測控系統(tǒng)原理與設計6-監(jiān)控程序設計

監(jiān)控程序設計本章主要內(nèi)容：監(jiān)控程序的功能和組成監(jiān)控主程序和初始化管理鍵盤管理顯示、中斷與時鐘管理硬件故障的自檢6.1監(jiān)控程序的功能和組成

監(jiān)控程序設計是指以空白的微處理器/控制器為基礎(chǔ)，完成全部的軟件設計，沒有將系統(tǒng)軟件和應用軟件分開處理，其實時性和可靠性與設計人員的水平密切相關(guān)，適用于功能較為簡單的中小型應用系統(tǒng)。測控系統(tǒng)（儀器）中軟件的主要功能采集信息與外界對話（鍵盤和顯示管理）記憶信息處理信息控制功能自我測試自補償自適應/自校正自學習圖6－1－1監(jiān)控程序的基本組成監(jiān)控主程序調(diào)用各模塊，并將它們聯(lián)系起來，形成一個有機整體，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的全部管理功能。測控算法程序主要實現(xiàn)測量與控制功能，它由描述一種或幾種測控算法(如數(shù)字濾波，PID算法等)的功能模塊構(gòu)成，通常為實時中斷程序或監(jiān)控程序所調(diào)用。各功能模塊又由各種下層模塊(子程序)所支持。6.2監(jiān)控主程序和初始化管理6.2.1監(jiān)控主程序

監(jiān)控主程序通常包括可編程器件、輸入、輸出端口和參數(shù)的初始化，自診斷管理模塊，鍵盤顯示管理模塊，以及實時中斷管理和處理模塊等。除了初始化和自診斷外，監(jiān)控主程序一般總是把其余部分聯(lián)接起來，構(gòu)成一個無限循環(huán)，測控系統(tǒng)的所有功能都在這一循環(huán)中周而復始地、或有選擇地執(zhí)行，除非掉電或按復位(RESET)鍵，測控系統(tǒng)不會跳出這一循環(huán)。由于各微機化測控系統(tǒng)的功能不同，硬件結(jié)構(gòu)不同，程序編制方法不同，因而監(jiān)控主程序沒有統(tǒng)一的模式。圖6－2－1監(jiān)控主程序流程示例

6.2.2初始化管理

一、可編程器件初始化――對可編程硬件接口電路的工作模式的初始化微機化測控系統(tǒng)中常用的可編程器件有：鍵盤顯示管理接口8279、I/O和RAM擴展接口8155，并行輸入輸出接口8255、定時計數(shù)器接口8253等。二、堆棧初始化――復位后首先在用戶RAM中確定一個堆棧區(qū)域，由堆棧指示器SP來管理三、參數(shù)初始化指對測控系統(tǒng)的整定參數(shù)(如PID算法的Kp、Ti、Td三個參數(shù)的初值)、報警值以及過程輸入通道的數(shù)據(jù)與過程輸出通道的數(shù)據(jù)初始化。6.3鍵盤管理

6.3.1一鍵一義的鍵盤管理

一鍵一義，即一個按鍵代表一個確切的命令或一個數(shù)字，編程時只要根據(jù)當前按鍵的編碼把程序直接分支到相應的處理模塊的入口，而無需知道在此以前的按鍵情況。鍵盤信號的獲得有三種方法：一、單純查詢法圖6－3－1查詢法程序流程（了解）功能：按下不同的按鍵會使SOUNDER發(fā)出不同頻率的聲音#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitBEEP=P3^7;sbitK1=P1^4;sbitK2=P1^5;sbitK3=P1^6;sbitK4=P1^7;…..voidPlay(uchart){…..}voidmain(){P1=0xff;BEEP=0;while(1){if(K1==0)Play(1);if(K2==0)Play(2);if(K3==0)Play(3);if(K4==0)Play(4);二、鍵盤中斷法

按下鍵盤任何鍵都引起一個中斷請求，鍵碼分析過程放在中斷子程序中，這種方法需獨自占用一個外部中斷源，其監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)如圖6-3-2(a)所示。

