【正文】 低。經(jīng)試驗(yàn)證明，在PSEN 引腳損傷不嚴(yán)重時(shí)，可通過把 PSEN 直接對(duì)地短路將其拉至低電平；但若損傷嚴(yán)重，則即使直接接地，器件仍然不能工作。(2) 資源占用問題ADμC812 具有 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，即：定時(shí)器 0、定時(shí)器 1 和定時(shí)器 2。每一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器包含 2 個(gè) 8 位寄存器 THX 和 TLX(X＝0，1 和 2)。所有 3 個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器均可配置作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器，此功能和普通單片機(jī)相同。當(dāng)單片機(jī)處于在線調(diào)試時(shí)，定時(shí)器 1 被占用，用戶在程序中必須將定時(shí)器屏蔽才能正常運(yùn)行，在線下載功能不受此影響。 40 (3) 模擬輸入與其他 ADC 芯片相比，ADμC812 的 ADC 模塊有一個(gè)缺點(diǎn)，就是 ADC正常工作的模擬輸入范圍為 0～V REF；而允許輸入的電壓范圍只能為正電壓(0～+5V) ，一旦輸入負(fù)的模擬電壓，則會(huì)影響 ADμC812 正常工作，若長時(shí)間輸入負(fù)電壓，將有可能損壞芯片。(4) P1 口值得注意的是，在 ADμC812 中端口 0、2 和 3 是雙向端口，而端口 1 是只輸入端口,P1 口的電路包括了位鎖存器和輸入緩沖器，但沒有輸出驅(qū)動(dòng)器，因而 P1 口只能被配置為數(shù)字輸入或模擬輸入，不能用于輸出。當(dāng) P1 口用作模擬輸入時(shí)，它對(duì)應(yīng)于 ADμC812 內(nèi) 8 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端口 ADC0ADC7。若在實(shí)際使用中，不須將 8 個(gè)通道 ADC 都用上，將 P1 口用作數(shù)字輸入時(shí)，在檢測(cè)是否有輸入信號(hào)之前，須將 0 寫至對(duì)應(yīng)端口，然后再判斷。 電源模塊 ADμC812電源電路ADμC812 的輸入電壓為 +5V。為使其能夠穩(wěn)定工作，本設(shè)計(jì)采用 MC7805三端穩(wěn)壓芯片來為提供穩(wěn)定的+5V 直流電。ADμC812 電源電路如圖 324 所示。圖 324 ADμC812 電源電路 FPGA 電源電路本設(shè)計(jì)采用 TPSD301 芯片設(shè)計(jì)了電路為 FPGA 提供+ 與+3V 的穩(wěn)定直流電源。其電路原理如圖 325 所示。 41 圖 325 FPGA 電源電路 單片機(jī)下載調(diào)試模塊ADμc812 的用戶程序可以用兩種方式寫入到單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，一種是通過標(biāo)準(zhǔn)的 UART 串行接口進(jìn)行串行下載寫入即在線編程模式；第二種方式和 E2PROM 的編程方式相同，通過專門的編程器并行寫入，即并行編程。本系統(tǒng)采用方便、實(shí)用的串行下載進(jìn)行編程。下載電路如圖 326 所示。 42 圖 326 ADμC812 下載電路在對(duì) ADμC812 進(jìn)行下載和調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)的一些應(yīng)注意的問題及其解決辦法介紹如下：(1) PSEN 引腳在具備上述 RS232 接口電路之后，還需通過一個(gè)與地相連的 1kΩ 電阻將ADμC812 的 PSEN 引腳拉至低電平才能進(jìn)入在線調(diào)試和下載狀態(tài)。由于ADμC812 的調(diào)試器是在用戶系統(tǒng)復(fù)位時(shí)檢測(cè) PSEN 引腳狀態(tài)的，在系統(tǒng)復(fù)位時(shí) PSEN 引腳拉低是在線調(diào)試和下載功能實(shí)現(xiàn)的另一關(guān)鍵所在。值得強(qiáng)調(diào)的是，PSEN 引腳與地之間連上 1kΩ 電阻并不一定就能保證 PSEN 為低電平。若靜電造成 PSEN 引腳損傷，則 1kΩ 電阻不能將 PSEN 引腳拉低。經(jīng)試驗(yàn)證明，在PSEN 引腳損傷不嚴(yán)重時(shí)，可通過把 PSEN 直接對(duì)地短路將其拉至低電平；但若損傷嚴(yán)重，則即使直接接地，器件仍然不能工作。(2) 資源占用問題ADμC812 具有 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，即：定時(shí)器 0、定時(shí)器 1 和定時(shí)器 2。每一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器包含 2 個(gè) 8 位寄存器 THX 和 TLX(X＝0，1 和 2)。所有 3 個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器均可配置作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器，此功能和普通單片機(jī)相同。當(dāng)單片機(jī)處于在線調(diào)試時(shí)，定時(shí)器 1 被占用，用戶在程序中必須將定時(shí)器屏蔽才能正常運(yùn)行，在線下載功能不受此影響。