【導(dǎo)讀】設(shè)計(jì)相關(guān)問題現(xiàn)狀研究·····························································2. 單片機(jī)發(fā)展趨勢(shì)···································································3

　　

【正文】 部網(wǎng)絡(luò)，其第一層均為物理層， RS232C、 RS42RS485 既是物理層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，也是串行通信接口的電器標(biāo)準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)接口后，能很方便地把各種計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、測(cè)量?jī)x器有機(jī)地連接起來，構(gòu)成測(cè)量、控 制系統(tǒng)。 MAX485 RS485 接口芯片在使用、焊接或設(shè)備的運(yùn)輸途中都有可能受到靜電的沖擊而損壞。在傳輸線架設(shè)于戶外的使用場(chǎng)合，接口芯片乃至整個(gè)系統(tǒng)還有可能遭致雷電的襲擊選用抗靜電或抗雷擊的芯片可有效避免此類損失，常見的芯片有 MAX485E、 MAX487E、 MAX1487E等。 RS485 總線是使用極為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)接口 ,以半雙工方式通信 ,支持多點(diǎn)連接 ,允許創(chuàng)建達(dá)128 個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò) ,具有傳播距離遠(yuǎn) (最大傳輸距離為 km),傳輸速率快 ( km時(shí)為 100 kb/s)等優(yōu)點(diǎn) ,用于多站互連 時(shí) ,可組建成本低廉、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高及分布范圍較大的總線網(wǎng)絡(luò)。 MAX485 芯片是半雙工 RS485 通信收發(fā)器 ,MAX485 芯片具有 RS485 通信協(xié)議。單片機(jī)通過 RS485總線方式與主控計(jì)算機(jī)相連 ,主控計(jì)算機(jī)可向從機(jī) (控制繼電器的單片機(jī) )發(fā)出遙調(diào)與遙控指令 ,通過從機(jī)對(duì)繼電器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制 ,這樣構(gòu)成了一個(gè)主從式的RS485 通信應(yīng)用系統(tǒng)。 MAX485 的發(fā)送功能表和接收功能分別如表 210 所示。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn) 1） 通信速度和通信距離通常標(biāo)準(zhǔn)接口的電氣特性 ,都有滿足可靠傳輸時(shí)的最大通 信速度和傳送距離指標(biāo) ,但這兩個(gè)指標(biāo)具有相關(guān)性 ,適當(dāng)?shù)慕档屯ㄐ潘俣?,可以提高通信距離 ,反之亦然 ,例如 :采用 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳輸時(shí) ,最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 20kbit/s,最大傳 25 送距離為 15m,若改用 RS422 標(biāo)準(zhǔn)時(shí) ,最大傳輸速率可達(dá) 10Mbit/s,最大傳送距離為 300m,降低數(shù)據(jù)傳輸速率 ,可傳送距離可達(dá)到 1 200m。 表 210 2） 抗干擾能力通常選擇的標(biāo)準(zhǔn)接口 ,在保證不超過其使用范圍時(shí)都有一定的抗干擾能力 ,以保證可靠的信號(hào)傳 輸 ,但在一些工業(yè)測(cè)控系統(tǒng) ,通信環(huán)境往往十分惡劣 ,因此在通信接口標(biāo)準(zhǔn)選擇時(shí)要充分注意其抗干擾能力 ,并采取必要的抗干擾措施。例如在長距離傳輸時(shí)使用 RS422 標(biāo)準(zhǔn)能有效的抑制共模信號(hào)干擾 ,使用 20mA 電流環(huán)技術(shù) ,能大大降低對(duì)噪聲的敏感程度。在高噪聲污染環(huán)境中 ,通過使用光纖介質(zhì)減少噪聲干擾 ,通過光電隔離提高通信系統(tǒng)的安全性等都是一些行之有效的方法。 3） RS232C 與 RS422,RS485 性能參數(shù)比較 在 RS232 連接的串行通信系統(tǒng)中實(shí)際上只用到 RXD TXD 和地 ,在本設(shè)計(jì)中用到RS232C,RS485 標(biāo)準(zhǔn) ,RS485 標(biāo)準(zhǔn)是一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn) ,它擴(kuò)展了 RS422A 的性能 ,允許雙導(dǎo)線上一個(gè)發(fā)送驅(qū)動(dòng) 32 個(gè)負(fù)載設(shè)備 ,負(fù)載設(shè)備可以是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器。