提高測控系統(tǒng)可靠性方法的綜合應(yīng)用

1、    提高測控系統(tǒng)可靠性方法的綜合應(yīng)用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(jī)或單片機(jī)獨立運(yùn)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(jī)用于控制或?qū)嶒灡O(jiān)測等一般是采取加插擴(kuò)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(qiáng)，操作簡便直觀，有許多標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行的win機(jī)制是一個多任務(wù)系    1引言    目前，隨著

2、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(jī)或單片機(jī)獨立運(yùn)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(jī)用于控制或?qū)嶒灡O(jiān)測等一般是采取加插擴(kuò)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(qiáng)，操作簡便直觀，有許多標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行的win機(jī)制是一個多任務(wù)系統(tǒng)，不當(dāng)?shù)牟僮骰虺绦騿栴}可能導(dǎo)致死機(jī)。一旦死機(jī)，微機(jī)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

3、。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(dǎo)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(dǎo)致事故發(fā)生。單片機(jī)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(jī)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(zhì)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(yùn)行時，CPU在每隔一個預(yù)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(dāng)出現(xiàn)故障時，C

4、PU不能定時給它清零，看門狗超時并產(chǎn)生中斷，強(qiáng)迫單片機(jī)進(jìn)入復(fù)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(jī)工作時可以與單片機(jī)進(jìn)行通信，用單片機(jī)來控制輸出通道，通信喪失一段時間以后單片機(jī)系統(tǒng)自動進(jìn)入緊急處理程序，將輸出通道的模擬量調(diào)至初始化時預(yù)置的安全值，將開關(guān)量關(guān)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(fù)，單片機(jī)可接收微機(jī)指令，恢復(fù)輸出，或按自身的程序恢復(fù)。整個系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖如圖1：    2系統(tǒng)組成微機(jī)與單片機(jī)間采用串口通信。單片機(jī)直接控制全部輸出通道，微機(jī)不擴(kuò)接硬件，靠軟件指令串行輸出，單片機(jī)

5、譯碼后控制輸出通道，一旦重復(fù)出現(xiàn)聯(lián)絡(luò)碼丟失，單片機(jī)啟動安全模式。    本設(shè)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(zhuǎn)換模擬量控制通道這種信號量可用于模擬量驅(qū)動的各種儀表及直流伺服機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)中使用的D/A轉(zhuǎn)換器，是具有8位分辨率和兩級數(shù)據(jù)緩沖器的DAC0832    2.2 開關(guān)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(guān)量的控制。例如各種接點的通斷，信號燈的亮滅等。在單片機(jī)系統(tǒng)中，開關(guān)量都是通過單片機(jī)的I/

6、O口或擴(kuò)展I/O口輸出的。標(biāo)準(zhǔn)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(guān)，直接采用I/O接口或采用增加I/O接口的驅(qū)動能力即可。但對于那些大功率開關(guān)（如繼電器、電機(jī)、電磁開關(guān)等）單片機(jī)通常不足以直接驅(qū)動，需要擴(kuò)接大功率開關(guān)接口電路。本設(shè)計系統(tǒng)中采用最為簡單的功率晶體管來驅(qū)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(jī)與單片機(jī)間采用RS232C通信標(biāo)準(zhǔn)。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，

7、即TXD、RXD、GND。RS232與TTL電平轉(zhuǎn)換的工作由MAX232來實現(xiàn)。在單片機(jī)部分，P0P7作為D/A轉(zhuǎn)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(guān)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(jī)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(fù)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(hù)系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障，RESET

8、做出響應(yīng);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(dāng)電壓下降到最小工作值以下時，系統(tǒng)復(fù)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(jī)的外部擴(kuò)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VCLR CS 片選中X25045MOV A,#WREN_INST 將寫使能指令給A（06H）ACALL OUTBYT 調(diào)

9、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X25045RET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VCLR CS 片選中X25045MOV 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

10、0;CS 片不選中X25045RET寫進(jìn)X25045中的狀態(tài)寄存器,設(shè)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VCLR CS 片選中X25045MOV 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(hù)） ACALL OUTBYT

11、 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X25045ACALL 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(biāo)志位）子程序:RDSR_CMD: CLR SCK 給出時鐘下降沿CLR CS 片選中X25045MOV 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&#

12、160;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X25045RET 寫進(jìn)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X25045MOV 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

13、60;將要寫進(jìn)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(jìn)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X25045ACALL 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&#

14、160;SCK 給出時鐘下降沿CLR CS 片選中X25045MOV 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

