《微機原理與接口技術(shù)》課件第13章

第13章微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)13.1概述13.2系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟13.3微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實例習題1313.1概述13.1.1微機應(yīng)用的意義在術(shù)語方面，所說的計算機“應(yīng)用”(Application)有別于“使用”(Use)。所謂“使用”是指在計算機一般環(huán)境下，按照說明書操作來完成用戶的工作需求。因此“使用”對計算機本身的硬、軟件基本不做增減，對使用者的專業(yè)要求極為簡單。而“應(yīng)用”的含義將更為廣泛，除具有上述的“使用”意義之外，既可能對計算機的硬、軟件做相當大的“開發(fā)式”增減(如檢測通道、執(zhí)行通道及相應(yīng)的接口乃至應(yīng)用軟件)與改造，也可能在用戶選配的外圍設(shè)備或器件(硬件)的支持下，對儀器、儀表、裝置以及整個工業(yè)過程進行檢測控制。因此對應(yīng)用者有更高的專業(yè)要求。因此，“應(yīng)用”是一種設(shè)計與創(chuàng)新。13.1.2微機應(yīng)用系統(tǒng)的一般類型微機的應(yīng)用一般可分成三種類型，即檢測控制型、數(shù)據(jù)處理型和混合型系統(tǒng)。

1.檢測控制型系統(tǒng)檢測控制型微機應(yīng)用系統(tǒng)需要檢測控制對象的狀態(tài)參數(shù)，對控制對象的狀態(tài)做出某些推理判斷，然后輸出信號再去控制執(zhí)行機構(gòu)。它不需要做復雜的數(shù)學模型的計算工作，但它必須有檢測控制對象的傳感電路，并且還要將檢測到的模擬信號(連續(xù)的電壓或電流值)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(量化的數(shù)字量)，即通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)來實現(xiàn)工作目的。

作為一個計算機控制系統(tǒng)，如果把計算機比作人的“頭腦”的話，則傳感器就相當于“耳目”，執(zhí)行機構(gòu)則是行動的“手腳”，而ADC是起到使“耳目”和“頭腦”之間匹配的作用，或者說起到將模擬信號翻譯成數(shù)字信號的作用，以適應(yīng)計算機的工作需要。執(zhí)行機構(gòu)如果要求開關(guān)量驅(qū)動，則計算機只要輸出開關(guān)量(如繼電器)即可；如執(zhí)行機構(gòu)是模擬量驅(qū)動，則計算機要將數(shù)據(jù)經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換才能產(chǎn)生用于控制的模擬量(如電壓或電流值)。這里要指出的是，ADC和DAC是計算機控制系統(tǒng)的必備的重要器件。其他的“手腳”和“耳目”之類的器件都是一般控制檢測裝置上通用的，只要適當?shù)剡x配，即可以構(gòu)成計算機控制系統(tǒng)。2.數(shù)據(jù)處理型系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理型微機應(yīng)用系統(tǒng)是指輸入數(shù)據(jù)量比較大(幾十、幾百、甚至成千上萬個數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)輸入后需要按照一定規(guī)律進行分類、排序(列表)、折算(如線性化)、換算(如求均值、方差等)，然后再送入有關(guān)的數(shù)學模型進行繁雜運算的計算機系統(tǒng)。這類系統(tǒng)為了便于人機對話，必須配有CRT顯示器和鍵盤。某些情況下還可增設(shè)若干個帶有電傳打字機的終端機。

3.混合型系統(tǒng)混合型應(yīng)用系統(tǒng)即以上二者的復合型形式。它一方面既有很多數(shù)據(jù)輸入，并需要對輸入數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的運算、分析和處理，另一方面又要根據(jù)處理的結(jié)果去控制相應(yīng)的對象，以達到整個系統(tǒng)的預期目的。13.2系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟13.2.1微機應(yīng)用系統(tǒng)的一般構(gòu)成微機應(yīng)用系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)(微機+控制電路)和軟件系統(tǒng)(系統(tǒng)軟件+應(yīng)用軟件)兩大部分構(gòu)成。

1.應(yīng)用系統(tǒng)的硬件組成微機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件的一般構(gòu)成框圖如圖13.1所示。由圖可以看到，應(yīng)用系統(tǒng)由如下幾大部分組成。圖13.1微機應(yīng)用系統(tǒng)硬件的一般組成1)微機微機是整個應(yīng)用系統(tǒng)的核心，其他所有設(shè)備都要在它的控制和管理下進行工作，又稱系統(tǒng)為系統(tǒng)主機。在系統(tǒng)控制或監(jiān)測過程中，主機能自動接收或采集被控對象的各種信息。在微機內(nèi)，按人們事先安排好的程序，對采集到的信息進行加工運算和分析判別，并做出相應(yīng)的處理和控制決策，以信息形式再回送給執(zhí)行結(jié)構(gòu)，控制執(zhí)行機構(gòu)動作，從而實現(xiàn)對被控或被測對象的自動控制與管理。微機中的程序和有關(guān)的初始數(shù)據(jù)是人們事先編排好的。在操作前，通過輸入設(shè)備將其輸入或使用讀寫器固化在ROM中。一旦系統(tǒng)被引導啟動，微機就會按順序取出一條條所存貯的指令執(zhí)行。于是系統(tǒng)就會按人們預先設(shè)想的規(guī)律，一步一步地完成整個系統(tǒng)的控制和監(jiān)測過程。2)常規(guī)外圍設(shè)備

(1)輸入設(shè)備：主要用于程序和數(shù)據(jù)的輸入，常見的有紙帶閱讀機、鍵盤、鼠標器和光筆等。

(2)輸出設(shè)備：主要用于程序處理后的信息或數(shù)據(jù)的輸出。它把處理過的各種信息和數(shù)據(jù)，以人們能夠直觀接受的外形(如字符、數(shù)字、圖形)提供給操作人員，以便操作人員能及時了解微機內(nèi)部及整個應(yīng)用系統(tǒng)的工作情況。常見的輸出設(shè)備有打印機、X-Y記錄儀和顯示器等。

(3)外存貯器：主要用來存貯程序及有關(guān)的數(shù)據(jù)，如磁帶機、磁盤(硬盤和軟盤)、光盤等。3)外部接口電路外部接口設(shè)備是應(yīng)用系統(tǒng)與被控或被測對象之間進行信息變換和信息傳遞的設(shè)備。它包括輸入接口和輸出接口電路。接口電路通常應(yīng)具備以下特征：

(1)數(shù)據(jù)傳輸通道：它能為微機提供一個輸入/輸出數(shù)據(jù)的通道，用于快速傳輸數(shù)據(jù)。

(2)信息格式的匹配與變換：接口應(yīng)具備輸入/輸出信息，實現(xiàn)信息格式的匹配與變換功能，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換，串—并、并—串轉(zhuǎn)換及其他信息格式的轉(zhuǎn)換等。

(3)輸入/輸出電平匹配：微機的輸入/輸出電平往往是TTL電平，而被控對象所要求的輸入/輸出電平的規(guī)格較多，為此，接口應(yīng)具備電平轉(zhuǎn)換功能。(4)負載匹配：微機的輸出負載能力是比較小的，為了使系統(tǒng)能夠控制大功率的被控對象，接口也應(yīng)具備驅(qū)動和功率放大的能力。