RS485 標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定在何時(shí)控制發(fā)送器發(fā)送或接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的規(guī)則 ,電纜選擇比 RS422更嚴(yán)格。對(duì)驅(qū)動(dòng)器和接收器規(guī)定了雙端電氣接口形式 ,把電位差轉(zhuǎn)變成邏輯電平 ,實(shí)現(xiàn)終端的信息接收。 通信系統(tǒng)的構(gòu)成 單片機(jī)與 PC 機(jī)串行通信的總體原理圖如圖 211 所示 ,采用 RS485 最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的多點(diǎn)總線互連功能 ,它可以連接一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)終端同時(shí)通 信 ,由于它是半雙工的 ,同時(shí)只MAX485 的發(fā)送功能 輸入 輸出 DE DI A B 1 1 1 0 1 0 0 1 0 X 高阻 高阻 MAX485 的接收功能 輸入 輸出 RE AB RO 0 ≥ + 1 0 ≤ 0 0 輸入開路 1 1 X 高阻 26 能有一方發(fā)送 ,一方接收 ,而且它采用差動(dòng)電平接收的方法來提高抗干擾能力 ,適合在比較惡劣的環(huán)境下工作 ,因?yàn)樵谕粚?duì)電纜中所受到的干擾是很類似的 ,采用差動(dòng)方法可以用作差的方法將干擾抵銷一大部分。 P C 機(jī)R S 4 8 5 接口 卡M A X 4 8 5 A T 8 9 C 5 1 圖 211 單片機(jī)與 PC機(jī)串行通信原理圖 Figure211 Serial munication schematic 由于 RS485 通信是一種半雙工通信 ,發(fā)送和接收共用同一物理信道。在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)。因 此要求應(yīng)答的單機(jī)必須在監(jiān)聽到總線上呼叫信號(hào)已經(jīng)發(fā)送完畢 ,并且沒有其它單機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的情況下 ,才能應(yīng)答。半雙工通信對(duì)主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送和接收時(shí)序有嚴(yán)格的要求。如果在時(shí)序上配合不好 ,就會(huì)發(fā)生總線沖突 ,使整個(gè)系統(tǒng)的通信癱瘓 ,無法正常工作。要做到總線上的設(shè)備在時(shí)序上的嚴(yán)格配合 ,必須要遵從以下幾項(xiàng)原則。 1） 復(fù)位時(shí) ,主從機(jī)都應(yīng)該處于接收狀態(tài) /RE 和 DE 端相連為低時(shí) ,從機(jī)處于接收狀態(tài) ,在上電復(fù)位時(shí) ,由于硬件電路穩(wěn)定需要一定的時(shí)間 ,并且單片機(jī)各端口復(fù)位后處于高電平狀態(tài) ,這樣就會(huì)使總線上各個(gè)分機(jī)處于發(fā)送狀態(tài) ,加上上電時(shí)各 電路的不穩(wěn)定 ,可能向總線發(fā)送信息。因此 ,如果用一根口線作發(fā)送和接收控制信號(hào) ,應(yīng)該將口線反向后接入 MAX485 的控制端 ,使上電時(shí) MAX485 處于接收狀態(tài)。 2） 控制端 /RE,DE 的信號(hào)要求 在 RS232,RS422 等全雙工通訊過程中 ,發(fā)送和接收信號(hào)分別在不同的物理鏈路上傳輸 ,發(fā)送端始終為發(fā)送端 ,接收端始終為接收端 ,不存在發(fā)送、接收控制信號(hào)切換問題。在 RS485半雙工通信中 ,由于 MAX485 的發(fā)送和接收都由同一器件完成 ,并且發(fā)送和接收使用同一物理鏈路 ,必須對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行切換?？刂菩盘?hào)何時(shí)為高電平 ,何時(shí)為低 電平 ,一般以單片機(jī)的TI,RI 信號(hào)作參考。發(fā)送時(shí) ,檢測(cè) TI 是否建立起來 ,當(dāng) TI 為高電平后關(guān)閉發(fā)送功能轉(zhuǎn)為接收功能 。接收時(shí) ,檢測(cè) RI 是否建立起來 ,當(dāng) RI 為高電平后 ,接收完畢 ,又可以轉(zhuǎn)為發(fā)送。 