圖6－3－2中斷法和定時法程序框圖三、定時查詢法

每隔一定時間查詢一次鍵盤，由于時間間隔通常很短，對于操作者來說鍵盤的響應是實時的，鍵盤的查詢過程安排在定時中斷程序中完成，其監(jiān)控程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖6-3-2(b)所示。

6.3.2一鍵多義的按鍵管理

一、一鍵多義:一個按鍵有多種功能，既可作多種命令鍵，又可作數(shù)字鍵。在一鍵多義的情況下，一個命令不是由一次按鍵，而是由一個按鍵序列所組成。換句話說，對一個按鍵含義的解釋，除了取決于本次按鍵外，還取決于以前按了些什么鍵。因此對于一鍵多義的監(jiān)控程序，首先要判斷一個按鍵序列(而不是一次按鍵)是否已構(gòu)成一個合法命令。若已構(gòu)成合法命令，則執(zhí)行命令，否則等待新按鍵輸入。

二、一鍵多義的監(jiān)控程序

一鍵多義的監(jiān)控程序:要用多張轉(zhuǎn)移表，組成一個命令的前幾個按鍵起著引導的作用，把控制引向某張合適的轉(zhuǎn)移表，根據(jù)最后一個按鍵編碼查閱該轉(zhuǎn)移表，就找到要求的子程序入口。按鍵的管理，可以用查詢法也可以用中斷法。

三、一鍵多義鍵服務程序流程實例

8回路微機溫控儀鍵盤有6個按鍵：C鍵(回路號1～8，第8回路為環(huán)境溫度補償，其余為控溫點)P鍵(參數(shù)號，有設定值，實測值，共8個參數(shù))△

鍵(加1)▽鍵（減1）只用于設定值的修改R鍵(運行)S鍵(停止運行)第8回路(環(huán)境溫度補償回路)只有溫度實測值一個參數(shù)，沒有其它參數(shù)第1～7個回路有設定值（P、I、D參數(shù)，上、下限報警值）、溫度實測值8個參數(shù)1、

程序流程――圖6－3－32、

程序清單：參見教材。設鍵編碼R：00H；S：01H；△：02H；▽：03H；C：04H和P：05H。內(nèi)存RAM20H中高4位為通道(回路)號標記，低4位為參數(shù)號標記。假設8279命令口地址為7FFFH，數(shù)據(jù)口地址為7FFEH。7個回路(1～7)，每個回路8個參數(shù)，共有56個轉(zhuǎn)移入口，分別由56個鍵服務功能模塊所支持。第8回路無參數(shù)，由其獨立子程序C8單獨處理。圖6－3－3一鍵多義鍵服務程序流程6.3.3自動/手動切換

一、微機化控制系統(tǒng)的兩種工作方式自動方式――微機化控制系統(tǒng)的基本工作方式。手動方式――在系統(tǒng)調(diào)試、測試時，用來調(diào)整輸出控制值。二、自動/手動切換控制的基本功能是：①在手動方式時，能通過一定的手動操作來方便、準確地調(diào)整輸出值；②能實現(xiàn)手動-自動的無擾動切換。三、實現(xiàn)手動操作的方法實現(xiàn)手動操作，有硬件方法和軟件方法兩種。目前大多數(shù)微機化系統(tǒng)采用軟件方法，由操作面板上的幾個按鍵來實現(xiàn)。監(jiān)控程序通過判斷手動-自動切換鍵的狀態(tài)來判斷是否進入手操方式。在手操方式時，系統(tǒng)的自動控制功能暫停，改由面板上的輸出加、減兩鍵來調(diào)整輸出值。四、無擾動切換的實現(xiàn)在用戶RAM區(qū)中開辟一個輸出控制值單元，作為當前輸出控制量的映象，無論是手操還是自動控制，都是對這一輸出值的映象單元進行加或減，在輸出模塊程序作用下，輸出通道把此值送到執(zhí)行機構(gòu)上去。6.4顯示、中斷與時鐘管理

