題，各芯片間的地址不會出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，且可以做到完全連續(xù)，內(nèi)存擴展非常方便。缺點：譯碼器較復(fù)雜，特別是當外設(shè)口地址與存儲器統(tǒng)一編址時，電路更加復(fù)雜。7.3.3硬件接口設(shè)計（3）局部譯碼法是線選法和全譯碼法的折衷方案，它將全部的地址總線中的幾根地址線進行完全譯碼；另外幾根地址線直接和芯片連接端連接。7.3.3硬件接口設(shè)計3.選擇電路選擇電路又稱多路轉(zhuǎn)換器或多路開關(guān)。選擇電路有二態(tài)和三態(tài)兩種輸出類型。4.緩沖電路是指用來實現(xiàn)輸入緩沖功能和總線直接相連的三態(tài)輸出緩沖器和驅(qū)動器。5.鎖存電路用來實現(xiàn)輸出鎖存，并提供一定的負載能力。7.3.3硬件接口設(shè)計6.比較電路（1）數(shù)字信號比較電路7.3.3硬件接口設(shè)計7.3.3硬件接口設(shè)計7.3.3硬件接口設(shè)計7.3.3硬件接口設(shè)計（2）模擬信號比較電路7.3.3硬件接口設(shè)計§7-4微機自動檢測系統(tǒng)監(jiān)控程序

設(shè)計7.4.1監(jiān)控程序的內(nèi)容7.4.2監(jiān)控主程序設(shè)計7.4.3初始化管理7.4.4鍵盤管理7.4.5顯示管理7.4.6時鐘管理7.4.7中斷管理7.4.8自診斷處理7.4.1監(jiān)控程序的內(nèi)容1.監(jiān)控程序的功能：進行鍵盤和顯示管理，按儀表或系統(tǒng)鍵入的命令轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵服務(wù)；接受數(shù)據(jù)采集子程序或時鐘等引起的中斷請求信號，區(qū)分優(yōu)先級別，實現(xiàn)中斷嵌套，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的實時測量或控制功能模塊；實現(xiàn)對硬件定時器的處理及對由此形成的軟件定時器的管理；實現(xiàn)對系統(tǒng)或儀表自身的診斷處理；完成初始化，手-自動控制，掉電保護等；實現(xiàn)與上位微機或其他儀器、系統(tǒng)的互聯(lián)與通信控制。7.4.1監(jiān)控程序的內(nèi)容2.監(jiān)控程序的組成：7.4.1監(jiān)控程序的內(nèi)容7.4.2監(jiān)控主程序設(shè)計監(jiān)控主程序是整個監(jiān)控程序的一條主線，上電復(fù)位后系統(tǒng)首先進入監(jiān)控主程序。監(jiān)控主程序一般都放在0#單元開始的ROM中，它的任務(wù)是識別命令，解釋命令并獲得完成該命令的相應(yīng)模塊入口。監(jiān)控主程序無統(tǒng)一模式。7.4.2監(jiān)控主程序設(shè)計7.4.2監(jiān)控主程序設(shè)計1.作業(yè)順序調(diào)度型常見于各種無人值守的微機應(yīng)用系統(tǒng)。作業(yè)的觸發(fā)方式有三種：接力方式、定時方式和外部信息觸發(fā)方式。以某蓄電池監(jiān)測儀為例。7.4.2監(jiān)控主程序設(shè)計2.作業(yè)優(yōu)先調(diào)度型作業(yè)有優(yōu)先級差別，優(yōu)先級高者先運行，高優(yōu)先級作業(yè)不運行時，不能運行低優(yōu)先級作業(yè)。以智能數(shù)字萬用表為例。7.4.2監(jiān)控主程序設(shè)計3.鍵碼分析作業(yè)調(diào)度型作業(yè)調(diào)度完全服從操作者的意圖，操作者通過鍵盤或遙控通信來發(fā)出作業(yè)調(diào)度命令，監(jiān)控主程序接收到控制命令之后啟動相應(yīng)作業(yè)。7.4.3初始化管理初始化包括硬件初始化和軟件初始化。硬件初始化：指對系統(tǒng)的各個硬件資源設(shè)定明確的初始狀態(tài)。