(5)同步：微機的工作速度是比較高的，而一般受控對象所要求的控制速率卻較低。這樣，為了使微機的工作速度和外界受控對象所要求的控制速度相匹配，就要由接口電路的同步機構(gòu)來實現(xiàn)內(nèi)、外部系統(tǒng)的速度同步。盡管對微機接口電路要求較多，但并不是每種接口都具備上述所有功能。接口要求功能的多少往往視接口連接的對象而定。目前各器件生產(chǎn)廠家都生產(chǎn)了配套的輸入/輸出接口芯片，因此使接口設(shè)計變得比較容易，通常只要做少量的硬件工作就可以將微機與被控或被測對象連接起來。4)操作控制臺及監(jiān)視報警設(shè)備微機應(yīng)用系統(tǒng)在正常工作時，并不需要人直接參與。但是無論如何，必須使人—機保持密切的聯(lián)系。這是因為系統(tǒng)在運行過程中，操作人員需要對運行狀態(tài)進行監(jiān)視和了解。系統(tǒng)發(fā)生故障時，必須能自動報警，爾后，操作人員可以通過控制臺上的按鍵干預。另外，當需要修改控制程序和控制參數(shù)時，同樣也要通過控制臺上的鍵盤對系統(tǒng)的工作進行干預。根據(jù)上述要求，操作控制臺應(yīng)包含控制鍵盤、面板顯示和報警顯示器等。在某些系統(tǒng)中，為了調(diào)試和工作方便，在控制臺上還裝有手動轉(zhuǎn)換裝置，以便在人工方式時，對被控對象進行操縱。

2.應(yīng)用系統(tǒng)的軟件構(gòu)成要使微機應(yīng)用系統(tǒng)能正常工作，就必須在微機內(nèi)存中存放一定的程序。系統(tǒng)管理需要程序，對某些對象進行控制和監(jiān)測也需要程序。可以這么說，微機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件是系統(tǒng)的軀體，而軟件(即各種程序和數(shù)據(jù)的集合)是整個系統(tǒng)的靈魂。不同的控制對象和不同的控制任務(wù)，在系統(tǒng)軟件構(gòu)成上會有很大區(qū)別。一般來說，只有系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計完成以后，才能完全確定如何配置系統(tǒng)的軟件。但是，這并不意味著系統(tǒng)的軟件構(gòu)成是不可捉摸的。一般根據(jù)其功能，軟件系統(tǒng)大體可以分成以下幾個部分。1)用戶程序在微機應(yīng)用系統(tǒng)中，對每個控制對象或控制任務(wù)都一定配有相應(yīng)的控制程序，這些程序用來完成對各被控對象的不同控制。例如，我們要控制一臺機床，對構(gòu)件進行切削加工，就必須配備一個切削加工程序。通常這種為了各種應(yīng)用目的(控制、監(jiān)測等)而編制的程序稱為應(yīng)用程序或用戶程序。編寫應(yīng)用程序的工作一般都由用戶自己開發(fā)完成。用戶可以根據(jù)微機應(yīng)用系統(tǒng)的資源配備情況，確定使用何種語言來編寫用戶程序，既可以用高級語言也可以用匯編語言。高級語言功能強，且比較近似于人們?nèi)粘Ｉ钣谜Z習慣，因此比較容易編寫。而用匯編語言編寫的程序則具有執(zhí)行速度快、對硬件及端口操作靈活、占用存儲器少的特點。目前，人們通常用高級語言和匯編語言混合編程的方法來編寫用戶程序。在微機應(yīng)用系統(tǒng)中，用戶程序是一個用于對被控對象進行直接控制的程序。因此，它將對控制對象產(chǎn)生決定性的影響，即用戶程序的優(yōu)劣，會給系統(tǒng)的精度、可靠性及工作效率帶來致命的影響。2)常用子程序庫一個微機應(yīng)用系統(tǒng)的基本功能要受到硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)擁有的資源的限制。例如，一般不能用硬件進行數(shù)制變換和數(shù)據(jù)采集等，而這樣一些功能是應(yīng)用系統(tǒng)要經(jīng)常用到的。為此，我們采用子程序的方式來滿足系統(tǒng)用戶程序的要求。所謂子程序，就是將一些特定功能編成一個個專用程序段，放在子程序庫中，系統(tǒng)需要使用時，可以隨時調(diào)用。子程序庫中的子程序都編成標準的形式，一般都要規(guī)定入口參數(shù)、入口地址、出口參數(shù)等。只要按其規(guī)定，即可在主程序中隨意調(diào)用。3)操作系統(tǒng)一般從商家買來的微機都配有操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是一個系統(tǒng)管理程序，它由多個不同功能和作用的程序模塊組成，形成一個程序的集合體，用于控制、管理微機系統(tǒng)的軟硬件資源，提供用戶操作和使用的接口。在應(yīng)用系統(tǒng)中，各程序模塊之間存在著復雜的邏輯關(guān)系和時間關(guān)系，它們之間不僅有運行的獨立性，而且還有運行的并行性。隨著系統(tǒng)控制過程的發(fā)展，在某一個時刻可能出現(xiàn)多個任務(wù)的不同請求，這就形成了幾個程序同時要求運行的情況，這種情況稱為任務(wù)對微機資源的競爭。在這種情況下，系統(tǒng)必須實時響應(yīng)這些請求，根據(jù)輕重緩急，妥善地處理好這種競爭，使對系統(tǒng)的所有請求都得到相應(yīng)的滿足。

除此之外，操作系統(tǒng)還要對其他資源，如外圍設(shè)備、內(nèi)存等進行管理，還要對人—機通信進行管理和幫助等。在某些較小型的微機中(如單板機)，由于受到硬件資源的限制，不可能配備操作系統(tǒng)那樣規(guī)模的系統(tǒng)程序，而通常配備一個能提供最基本操作環(huán)境的駐留監(jiān)控程序。當然，這種駐留監(jiān)控程序的規(guī)模也和系統(tǒng)有關(guān)，其功能強弱也各不相同?？傊僮飨到y(tǒng)將給人們使用微機系統(tǒng)提供了一個方便的使用環(huán)境。13.2.2應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計原則和要求微機應(yīng)用系統(tǒng)的基本設(shè)計原則和要求，在不同規(guī)模和要求的系統(tǒng)中大體是相同的。因此，這些共同的原則和要求在設(shè)計前或設(shè)計過程中都必須予以很好的考慮。

1.操作性能要好微機應(yīng)用系統(tǒng)的操作性能好，就是指系統(tǒng)的人—機界面要友好，操作起來簡單、方便，并且便于維護。為此，在設(shè)計整個系統(tǒng)的硬件和軟件時，應(yīng)處處為用戶想到這一點。在設(shè)計系統(tǒng)軟件時，就應(yīng)該考慮配備什么樣的軟件和環(huán)境能降低操作人員對某些專業(yè)知識的要求。前面已經(jīng)提到，系統(tǒng)中的某些用戶程序是要由用戶自己編寫的。例如，在數(shù)控設(shè)備中，加工切削程序往往要由操作人員來編寫或進行修改。如果這樣的用戶程序是用匯編語言編寫的，那么對操作人員來說，就必須熟悉相應(yīng)微機的匯編指令和程序設(shè)計的基本知識，否則是難于勝任的。這種軟件設(shè)計方案必然會限制微機應(yīng)用系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。