6.4.1顯示管理一、微機化系統(tǒng)的主要顯示方式模擬指示――用模擬表頭作為顯示手段，無需軟件管理。數(shù)字顯示――硬件方案的不同，軟件顯示管理方法也不同二、顯示管理軟件的基本任務1、顯示更新的數(shù)據(jù)2、多參數(shù)的巡測和定點顯示管理

巡回顯示方式――每隔一定時間)改換一個新的顯示參數(shù)

定點顯示方式――只跟蹤顯示某一參數(shù)，不改換通道或參數(shù)3、指示燈顯示管理通?？捎膳c某一指示燈有關(guān)的功能模塊直接管理。P0=DSY_CODE[DSY_Buffer[0]];P1=DSY_CODE[DSY_Buffer[1]];P2=DSY_CODE[DSY_Buffer[2]];DSY_Buffer[2]=Count/100;DSY_Buffer[1]=Count%100/10;DSY_Buffer[0]=Count%10;voidmain(){LED=1;EA=1;EX0=1;IT0=1;while(1);}//INT0中斷函數(shù)voidEX_INT0()interrupt0{LED=~LED;//控制LED亮滅#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitLED=P0^0;//主程序測控系統(tǒng)的中斷源：過程通道實時時鐘面板按鍵通信接口系統(tǒng)故障6.4.2中斷管理一、一個中斷源的中斷過程：①暫時保護程序計數(shù)器的內(nèi)容。②將中斷服務程序的入口地址送入程序計數(shù)器。③在服務程序開始時，必須將服務程序需要使用的CPU寄存器(例如累加器、進位位、專用的暫存寄存器等)的內(nèi)容暫時地保護起來，并在服務程序結(jié)束時再恢復其內(nèi)容。④對于引起中斷而將INT變?yōu)榈碗娖降脑O備，系統(tǒng)必須進行適當?shù)牟僮魇笽NT再次變?yōu)楦唠娖?。⑤如果允許發(fā)生中斷，則必須將允許中斷觸發(fā)器再次置位。⑥最后，恢復程序計數(shù)器原先被保存的內(nèi)容，以便返回到被中斷的程序。二、多個中斷源的處理確定多個中斷源的優(yōu)先級，在軟件上作出相應處理。當CPU在處理中斷時，還要能響應更高級的中斷請求，而屏蔽掉同級或較低級的中斷請求。三、中斷程序模塊中斷模塊分中斷管理模塊和中斷服務模塊兩部分。1、中斷服務模塊――具體服務內(nèi)容，由各測控系統(tǒng)的功能所決定。2、中斷管理模塊中斷管理軟件模塊，通常應包括以下功能：斷點現(xiàn)場保護；識別中斷源；判斷優(yōu)先級；如果允許中斷嵌套，則再次開放中斷(單片機除外)；中斷服務結(jié)束后恢復現(xiàn)場，如圖6-4-1所示。圖6－4－1中斷流程四、多中斷源識別通常，系統(tǒng)掉電總是作為最高級中斷源。其它中斷源的優(yōu)先級，則由設計人員根據(jù)系統(tǒng)的功能特點來確定。當有兩個以上中斷源時，可以采用如下兩種方法：①利用定時器/計數(shù)器的外部事件計數(shù)輸入端(T0或T1)，作為邊沿觸發(fā)的外部中斷輸入端，這時定時器/計數(shù)器應工作于計數(shù)器方式，計數(shù)寄存器應預置滿度數(shù)。②每個中斷源都接在同一個外部中斷輸入端(INT0或INT1)上，同時利用輸入口來識別某裝置的中斷請求。圖6－4－2多中斷源識別電路6.4.3時鐘管理

一、時鐘作為定時器的用途①過程輸入通道的數(shù)據(jù)采樣周期定時；②過程輸出通道控制周期的定時；③參數(shù)修改按鍵數(shù)字增減速度的定時；④多參數(shù)巡回顯示時的顯示周期定時；⑤動態(tài)保持方式輸出過程通道的動態(tài)刷新周期定時；⑥電壓-頻率型A/D轉(zhuǎn)換器定時電路；⑦故障監(jiān)視電路(Watchdog)的定時信號。二、實現(xiàn)定時的方法1、硬件方法采用可編程定時/計數(shù)器接口電路(如CTC8253)以及單片機內(nèi)的定時電路。這種定時方法的定時間隔不可能做得太長。采用實時時鐘芯片。

