無線通訊技術的設計方案

- 1 - 無線通訊技術的設計方案 第一章 引言 究的目的和意義 目前無線數(shù)據(jù)通信技術在工控應用中不斷升溫，無線通訊正在深入各種行業(yè)。 無線通信技術取代了數(shù)據(jù)電纜來完成點對點或點對多點的數(shù)據(jù)通信。傳統(tǒng)的信號電纜傳輸方式的優(yōu)點是傳輸速度快，信號相互之間隔離好。但由于每個信號占用一條信號電纜線，當工位和信號較多時，占用的信號線多，施工布線工程量大，不易維護。一旦出現(xiàn)故障，檢修非常不便。隨著微電子技術的不斷發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸技術得到越來越多的推廣和應用，該技術的最大特點是通信的雙方可省去布線，具有成本低、可靠性高、 維護方便等優(yōu)點。但目前國內(nèi)外該技術在計算機測控領域中使用的還不是太多。利用無線數(shù)據(jù)傳輸技術實現(xiàn)上位機和下位機之間的通信以及下位機和現(xiàn)場傳感器之間實現(xiàn)信號的傳輸，不但省去了信號電纜及布線工作，還可使系統(tǒng)之間的信號傳輸和連接大為簡化。 在工控現(xiàn)場中，短程的無線連接有著廣泛的應用需求，但一直沒有一個很好的解決方案。無線通信技術應用于工業(yè)測控現(xiàn)場，能夠降低施工的難度和建設成本，具有較高的實用價值和較好的應用前景。其優(yōu)點表現(xiàn)在： 取代了大量短程連接所用的電纜，尤其是電纜無法到達的地方，無線通信具有更大的優(yōu) 勢； 以前的應用程序可以不做任何或很小的修改，升級成本?。?易于安裝、維護與擴展。 降低了系統(tǒng)建造成本，這也是無線通信技術的一個顯著特點； - 2 - 近年來，無線網(wǎng)絡成為工控領域中迅速發(fā)展的熱點之一，也是工業(yè)自動化產(chǎn)品未來的新增長點。顯而易見，在配置、安裝、修改和擴展等方面，無線網(wǎng)絡的成本都低于有線網(wǎng)絡。特別是通過無線網(wǎng)絡可以很方便地接入移動設備，例如在物流過程中的裝載和運輸如若采用無線網(wǎng)絡，將大大提高工作人員的工作效率和精確性。 前現(xiàn)狀 在測控應用中，現(xiàn)階段基本上都是以有線 的方式進行連接，實現(xiàn)各種控制功能。各種總線技術，局域網(wǎng)技術等有線網(wǎng)絡的使用給人們的生產(chǎn)和生活帶來了便利，改變了我們的生活，對社會的發(fā)展起到了極大的推動作用。有線網(wǎng)絡速度快，數(shù)據(jù)流量大，可靠性強，對于基本固定的設備來說無疑是比較理想的選擇，在實際應用中也達到了比較滿意的效果。但隨著集成電路技術、射頻技術的發(fā)展，無線通信功能的實現(xiàn)越來越容易，數(shù)據(jù)傳輸速度也越來越快，并且逐漸達到可以和有線網(wǎng)絡相媲美的水平。而同時有線網(wǎng)絡布線麻煩，線路故障難以檢查，設備重新布局就要重新布線，且不能隨意移動等缺點越發(fā)突出。在向往自由 和希望隨時隨地進行通信的今天，人們把目光轉(zhuǎn)向了無線通信方式，尤其是一些機動性要求較強的設備，或人們不方便隨時到達現(xiàn)場的條件下。因此出現(xiàn)一些典型的無線應用，如：無線智能家居，無線數(shù)據(jù)采集，無線設備管理和監(jiān)控，汽車儀表數(shù)據(jù)的無線讀取等等。 微電子技術的不斷發(fā)展極大地推動了計算機和通信設備的普及和迅猛發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸技術也獲得了越來越廣泛的應用。該技術省去了布線，具有成本低、可靠性高、易于維護等諸多優(yōu)點。隨著信息化帶動各行業(yè)進程的逐步深入，在工業(yè)測控領域，由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊構成的雙級測控管理系統(tǒng)將會有廣泛的應用 前景。 統(tǒng)方案論證和預期目標 本系統(tǒng)利用單片機與微型計算機相結合，并配合無線數(shù)據(jù)傳輸技術，實現(xiàn)對現(xiàn)場溫度、轉(zhuǎn)速信號的采集和監(jiān)控管理。系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)進行處理、顯示或發(fā)送到上位機做進一步處理。作為系統(tǒng)的控制核心，選擇一款合適的微 - 3 - 控制器是非常關鍵的。基于本系統(tǒng)的具體情況，經(jīng)過比較，本課題選擇了德州儀器公司（ 發(fā)的 16位 片機，它的突出優(yōu)點是超低功耗，高抗干擾和高度集成，易于連接外部接口電路，非常適合構建單片機最小系統(tǒng)。上位機采用功能強大的微型計算機，它由于有操作系統(tǒng)和 其他軟件的支持，可以向用戶提供友好、簡潔的界面，有利于用戶高效的數(shù)據(jù)管理。對于無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，目前市場上已有多種產(chǎn)品可供選擇，如 ，本課題選用了 無線通信模塊具有很強的抗干擾能力，全透明數(shù)據(jù)傳輸，體積小，功耗低，傳輸距離遠等特點，其工作頻率在 段，無需申請頻點，且提供 2 個串口 3 種接口方式，可直接與單片機串口、計算機 需添加電平轉(zhuǎn)換電路，軟件編程非常方便。 經(jīng)過嚴格的分析論證，本方案能夠?qū)崿F(xiàn)基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?