事實上，如果我們在系統(tǒng)上配上高級語言，特別是配上像工業(yè)控制中常用的數(shù)控語言，那么加工程序的編制就非常容易，一般操作人員就能很快掌握。這樣就有利于微機應(yīng)用系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。對硬件方面的要求也一樣，例如，系統(tǒng)的控制開關(guān)不能太多、太復雜，操作順序要盡量簡單等。另外，盡管微機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性較高，但是不能理想地認為它不會發(fā)生故障。一旦出現(xiàn)故障，如何能盡快地排除，這也是系統(tǒng)設(shè)計時要考慮的問題。從軟件角度來說，系統(tǒng)應(yīng)配置自檢或診斷程序，以便在故障發(fā)生時，能用程序來查找故障發(fā)生的部位，以縮短排除故障的時間；從硬件角度來說，零部件的配置應(yīng)便于操作人員檢修。

2.通用性好，便于擴展通常一個微機應(yīng)用系統(tǒng)在工作時都能同時控制幾臺設(shè)備。但是，在大多數(shù)情況下，各個設(shè)備的控制要求往往是有差別的。另外，所控制的設(shè)備也不是一成不變的，而是要經(jīng)常不斷地進行更新。這樣，就要求系統(tǒng)不僅能適應(yīng)各種不同設(shè)備的要求，而且也要考慮在設(shè)備更新時，整個系統(tǒng)不需要做大的改動就能馬上適應(yīng)新的配置。系統(tǒng)的通用性，而且在必要時能靈活地進行擴展。微機應(yīng)用系統(tǒng)要達到這樣的要求，就必須盡可能地采用標準化設(shè)計。例如，盡可能采用通用的系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)，像采用STD總線、AT總線、MULTIBUS總線等。在需要擴充時，只要增加一些相應(yīng)的接口卡就能實現(xiàn)對所擴充的設(shè)備進行控制。另外，接口部件盡量采用標準的通用的大規(guī)模集成電路芯片。在考慮軟件時，只要速度允許，就盡可能把接口硬件部分的操作功能用軟件來替代。這樣在改變被控設(shè)備時，就無需變動或較少變動硬件，只需要改變軟件就行了。系統(tǒng)的各項設(shè)計指標留有一定的余量，也是可擴充的首要條件。例如，微機的工作速度如果在設(shè)計時不留有一定余量，那么要想再進行系統(tǒng)擴充是完全不可能的。其他指標，如電源功率、內(nèi)存容量、輸入/輸出通道、中斷等也

3.可靠性高對任何微機應(yīng)用系統(tǒng)來說，盡管各種各樣的要求很多，但可靠性是最突出和最重要的一個基本要求。因為，一個系統(tǒng)能否長時期安全可靠地正常工作，對一個工廠來說將要影響到整個裝置、整個車間，乃至整個工廠的正常生產(chǎn)。一旦發(fā)生故障，就會造成整個生產(chǎn)過程的全面混亂甚至癱瘓，從而引起嚴重后果，所以對可靠性有很高的要求。特別是作為控制核心的微機，其可靠性要求則更高。

人們通常采用多微機系統(tǒng)形式來構(gòu)成一個應(yīng)用系統(tǒng)，就是將應(yīng)用系統(tǒng)分成若干個功能模塊，每個功能模塊由一個微機來進行控制，并將各個微機用網(wǎng)絡(luò)連接起來，構(gòu)成一個多機系統(tǒng)。這樣，功能分散了，危險也相應(yīng)地分散了。即使工作過程中某一臺微機發(fā)生了故障，也不至于使整個系統(tǒng)癱瘓。當前常見的形式有下面兩種。1)采用雙機系統(tǒng)在這種系統(tǒng)中，用兩臺微機作為系統(tǒng)的核心控制器。由于兩臺微機同時發(fā)生故障的概率很小，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。雙機系統(tǒng)中兩臺微機的工作方式，常見的有以下兩種。

(1)備份機工作方式。在這種方式中，一臺微機投入系統(tǒng)運行，另一臺雖然也同樣處于運行狀態(tài)，但是它是脫離系統(tǒng)的，只是作為系統(tǒng)的一臺備份機。當投入系統(tǒng)運行的那一臺微機出現(xiàn)故障時，通過專門的程序和切換裝置，自動地把備份機切入系統(tǒng)，以保持系統(tǒng)正常運行。被替換下來的微機經(jīng)修復后，就變成系統(tǒng)的備份機，這樣可使系統(tǒng)不因主機故障而影響系統(tǒng)的正常工作。(2)主—從工作方式。這種方式是兩臺微機同時投入系統(tǒng)運行。在正常情況下，這兩臺微機分別執(zhí)行不同的任務(wù)。如一臺微機可以承擔系統(tǒng)的主要控制工作，而另一臺可以執(zhí)行諸如數(shù)據(jù)處理等一般性的工作。當其中一臺發(fā)生故障時，故障機能自動地脫離系統(tǒng)，另一臺微機就自動地承擔起系統(tǒng)的所有任務(wù)，以保證系統(tǒng)的正常工作。2)采用多微機集散控制這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是目前提高系統(tǒng)可靠性的一個重要發(fā)展趨勢。在過去，如上所述，計算機控制主要傾向于采用集中控制的方案，即根據(jù)系統(tǒng)的控制任務(wù)和要求，選擇一臺適當功能的計算機來承擔系統(tǒng)的全部任務(wù)。這樣做，一旦主機發(fā)生故障就會影響整個系統(tǒng)。隨著微機的出現(xiàn)，以及它的硬件價格不斷地下降，已有可能把系統(tǒng)的所有控制任務(wù)分散地由多臺微機來承擔。為了保持整個系統(tǒng)的完整性，再用一臺適當功能的微機作為上一級的管理主機，對多臺分散的下一級微機進行監(jiān)督和管理。這就組成了一個兩級多機分布式應(yīng)用系統(tǒng)，如圖12.2所示。圖中第一級有多臺微機分別對各被控對象進行控制，而上一級的微機通過總線與下一級的微機相連接，并對它們實施管理和監(jiān)督。圖13.2多微機集散控制示意圖

多級分布式應(yīng)用系統(tǒng)可以使微機的故障對系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響減至最小。如果第一級中某一臺發(fā)生故障，其影響是很小的一個局部。如果上一級管理機發(fā)生了故障，則下一級微機仍可以獨立維持對被控對象的控制，直到上一級管理機排除故障為止。有關(guān)微機應(yīng)用系統(tǒng)可靠性的問題是一個十分重要而又復雜的課題。可靠性設(shè)計應(yīng)包括硬件的、軟件的、電源的、環(huán)境的及電磁兼容性的設(shè)計等等，詳細內(nèi)容請讀者參閱有關(guān)資料。

4.設(shè)計周期短、價格便宜在研制微機應(yīng)用系統(tǒng)時，應(yīng)考慮的一個重要因素是設(shè)計周期短、價格便宜。目前科學技術(shù)發(fā)展十分迅速，各種新的技術(shù)和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，這就要求所設(shè)計的微機應(yīng)用系統(tǒng)能跟上形勢的發(fā)展。如果研制周期太長，會使產(chǎn)品失去競爭能力和實用價值。所以，微機應(yīng)用系統(tǒng)不能搞大而全，應(yīng)考慮實際情況來確定系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)模。這樣既可以縮短設(shè)計周期又可以降低系統(tǒng)的設(shè)計費用。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，要仔細核算以降低整個系統(tǒng)的成本，在保證功能和性能的前提下，低的價格才有競爭力。