軟件初始化：包括中斷的安排、堆棧的初始化、狀態(tài)變量的初始化、各種軟件標志的初始化、系統(tǒng)時鐘的初始化、各種變量存儲單元的初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化等。7.4.4鍵盤管理1.一鍵一義的鍵盤管理一鍵一義：一個按鍵代表一個確切的命令或一個數(shù)字。鍵盤信號的獲得有三種方法：單純查詢法、中斷方法、定時查詢方法。一鍵一義鍵盤管理的核心：一張一維的轉(zhuǎn)移表，在轉(zhuǎn)移表內(nèi)順序登記了各個處理子程序的轉(zhuǎn)移指令。7.4.4鍵盤管理7.4.4鍵盤管理7.4.4鍵盤管理2.一鍵多義的按鍵管理一鍵多義型結(jié)構(gòu)中，一個命令不是一次按鍵，而是由一個按鍵序列所組成。系統(tǒng)狀態(tài)：將系統(tǒng)運行情況分成若干狀態(tài)，使得在任何一個狀態(tài)下每一個按鍵只有唯一的定義。系統(tǒng)狀態(tài)用狀態(tài)編碼來表示，根據(jù)狀態(tài)編碼和鍵盤編碼方法不同，監(jiān)控程序的結(jié)構(gòu)也不同。7.4.4鍵盤管理壓縮矩陣存儲方法：用于較復(fù)雜的系統(tǒng)。7.4.4鍵盤管理7.4.4鍵盤管理3.軟件去抖處理按鍵的觸點在閉合和斷開時均會產(chǎn)生抖動，這使觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，不處理將會引起按鍵命令的錯誤執(zhí)行或重復(fù)執(zhí)行。一般用軟件延時的方法來避開抖動階段。4.連擊的處理解決連擊的關(guān)鍵：一次按鍵只響應(yīng)一次，該鍵不釋放就不執(zhí)行第二次。7.4.4鍵盤管理7.4.4鍵盤管理7.4.4鍵盤管理7.4.4鍵盤管理5.復(fù)合鍵的處理復(fù)合鍵利用兩個以上按鍵同時按下時所產(chǎn)生的按鍵效果，但實際情況下不可能做到真正的“同時按下”，它們的時差可以長到50ms左右。鍵盤解釋程序安排在定時中斷中時，可引入年齡這個控制信息。當鍵盤解釋程序在后臺主程序中時，可定義一個或兩個引導(dǎo)鍵。7.4.4鍵盤管理6.鍵盤編碼鍵盤編碼的方式：特征編碼、順序編碼。特征編碼：指編碼中的每一位都有固定的軟件意義和硬件解釋。對于大、中型鍵盤，有效鍵碼較多，要采取順序編碼。介紹一種將特征碼轉(zhuǎn)換成順序碼的通用查表方法，以4X4的16鍵為例。7.4.5顯示管理顯示管理軟件的基本任務(wù)有三個方面：（1）顯示更新的數(shù)據(jù)（2）多參數(shù)的巡檢和定點顯示管理（3）指示燈顯示管理7.4.6時鐘管理1.時鐘主要作為定時器，用于以下方面：數(shù)據(jù)采集與各過程中輸入通道的數(shù)據(jù)采樣周期定時。帶控制功能的檢測系統(tǒng)（儀器儀表）控制周期的定時。參數(shù)修改時按鍵數(shù)字增減速度的定時。多參數(shù)巡回顯示時的顯示周期定時。動態(tài)保持方式輸出過程通道的動態(tài)刷新周期定時。電壓-頻率型A/D轉(zhuǎn)換器定時電路。故障監(jiān)視電路（看門狗）的定時信號。7.4.6時鐘管理2.實現(xiàn)定時的方法：硬件方法：采用可編程定時/計數(shù)器接口電路及單片機內(nèi)的定時電路。缺：定時間隔不能做得太長。軟件方法：編寫一段程序即可。缺：占用CPU時間，實時性差，定時精度低，故這種方法不可取。軟硬件結(jié)合的方法：被廣泛采用，既不影響實時處理能力，又能實現(xiàn)多種時間間隔的定時。7.4.7中斷管理中斷管理軟件模塊應(yīng)包括以下功能：斷點現(xiàn)場保護識別中斷源判定中斷優(yōu)先級別若允許中斷嵌套則再次開放中斷（單片機除外）中斷服務(wù)結(jié)束后恢復(fù)現(xiàn)場1.常見的診斷方法有三種類型：（1）開機自診斷（2）周期性自診斷（3）鍵控自診斷2.自檢分為硬件自檢和軟件自檢硬件自檢：指對系統(tǒng)中硬設(shè)備功能的檢查，主要是CPU、存儲器和外圍設(shè)備。軟件自檢：是對系統(tǒng)