采集與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但能及時監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)，而且方便人們觀測和管理，對其他類似的無線數(shù)據(jù)采集、傳輸應用系統(tǒng)具有一定的參考價值。系統(tǒng)的主要設計技術指標與參數(shù)如下： 90 試分辨率： 1 19999轉(zhuǎn) /分，測試分辨率： 1轉(zhuǎn)。 碼顯示器，每組 4位，分別顯示溫度和轉(zhuǎn)速。 600，通信距離不小于 50m。 只有當按下該鍵時才能向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)）。 統(tǒng)設計概述 雙級監(jiān)控管理系統(tǒng)由上位機和下位機組成 ,它能夠完成對現(xiàn)場的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。下位機采用 功耗低，外設豐富，易于接外部接口電路，用來監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)。上位機采用功能強大的微型計算機，由于它具有操作系統(tǒng)和其他軟件的支持，可以向用戶提供美觀的界面和高效的數(shù)據(jù)管理。本課題的雙級監(jiān)控管理系統(tǒng)正是結合了上位機和下位機各自的優(yōu)點，實 - 4 - 現(xiàn)了對實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理。 本設計主要完成一個具有溫度和轉(zhuǎn)速測試功能、 行通信等功能的下位機最小系統(tǒng)，并選用無線通信模塊完成與上位機的通信功能。設計 中，硬件部分即系統(tǒng)電路的設計是利用電路 位機軟件部分即通訊和數(shù)據(jù)處理程序的設計利用 設計主要分為三大部分：第一部分，系統(tǒng)硬件的選用及電路設計。第二部分，下位機系統(tǒng)軟件部分的開發(fā)。主要包括數(shù)據(jù)采集處理程序，數(shù)據(jù)顯示程序，串口通信程序和主處理模塊。第三部分，上位機數(shù)據(jù)通信與管理程序的設計。程序主要分兩部分：一是數(shù)據(jù)發(fā)送程序，主要是把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成發(fā)送碼并 將其發(fā)送出去。二是數(shù)據(jù)接收程序，主要是接收發(fā)送碼并將其還原，顯示所接收到的數(shù)據(jù)。 第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 5 - 第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 統(tǒng)描述 本系統(tǒng)采用 片機結合無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 108 組成基于無線傳輸?shù)碾p級測控管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r對現(xiàn)場溫度信號和轉(zhuǎn)速信號進行采集。整個系統(tǒng)的原理框圖如圖 1所示： 圖 1 系統(tǒng)原理圖 由圖 1 可以看出，整個系統(tǒng)結構比較簡單，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、無線串口通信模塊、單片機模塊和微機（上位機）組成。下位機 主要負責數(shù)據(jù)的采集和通信，上位機負責接收下位機的數(shù)據(jù)并對其做進一步處理。下面分別介紹系統(tǒng)幾個主要硬件器件的選擇和各模塊的實現(xiàn)。 控制器簡介 6位系列單片機，其最早是面向于驅(qū)動 于極好的應用效果和很大的市場潛力，現(xiàn)已有 4且還在不斷的發(fā)展。 為一種新型的單片機，采用了第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 6 - 司最新的低功耗技術，使其在眾多的單片機中獨樹一幟。 正常工作模式（ 4 種低功耗工作模式（ 在電源電壓為 3V 時，各種模式的工作電流分別為 34070172片機可以方便的在各種工作模式之間切換。 超低功耗使其在電池供電、便攜式設備的應用中表現(xiàn)出非常優(yōu)良的特性。 具有非常高的集成度，其充足的外設和存儲器容量能夠?qū)崿F(xiàn)真正的 單芯片系統(tǒng)。其外設包括一個12 位 換，斜坡式 換，三個具有捕捉比較、 脈寬調(diào)制輸出的功能的定時器，集成在芯片上的時鐘信號發(fā)生器，硬件乘法器，串行輸入輸出模塊，看門狗定時器，片內(nèi)數(shù)控振蕩器（ 大量的 I/O 端口以及大容量的片內(nèi)存儲器，單片可以滿足絕大多數(shù)的應用需要。 這種高集成度使應用人員不必在接口、外接 I/O 及存儲器上花太多的精力，而可以方便的設計真正意義上的單片系統(tǒng)。 片內(nèi)存儲器有 C 型）、 型 )4 種型號，采用馮 此， 全部的外圍模塊都位于同一地址空 間內(nèi)。 列的指令系統(tǒng)同樣別具特色。在統(tǒng)一尋址空間內(nèi)，七種源地址模式和四種目的地址模式為用戶提供了無限制的立體空間尋址。也就是七種源地址可指向整個尋址空間內(nèi)的所有存在地址，四種目的地址可指向整個尋址空間內(nèi)的所有存在地址。與其他尋址方式相比，這種立體尋址方式的靈活性顯而易見。同時其內(nèi)核指令只有二十七個。