(3) 模擬輸入與其他 ADC 芯片相比，ADμC812 的 ADC 模塊有一個(gè)缺點(diǎn)，就是 ADC正常工作的模擬輸入范圍為 0～V REF；而允許輸入的電壓范圍只能為正電壓(0～+5V) ，一旦輸入負(fù)的模擬電壓，則會(huì)影響 ADμC812 正常工作，若長時(shí)間輸入負(fù)電壓，將有可能損壞芯片。(4) P1 口值得注意的是，在 ADμC812 中端口 0、2 和 3 是雙向端口，而端口 1 是只輸入端口,P1 口的電路包括了位鎖存器和輸入緩沖器，但沒有輸出驅(qū)動(dòng)器，因而 P1 口只能被配置為數(shù)字輸入或模擬輸入，不能用于輸出。當(dāng) P1 口用作模擬輸入時(shí)，它對(duì)應(yīng)于 ADμC812 內(nèi) 8 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端口 ADC0ADC7。若在實(shí)際使用中，不須將 8 個(gè)通道 ADC 都用上，將 P1 口用作數(shù)字輸入時(shí)，在檢測(cè)是否有輸入信號(hào)之前，須將 0 寫至對(duì)應(yīng)端口，然后再判斷。 43 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)原則在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件設(shè)計(jì)同樣重要。當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能還要靠軟件來實(shí)現(xiàn)。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時(shí)必須符合以下基本要求 [16]：1. 易理解性、易維護(hù)性。指軟件系統(tǒng)代碼容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員很難在短時(shí)間內(nèi)就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)理解無誤，軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試不可能一次完成，有些問題是在運(yùn)行中逐步暴露出來，這就要求編制的軟件容易理解和修改。在軟件的設(shè)計(jì)方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是最好的一種方法，這種設(shè)計(jì)方法是由整體到局部，然后再由局部到細(xì)節(jié)，先考慮整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個(gè)目標(biāo)分成一個(gè)個(gè)的任務(wù)，任務(wù)中可以分成若干個(gè)子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)就是采用這種模塊化的設(shè)計(jì)方法。這樣不但使得設(shè)計(jì)目標(biāo)明確、思路清晰，而且在檢錯(cuò)、調(diào)試時(shí)也很方便。當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，可以根據(jù)問題的種類和現(xiàn)象來判斷是哪一部分出的問題，很容易找出故障所在和故障原因。同時(shí)，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和修改也提供了很大的方便。2. 實(shí)時(shí)性是本系統(tǒng)的基本要求。即要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。3. 可測(cè)試性。系統(tǒng)軟件的可測(cè)試性具有兩方面的含義：其一是指比較容易地制定出測(cè)試準(zhǔn)則，并根據(jù)這些準(zhǔn)則對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)定；其二是軟件設(shè)計(jì)完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行，證明準(zhǔn)確無誤后才可投入實(shí)際運(yùn)行。4. 準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義。系統(tǒng)要進(jìn)行大量運(yùn)算，算法的正確性和準(zhǔn)確性問題對(duì)控制結(jié)果有直接影響。5. 可靠性?？煽啃允窍到y(tǒng)軟件最重要的指標(biāo)之一，具有兩方面的含義：第一是運(yùn)行參數(shù)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，軟件都能可靠運(yùn)行并給出正確結(jié)果。第二是 44 在環(huán)境惡劣干擾嚴(yán)重情況下，軟件必須保證也能可靠運(yùn)行。 單片機(jī)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的軟件部分，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及功能的實(shí)現(xiàn)。ADμC812 的軟件既可以采用匯編語言實(shí)現(xiàn)，又可以采用 C51 語言實(shí)現(xiàn)。整機(jī)軟件由主程序，采樣濾波子程序、顯示子程序、光柱控制顯示程序、按鍵處理子程序、菜單結(jié)構(gòu)程序、數(shù)據(jù)讀寫子程序、數(shù)據(jù)通訊子程序等組成。