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