15、0;CS 片不選中X25045RET復(fù)位看門狗定時器子程序:RST_WDOG: CLR EA 關(guān)中斷VCLR CS 片選中X25045SETB CS 片不選中X25045SETB EA 開中斷VRET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BWIP_POLL1: ACALL RDSR_CMD 調(diào)讀X25045中的SR內(nèi)容（查詢寫好標(biāo)志位）子程序JNB ACC.0,WIP

16、_POLL2 寫好標(biāo)志位有效（為0）,轉(zhuǎn)下DJNZ B,WIP_POLL1 未到最大循環(huán)等待次數(shù),轉(zhuǎn)上繼續(xù)SJMP WIP_OUT 已到最大等待次數(shù),轉(zhuǎn)出WIP_POLL2: SETB 00H 置位寫好標(biāo)志位（1）有效WIP_OUT: NOP 轉(zhuǎn)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（D0D7）循環(huán)變量OUTBYT1: CLR SCK 給出時鐘下降沿RLC A&

17、#160;ACC最高位移到CMOV SI,C C傳給輸出口線NOP 降低X25045的工作頻率VSETB SCK 給出時鐘上升沿存入DJNZ R3,OUTBYT1 未移出8位,轉(zhuǎn)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（D0D7）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

18、0;C,SO 位數(shù)據(jù)從輸入口線傳給CRLC A C移進(jìn)ACC的最低位DJNZ R3,INBYT1 未移入8位,轉(zhuǎn)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(jī)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(yīng)、相鄰線路間的串?dāng)_以及各種外界因素（如大氣中的閃電、開關(guān)的跳火、外界強(qiáng)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(jìn)制數(shù)位和發(fā)送端實際發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)位不一致，從而造成由“0”變成“1

19、”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(shù)要求允許的技術(shù)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(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種檢驗碼。8位CRC碼的標(biāo)準(zhǔn)有CDT約定，其檢驗式為 ；16位的標(biāo)準(zhǔn)有CCITT（國際電報電話委員會推薦）標(biāo)準(zhǔn) ，和IBM提出的CRC-16標(biāo)準(zhǔn) ；檢驗錯誤效率最高的是具有32位CRC檢驗碼的CRC-32標(biāo)準(zhǔn)，它的檢驗多項式為 。本設(shè)計采用較為簡單的8位CDT標(biāo)準(zhǔn)。實現(xiàn)

20、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(jī)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(jī)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(jié)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

21、;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: RETTABLE0: DB 00H,03H,06H,05H,0cH,0fH,0aH,09H,18H,1b

22、H,1eH,1dH,14H,17H,12H,11HDB 30H,33H,36H,35H,3cH,3fH,3aH,39H,28H,2bH,2eH,2dH,24H,27H,22H,21HDB 60H,63H,66H,65H,6cH,6fH,6aH,69H,78H,7bH,7eH,7dH,74H,77H,72H,71HDB 50H,53H,56H,55H,5cH,5fH,5aH,59H,48H,4bH,4eH,4dH,44H,47H,42H,41HDB c0H,c3H,c6H,c5H,ccH,cfH,caH,c9H,d8H,dbH,deH,ddH,d4H,d7

23、H,d2H,d1HDB f0H,f3H,f6H,f5H,fcH,ffH,faH,f9H,e8H,ebH,eeH,edH,e4H,e7H,e2H,e1HDB a0H,a3H,a6H,a5H,acH,afH,aaH,a9H,b8H,bbH,beH,bdH,b4H,b7H,b2H,b1HDB 90H,93H,96H,95H,9cH,9fH,9aH,99H,88H,8bH,8eH,8dH,84H,87H,82H,81HTABLE1: DB 83H,80H,85H,86H,8fH,8cH,89H,8aH,9bH,98H,9dH,9eH,97H,94H,9

24、1H,92HDB b3H,b0H,b5H,b6H,bfH,bcH,b9H,baH,abH,a8H,adH,aeH,a7H,a4H,a1H,a2HDB e3H,e0H,e5H,e6H,efH,ecH,e9H,eaH,fbH,f8H,fdH,feH,f7H,f4H,f1H,f2HDB d3H,d0H,d5H,d6H,dfH,dcH,d9H,daH,cbH,c8H,cdH,ceH,c7H,c4H,c1H,c2HDB 43H,40H,45H,46H,4fH,4cH,49H,4aH,5bH,58H,5dH,5eH,57H,54H,51H,52HDB 73H,70H,75H,76H,7fH,7cH,79H,7aH,6bH,68H,6dH,6eH,67H,64H,61H,62HDB 23H,20H,25H,26H,2fH,2cH,29H,2aH,3bH,38H,3dH,3eH,37H,34H,31H,32HDB 13H,10H,15H,16H,1fH,1cH,19H,1aH,0bH,08H,0dH,0eH,07H,04H,01H,02H&#