本課題實(shí)現(xiàn)的儀器功能比較多，如果采用單個(gè)文件來實(shí)現(xiàn)軟件，將導(dǎo)致程序的可讀性變差，而且對(duì)軟件的修改和功能的加減也不容易實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計(jì)，采用多個(gè)文件來組織整個(gè)軟件。整機(jī)軟件的流程圖如圖 41 所示。圖 41 整機(jī)軟件流程圖程序開始執(zhí)行時(shí)，先初始化單片機(jī)的資源外設(shè)，包括 A/D 工作模式、I/O口配置、串口初始化、中斷、定時(shí)器、看門狗的設(shè)置等，然后載入測(cè)量數(shù)據(jù)存 45 儲(chǔ)器的儲(chǔ)存位置和該儀器測(cè)量的設(shè)置信息，接下來程序進(jìn)入等待鍵盤輸入和串口更新設(shè)置的循環(huán)中。顯示數(shù)據(jù)部分的工作則是由定時(shí)器 2 來定時(shí)采樣數(shù)據(jù)，再將測(cè)量數(shù)據(jù)送到 LED 光柱和 LCD 液晶顯示器進(jìn)行顯示的，采用這種方法可以使顯示數(shù)據(jù)的刷新速度保持一致，如果將采集顯示代碼也放于主程序循環(huán)中，則在與計(jì)算機(jī)通訊或讀寫存儲(chǔ)器時(shí)，程序的執(zhí)行時(shí)間比較長，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)顯示刷新速度變慢，給用戶停頓或死機(jī)的感覺。通過定時(shí)器定時(shí)采樣顯示的方法很好的解決了測(cè)量數(shù)據(jù)不能得到及時(shí)更新和顯示的問題，提高數(shù)據(jù)顯示的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。 軟件各模塊的設(shè)計(jì) A/D 采樣模塊ADμC812 內(nèi)部的 AD 轉(zhuǎn)換器有三種工作模式：第一，用軟件或通過把轉(zhuǎn)換信號(hào)加至外部引腳 CONVST可以啟動(dòng)單步或連續(xù)轉(zhuǎn)換模式；第二，用定時(shí)器 2 來產(chǎn)生用于 A/D 轉(zhuǎn)換的重復(fù)觸發(fā)信號(hào)；第三，配置 ADC 工作于 DMA 方式，ADC 連續(xù)轉(zhuǎn)化，并將采樣值捕獲到 RAM 空間，而不需要 MCU 內(nèi)核的干預(yù)，實(shí)現(xiàn)快速采樣。 46 圖 42 采樣程序流程圖采樣數(shù)據(jù)為 16 位數(shù)據(jù)，低 12 位為采樣數(shù)據(jù)，高 4 位為采樣通道號(hào)。 人機(jī)對(duì)話模塊本儀器的鍵盤功能包括上下公差限的設(shè)定、儀器地址設(shè)置、顯示分辨率選擇、傳感器通道測(cè)量方式選擇、光柱顯示模式設(shè)定。如果不采用菜單結(jié)構(gòu)，而采用傳統(tǒng)的一鍵一義的編程方式則需要大量的按鍵，這顯然是不可取的，因此采用一鍵多義方式，即采用菜單操作方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，菜單結(jié)構(gòu)是整個(gè)程序功能實(shí)現(xiàn)的外殼，采用該結(jié)構(gòu)最大的好處就是可以精簡按鍵數(shù)量，當(dāng)擴(kuò)展儀器的新功能時(shí)，只需要在菜單結(jié)構(gòu)中增加菜單索引，再加入顯示函數(shù)和功能實(shí)現(xiàn)函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)儀器的新功能。而且程序結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)和修改。 47 鍵盤輸入鍵盤輸入部分共有六個(gè)輸入按鍵，其功能通過軟件分別定義為上/跳動(dòng)、下/保存、左、右、確認(rèn)/測(cè)量、返回。鍵盤輸入程序只是簡單的響應(yīng)鍵盤中斷，置按鍵標(biāo)志位和讀取按鍵識(shí)別碼。其按鍵中斷響應(yīng)流程圖如圖 43 所示。圖 43 按鍵響應(yīng)流程圖在程序中，通過讀取按鍵的硬件編碼值來識(shí)別不同的按鍵，根據(jù)硬件原理我們可以得到各按鍵的編碼值：KEY_OK= 0x00，KEY_CANCEL= 0x05，KEY_UP= 0x04，KEY_DOWN= 0x03，KEY_LEFT= 0x02，KEY_RIGHT= 0x01。當(dāng)程序處理的按鍵編碼值不是上述編碼值時(shí)，直接丟棄該次按鍵操作，防止誤操作。 LCD 液晶顯示要實(shí)現(xiàn)量儀的人機(jī)對(duì)話，采用菜單結(jié)構(gòu)將鍵盤輸入、顯示輸出、功能實(shí)現(xiàn)三部分結(jié)合在一起，使每個(gè)按鍵在不同的狀態(tài)下有不同的含義，采用少量鍵盤，實(shí)現(xiàn)多重功能 [18,19]。采用的 LCD 液晶顯示器作為鍵盤輸入，菜單提示的人機(jī)交互顯示器。由于 LCD 液晶顯示器只能表示最簡單的數(shù)字和有限的英文字母，所以我們?cè)诔绦蛑胁捎脝渭?jí)菜單模式實(shí)現(xiàn)整個(gè)儀器功能設(shè)置管理，即當(dāng)前的菜單只代表儀器的一項(xiàng)參數(shù)設(shè)置功能，簡化菜單操作的設(shè)計(jì)和減少結(jié)構(gòu)代碼所占用的程序空間。 48 整個(gè)顯示框架結(jié)構(gòu)分為三層：第一層為測(cè)量數(shù)據(jù)顯示部分，是測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)字顯示部分，顯示值對(duì)應(yīng)于光柱顯示的顯示值；第二層為設(shè)置項(xiàng)索引菜單，用于指示儀器當(dāng)前的功能設(shè)置項(xiàng)目，顯示該儀器的功能設(shè)置項(xiàng)目；第三層為設(shè)置項(xiàng)設(shè)置界面，顯示當(dāng)前設(shè)置項(xiàng)的設(shè)置值。