以 16位結構和接近 8的 2位或 48位浮點運算。 由于選用了集成度很高的 系統(tǒng)的整個電路結構變得非常簡單。這種 A 構使得系統(tǒng)的可靠性增加。結構的簡化同時降低了主機部分的成本。 線數(shù)據(jù)傳輸模塊 目前技術比較成熟的短距離無線通訊方式主要有兩種： 紅外（ 射頻（ 因為紅外傳輸?shù)淖畲蟛蛔闶羌t外方向性強，距離短，不能有遮擋物。第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 7 - 射頻方式覆蓋范圍大，發(fā)射功率較自然背景噪聲低，而且這種技術具有良好的抗干擾性、抗噪聲、抗衰落及保密性能。因此它具有很高的可用性。 目前，市場上無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，具體選擇方案時，應考慮以下一些因素：收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量，功耗，發(fā)射功率，最大數(shù) 據(jù)傳輸率等等。經(jīng)過多方比較和考慮，本系統(tǒng)選擇了上海桑銳電子科技有限公司的微功率無線數(shù)傳模塊。該模塊采用高效 向糾錯技術，同時結合高性能的無線射頻 及高速微處理器，在 無線通信模塊的基礎上適當增加了無線射頻功率放大器 , 可與 無線通信模塊具有很強的抗干擾能力 , 全透明傳輸 , 體積小 ,功耗低傳輸距離遠的特點 , 客戶使用時不需要任何編碼技術。 其主要結構和技術參數(shù)如下： 性能參數(shù)： 型號 中心頻率 4336815頻率范圍 429438 信道數(shù) 8/16/32信道可選 調(diào)制方式 通信距離 (開放環(huán)境 ) 2500米 功能 雙向半雙工通信 波特率 1200/2400/4800/9600/19200口方式 射功率 +10000接收靈敏度 通信數(shù)據(jù)格式 8 工作電壓 + 發(fā)射電流 3 米 ， 可 靠 傳 輸 離 距 2500m（ 0200 提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應任何標準或非標準的用戶協(xié)議。自動過濾掉空中產(chǎn)生的噪音信號及假數(shù)據(jù)（所發(fā)即所收）。 速率。 ，根據(jù)用 戶需要，可擴第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 9 - 展到 32信道，滿足用戶多種通信組合方式的需求。 120024004800960019200多種通信波特率，并且無線傳輸速率與接口波特率成正比，以滿足客戶設備對多種波特率的需要。 3種接口方式。 模塊提供 2 個串口 3 種接口方式， 平 戶只需要拔 /插短路器再上電即可改變接口類型）。 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。 可一次傳輸無限長度的數(shù)據(jù)，用戶編程更加靈活。 戶無需編制多余的程序 即使是半雙工通信，用戶也無需編制多余的程序，只要從接口收 /發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收 /發(fā)轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡連接，控制等操作， 接收電流 40射電流 700眠時電流僅為 20特率=1200 積小、重量輕。 采用高性能單片處理器 圍電路少，可靠性高，故障率低。 口收發(fā)等待時間。 可設置的接口等待時間使用模塊既能用于高速用戶設備（如 統(tǒng)）也可適用低速系統(tǒng)（如 51系統(tǒng)）。 看門狗監(jiān)控內(nèi)部功能，改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品的組織結構，提高了產(chǎn)品的可靠性。 統(tǒng)硬件模塊設計 系統(tǒng)硬件部分即系統(tǒng)電路的設計是利用電路 具軟件 計完成的。 第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 10 - 計系統(tǒng)是一套建立在 容 境下的 路集成設計環(huán)境，其功能強大，兼容性好，且性價比高。融合了當今 處理各種復雜的 計過程 ，實現(xiàn) 計的多維設計輸入、信號仿真、信號完整性分析、拓撲邏輯自動布線和 僅能完成基于 設計輸入、仿真和驗證 ,還包括了 規(guī)則驅(qū)動的 撲邏輯自動布線技術和 當今 新發(fā)展中專門基于 P 和000 臺的板級設計系統(tǒng)，能為用戶提供全線的板級設計手段。它將所有板級設計工具集于一身，使設計者能夠按照自己的設計方式實現(xiàn)從最初的項目規(guī)劃到最終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù) 的全部過程。 該系統(tǒng)的硬件部分主要由電源模塊，復位模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，無線串口通信模塊及單片機處理模塊構成。 源電路 電源電路為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電壓輸出。 1222 單片機的輸入電壓范圍為 前置信號處理電路和無線數(shù)傳模塊的工作需要 5V 電壓。