1．引言 目前，隨著時代的發(fā)展，人們對工業(yè)控制可靠性和操作簡易性的要求越來越高。但是以往使用的微機或單片機獨立運行的系統(tǒng)不能很好協(xié)調(diào)用戶的這些需求。 　　普通的微機用于控制或實驗監(jiān)測等一般是采取加插擴展卡，系統(tǒng)軟件是在windows系統(tǒng)下編程實現(xiàn)。其優(yōu)點是界面友好，可視性強，操作簡便直觀，有許多標準的軟件可供選擇，編程環(huán)境好。 缺點是可靠性差，硬件的插接牢固性和系統(tǒng)抗干擾性都比較差，軟件運行的win機制是一個多任務系統(tǒng)，不當?shù)牟僮骰虺绦騿栴}可能導致死機。一旦死機，微機便失去了輸出通道的數(shù)據(jù)更新，而輸出通道一般都具有鎖存功能，將長期保持原來的狀態(tài)。如果不采取措施，容易出現(xiàn)危險。比如用D/A板多路加熱或流量調(diào)節(jié)，故障后稍許延時就會導致系統(tǒng)環(huán)境過熱或則超調(diào)，在無人看管的情況下就會導致事故發(fā)生。 　　單片機嵌入式系統(tǒng)用于控制的可靠性很高，控制輸出通道一般不會出現(xiàn)問題，而且它還具有低電壓、低功耗和體積小等優(yōu)點。但它的缺點在于軟件功能簡單和顯示界面單調(diào)，人機交互功能較差，難以滿足人們更高的要求。 在嵌入式系統(tǒng)中為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用了一種稱為看門狗的裝置。所謂的看門狗，實質上是一個定時器。它和CPU并行工作，基本不占用系統(tǒng)時間。在系統(tǒng)正常運行時，CPU在每隔一個預制的時間給該裝置清零，使它重新計數(shù)，以表示正常工作。當出現(xiàn)故障時，CPU不能定時給它清零，看門狗超時并產(chǎn)生中斷，強迫單片機進入復位狀態(tài)，使CPU從硬件或軟件的故障中解脫出來。借鑒嵌入式系統(tǒng)中硬件看門狗的思想在微機工作時可以與單片機進行通信，用單片機來控制輸出通道，通信喪失一段時間以后單片機系統(tǒng)自動進入緊急處理程序，將輸出通道的模擬量調(diào)至初始化時預置的安全值，將開關量關閉或接通，即便是無人發(fā)現(xiàn)故障，也不會發(fā)生事故。一旦通信恢復，單片機可接收微機指令，恢復輸出，或按自身的程序恢復。整個系統(tǒng)設計的結構框圖如圖1： 2．系統(tǒng)組成 　　微機與單片機間采用串口通信。單片機直接控制全部輸出通道，微機不擴接硬件，靠軟件指令串行輸出，單片機譯碼后控制輸出通道，一旦重復出現(xiàn)聯(lián)絡碼丟失，單片機啟動安全模式。 本設計的輸出通道，共包括了上面圖1中提到的三種主要通道，分別如下： 2.1 D/A轉換模擬量控制通道 　　這種信號量可用于模擬量驅動的各種儀表及直流伺服機構。系統(tǒng)中使用的D/A轉換器，是具有8位分辨率和兩級數(shù)據(jù)緩沖器的DAC0832。它可以實現(xiàn)多通道D/A轉換的同步輸出，有雙緩沖、單緩沖、直通三種工作模式。本系統(tǒng)采用雙通道雙緩沖同步輸出工作方式。兩路DAC0832的片選分別由P2.5和P2.6來選通，它們的 和 端由單片機的 引腳同時控制，用P3.3引腳控制兩路DA轉換器的 選擇信號。這樣輸出數(shù)據(jù)時先根據(jù)片選信號和 信號分別選通兩路轉換的第一級緩沖，再用P3.3同時選通所有D/A的第二級緩沖，達到同時選通的效果。 2.2 開關量控制通道 　　在實際的嵌入式系統(tǒng)中使用最多的就是開關量的控制。例如各種接點的通斷，信號燈的亮滅等。在單片機系統(tǒng)中，開關量都是通過單片機的I/O口或擴展I/O口輸出的。標準的TTL門電路在0電平時的吸收電流約為16mA,對于一些小型功率開關，直接采用I/O接口或采用增加I/O接口的驅動能力即可。但對于那些大功率開關（如繼電器、電機、電磁開關等）單片機通常不足以直接驅動，需要擴接大功率開關接口電路。本設計系統(tǒng)中采用最為簡單的功率晶體管來驅動。 2.3 數(shù)字量控制通道 　　該通道用于給各種數(shù)字儀表或顯示終端提供信息。 系統(tǒng)原理圖如圖2所示，微機與單片機間采用RS232C通信標準。因為傳輸距離較近不需要通過調(diào)制解調(diào)器，只采用比較簡單的3線連接，即TXD、RXD、GND。RS232與TTL電平轉換的工作由MAX232來實現(xiàn)。在單片機部分，P0—P7作為D/A轉換的數(shù)據(jù)線，P2.5、P2.6連接DAC0832的片選端，用P2.4控制開關量輸出，P2.3引腳作為數(shù)字量信號輸出。 