2、軟件方法。采用軟件延時方案，無需硬件成本，但要占用大量CPU時間，且實時性差，定時精度低。3、軟件與硬件相結(jié)合定時的方法這種方案幾乎不影響測控系統(tǒng)的實時響應，而且能實現(xiàn)多種時間間隔的定時。首先由定時電路產(chǎn)生一個基本的脈沖。硬件定時時間到，產(chǎn)生一中斷。監(jiān)控主程序隨即轉(zhuǎn)入時鐘中斷管理模塊。在設計軟件結(jié)構(gòu)時，可串行地或并行地設置幾個軟件定時器(在用戶RAM區(qū))。當硬件定時中斷一到，這些軟件時鐘分別用累加或遞減方法計時，并由軟件來判斷是否定時時間到。6.5硬件故障的自檢

6.5.1自檢方式一、自檢的基本原理自檢就是利用事先編制的程序?qū)y控系統(tǒng)的主要部件進行自動檢測，以確定是否有故障以及故障的內(nèi)容和位置。故障診斷的基本原理是對被測部件輸入一串數(shù)據(jù)——試驗數(shù)據(jù)，然后觀察相應的輸出數(shù)據(jù)，并對觀察結(jié)果進行分析，確定故障的內(nèi)容和位置。試驗數(shù)據(jù)、觀察到的結(jié)果數(shù)據(jù)和故障的對應關(guān)系應在故障診斷前準備好。二、自檢方式的三種類型：一、開機自檢在電源接通或系統(tǒng)復位之后進行。自檢中如果沒發(fā)現(xiàn)問題，就進入測量程序，如果發(fā)現(xiàn)問題，則及時報警。2、周期性自檢在測控系統(tǒng)運行過程中，間斷插入的自檢操作，這種操作可以保證測控系統(tǒng)在使用過程中一直處于正常狀態(tài)。周期性自檢不影響測控系統(tǒng)的正常工作，因而只有當出現(xiàn)故障給予報警時，用戶才會覺察。鍵盤自檢具有鍵盤自檢功能的測控系統(tǒng)面板上應設有“自檢”按鍵，當用戶對系統(tǒng)的可信度發(fā)出懷疑時，便通過該鍵來啟動一次自檢過程。三、自檢結(jié)果的提示――“出錯代碼”自檢過程中，微機化測控系統(tǒng)一般都借用本身的顯示器，以文字或數(shù)字的形式顯示“出錯代碼”，出錯代碼通常以“ErrorX”字樣表示，其中“X”為故障代號，操作人員根據(jù)“出錯代碼”，查閱操作手冊便可確定故障內(nèi)容。除了給出故障代號之外，往往還給出指示燈的閃爍或者音響報警信號，以提醒操作人員注意。6.5.2自檢算法一、ROM或EPROM的檢測ROM故障的檢測常用“校驗和”方法，具體作法是：在將程序機器碼寫入ROM的時候，保留一個單元(一般是最后一個單元)，此單元不寫程序機器碼而是寫“校驗字”，“校驗字”應能滿足ROM中所有單元的每一列都具有奇數(shù)個1。自檢程序的內(nèi)容是：對每一列數(shù)進行異或運算，如果ROM無故障，各列的運算結(jié)果應都為“1”，即校驗和等于FFH。二、RAM的檢測常用的方法是“異或法”，即把RAM單元的內(nèi)容求反并與原碼進行“異或”運算，如果結(jié)果為FFH，則表明該RAM單元讀寫功能正常，否則，說明該單元有故障。最后再恢復原單元內(nèi)容。RAM的自檢流程如圖6－5－1所示。圖6－5－1RAM自檢流程圖三、總線的自檢總線的自檢是指對經(jīng)過緩沖器的總線進行檢測。設置兩組鎖存觸發(fā)器，分別用于記憶地址總線和數(shù)據(jù)總線上的信息。這樣，只要執(zhí)行一