5.對環(huán)境的適應(yīng)性要好在開發(fā)微機應(yīng)用系統(tǒng)時，一定要考慮到其應(yīng)用環(huán)境，保證在現(xiàn)場的環(huán)境下可靠地工作。例如，有的地方電源電壓波動很大，有的地方環(huán)境溫度變化劇烈，有的地方濕度很大，有的地方振動很厲害，而有的工作環(huán)境有粉塵、鹽霧、腐蝕等等。這些外界因素在系統(tǒng)設(shè)計中必須加以考慮，采用必要的措施保證微機應(yīng)用系統(tǒng)安全可靠地工作。13.2.3微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容和步驟

1.系統(tǒng)引入微機的必要性——成本控制在設(shè)計微機應(yīng)用系統(tǒng)之前，首先要估價一下引入微機以后會給用戶帶來多少經(jīng)濟效益和社會效益，即估價成本高低，系統(tǒng)性能改善程度，系統(tǒng)的通用性、可靠性、可維護性等方面。最后再確定是否在系統(tǒng)中引入微機。一般地說，如果在三年內(nèi)能收回引入微機應(yīng)用系統(tǒng)所花的成本，采用微機就是合理的。若采用微機應(yīng)用系統(tǒng)能取得降低工作人員的勞動強度，避開有污染和有害環(huán)境，保證人身安全等社會效益時，則引入微機也是十分必要的。

2.需求分析——確定系統(tǒng)的功能需求分析是在仔細了解用戶需求的基礎(chǔ)上進行的。因此，首先必須詳細了解用戶的需求。調(diào)查用戶要利用微機應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)的功能。例如，對于測量系統(tǒng)，應(yīng)該了解要測量的參數(shù)是什么，采用什么傳感器，信號大小與形式，放大器要求，測量精度，如何顯示，如何輸出結(jié)果等。對于控制系統(tǒng)，還要仔細調(diào)查用戶的要求、工藝過程、控制精度等等。此外，在了解用戶要求完成測控功能的同時，還必須認真了解未來微機應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括電源的穩(wěn)定性，干擾大小以及環(huán)境的溫度、濕度等等。

總之，開發(fā)設(shè)計人員一定要非常認真仔細地進行需求調(diào)查，必須強調(diào)需求調(diào)查和分析是后續(xù)工作的依據(jù)，其后所做的一切都是以滿足用戶需求為目的的。針對用戶的需求，仔細分析測控對象的工作過程，明確微機系統(tǒng)應(yīng)如何去做，用時間和控制流圖來描述這些工作過程。

3.選擇基本微機系統(tǒng)——硬件系統(tǒng)設(shè)計在設(shè)計微機應(yīng)用系統(tǒng)時，通?？偸窍冗x擇一個最基本的微機系統(tǒng)，然后對它進行擴展，并配上相應(yīng)的軟件，從而形成一個實用的應(yīng)用系統(tǒng)。由于微機是整個應(yīng)用系統(tǒng)的核心，所以它的選擇是否合適，將對整個系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響?；疚C系統(tǒng)選擇中應(yīng)考慮的依據(jù)大致有以下四個方面。1)微處理器的字長微處理器的字長會直接對系統(tǒng)精度、指令多少、尋址能力、處理速度等產(chǎn)生影響，由此必然導致應(yīng)用領(lǐng)域的不同。一般來說，微處理器的字長愈長，對數(shù)據(jù)處理愈有利，處理速度也可以進一步提高。但是，并不是字長愈長愈好，在選擇時，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用實際情況及性能價格比綜合考慮。2)微處理器的工作速度微處理器的工作速度一般取決于系統(tǒng)的主頻，目前常見的是幾百兆赫到幾千兆赫。速度的選擇應(yīng)使其與被控對象的要求相適應(yīng)或稍留一點余量，過高的要求會給系統(tǒng)的安裝和調(diào)試帶來不必要的困難。因為在高速工作時，引線之間的串擾及信號延時是非常令人頭痛的問題。3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對環(huán)境的適應(yīng)性不同的微機系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力是不同的。例如，市面上出售的一般IBM-PC微機，通常只能適用于辦公室或?qū)嶒炇疫@樣的室內(nèi)環(huán)境，如果將它用于工業(yè)控制環(huán)境就會產(chǎn)生諸多問題。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，最好選用具有工業(yè)控制總線(STD總線)的工控機。因為它具有抗振、抗干擾等優(yōu)良性能，能較好地適應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域的惡劣環(huán)境。4)盡量選用有較多軟件支持的機型開發(fā)一個微機應(yīng)用系統(tǒng)，其很重要的一部分工作是開發(fā)軟件。如果所選擇的微機系統(tǒng)有較多的軟件支持，這無疑會大大有利于應(yīng)用系統(tǒng)的軟件開發(fā)，這樣可以節(jié)省大量的人力、物力和開發(fā)時間。當然，除上述幾個方面外，外圍設(shè)備配置情況、總線擴展方便與否、體積大小、重量等也都是通常要考慮的因素。

4.確定整個應(yīng)用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)——硬件系統(tǒng)設(shè)計在基本微機系統(tǒng)選定以后，就可以根據(jù)被控對象的具體要求來確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

1)通道劃分及輸入/輸出方式的確定根據(jù)被控對象所要求的輸入/輸出參數(shù)的數(shù)目，就可以確定整個系統(tǒng)應(yīng)該有幾個輸出通道。當然，有的通道可以由幾個被控設(shè)備共用，由硬件(或軟件)來輸入/選擇切換。另外，根據(jù)被控對象要求，確定采用哪一種輸入/輸出方式更合適。一般說來，采用中斷方式處理器效率較高，但硬件費用會稍高一些，而查詢方式硬件價格較低，但處理器效率比較低，速度較慢。在一般小型的應(yīng)用系統(tǒng)中，由于速度要求不高，控制的對象也較少，此時，大多采用查詢方式。2)內(nèi)存分配一般基本微機系統(tǒng)都對內(nèi)存分配作了具體的規(guī)定。用戶在使用已有的內(nèi)存區(qū)時，應(yīng)注意不要使用戶程序占用微機系統(tǒng)的基本工作區(qū)。如果用戶認為內(nèi)存不夠，需要進行擴展，那么應(yīng)按說明書的要求，在空余的內(nèi)存區(qū)進行擴展。根據(jù)需求分析，設(shè)計者可以估計出未來的系統(tǒng)大約要占多大的ROM用以存放用戶程序和不變的數(shù)據(jù)，需要多少RAM用以存放經(jīng)常要改變的數(shù)據(jù)。從而在留有一定余量的基礎(chǔ)上，可以確定內(nèi)存的大小。此后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方便，可以對選定的ROM和RAM分配內(nèi)存地址。3)確定接口和外設(shè)除了專用外設(shè)，可以購買現(xiàn)成的設(shè)備。對于應(yīng)用系統(tǒng)中所需的測控部件，如有合適的也盡量購買成品部件。若需自己設(shè)計開發(fā)，那就需要根據(jù)用戶的要求仔細加以確定。例如，根據(jù)系統(tǒng)要求的精度，該選用多少位的A/D和D/A變換器，根據(jù)所需求的力矩大小決定選擇什么樣的步進電機等等。4)選擇電源微機應(yīng)用系統(tǒng)的故障多發(fā)點就包括電源部分。根據(jù)系統(tǒng)的硬件配置，可以粗略估計系統(tǒng)電源需要幾組，各為多少伏，它們的容量是多少。同時，還要考慮對電源采用必要的可靠性措施，如濾波、穩(wěn)壓、防雷電、防浪涌等。