上述各按鍵的意義明確，只要按照LCD 液晶顯示器的顯示提示，就可方便的實(shí)現(xiàn)儀器功能參數(shù)的修改。 光柱控制模塊光柱控制模塊判斷超限流程圖如圖 46 所示。圖 46 判斷超差限子程序流程圖 49 存儲(chǔ)器模塊單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器主要用于保存儀器功能設(shè)置參數(shù)以及外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置信息，儀器功能參數(shù)的保存地址是根據(jù)菜單功能的索引確定的。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用于保存儀器各種測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì) FM24C256 存儲(chǔ)器的操作，需要遵循 I2C 總線協(xié)議，其讀寫模式采用單字節(jié)模式，另外FM24C256 的讀寫操作指令都是沒有延時(shí)的，所以在每次寫操作后，直接就能進(jìn)行下一次寫。每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)用兩個(gè)字節(jié)表示 [22]，高位字節(jié)數(shù)據(jù)占用偶地址，低位字節(jié)數(shù)據(jù)占用奇地址，每次向存儲(chǔ)器寫入一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)器地址指針加 2 個(gè)字節(jié)。存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)結(jié)尾用 0xFFFF 標(biāo)示，該標(biāo)志位以后數(shù)據(jù)的沒有意義。每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要有一定的格式，以表示不同的測(cè)量數(shù)據(jù)類型。因此 16 位測(cè)量數(shù)據(jù)除了含有測(cè)量值信息還需要額外的信息：測(cè)量通道號(hào)和測(cè)量的數(shù)據(jù)類型。其數(shù)據(jù)封裝形式如表 43 所示：表 43 FM24C256 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式D15D12 D11D000000111 12 位測(cè)量數(shù)據(jù)表中 D15D12 值為 00000011 表示工件 14 通道尺寸測(cè)量值，01000111表示工件 14 通道跳動(dòng)測(cè)量值。 外部通訊模塊外部通訊模塊的目的是使電子柱量儀與計(jì)算機(jī)之間能夠相互通訊。從而能從計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)修改儀器的功能參數(shù)，通過串口實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)等功能，以達(dá)到電子柱量儀的網(wǎng)絡(luò)化控制需要實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是以計(jì)算機(jī)來控制多個(gè)電子柱的主從式結(jié)構(gòu)，采用 RS485 總線實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)互連，在與計(jì)算機(jī)通訊時(shí)，采用 RS485/RS232 接口轉(zhuǎn)換電路來連接計(jì)算機(jī) RS232 口和電子柱 RS485 口，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電子柱量儀與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制的關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)。對(duì)于整個(gè)通訊協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是單片機(jī)按照協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)通訊幀格式正確的對(duì)上位機(jī)程序發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包，提取命令和數(shù)據(jù)信息。用程序具體實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)和單片機(jī)從機(jī)之間的通信時(shí)。設(shè)置單片機(jī)串口的通 50 訊方式為模式 1(8 位異步通訊方式)，其通訊波特率根據(jù)具體情況，可以在240019200bps 之間設(shè)置。其通訊的軟件流程圖如圖 410 所示。圖 410 數(shù)據(jù)包接收發(fā)送程序流程圖 51 結(jié)論本論文針對(duì)目前單色電子柱量儀存在的問題，完成三色電子柱量儀硬件、軟件系統(tǒng)以及上位管理控制系統(tǒng)流程的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分