該電源可為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的 5V 電壓，電路采用 調(diào)穩(wěn)壓器為系統(tǒng)提供 電壓，用 路如圖 2所示： 第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 11 - 圖 2 電源電路圖 為了使輸出的電源穩(wěn)定，輸出紋波 小，在電路的輸出部分分別采用兩個電容進行濾波，在電路的輸入端也放置兩個濾波電容，以減小輸入端的紋波。 位電路 在單片機系統(tǒng)中，單片機需要復位電路。復位電路可以采用 R C 復位電路，也可以采用復位芯片實現(xiàn)的復位電路。 R C 復位電路的經(jīng)濟成本比較低，但可靠性不高，用復位芯片實現(xiàn)的電路具有較高的可靠性，同時也提高了系統(tǒng)的成本。本系統(tǒng)根據(jù)自身情況，選擇的是 R C 復位電路，如圖 3所示： 第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 12 - 圖 3 復位電路 據(jù)采集電路 數(shù)據(jù)采集電路分為溫度采集電路和轉(zhuǎn)速采集電路，電路采用常用的信號采集電路，如圖 4 所示： 第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 13 - 圖 4 數(shù)據(jù)采集電路 1） 溫度采集電路 傳感器采集的溫度信號經(jīng)過 。 2） 轉(zhuǎn)速采集電路 傳感器采集的轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)過 74密特觸發(fā)器整形后送入單片機的 后由單片機進行脈沖中斷記數(shù)。 線串口通信電路 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的電路設計的主要功能是提供單片機和 108無第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 14 - 線模塊的接口電路，以及 108 無線模塊和計算機之間的通信接口電路。 圖 5 串口通信電路 由于單片機的輸入、輸出電平為 與 此要實現(xiàn)單片機與 之間的數(shù)據(jù)通信，必須進行電平轉(zhuǎn)換。但 由于 108無線模塊提供 2個串口 3種接口方式， 口。 口，用戶只需要拔 /插短路器再上電即可改變接口類型，可直接與單片機串口、計算機 口連接，無需添加電平轉(zhuǎn)換電路，這使得電路設計更加簡單。將 108 無線模塊的 腳， 108 模塊的電源接 5V 電壓，同時將地線引腳接地。 示電路 系統(tǒng)的顯示電路采用簡單常用的 方式既能夠滿足系統(tǒng)的要求，又具有亮度高、工作電壓低、功耗小、微型化、易與集成電路匹配、驅(qū)動簡單、壽命長、耐沖擊、性能穩(wěn)定 等優(yōu)點 ，也可降低整個系統(tǒng)的成本。圖 6為該系統(tǒng)的顯示電路。 第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 15 - 圖 6 顯示電路 該顯示電路由兩組 組 4位，左面 4位用于顯示溫度，右面 4 位用于顯示轉(zhuǎn)速。顯示器通過 74動芯片與單片機的 相連，單片機 4來控制 碼管的顯示選通狀態(tài)。由于 列單片機具有豐富的 I/O 口資源，這樣的連接方式非常易于實現(xiàn)，同時也減小了系統(tǒng)設計的復雜性。 片機電路 單片機電路作為整個系統(tǒng)的核心控制部分，主要完成與其他電路的接口，在系統(tǒng)中主要負責對現(xiàn)場溫度信號和轉(zhuǎn)速信號的采集，并將得到的數(shù)據(jù)進行處理顯示，或通過按鍵將數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)模塊傳輸?shù)缴衔粰C做進一步處理。其電路圖如下： 第二章 系統(tǒng)的硬件構成與分析 - 16 - 圖 7 單片機電路 由以上各部分電路可以看出，整個系統(tǒng)硬件設計比較簡單，數(shù)據(jù)采集電路具有一定的通用性，可同時采集模擬量數(shù)據(jù)和數(shù) 字量數(shù)據(jù)。電源及復位模塊主要為整個系統(tǒng)提供可靠的電源，考慮到系統(tǒng)工作需要提供復位功能，因此電路也為系統(tǒng)提供復位信號。串口通信模塊主要完成與上位機通信，設計比較簡單。另外，單片機的時鐘模塊由低速晶體振蕩器，同時外加電容構成。鍵盤輸入電路完成用戶與機器的交互，按鍵相對較少，主要用來提供向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的控制信號，連接于單片機的 用中斷觸發(fā)方式實現(xiàn)。 第三章 系統(tǒng)軟件設計 - 17 - 第三章 系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)的軟件由上位機軟件和下位機軟件構成。上位機程序主要完成對下位機數(shù)據(jù)的接收和對下位機發(fā)送信息，并對接收的數(shù)據(jù)做進一步處理。 下位機程序主要完成對現(xiàn)場溫度和轉(zhuǎn)速的采集，用 示轉(zhuǎn)速和溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳給上位機，并接收上位機發(fā)送的信息。 位機程序設計 本系統(tǒng)的上位機軟件使用微軟的 稱 開發(fā)。 司推出的強有力的系列開發(fā)軟件之一，而且以其實用、方便、快捷、開發(fā)周期短、廣泛而強大的功能越來越被廣大編程人員所親賴，廣為流傳。