5)系統(tǒng)總線的選擇系統(tǒng)總線的選擇對通用性和可擴展性具有很重要的意義。目前常見的系統(tǒng)總線有STD總線、AT總線、VME總線、MULTIBUS總線等。外接口總線有IEEE-488總線、RS-232C總線、CENTRONIC總線等。采用標準化總線，可對系統(tǒng)設(shè)計帶來很多方便。6)確定系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)最終研制的系統(tǒng)是要放在控制臺中的，在硬件設(shè)計時，也要考慮將來系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)。例如，顯示器、控制按鈕、鍵盤、手動操作桿、鼠標等通常放在控制臺上面；主機、放大器、驅(qū)動器放在控制臺中間；而電源、繼電器、電機等大功率設(shè)備放在控制臺底下或放在另外的機箱中。

5.確定軟件框架及流程——軟件系統(tǒng)設(shè)計在硬件結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，考慮與之相配合的軟件框架，確定軟件的組成模塊。例如，對于微機控制系統(tǒng)，主要應(yīng)包括系統(tǒng)初始化模塊、人機界面模塊、參數(shù)采集模塊、控制算法模塊、控制信號輸出模塊、顯示打印模塊、出錯及狀態(tài)越限報警模塊、自檢診斷模塊等等。根據(jù)用戶的要求，將這些模塊有機地聯(lián)系在一起，形成粗略的系統(tǒng)軟件流程圖。同時，對軟件的大致方案寫出文字和流程圖組成的文檔。在硬件及軟件方案確定之后，應(yīng)對方案進行認真討論，必要時邀請有關(guān)方面的專家對方案進行認真論證和審定，以確保方案的正確性。只有方案本身合理、正確，后面的工作才有意義。

6.硬件和軟件的具體設(shè)計——系統(tǒng)實現(xiàn)

1)硬件的具體設(shè)計

(1)硬件規(guī)劃：在硬件系統(tǒng)上合理地劃分模塊，即將硬件系統(tǒng)劃分成若干相對獨立的部件。例如，將復位信號產(chǎn)生、時鐘、CPU及總線形成作為一個模塊，將內(nèi)存(ROM，RAM)作為一個模塊，將接口分為幾個模塊，這些模塊均可以采用電路板的形式實現(xiàn)。其他的如電源、各外設(shè)分別劃分給專人負責完成設(shè)計或購置。(2)各模塊(電路板)的邏輯設(shè)計：選擇具體的元器件、譯碼器等集成電路芯片，畫出在方案中確定的總線之下的各電路原理圖。在進行邏輯設(shè)計時，特別注意信號的有效性要求。例如，有的器件要求高電平(或低電平)有效，而有的要求上升沿有效或下降沿有效。其他如器件的工作電壓，使用環(huán)境，驅(qū)動能力等各方面，在設(shè)計選擇器件時也要仔細考慮。在進行電路的邏輯設(shè)計時，還必須仔細考慮將來電路板工作的可靠性，增加如濾波、限額控制等各種措施。同時，在進行具體設(shè)計時，就要考慮將來如何進行調(diào)試。(3)電路板設(shè)計：現(xiàn)在有許多功能很強的CAD、PROTEL、EDA、PCAD等工具軟件，為我們進行電路板設(shè)計創(chuàng)造了條件。在這些工具軟件的支持下，可以很快地按電路板的尺寸大小設(shè)計出電路板的加工圖。

(4)加工電路板：目前國內(nèi)可加工雙面及多層電路板。在研制開發(fā)階段，如果允許采用雙面電路板，只要將加工圖交給有關(guān)廠家就行了。甚至將邏輯圖交給廠家，廠家就可以加工出合格的電路板。(5)安裝、調(diào)試：在加工好的電路板上安裝元器件，并進行調(diào)試。調(diào)試單塊電路板使其正常工作。

(6)硬件各部件(各模塊)進行聯(lián)調(diào)：將構(gòu)成微機應(yīng)用系統(tǒng)的各模塊，逐塊連在一起進行調(diào)試，直到將所有部件全部連接在一起，并確信它們已基本正常工作。有關(guān)調(diào)試的問題，留待下一節(jié)說明。2)軟件的具體設(shè)計

(1)劃分模塊：對于一個稍具規(guī)模的系統(tǒng)來說，常將軟件劃分成若干個相對獨立的模塊，分給多個軟件開發(fā)人員同時研制，其目的就在于縮短研制時間。