3） 發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)序上的要求 總線上所連接的各單機(jī)的發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)序上完全隔開。為了保證發(fā)送和接收信號(hào)的完整和正確 ,避免總線上信號(hào)的碰撞 ,對(duì)總線的使用權(quán)必須進(jìn)行分配才能避免競(jìng)爭(zhēng) ,連接到總線上的單機(jī) ,其發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)間上要完全隔離?？傊?,發(fā)送和接收控制信號(hào)應(yīng)該足夠?qū)?,以保證完整地接收一幀數(shù)據(jù) ,任意兩個(gè)單機(jī)的發(fā)送控制信 號(hào)在時(shí)間上完全分開 ,避免總線爭(zhēng)端。 27 通信協(xié)議 1） 通信雙方的串行波特率為 2400bit／ s。 2） 幀格式 :一個(gè)起始位 ,八個(gè)數(shù)據(jù)位 ,一個(gè)可編程的第九位 ,一個(gè)停止位。 3） 工作方式選擇 :PC 機(jī)采用查詢方式 ,選擇串口 COM2 工作于方式 2。單片機(jī)采用中斷方式以提高效率 ,串口工作于方式 2。 4） 功能標(biāo)志 :發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志 0F1H,接收請(qǐng)求標(biāo)志 0FFH。 5） 校驗(yàn) :通信雙方采用求和校驗(yàn)的方式 ,即發(fā)送一串字符 ,雙方計(jì)算累加和 ,在主控機(jī) (PC機(jī) )比較。不等則認(rèn)為有錯(cuò) ,優(yōu)點(diǎn)為速度快 ,程序處理簡(jiǎn)單 。缺點(diǎn)是不能糾錯(cuò) ,不能查出位出錯(cuò) ,例如 :不能區(qū)別出 0001 和 0100。但是考慮到 RS485 通信可靠性很高 ,這樣的情況發(fā)生的概率很小 ,即使發(fā)生了 , 再發(fā)一遍也可以解決問題。 6） 資源分配 :由于單片機(jī)的地址空間和標(biāo)志空間是公用的 ,所以 ,不能任意的向單片機(jī)的地址里寫數(shù)據(jù) ,如果恰好寫到標(biāo)志位里 ,容易使程序錯(cuò)亂 ,讀數(shù)據(jù)不影響 ,所以規(guī)定寫入地址范圍 60H～ 80H,讀出的地址不限。 28 3 軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)是實(shí)現(xiàn)液壓支架測(cè)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行的靈魂，同時(shí)也是本課題研究的主要內(nèi)容。本章將詳細(xì)介紹 系統(tǒng)軟件的開發(fā)的設(shè)計(jì)思想、程序設(shè)計(jì)和編寫、各功能模塊的實(shí)現(xiàn)以及各功能模塊的流程圖。 在軟件開發(fā)過程中，由于使用匯編語言的麻煩在于它的可讀性和可維護(hù)性差，特別是程序沒有很好的注釋的時(shí)候，代碼的可重用性也比較低，而使用 C51 可以很好地解決這些問題，整個(gè)壓力測(cè)控系統(tǒng)是在程序控制下工作的，該系統(tǒng)的軟件全部采用 C51 語言編寫，以提高系統(tǒng)的可讀性和可移植性。使設(shè)計(jì)方法與硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將該部分設(shè)計(jì)劃分為相應(yīng)的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試，增強(qiáng)了程序的可移植性。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要有以下幾部分：主程序、 數(shù)據(jù)濾波、 A/D 中斷轉(zhuǎn)換、通訊、顯示等程序。根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)可知整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的地址空間如圖 所示。 主程序設(shè)計(jì) 主程序完成系統(tǒng)的初始化，包括上電復(fù)位、 AT89C51 的初始化、 8255 初始化、 LED及打印機(jī)初始化、 T0 初始化和 DS1244Y 初始化等。定時(shí)器 T0 賦初值 100ms 后，允許 T0、/INT0 中斷，然后讀取 DS1244Y 時(shí)鐘，送顯示器顯示時(shí)間、日期。當(dāng) T0 中斷時(shí)，進(jìn)入 A/D轉(zhuǎn)換程序；當(dāng) /INT0 中斷時(shí)，進(jìn)入 8279 鍵盤處理程序。主程序流圖如圖 31 所示。 29 S T A R T關(guān) 中 斷A T 8 9 C 5 1 初 始 化8 2 5 5 初 始 化L E D 初 始 化開 中 斷 允 許 T 0 、/ I N T O 、 看 門 狗 等 中 斷數(shù) 據(jù) 運(yùn) 算顯 示 結(jié) 果輸 出 高 電 平是 否 達(dá) 到 設(shè) 定 值 ？ 