在 稱控制、組件）供編程人員使用，可以方便的利用這些組件中的屬性、方 法、語言等以事件驅(qū)動方式開發(fā)應用程序，還可以利用 的 的應用程序接口等工具開發(fā)應用程序。它支持面向?qū)ο蟪绦蛟O計 ,支持結構化的事件驅(qū)動編程模式 ,并可使用無限擴增的控件。 一個 統(tǒng)下流行的應用程序開發(fā)平臺，其方便的界面設計使程序員能節(jié)省大量時間，并把最大的精力集中在應用程序核心代碼的編寫上。本軟件與下位機軟硬件及其它相關元器件共同組成了一個雙級測控管理系統(tǒng)。軟件主要功能如下： （ 1）通信功能： 通過串行口發(fā)送命令信號實現(xiàn)對下位機的控制，也可實時接收下位機發(fā)送的數(shù)據(jù) 。 （ 2）顯示功能： 實時顯示接收的數(shù)據(jù)，能夠選擇不同的數(shù)據(jù)格式進行顯示。 （ 3）數(shù)據(jù)管理功能： 管理監(jiān)控到的數(shù)據(jù)，對從串行口接收的數(shù)據(jù)進行處理分析或存儲。 第三章 系統(tǒng)軟件設計 - 18 - 程序的運行界面如下： 圖 8 串口通信程序界面 由于程序的界面安排比較緊湊，對接收數(shù)據(jù)的保存功能放在右鍵的彈出菜單中。 B 串行通訊 在 供了一個使用非常方便的串行通訊控件 全面的提供了使用 既可以 使用查詢方式又可以使用事件驅(qū)動方式來完成串行通訊。在 些編程要素有屬性、事件和函數(shù)，利用這些要素編程，可以實現(xiàn)幾乎全部的串行通訊功能?？丶?事件可以截取串口的任何消息，轉(zhuǎn)入事件處理程序。 作系統(tǒng)的運行機制為事件驅(qū)動，在 沒有事件發(fā)生時程序可能處于某一循環(huán)、等待或任務狀態(tài)當事件發(fā)生時，程序轉(zhuǎn)入事件處理程序。每個控件下都有一些事件供程序員使用， 件是唯一的， 以撲獲通訊時發(fā)生的串口事件和錯誤信息，當有串口事件第三章 系統(tǒng)軟件設計 - 19 - 或錯誤發(fā)生時， 立刻觸發(fā)一個 件，程序就會自動轉(zhuǎn)入 件處理程序中。 性是 件的指示器，該屬性在設計時不能使用，在程序運行時為只讀， 性存有最近的事件或錯誤的數(shù)值代碼，可以在程序中隨時讀取 性值來了解通訊的狀況， 件是和 起使用，當任何一個 件或錯誤發(fā)生時，都會使得 性值改變，在 件處理過程中，可以通過判斷 于不同的屬性值轉(zhuǎn)入不同的事件處理過程。 線傳輸接口和協(xié)議 在本項目中使用 訊程序使用 用 片機作數(shù)據(jù)采集的下位機，上位機作數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理中心站，下位機實時采集數(shù)據(jù)之后，進行簡單的數(shù)據(jù)計算，當收到上位機發(fā)來的發(fā)送指令或按下發(fā)送按鍵之后，開始向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機無線通訊接口使用 108 模塊，下位機同樣使用 108模塊，單片機的數(shù)字信號 經(jīng)過串口送入無線 收數(shù)據(jù)的方式與上述相同，經(jīng)無線 信號解調(diào)為數(shù)字信號進入計算機或單片機處理。在本系統(tǒng)的通訊中，使用點對點通訊，在通訊協(xié)議中無須增加站點識別碼，因此通信協(xié)議更加簡單，異步串行通信波特率為 9600 步通信幀格式為：無奇偶校驗位， 8位數(shù)據(jù)位， 1位停止位；串行通信數(shù)據(jù)起始碼為： 行通信數(shù)據(jù)結束碼為： 下位機向上位機傳送的代碼為 上位機向下位機發(fā)送的命令同樣為 無線通訊過程中，除了規(guī)定合理的協(xié)議之外，為了保證通訊 的正確性，在數(shù)據(jù)發(fā)送時適當?shù)脑黾友訒r是必要的，當速度較慢的計算機向速度較快的計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時應適當?shù)脑黾友訒r。 本系統(tǒng)的串口通訊采用事件驅(qū)動方式，事件觸發(fā)方式對于定長通訊非常有效，但定長通訊在有些場合不實用。下面是在程序中定義的 1 或 2 通過組合框選擇設置通訊串口為 1 或 2 號串口 024 定義輸出緩沖區(qū)為 512字節(jié) 第三章 系統(tǒng)軟件設計 - 20 - 512 定義輸入緩沖區(qū)為 512字節(jié) ,N,8,1 設定波特率和置校驗位為 1 打開串口 0 接收緩沖區(qū)全部數(shù)據(jù) 1 設定 1，等待出發(fā) 件 通過組合框選擇接收模式 其他參數(shù)采用默認值。 信模塊設計 上位機的通信程序具有很大的通用性和靈活性，可以根據(jù)不同的參數(shù)選擇，進行不同格式的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，也可適用于與本系統(tǒng)不相關的串口通信中。 在本系統(tǒng)中，當對下位機數(shù)據(jù)接收時，首先要選中復選框（對下位機收發(fā)數(shù)據(jù)）。接收時在程序中先判斷數(shù)據(jù)包頭 數(shù)據(jù)包頭 暫時存放于緩沖區(qū)中，直至數(shù)據(jù)包尾 不正確，就丟棄，并繼續(xù)執(zhí)行其他程序；若正確，則處理接收的字符，提取需要的數(shù)據(jù)。上位機 采用與下位機同樣的通信協(xié)議，也是由數(shù)據(jù)包頭 +數(shù)據(jù) +數(shù)據(jù)包尾構成。