(2)確定各模塊的詳細要求：最基本的問題是系統(tǒng)的輸入/輸出問題，按照微機的被控對象確定哪些設(shè)備和器件應(yīng)該在系統(tǒng)中以什么方式與主機進行信息傳遞。另外，最大的數(shù)據(jù)速率、平均速率、誤差校驗過程、輸入/輸出狀態(tài)指示、字長、格式要求、時鐘及選通脈沖等都是需要具體考慮的問題。另一個重要問題是處理要求(或控制要求)，我們必須確定對輸入的數(shù)據(jù)進行怎樣的處理及處理的順序。對過程控制來說，往往工作順序要求相當苛刻，什么時候發(fā)送數(shù)據(jù)，什么時候接收數(shù)據(jù)，對于一般硬件設(shè)備，都需要一定的時序關(guān)系，為保證微機與外部設(shè)備同步，通常要用鎖存電路和定時選通電路來協(xié)調(diào)，程序長短及數(shù)據(jù)量多少都將決定內(nèi)存容量和緩沖區(qū)的大小，這一切都與處理要求密切相關(guān)。剩下的一個問題是如何進行出錯處理。為此，我們需要事先確定出錯誤處理方案，詳細地列出各種錯誤圖像以及顯示錯誤的方法。出錯處理最常用的辦法是使系統(tǒng)重啟動。概括而言，在程序開發(fā)之前要確定的問題是：輸入/輸出、時間限制、處理要求、精確度、內(nèi)存容量、出錯處理和各程序之間的關(guān)系等。(3)確定程序設(shè)計方法：一旦與系統(tǒng)有關(guān)的問題已經(jīng)確定，用戶程序開發(fā)的下一步就是程序設(shè)計。在程序設(shè)計過程中，采用合理的程序設(shè)計結(jié)構(gòu)是一個技術(shù)關(guān)鍵。一般程序設(shè)計采用下面幾種技術(shù)：①模塊化設(shè)計：這種方法是把一個大程序分成若干個小的程序模塊，對它們進行獨立設(shè)計和編程，然后分別進行調(diào)試，最后把它們連接為一個大程序。模塊是按功能加以劃分的，這種劃分的程序模塊能夠形成在以后工作中所要用到的程序庫。模塊化編程有許多明顯優(yōu)點，它縮短了查錯和測試的程序長度，并且為其他程序提供了可以重復使用的基本程序。其缺點是：各模塊連接時，參數(shù)傳遞費時并占用內(nèi)存，另外，需要進行模塊級和主程序級的兩級調(diào)試。②自上至下的程序設(shè)計：這種方法是在程序設(shè)計時，先從系統(tǒng)一級的程序(主程序)開始設(shè)計，從屬的程序或子程序用一些程序代號來表示。當主程序編好之后，再將各代號展開成從屬的程序或子程序，最后完成整個系統(tǒng)程序的設(shè)計。這種設(shè)計的優(yōu)點是設(shè)計、測試和連接同時按一條線索進行，所出問題可以較早地發(fā)現(xiàn)并解決。其測試能夠完全按真實的系統(tǒng)環(huán)境進行，無須測試程序。它是將程序設(shè)計、手工編程和測試等幾個步驟結(jié)合到一起的研制軟件的方法。其缺點是這種設(shè)計方法不能充分發(fā)揮硬件在軟件設(shè)計中的作用，其樹形結(jié)構(gòu)會使上一級錯誤對整個程序產(chǎn)生災難性的影響。③結(jié)構(gòu)程序設(shè)計：以標準的結(jié)構(gòu)進行編程，就是結(jié)構(gòu)程序設(shè)計。有三種邏輯簡單的結(jié)構(gòu)便于掌握，而且可以編出滿足任何要求的程序。這三種結(jié)構(gòu)是：線性結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。總之，在確定程序設(shè)計方法和采用合適的程序語言的基礎(chǔ)上，可使程序的開發(fā)事半功倍。目前，在工業(yè)控制微機應(yīng)用系統(tǒng)中，常采用高級語言與匯編語言混合編程的方法，這樣可以充分發(fā)揮兩種語言的優(yōu)點，使編程方便且效率高。在很小的(單片機)系統(tǒng)中，也有只用匯編語言編程的，這種軟件一般比較簡單。(4)編寫代碼：在確定了具體的程序設(shè)計方法之后，就可以編制用戶程序了。編制用戶程序可以用高級語言、匯編語言或兩者混合使用。對于一個工業(yè)控制系統(tǒng)，由于資源有限，速度要求又較高，故實際用戶程序的子功能多采用匯編程序完成，而主程序又多以C語言來設(shè)計。這樣既利用了匯編語言速度快的特點以滿足系統(tǒng)的速度要求，又利用了C語言功能強、實現(xiàn)容易的特點以提高程序質(zhì)量。例如，用C語言可以很方便地編制出良好的用戶界面，使操作者可以很快地掌握系統(tǒng)的使用方法。同時，在編程中，尤其是用匯編語言編程，由于是在指令級上進行的，因此，要特別注意細節(jié)，每一步都要小心謹慎，盡可能少出現(xiàn)錯誤。例如，用符號來表示地址、常數(shù)、標志等會帶來方便，但盡可能不采用容易混淆的符號；應(yīng)盡量使程序短小易懂；關(guān)鍵問題要加以注釋。(5)查錯：即使是一個很熟練的程序員，在編寫程序時，尤其是編寫較大的程序時，都很難不出現(xiàn)錯誤。查錯是解決這一問題的有效手段，同時它也是程序設(shè)計過程中所必須經(jīng)過的一個步驟。對于一個微機應(yīng)用系統(tǒng)來說，查錯通常比較困難，這是因為微處理器的內(nèi)部寄存器都在CPU內(nèi)，程序執(zhí)行時不能直接發(fā)現(xiàn)寄存器的內(nèi)容，軟件和硬件關(guān)系密切，程序執(zhí)行過程有嚴格的定時關(guān)系，而且在實時應(yīng)用中不能得到足夠的數(shù)據(jù)等，這一切都增加了微機系統(tǒng)查錯的困難。下面我們介紹幾個常用的查錯手段。①匯編(或編譯)程序。利用匯編(MASM)程序，可以給出匯編語言源程序中的語法錯誤及其他明顯的錯誤。同樣，利用高級語言的編譯程序也會給出一些語法方面的錯誤。但是，它們并不能找出程序中的邏輯錯誤。②邏輯分析儀和在線仿真器。這兩種測試儀器可以幫助我們查找軟件及硬件的錯誤(故障)。③列表校正和手工校正。手工校正在程序設(shè)計中通常作為必要的補充查錯手段。對整個程序，尤其是較長的程序進行手工校正要花費大量的時間和精力，但對于程序的某些部分，這樣做又是必不可少的。④第三方檢查。有時請第三者仔細閱讀出錯的程序，對照校正表認真分析，可以較容易地發(fā)現(xiàn)錯誤。(6)測試：測試和查錯是緊密相連的。測試的本質(zhì)就是在一組特定的測試條件下，進行查錯的后續(xù)步驟。測試方法和測試條件的選擇關(guān)系到測試成功與否，在許多微處理機工業(yè)控制系統(tǒng)中，程序的實時輸入很難控制和模擬，而且各部分聯(lián)系都很緊密，因而選擇合適的測試條件是件非常復雜的工作。有關(guān)測試手段和測試數(shù)據(jù)的選擇在軟件工程中學習，此處不再說明。在此特別說明，在軟件開發(fā)中，無論是匯編語言還是高級語言，都可以用DEBUG(動態(tài)調(diào)試工具)進行查錯和進行一般的測試。有了這個工具，將給軟件及硬件開發(fā)帶來一定的方便。

7.軟、硬件聯(lián)調(diào)——系統(tǒng)調(diào)試在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)分別進行設(shè)計并調(diào)試的基礎(chǔ)上，將硬件和軟件放到同一系統(tǒng)中進行聯(lián)調(diào)，又稱集成測試。在聯(lián)調(diào)中往往是逐步進行的，逐個硬件模塊和軟件模塊進入系統(tǒng)，使它們進入正常工作。如果某一模塊有問題，則可集中注意力加以解決，直至整個系統(tǒng)通過測試。

8.實驗室模擬運行——離線仿真將整個聯(lián)調(diào)好的系統(tǒng)在實驗室中模擬現(xiàn)場的運行，此步驟稱為離線仿真。這時，可由人工輸入模擬信號(電壓)，用儀表(例如萬用表、示波器等)對輸出進行指示，使系統(tǒng)連續(xù)運行。在實驗室模擬運行過程中，設(shè)計人員必須仔細觀察運行過程中的各種狀態(tài)，對任何不正常情況必須仔細分析其原因。必要時，可人為地制造一些干擾，以便觀察系統(tǒng)的可靠性，亦可將電源拉偏，觀察系統(tǒng)的適應(yīng)能力等等。

9.現(xiàn)場調(diào)試、試運行將所研制的系統(tǒng)放到用戶現(xiàn)場，接上用戶的常規(guī)及專用外設(shè)，對專用外設(shè)進行逐一調(diào)試，使它們進入正常狀態(tài)。然后，執(zhí)行用戶程序，由用戶使用，完成用戶提出的功能，使系統(tǒng)進入試運行狀態(tài)。在試運行過程中，開發(fā)者與使用者需要密切配合，仔細觀察并記錄系統(tǒng)運行的狀態(tài)。如發(fā)現(xiàn)問題，要認真分析，務(wù)求盡快解決。在試運行過程中，系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)人員要認真編寫大量的文件、資料。例如，研制項目的背景、研制報告、技術(shù)報告、使用維護手冊、軟件資料、硬件圖紙、標準化規(guī)范、用戶使用報告等等。

10.驗收或鑒定——系統(tǒng)性能評估在用戶使用半年或更長時間之后，若用戶和設(shè)計者均對系統(tǒng)的性能感到滿意，即可組織驗收或鑒定，使設(shè)計工作完結(jié)。否則，依據(jù)需要修改設(shè)計，重新開發(fā)。微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)步驟的簡要流程如圖12.3所示。圖13.3微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計步驟示意圖12.2.4系統(tǒng)集成在前面敘述微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計時，無論是硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)，主要是以自己的設(shè)計來實現(xiàn)系統(tǒng)的硬、軟件。這在那些具有特殊要求的場合，在必須這樣做的情況下，只能參考上面所提到的步驟完成用戶所要求的微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。目前，硬件系統(tǒng)集成、軟件系統(tǒng)集成以及網(wǎng)絡(luò)集成已成為工程技術(shù)的流行方法。對應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)對生產(chǎn)過程監(jiān)控的微機應(yīng)用系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)多采用系統(tǒng)集成的方法來實現(xiàn)。對大型的網(wǎng)絡(luò)(如城域網(wǎng))，常采用網(wǎng)絡(luò)集成，包括網(wǎng)絡(luò)的硬件、軟件均采用集成方式。在這里我們僅就工業(yè)企業(yè)的小型監(jiān)控系統(tǒng)來說明系統(tǒng)集成的方法。