3.提高可靠性的方法 3.1 X25045 　　為了保證單片機控制部分本身的可靠性，系統(tǒng)中增加了X25045器件。X25045由美國Xicor公司生產(chǎn)，兼有看門狗定時器、復位定時器和EEPROM三種功能?？撮T狗定時器對微處理器提供了獨立的保護系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障，RESET做出響應;Vcc監(jiān)測電路可使系統(tǒng)不會出現(xiàn)低電壓工作狀態(tài)，當電壓下降到最小工作值以下時，系統(tǒng)復位，直到Vcc返回穩(wěn)定值。另外X25045采用簡單的SPI總線工作方式，具有256字節(jié)的串行EEPROM，可以作為單片機的外部擴展存儲器。以下是X25045的各種功能子程序： 置X25045寫使能子程序: WREN_CMD: CLR SCK ;給出時鐘下降沿 NOP ;降低X25045的工作頻率V CLR CS ;片選中X25045 MOV A,#WREN_INST ;將寫使能指令給A（06H） ACALL OUTBYT ;調(diào)輸出字節(jié)給X25045子程序 CLR SCK ;再給出時鐘下降沿 SETB CS ;片不選中X25045 RET 置X25045寫不使能子程序 : WRDI_CMD: CLR SCK ;給出時鐘下降沿 NOP ;降低X25045的工作頻率V CLR CS ;片選中X25045 MOV A,#WRDI_INST ;將寫不使能指令給A（04H） ACALL OUTBYT ;調(diào)輸出字節(jié)給X25045子程序 CLR SCK ;再給出時鐘下降沿 SETB CS ;片不選中X25045 RET 寫進X25045中的狀態(tài)寄存器,設定看門狗延時1.4S子程序 WRSR_CMD: CLR SCK ;給出時鐘下降沿 NOP ;降低X25045的工作頻率V CLR CS ;片選中X25045 MOV A,#WRSR_INST ;將寫狀態(tài)寄存器指令給A（01H） ACALL OUTBYT ;調(diào)輸出字節(jié)給X25045子程序 MOV A,#STATUS_REG ;將寫狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)給A（00H,1.4S,無塊保護） ACALL OUTBYT ;調(diào)輸出字節(jié)給X25045子程序 CLR SCK ;再給出時鐘下降沿 SETB CS ;片不選中X25045 ACALL WIP_POLL ;調(diào)數(shù)據(jù)未寫好查詢等待子程序 RET 讀出X25045中的狀態(tài)寄存器內(nèi)容（查詢寫好標志位）子程序: RDSR_CMD: CLR SCK ;給出時鐘下降沿 CLR CS ;片選中X25045 MOV A,#RDSR_INST ;將讀狀態(tài)寄存器指令給A（05H） ACALL OUTBYT ;調(diào)輸出字節(jié)給X25045子程序 ACALL INBYT ;調(diào)讀入X25045輸出內(nèi)容子程序 CLR SCK ;再給出時鐘下降沿 SETB CS ;片不選中X25045 RET 寫進X25045中的EEPROM一個單個字節(jié)子程序: BYTE_WRITE: CLR SCK ;給出時鐘下降沿 CLR CS ;片選中X25045 MOV A,#WRITE_INST ;將寫X25045 EEPROM的指令給A（02H） ACALL OUTBYT ;調(diào)輸出字節(jié)給X25045子程序 MOV A,R0 ;將要寫進EEPROM 的單元地址號給A ACALL OUTBYT ;調(diào)輸出字節(jié)給X25045子程序 MOV A,R2 ;將要寫進EEPROM 該單元地址的數(shù)據(jù)給A ACALL OUTBYT ;調(diào)輸出字節(jié)給X25045子程序 CLR SCK ;再給出時鐘下降沿 SETB CS ;不選中X25045 ACALL WIP_POLL ;調(diào)數(shù)據(jù)未寫好查詢等待子程序 RET 從X25045的EEPROM中讀出一個字節(jié)子程序: BYTE_READ: CLR SCK ;給出時鐘下降沿 CLR CS ;片選中X25045 MOV A,#READ_INST ;將讀X25045 EEPROM的指令給A（03H） ACALL OUTBYT ;調(diào)輸出字節(jié)給X25045子程序 MOV A,R0 ;將需要讀EEPROM 單元的地址號給A ACALL OUTBYT ;調(diào)輸出字節(jié)給X25045子程序 ACALL INBYT ;調(diào)讀入X25045輸出內(nèi)容子程序 CLR SCK ;再給出時鐘下降沿 SETB CS ;片不選中X25045 RET 復位看門狗定時器子程序: RST_WDOG: CLR EA ;關中斷V CLR CS ;片選中X25045 SETB CS ;片不選中X25045 SETB EA ;開中斷V RET 未寫好循環(huán)查詢等待子程序: WIP_POLL: MOV B,#MAX_POLL ;將最大循環(huán)等待變量給B WIP_POLL1: ACALL RDSR_CMD ;調(diào)讀X25045中的SR內(nèi)容（查詢寫好標志位）子程序 JNB ACC.0,WIP_POLL2 ;寫好標志位有效（為0）,轉下 DJNZ B,WIP_POLL1 ;未到最大循環(huán)等待次數(shù),轉上繼續(xù) SJMP WIP_OUT ;已到最大等待次數(shù),轉出 WIP_POLL2: SETB 00H ;置位寫好標志位（1）有效 WIP_OUT: NOP ;轉出口 RET 從ACC移（輸）出字節(jié)給X25045子程序: OUTBYT: MOV R3,#08H ;共移出8位（D0——D7）循環(huán)變量 OUTBYT1: CLR SCK ;給出時鐘下降沿 RLC A ;ACC最高位移到C MOV SI,C ;C傳給輸出口線 NOP ;降低X25045的工作頻率V SETB SCK ;給出時鐘上升沿存入 DJNZ R3,OUTBYT1 ;未移出8位,轉上繼續(xù) CLR SI ;置輸出口線為低 RET 從X25045的EEPROM中接收一個字節(jié)到ACC: INBYT: MOV R3,#08H ;共移入8位（D0——D7）循環(huán)變量 INBYT1: SETB SCK ;給出時鐘上升沿 CLR SCK ;給出時鐘下降沿 MOV C,SO ;位數(shù)據(jù)從輸入口線傳給C RLC A ;C移進ACC的最低位 DJNZ R3,INBYT1 ;未移入8位,轉上繼續(xù) RET 3.2 CRC校驗 　　信號在物理信道中傳輸時，線路本身電器特性造成的隨機噪聲、信號幅度的衰減、頻率和相位的畸變、電器信號在線路上產(chǎn)生反射造成的回音效應、相鄰線路間的串擾以及各種外界因素（如大氣中的閃電、開關的跳火、外界強電流磁場的變化、電源的波動等）都會造成信號的失真。在數(shù)據(jù)通信中，將會使接受端收到的二進制數(shù)位和發(fā)送端實際發(fā)送的二進制數(shù)位不一致，從而造成由“0”變成“1”或由“1”變成“0”的差錯。在一個使用的通信系統(tǒng)中要能夠發(fā)現(xiàn)這種差錯，并把差錯限制在技術要求允許的技術范圍內(nèi)。CRC（Cyclic Redundancy Code循環(huán)冗余碼），也稱多項式編碼。這種編碼檢錯效率高，原理簡單，易于實現(xiàn)，是目前在數(shù)字通信領域應用最為廣泛的一種檢驗碼。8位CRC碼的標準有CDT約定，其檢驗式為 ；16位的標準有CCITT（國際電報電話委員會推薦）標準 ，和IBM提出的CRC-16標準 ；檢驗錯誤效率最高的是具有32位CRC檢驗碼的CRC-32標準，它的檢驗多項式為 。本設計采用較為簡單的8位CDT標準。實現(xiàn)CRC校驗有多種方法，一種是靠硬件電路來實現(xiàn)的；另一種方法是對類似SIO的大規(guī)模集成電路編程；還有一種是在單片機上編程實現(xiàn)。最簡單的編程思想是用查表的辦法。對于89C51系列的單片機來說，一般都有4KB以上的ROM，建立8位CRC的檢驗碼表共需要256個字節(jié)，在程序存儲器的容量上是完全滿足要求的。發(fā)送端根據(jù)需要發(fā)送的信息碼查表求得校驗冗余碼，一起發(fā)送給接收端。接收端根據(jù)接收到的信息碼查詢校驗碼，查得的結果與接收的校驗碼比較，如果兩者相等，代表傳輸正確。以下給出8位CDT約定的校驗碼查詢程序。如果需要更高精度的校驗，可以采用16位或則32位校驗程序。 