上位機對下位機發(fā)送的控制命令有固定的幾種，也可根據(jù)需要自行擴充，其命令格式為：數(shù)據(jù)包頭，命令數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包尾 （ 命令數(shù)據(jù) 對下位機發(fā)送數(shù)據(jù)時也要選中復選框（對下位機收發(fā)數(shù)據(jù)），否則下位機收不到正確的數(shù)據(jù)。 該串行通信程序具有很大的通用性：（ 1）串口通過方便靈活的對話框設置，可適用于不同系統(tǒng)的串行通信測試。（ 2）程序自動接收通信數(shù)據(jù)，便于串行通信接口的調(diào)試。（ 3）程序使用事件驅(qū)動方式控制串口，稍加修改即可應用于不同的串行通信程序中 。 第三章 系統(tǒng)軟件設計 - 21 - 在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，通用串行通信測試程序經(jīng)多次使用，證明對上下位機之間的串行通信調(diào)試是非常有效的。 據(jù)處理 當程序用于發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先根據(jù)需要選擇數(shù)據(jù)的發(fā)送格式，本程序提供三種數(shù)據(jù)格式處理， 序發(fā)送接收格式的選擇為同一組合框。 程序?qū)τ诮邮盏臄?shù)據(jù)，能夠進行不同的格式處理，用戶根據(jù)實際需要，對接收數(shù)據(jù)選擇不同的格式進行處理顯示（ 式、 下位機是以壓縮 的形式向上位機發(fā)送溫度和轉(zhuǎn)速，上位機按字節(jié)接收，要把接 收到的溫度、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)選用 式轉(zhuǎn)化顯示出來，否則出現(xiàn)上位機和下位機溫度、轉(zhuǎn)速顯示的結果不一致。對接收到的溫度 a 進行計算的公式為：顯示的溫度 =6*6。 據(jù)保存 如果需要將接收的數(shù)據(jù)進行保存，可用右鍵菜單的數(shù)據(jù)保存功能。本程序的數(shù)據(jù)庫采用 要單擊保存數(shù)據(jù)后，程序自動將接收的數(shù)據(jù)和當前時間存入程序固定設計的數(shù)據(jù)庫表中。 位機程序設計 下位機程序的開發(fā)工具選擇的是跟 成軟件開發(fā) 系統(tǒng)，它可以通過仿真器對目標系統(tǒng)實現(xiàn)在線編程，是一個能支技各種不同 它能支持多種以項目 (方式來進行程序文件管理和程序開發(fā) 調(diào)試方便等優(yōu)點 用于大量 8位、 16位以及 32位的微處理器和微控制器，使用戶在開發(fā)新的項目時也能在所熟悉的開發(fā)環(huán)境中進行。它為用戶提供一個易學和具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境，以及對大多數(shù)和特殊目標的支持。嵌入式 用第三章 系統(tǒng)軟件設計 - 22 - 戶的工作效率，通過 具，用戶可以大大節(jié)省工作時間，提高工作人員開發(fā)的工作效率。 下位機程序采用 三方自由尋址。具體說就是對于單操作數(shù)指令可以使用指令系統(tǒng)中的任意尋址方式。對于雙操作數(shù)指令，可以使用源地址尋址方式和目的地址選擇方式的任意組合。 內(nèi)核 構是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設計的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結構的高效率的仿真指令。 7 條內(nèi)核指令，使用起來非常方便。 下位機程序設計模塊主要包括系統(tǒng)初始化，數(shù)據(jù)采集模塊，顯示模塊，無線串口通信模塊，和主處理模塊。其程序框架如圖 9 所示： 圖 9 下位機程序流程圖 統(tǒng)初始化 系統(tǒng)初始化模塊主要包括：系統(tǒng)時鐘模塊初始化、 A/們?nèi)堪?第三章 系統(tǒng)軟件設計 - 23 - 如下為初始化 I/ 0 ；設置輸出方向 020H,H,& ；設置為中斷方式 0H, H, & ； 串口功能引腳 對于系統(tǒng)模塊的初始化編程，只需通過設置相應模塊的寄存器就可以使其進行正確的工作。 據(jù)采集處理模塊 該模塊分為溫度采集處理部分和轉(zhuǎn)速采集處理部分。 1) 溫度采集 該部分通過 內(nèi)的 A/D 轉(zhuǎn)換器來完成溫度數(shù)據(jù)的采集任務，采集的模擬參考電壓使用片內(nèi)的參考電壓。溫度傳感器通過某種關系的換算，就可以得到溫度與輸出電 壓的關系，然后信號經(jīng)過 ，當 溫度值存于寄存器 發(fā)出中斷請求。 中斷子程序先把寄存器 值轉(zhuǎn)化為攝氏溫度值，再將測試溫度值轉(zhuǎn)化為 化為攝氏溫度值的公式為： 024*423 2) 轉(zhuǎn)速采集 目前，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量的方法主要有 3種，分別是 率法）、期法）、和 M/率 /周期法）。 內(nèi)，測量轉(zhuǎn)第三章 系統(tǒng)軟件設計 - 24 - 速脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速； T 法是測量兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間來確定轉(zhuǎn)速； M/T 法是同時測量檢測時間和在此時間內(nèi)的脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。