1.硬件系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)提醒我們，在進行微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計時，不必什么都從元器件級上進行設(shè)計。這是因為，前人及許多廠家為應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計者提供了大量的、經(jīng)過使用證明是穩(wěn)定可靠的半成品。設(shè)計人員完全可以合理地利用這些半成品，以更快的速度、更低的代價構(gòu)成微機應(yīng)用系統(tǒng)。如果說元件級上的設(shè)計是要求廚師從種菜、養(yǎng)豬做起的話，則系統(tǒng)集成是要求廚師將已配好的原料加工成為一盤佳肴。

微機應(yīng)用系統(tǒng)硬件集成就是利用已有的部件(半成品)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，構(gòu)成微機應(yīng)用系統(tǒng)硬件。當然，這種集成決不是簡單的組合，它必須根據(jù)設(shè)計要求，滿足所規(guī)定的性能指標。集成工作是經(jīng)過系統(tǒng)需求分析且在整個系統(tǒng)的硬、軟件方案均已確定后進行的。因此，系統(tǒng)集成的目標就是以既定的方案為基礎(chǔ)進行系統(tǒng)合成的。例如，現(xiàn)在有眾多的工業(yè)控制機廠家，它們?yōu)閺V大系統(tǒng)設(shè)計者提供了大量的可供選擇的電路板、部件等產(chǎn)品，也提供大小不一的機箱、機柜供選用。系統(tǒng)設(shè)計者可以比較方便地構(gòu)成硬件系統(tǒng)。

這里需強調(diào)指出，在硬件集成時，系統(tǒng)設(shè)計者必須根據(jù)廠家提供的說明書，徹底弄清它們的工作原理，使各部件集成在一起能夠很快調(diào)試好，使其進入正常狀態(tài)。而且，一旦某部件出現(xiàn)故障要能很快判斷故障的部位并加以排除。若集成的系統(tǒng)能正常工作，則后面的工作將如前所述。2.軟件集成軟件集成就是直接將現(xiàn)成的軟件產(chǎn)品通過有機的集合與組織實現(xiàn)應(yīng)用的目的。單臺微機應(yīng)用系統(tǒng)的時代已成為過去，而由多臺微機聯(lián)網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)分布式應(yīng)用系統(tǒng)成為需要。例如數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件包、多媒體等多種信息的綜合應(yīng)用軟件已成為商品，大型應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)都需要集成許多軟件(包括工具軟件)。包含在工業(yè)系統(tǒng)中的設(shè)備種類繁多，每種設(shè)備各自安裝不同的應(yīng)用軟件，有機的集成就成為軟件開發(fā)的主要工作。大型應(yīng)用系統(tǒng)則是在單臺微機應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過通信方式實現(xiàn)整個系統(tǒng)內(nèi)不同子系統(tǒng)的無縫鏈接并配合工作，從而形成一個更大的邏輯整體來達到實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程全面監(jiān)控的目的。13.3微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實例13.3.1微機信號發(fā)生器

【例13-1】利用微機制作信號發(fā)生器。通過在微型計算機中擴展A/D、D/A通道和信號變換設(shè)備，形成多種信號發(fā)生器的硬件環(huán)境。通過軟件編程使用DAC0832產(chǎn)生不同波形，然后利用ADC0809采集這個波形并以圖形方式在顯示器上顯示。本例以產(chǎn)生鋸齒波為例，說明系統(tǒng)分析設(shè)計的全過程。當然，若在軟件設(shè)計上稍做修改，也可以產(chǎn)生方波、三角波信號等。

1.硬件設(shè)計分析設(shè)計提示：D/A轉(zhuǎn)換送出的模擬量信號，再用A/D將其取回并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)據(jù)。對于D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，可參考D/A和A/D章節(jié)部分，這里不做說明。以圖形方式顯示各種波形，必須熟悉和掌握微型計算機顯示器的圖形編程方法，具體可用BIOS的INT10H調(diào)用來實現(xiàn)。根據(jù)上述分析，依據(jù)前面介紹的設(shè)計原則和設(shè)計步驟，分析設(shè)計系統(tǒng)的硬件連接。參考電路如圖13.4所示。其中：(1)D/A電路采用雙緩沖工作方式，用CS片選信號確定輸入寄存器和DAC寄存器的端口地址，進行兩次寫操作便可以完成數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)換。第一次CS有效，完成將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器；第二次有效，完成將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。D/A電路用通用雙運放LM358實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。D/A輸出為雙極性，電壓輸出范圍是-5～+5V，電壓輸出與數(shù)字量的應(yīng)關(guān)系如表13-1所示。表13-1電壓輸出與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系(2)A/D電路將START端和ALE端相連，從而可同時鎖存通道地址并開始A/D采樣轉(zhuǎn)換。其輸入控制信號為CS和IOW，故啟動A/D轉(zhuǎn)換只要能發(fā)出CS和IOW信號即可。如：

MOVDX，2A0H；ADC0809的端口地址

OUTDX，AL；啟動A/D

采用中斷法讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，即用A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC作為中斷請求信號，提出中斷申請，在中斷服務(wù)程序中，使用下面的指令讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果： MOVDX，2A0H INAL，DX

可使用微型計算機的中斷IRQ3(串行口2不用)，A/D芯片的EOC信號接總線的IRQ3。

ADC0809采集通道用IN0，電壓輸出范圍是0～+5V，端口地址為2A0H。(3)8254用通道0對CPU主頻進行分頻(8086CPU主頻為4MHz，分頻后產(chǎn)生ADC0809所需的500kHz時鐘)。

8254通道0的地址為2B0H，8254控制寄存器的地址為2B3H。

(4)地址譯碼器完成各個接口芯片的地址選擇，可采用74LS128譯碼器，也可用邏輯門電路來實現(xiàn)線選譯碼。在選擇各個端口地址時一定不能與IBM-PC系統(tǒng)中的I/O端口地址沖突。本例選擇的地址范圍為290H～2B7H。其中的290H～29lH分配給DAC0832，2A0H～2A7H分配給ADC0809，2B0H～2B3H分配給8254。圖13.4微機信號發(fā)生器的硬件參考電路

2.軟件設(shè)計(以鋸齒波信號為例)D/A數(shù)據(jù)端送出的鋸齒波數(shù)據(jù)由80H(0V)開始，每次增1，順序遞增到0FFH(+5V)，輸出1個鋸齒波。重復此過程，可以連續(xù)輸出多個鋸齒波。顯示器應(yīng)初始化成圖形方式，再顯示鋸齒波圖形。