CRC: MOV A,R2; ANL A,#80H; CJNE A,#00H,TT1; TT0: MOV A,R2; MOV DPTR,#TABLE0; MOVC A,@A+DPTR; MOV R3,A; AJMP STOP; TT1: MOV A,R2; ANL A,#3FH; MOV DPTR,#TABLE1; MOVC A,@A+DPTR; MOV R3,A; STOP: RET TABLE0: DB 00H,03H,06H,05H,0cH,0fH,0aH,09H,18H,1bH,1eH,1dH,14H,17H,12H,11H DB 30H,33H,36H,35H,3cH,3fH,3aH,39H,28H,2bH,2eH,2dH,24H,27H,22H,21H DB 60H,63H,66H,65H,6cH,6fH,6aH,69H,78H,7bH,7eH,7dH,74H,77H,72H,71H DB 50H,53H,56H,55H,5cH,5fH,5aH,59H,48H,4bH,4eH,4dH,44H,47H,42H,41H DB c0H,c3H,c6H,c5H,ccH,cfH,caH,c9H,d8H,dbH,deH,ddH,d4H,d7H,d2H,d1H DB f0H,f3H,f6H,f5H,fcH,ffH,faH,f9H,e8H,ebH,eeH,edH,e4H,e7H,e2H,e1H DB a0H,a3H,a6H,a5H,acH,afH,aaH,a9H,b8H,bbH,beH,bdH,b4H,b7H,b2H,b1H DB 90H,93H,96H,95H,9cH,9fH,9aH,99H,88H,8bH,8eH,8dH,84H,87H,82H,81H TABLE1: DB 83H,80H,85H,86H,8fH,8cH,89H,8aH,9bH,98H,9dH,9eH,97H,94H,91H,92H DB b3H,b0H,b5H,b6H,bfH,bcH,b9H,baH,abH,a8H,adH,aeH,a7H,a4H,a1H,a2H DB e3H,e0H,e5H,e6H,efH,ecH,e9H,eaH,fbH,f8H,fdH,feH,f7H,f4H,f1H,f2H DB d3H,d0H,d5H,d6H,dfH,dcH,d9H,daH,cbH,c8H,cdH,ceH,c7H,c4H,c1H,c2H DB 43H,40H,45H,46H,4fH,4cH,49H,4aH,5bH,58H,5dH,5eH,57H,54H,51H,52H DB 73H,70H,75H,76H,7fH,7cH,79H,7aH,6bH,68H,6dH,6eH,67H,64H,61H,62H DB 23H,20H,25H,26H,2fH,2cH,29H,2aH,3bH,38H,3dH,3eH,37H,34H,31H,32H DB 13H,10H,15H,16H,1fH,1cH,19H,1aH,0bH,08H,0dH,0eH,07H,04H,01H,02H 3.3 組態(tài)軟件 　　為了監(jiān)測上位機部分的可靠性，在系統(tǒng)中可以應用組態(tài)軟件來實現(xiàn)。由于組態(tài)軟件具有完善的圖形編輯功能，可以提供多種數(shù)據(jù)類型和命令語言，支持控件和控件函數(shù)，還配置了大量的各種I/O和工控板卡驅動程序，支持網(wǎng)絡通信。使用組態(tài)軟件可以用清晰準確的畫面描述工業(yè)控制現(xiàn)場，及時的反映現(xiàn)場的操作狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息;設定監(jiān)控和報警信號;顯示實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。因為具有這些優(yōu)點，組態(tài)軟件在當今的工控領域大量被使用。 各種組態(tài)軟件都提供了多種板卡、DDE設備、PLC、變頻器、智能儀表及模塊的驅動，可以方便的與這些外部設備連接。本次設計系統(tǒng)中，我們采用了中泰公司的PC6000系列的PC6313板卡。這種板卡帶有12位32路AD通道（單端）和2路DA通道，以及24路的I/O口。設計中定時讓單片機通過它的I/O口發(fā)送一個數(shù)字量給板卡，微機系統(tǒng)接收到信號以后通過組態(tài)軟件進行處理，再返回給信號給單片機，單片機中檢查收到的數(shù)據(jù)是不是和設想的結果一致，如果結果正確，表明上位機和下位機整個系統(tǒng)運行正常，這就達到了監(jiān)控微機的效果。這種方法適合帶有輸入輸出的各種板卡。如不是組態(tài)軟件中提供的通用器件，可自行編寫驅動程序。 3.4　多線程技術 　　多任務是Microsoft Windows和Microsoft NT操作系統(tǒng)的一大特色，即可以同時執(zhí)行多個應用程序。對于應用程序的開發(fā)者而言，多任務的實質是能建立有多個進程的應用程序和建立使用不止一個執(zhí)行線程的進程。 將聯(lián)絡碼作為一個線程插入到主程序的過程中，聯(lián)絡碼可由任何口線輸出給單片機系統(tǒng)，單片機在微機出現(xiàn)故障的時候選擇安全輸出模式，以設定好的方式接管外部的控制。此種方法，通用性很強，不需外接硬件。