其中 慮高速和低速時的綜合性能 M/T 法最好。從檢測時間來看， M 法的檢測時間與轉(zhuǎn)速無關，而 M/T 法如能犧牲一點分辨率，則可以使檢測時間與 M 法幾乎相同。從綜合效果看， M/T 法是較好的測量方法。本系統(tǒng)根據(jù)自身的實際情況，采用的是 傳感器采集的轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)過 74密特觸發(fā)器 整形后送入單片機的 片機每當收到一個轉(zhuǎn)速脈沖后便產(chǎn)生一次中斷，由 的中斷子程序?qū)Υ嗣}沖中斷信號進行計數(shù)。利用 時器定時察看脈沖數(shù)，從而計算出脈沖頻率，再根據(jù)頻率換算出轉(zhuǎn)速。 示模塊 該部分主要完成數(shù)據(jù)的顯示功能。在硬件設計中，顯示電路與單片機的 過74示模塊相對比較簡單，只是簡單的將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，在顯示數(shù)據(jù)時需要選通不同的數(shù)碼管，該模塊主要包括端口 初始化和顯示兩個部分。端口初始化部分包含在 示模塊為 子程序定義了一數(shù)據(jù)表樣要顯示一個數(shù)字，只要根據(jù)數(shù)據(jù)表的下標地址就可取得數(shù)據(jù)，然后直接送到顯示緩沖區(qū)，從而實現(xiàn)顯示。主控程序?qū)⒀h(huán)調(diào)用顯示程序，顯示程序?qū)@示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送入 由于采集的數(shù)據(jù)都是二進制數(shù)，通過 無法直接顯示，必須將其轉(zhuǎn)換成 的形式才能正常顯示。 顯示流程圖如下所示（圖 10）： 第三章 系統(tǒng)軟件設計 - 25 - 圖 10 顯示流程圖 線串口通信模塊 串口通信 模塊主要是完成單片機與上位機的通信，從而將采集得到的數(shù)據(jù)送到上位機進行處理，同時還可以接收上位機發(fā)送的命令控制數(shù)據(jù)。由于此實現(xiàn)串口通信比較容易，只需要設置適當?shù)募拇嫫骶涂梢允勾诠ぷ髌饋?。通過設置 置 置 存器實現(xiàn)時鐘源的選擇，設置寄存器 實現(xiàn)通信波特率的設置等等，這些初始化設置都包含在 串口通信的接收使用中斷方式，發(fā)送使用子程 序調(diào)用方式。當接收中斷觸發(fā)后，接收子程序首先判斷接收標志 否為零，為零則開始接收數(shù)據(jù)，不為零則正在接收過程中。 零后判斷通信數(shù)據(jù)開始標志，如果是開始標志 后進行數(shù)據(jù)接收，并將接收標志 收到數(shù)據(jù)結束標志 接收標志 零，停止數(shù)據(jù)接收。接收數(shù)據(jù)完畢后，進行數(shù)據(jù)判斷，如果是程序中定義的命令數(shù)據(jù)，將會調(diào)用相應的子程序處理模塊。當發(fā)送按鍵按下時，程序調(diào)用發(fā)送子程序?qū)?shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 108自動將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機的第三章 系統(tǒng)軟件設計 - 26 - 無 線接收模塊。 斷子程序 中斷子程序包括 塊中斷子程序， 中斷子程序，鍵盤中斷子程序， 中， （ 存器中）轉(zhuǎn)換為 ，并將其送入溫度緩沖區(qū)。鍵盤中斷負責將發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)向上位機發(fā)送，鍵盤中斷脈沖觸發(fā)后，該子程序?qū)⒄{(diào)用串口數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，完成數(shù)據(jù)向上位機的送任務。中斷子程序完成脈沖信號的采集記數(shù)工作，當轉(zhuǎn)速脈沖到達后，脈沖記數(shù)單元加一，然后清除脈沖中斷標志，繼續(xù)下一個脈沖記數(shù)（注： 對 p1,進入中斷后一定要設置 。否則會跳不出中斷。）； 對數(shù)據(jù)進行處理，以減少中斷占用的時間）的數(shù)據(jù)，當接收到規(guī)定的字符數(shù)據(jù)（ 后，置接收完畢標志，以表明接收緩沖區(qū)中有待處理的數(shù)據(jù)并請求通信處理程序?qū)ζ溥M行處理。 時器定時察看溫度緩沖區(qū)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，將他們處理后送入顯示緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)。 處理模塊 主處理模塊主要將各個模塊進行協(xié)調(diào)處理和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、發(fā)送和接收任務。主處理模塊首 先完成系統(tǒng)的初始化工作，初始化后進入主循環(huán)處理，在循環(huán)過程中程序獲得采集模塊的數(shù)據(jù)，并將其處理，然后將處理結果進行顯示或通過按鍵傳輸?shù)缴衔粰C。同時，下位機通過中斷接收來自上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖 9所示。從流程圖可以看出，主程序只負責從指定的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)顯示和鍵盤掃描處理。