圖 31主程序流程圖 Figure31 T he main program flow chart 串行口通訊程序 圖 32 中 ,平時(shí)置 P 為低電平 ,串行口處于接收偵聽狀態(tài)。當(dāng)有串行中斷時(shí) ,判斷是否為本機(jī)地址 ,若是則置 P 為高電平 ,串行口處于發(fā)送狀態(tài) ,發(fā)送應(yīng)答信息 ,然后再置 P 為低電平 ,串行口重新回到接收偵聽狀態(tài) 。若不是本機(jī)地址 ,則仍使 P 為低電平 ,串行口也回到接收偵聽狀態(tài) ,其程序流程圖如圖 32 所示。 30 中 斷 入 口清 中 斷 標(biāo) 志是 本 機(jī) 地 址 ?是 控 制 字 ?執(zhí) 行 控 制 命 令返 回置 P 1 . 7 為 1 發(fā)送 應(yīng) 答 請(qǐng) 求置 P 1 . 7 為 0 接受 指 令NNYY 圖 32 串行口通信程序 Fig32 Serial port munication program PC 機(jī)與單片機(jī)通訊時(shí) ,雙方事先約定 ,也即協(xié)議格式。本設(shè)計(jì)中 ,雙方約定 : 波特率 :2400 波特 信息格式 :8 個(gè)數(shù)據(jù)位 ,一個(gè)停止位。 傳送方式： PC 機(jī)采用查詢方式收發(fā)數(shù)據(jù)， 51 單片機(jī)采用中斷方式接受上位 PC 機(jī)發(fā)送過來的信息，并回送給主機(jī)。程序約定： 波特率的設(shè)置： T1 方式 2 工作，記數(shù)常熟 F3H， SMOD=1，波特率為 2400。 串行口初始化：方式 1，允許接收。 中斷服務(wù)程序入口： 0023H。串行口控 制寄存器 SCON。 89C51 單片機(jī)晶振選為 2 MHz,T1 在工作方式 2 下作為波特率發(fā)生器 ,波特率設(shè)定為 kb/s,串行口工作于方式 1,單片機(jī)初始化程序如下 : MOV TMOD, 00100001B MOV TH1, 0F4H SETB TR1 MOV SCON 50H MOV IE, 0C2H 31 A D 中 斷 入 口初 始 化選 通 道啟 動(dòng) A / D 轉(zhuǎn) 換采 集 壓 力查 詢 是 否 轉(zhuǎn) 換 完 ?數(shù) 字 濾 波計(jì) 算 壓 力與 設(shè) 定 值 比 較 上 限 ?L E D 顯 示 子 程 序設(shè) 定 T 0 ( 1 0 0 m s )返 回告 警記 錄 通 道號(hào) 、 數(shù) 值驅(qū) 動(dòng) 控 制 執(zhí)行 機(jī) 構(gòu)YNNY 圖 33 A/D轉(zhuǎn)換流程圖 Figure33 A/D conversion flowchart 當(dāng) TO 中斷時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)人刀 D 轉(zhuǎn)換程序。此時(shí)將首先初始化 A/D 轉(zhuǎn)換器以選取通道，然后啟 A/D 轉(zhuǎn)換以采集壓力，再經(jīng)數(shù)字濾波后計(jì)算出壓力值，最后將壓力值與設(shè)定值進(jìn)行比較。若超限，則報(bào)警，并記錄、打印越限通道號(hào)、數(shù)值及時(shí)間，同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理，接著將信息由 LED 和 LCD 分別輸出重新設(shè)定 T0 定時(shí) 100ms，并等待中斷。中斷服務(wù) (A/D 轉(zhuǎn)換 )流程圖 33。設(shè)計(jì)的程序如下 : UART: PUSH Acc PUSH PSW MOV a, sbuf MOV @R0, a 32 CLR RI POP PSW POP Acc RETI 中斷程序?qū)⒔邮盏降拿畲鎯?chǔ)在 30H 中。軟件設(shè)計(jì)是思路是接收命令采用中斷方式，而發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式，因此發(fā)生串行中斷必然是 RI 置高電平，開中斷后需用軟件將 RI 清除。串行中斷的中斷服務(wù)程序入口地址是 0023H，由硬件決定。 濾波子程序設(shè)計(jì) 壓力經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓， 經(jīng)過放大、硬件濾波后，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī) AT89C51 中，此數(shù)字量在進(jìn)行顯示和控制計(jì)算之前，還必須進(jìn)行一些加工處理，如數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等，以滿足非電量測(cè)量與控制的要求。 數(shù)字濾波 由于被測(cè)非電量壓力的環(huán)境比較惡劣，干擾源比較多，除了在模擬輸入通道中采用硬件濾波電路外，為了減少對(duì)采樣值的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，還需采用數(shù)字濾波的方法。 數(shù)字濾波 (又稱軟件濾波 )是通過一定的計(jì)算程序?qū)Σ蓸有盘?hào)進(jìn)行平滑處理，提高有用信號(hào)，消除或減少各類干擾和噪聲，以確定測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠。與硬件 濾波相比，數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)如下所速 [32]: 1） 不需增加任何硬設(shè)備，只要在程序進(jìn)入數(shù)據(jù)處理和測(cè)量、控制算法之前，附加一段數(shù)字濾波程序即可 。 2） 由于不增設(shè)附加硬設(shè)備，所以系統(tǒng)可靠性提高，而且不存在阻抗匹配問題 。 3） 數(shù)字濾波可為多通道共享，有利降低成本 。 4） 不受濾波頻率限制，尤其是對(duì)低頻濾波。而硬件濾波由于受電容容量限制，低頻濾波效果不佳 。 5） 使用靈活方便。可根據(jù)需要選擇不同的濾波或改變?yōu)V波器參數(shù)。 常用的數(shù)字濾波方法有如下幾種 [33]。 程序判斷法又稱限幅濾波法，其方法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其 增量 (以絕對(duì)值表示 )，然后與兩次采樣允許的最大差值△ Y 進(jìn)行比較?！?Y 的大小由被測(cè)對(duì)象的具體情況而定，若小于或等于△ Y，則取本次采樣值 。若大于△ Y，則取上次采樣值作為本次采樣 33 值。 程序判斷法主要用于處理變化比較緩慢的數(shù)據(jù)，如溫度、物體的位置等。使用時(shí)，關(guān)鍵是要選取合適的門限△ Y，通常可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，必要時(shí)也可由實(shí)驗(yàn)得到。 中值濾波法 中值濾波法即對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采樣 H 次 (H 一般為奇數(shù) )，然后把 H 次采樣值按從小到大排隊(duì)，再取中間值作為本次采樣值。實(shí)際上，該濾波方法也是一種排序方法。中值濾波法比較 適用于去掉由偶然因素引起的波動(dòng)和采樣器不穩(wěn)定而引起的脈動(dòng)干擾。 算術(shù)平均濾波法 算術(shù)平均濾波法就是連續(xù)取 H 次采樣值進(jìn)行算術(shù)平均，然后取其算術(shù)平均值作為本次采樣值。算術(shù)表達(dá)式如下 : 11( ) ( )NiY K X iN ?? ? (31) 式中 ()YK－第 K次 N個(gè)采樣值的算術(shù)平均值 。 ()Xi －第 i次采樣值 。 N－采樣次數(shù) 。 算術(shù)平均濾波法適用于對(duì)具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波對(duì)壓力流量等周期脈動(dòng)的采樣值進(jìn)行平滑加工。這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值附近上下波動(dòng)。信號(hào)的平滑程度完全取決于 N。當(dāng) N 較大時(shí)，平滑度高，但靈敏度低 。當(dāng) N 較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。為方便求平均值， N 一般取 16 之類的 2 的整數(shù)次冪，以便于用移位來代替除法。 加權(quán)平均濾波 在算術(shù)平均濾波方法中，對(duì)于 N 次內(nèi)所有的采樣值，在其結(jié)果中所占的比重是完全均等的，但有時(shí)為了提高濾波效果，將各采樣值取不同的比例 ，此方法稱為加權(quán)平均濾波。加權(quán)平均濾波的特點(diǎn)在于，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量控制需要突出信號(hào)的某一部分，抑制信號(hào)的另一部分。 34 復(fù)合濾波 以上介紹的幾種數(shù)字濾波方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和限制性。有時(shí)為了進(jìn)一步提高數(shù)字濾波效果，常常將兩種以上的數(shù)字濾波方法結(jié)合起來使用，構(gòu)成復(fù)合濾波方法。本設(shè)計(jì)采用復(fù)合濾波方法。把中值濾波和算術(shù)平均值濾波兩種方法結(jié)合起來。方法是把采樣值 N 先按大小進(jìn)行排隊(duì)，然后去掉最大值和最小值，再把剩下的值逐個(gè)相加，最后取平均值。中值濾波方法對(duì)去掉由偶然因素引起的波動(dòng)和采樣器不穩(wěn)定而引起的脈動(dòng)干擾比 較有效，算術(shù)平均值濾波對(duì)周期