數(shù)據(jù)的采集和上位機數(shù)據(jù)的接收由中斷程序來完成。 第四章 系統(tǒng)調(diào)試及結果分析 - 27 - 第四章 系統(tǒng)調(diào)試及結果分析 本系統(tǒng)的調(diào)試主要包括硬件調(diào)試及軟件調(diào)試兩部分，即對于下位機軟、硬件及上位機軟件的調(diào)試，調(diào)試的工作量比較大。其中下位機系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是分 不開的，許多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結合起來調(diào)試以進一步排除故障。硬件的調(diào)試是基礎，如果硬件調(diào)試不通過，軟件設計則是無從做起。 統(tǒng)硬件調(diào)試 當硬件設計從布線到焊接安裝完成之后，便開始進入硬件調(diào)試階段。系統(tǒng)的硬件調(diào)試相對簡單，先調(diào)試電源電路和復位電路，只要這兩部分能正常工作，再進行單片機的調(diào)試，如果單片機的晶振能夠起振，則整個硬件的單片機部分沒有什么大的問題。其間經(jīng)常遇到的硬件故障有以下幾種： 1）邏輯錯誤 系統(tǒng)硬件的邏輯錯誤是由于設計錯誤或加工 過程中的工藝性錯誤所造成的。這類錯誤包括：錯線、開路、短路等幾種，其中短路是最常見的故障。在印刷電路板布線密度高的情況下 ，極易因工藝原因造成短路。 2）器件失效 元器件失效的原因有兩個方面：一是器件本身已損壞或性能不符合要求；二是由于組裝錯誤造成的元器件失效，如電解電容、二極管的極性錯誤，集成塊安裝方向錯誤等。 3）可靠性差 引起系統(tǒng)不可靠的因素很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞；內(nèi)部和外部的干擾、電源紋波系數(shù)過大、器件負載過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定；另外，走線和布局的不合理等也會引起系統(tǒng)可 靠性差。 4）電源故障 第四章 系統(tǒng)調(diào)試及結果分析 - 28 - 若樣機中存在電源故障，則加電后將造成器件損壞。電源的故障包括：電壓值不符合設計要求，電源引出線和插座不對應，電源功率不足、負載能力差。 統(tǒng)軟件的調(diào)試、分析 軟件調(diào)試與所選用的軟件結構和程序設計技術有關。本系統(tǒng)程序采用模塊程序設計，調(diào)試時分逐個模塊進行，最后進行系統(tǒng)程序總調(diào)試。系統(tǒng)的軟件調(diào)試分為上位機軟件調(diào)試和下位機軟件的調(diào)試。 位機軟件調(diào)試 此階段的任務是調(diào)試上位機應用程序與下位機間可靠的數(shù)據(jù)通信以及對上位機的操作流程及操作界面進行優(yōu)化。上位機軟件的關鍵是使其能 夠?qū)崿F(xiàn)串口通信功能，能夠把接收的數(shù)據(jù)用正確的格式顯示，能夠選擇適當?shù)母袷桨l(fā)送數(shù)據(jù)。本程序?qū)τ诖谕ㄐ挪糠诌M行的調(diào)試，達到了預期的目的。上位機能夠正確的按預定結果發(fā)送與接收數(shù)據(jù)，實時，可靠，表明上位機軟件的設計取得了滿意的效果。 位機軟件調(diào)試 下位機軟件的調(diào)試相對復雜，由于其模塊相對較多，且使用 匯編語言編寫，需要逐個模塊進行調(diào)試。主要包括以下幾個模塊： 鍵盤 /顯示部分調(diào)試 數(shù)據(jù)采集電路調(diào)試 串口通信模塊調(diào)試 調(diào)試子程序時，首先要符合現(xiàn)場環(huán)境，即入口條件和出口條件。調(diào)試手段采用了 單步運行方式和斷點運行方式，通過檢查用戶系統(tǒng) 內(nèi)容和 I/O 口的狀態(tài)，檢測程序執(zhí)行結果是否符合設計要求。通過檢測，發(fā)現(xiàn)程序第四章 系統(tǒng)調(diào)試及結果分析 - 29 - 中存在的死循環(huán)錯誤、機器碼錯誤及轉(zhuǎn)移地址的錯誤，同時也可以發(fā)現(xiàn)用戶系統(tǒng)中的硬件故障、軟件算法及硬件設計錯誤。在調(diào)試過程中不斷調(diào)整系統(tǒng)的軟件和硬件，逐步通過一個個程序模塊。 各程序模塊通過后，可以把各功能塊聯(lián)合起來一起進行整體程序綜合調(diào)試。在這階段若發(fā)生故障，考慮各子程序在運行時是否破壞現(xiàn)場，緩沖單元是否發(fā)生沖突，零位的建立和清除在設計上有否失誤，堆棧區(qū)域有否溢出，輸入設 備的狀態(tài)是否正常，等等。若用戶系統(tǒng)是在開發(fā)系統(tǒng)的監(jiān)控程序下運行時，還要考慮用戶緩沖單元是否和監(jiān)控程序的工作單元發(fā)生沖突。 單步和斷點調(diào)試后，還應進行連續(xù)調(diào)試，這是因為單步運行只能驗證程序的正確與否，而不能確定定時精度、 全部完成后，應反復運行多次，除了觀察穩(wěn)定性之外，還要觀察用戶系統(tǒng)的操作是否符合原始設計要求、安排的用戶操作是否合理等，必要時還要作適當修正。 機調(diào)試 最后，各模塊調(diào)試完畢后，為了整個系統(tǒng)的正常工作，需要將上位機和下位機結合起來進行調(diào)試。聯(lián)機調(diào)試 主要是串口通 信模塊的測試， 在聯(lián)機調(diào)試的過程中，通過上位機程序與下位機進行聯(lián)合調(diào)試，可以立即判斷出下位機的通信程序是否正確以