A/D采集來的鋸齒波圖形放置到一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，同時畫出該鋸齒波的圖形點。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿時，將第一個鋸齒波數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)去掉，同時將對應(yīng)的圖形點抹掉。將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中其余鋸齒波數(shù)據(jù)順序前移一個位置，并將其余鋸齒波圖形點的顯示也順序前移一個位置，這樣可得到一個向前移動的鋸齒波圖形顯示，使得演示的波形更加直觀。圖13.5鋸齒波主程序流程圖圖13.6中斷服務(wù)程序流程圖3.鋸齒波參考程序；系統(tǒng)主程序DATA SEGMENTX0 EQU 155Y0 EQU 155 ；坐標系原點坐標(X0，Y0)MESS DB ‘pressanykeytoreturntodos.’，0DH，0AH；提示信息TMCTL EQU 2B3H ；8254控制口地址TMRO EQU 2B0H ；8254通道0地址INPR EQU 290H ；DAC0832輸入寄存器地址DACR EQU 29lH ；DAC0832DAC寄存器地址DAIN DB ？ ；DAC0832的D/A數(shù)據(jù)INT3S DW ？ ；IRQ3的中斷向量段地址保存單元INT3O DW ？ ；IRQ3的中斷向量偏移地址保存單元IMR DB ？ ；中斷屏蔽字保存單元ADDR EQU 2A0H ；ADC0809的片選地址ADDA DB ？ ；ADC0809的采集數(shù)據(jù)COUNT DW 0 ；ADC0809的采集數(shù)據(jù)個數(shù)BUFF DB 240DUP(？) ；采集數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(240個數(shù)據(jù))DATA ENDSSTACK SEGMENT DB 100DUP(？)STACK ENDSWRICH MACROCHAR，WH，COLOR ；寫字符定調(diào)用(CHAR為字符，WH 為位置，COLOR為顏色)MOV AH，02H ；置光標位置功能調(diào)用MOV DX，WH ；光標位置為WHMOV BH，00HINT 10H ；顯示功能調(diào)用MOV AH，09H ；寫字符功能調(diào)用MOV AL，CHAR ；顯示字符送ALMOV BL，COLOR ；置字符顏色MOV CX，l ；字符長度為1INT 10HWRICH ENDMCODE SEGMENT ASSUMECS：CODE，DS：DATA，SS：STACKSTART：MOV AX，DATAMOV DS，AXCLI ；關(guān)中斷

MOV DX，TMCTLMOV AL，00110110BOUT DX，AL ；8254初始化

MOV DX，TMROMOV AL，08H ；計數(shù)低位字節(jié)，計數(shù)初值為8OUT DX，ALMOV AL，00H ；計數(shù)高位字節(jié)置0OUT DX，ALMOV AL，0BHMOV AH，35HINT 21H ；取IRQ3的中斷向量并保存在INT3OMOV INT3S，ES ；和INT3S單元MOV INT3O，BXPUSH DSMOV DX，OFFSET ADINTMOV BX，SEG ADINTMOV DS，BXMOV AL，0BHMOV AH，25HINT 21H ；設(shè)置新的IRQ3中斷向量 POP DS IN AL，21H MOV IMR，AL ；保存中斷屏蔽字

AND AL，11110111B OUT 21H，AL ；開放IRQ3中斷

MOV SI，OFFSET BUFF CALL INIT ；屏幕圖形初始化

MOV DAIN，80H ；鋸齒波初值80H送DAINBEGIN：MOV AL，DAIN MOV DX，INPR OUT DX，AL ；鋸齒波值送DAC0832輸入寄存器

MOV DX，DACR OUT DX，AL ；鋸齒波值送DAC0832DAC寄存器INC DAINJNZ QQQMOV DAIN，80HQQQ： STI ；開中斷MOV DX，ADDROUT DX，AL ；啟動一次A/D轉(zhuǎn)換HLT ；等待中斷CLIINC COUNT ；采集數(shù)據(jù)個數(shù)+1MOV AL，ADDA ；取A/D采集數(shù)據(jù)MOV BX，COUNTMOV BYTEPTR［SI＋BX］，AL ；將A/D采集數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)CMP COUNT，240JB DRAW；以下程序為采集數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的處理，在顯示器上抹掉緩沖區(qū)中第一個數(shù)據(jù)的顯示；將緩沖區(qū)中2～240位置的數(shù)據(jù)順序向前移動一個位置

MOV BX，1 ；從采集數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的；第一個數(shù)據(jù)處開始處理BUFDR：MOV AL，00 ；點的顏色為黑色

CALL DPT ；從顯示器上抹掉第一個點

MOV AL，BYTEPTR［SI＋BX＋l］

MOV BYTEPTR[SI+BX]，AL ；將采集數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)

MOV AL，0FFH ；順序前移一個位置，并置點的

CALL DPT ；顏色為白色，調(diào)用畫點子程序

INC BXCMP BX，240JNE BUFDRMOV COUNT，239JMP NEXTDRAW：MOV AL，0FH ；顯示緩沖區(qū)未滿時，

MOV BX，COUNT ；直接顯示采集的數(shù)據(jù)

CALL DPTNEXT：MOV AH，06HMOV DL，0FFH ；判斷是否有鍵按下

INT 21HJZ BEGIN ；沒有按鍵，則繼續(xù)OVER：PUSH DSMOV DX，INTSOMOV BX，INT3SMOV DS，BXMOV AL，0BHMOV AH，25HINT 21H ；恢復原IRQ3中斷向量POP DSMOV AL，IMROUT 21H，AL ；恢復原中斷屏蔽字STIMOV AH，4CH INT 21H ；返回DOS；中斷服務(wù)子程序ADINT PROC NEAR ；A/D中斷服務(wù)程序PUSH AXPUSH DXPUSH DSMOV AX，DATAMOV DS，AX ；送數(shù)據(jù)段地址；確保中斷服務(wù)程序MOV DX，ADDR ；對數(shù)據(jù)段中的變量正確尋址IN AL，DX ；讀入A/D數(shù)據(jù)并送ADDA單元MOV ADDA，ALMOV AL，20HOUT 20H，AL ；送EOI命令POP DSPOP DXPOP AXIRET ；中斷返回ADINT ENDPDPT PROC NEAR ；畫點子程序PUSH AXPUSH BXPUSH CXPUSH DXMOV CX，X0 ；點的列位置(CX)為BX+X0ADD CX，BXMOV DH，00MOV DL，BYTEPTR[SI+BX] ；取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)SHR DX，l ；DX/2MOV BX，DX ；DX值送BXMOV DX，Y0-1 ；點的行位置為Y0-1-BXSUB DX，BX ；減1是為了避免將點畫到坐標軸上MOV AH，0CH ；畫點INT 10HPOP DXPOP CXPOP BXPOP AXRETDPT ENDPINIT PROC NEAR ；初始化屏幕子程序MOV AH，00 ；設(shè)置顯示器工作方式為EGA/VGAMOV AL，0EH ；顯示模式為640×200×16INT 10HWRICH ‘∧’，0112H，0FH ；顯示坐標系的兩個箭頭WRICH ‘>’，124CH，0FHMOV AH，0CH ；寫像素功能調(diào)用MOV AL，0FH ；顏色為白色MOV CX，X0MOV DX，Y0DRAX：INT 10H ；畫坐標系的X軸INC CXCMP CX，614JNZ DRAXMOV DX，Y0MOV CX，X0DRAY：INT 10H ；畫坐標系的Y軸DEC DXCMP DX，8JNZ DRAYMOV AH，0CH；以下為顯示坐標系上X、Y軸的刻度MOV AL，0FHMOV CX，X0－4 ；給定Y軸刻度初值，畫第一個MOV DX，25 ；刻度，長度為4點YBJ： INT10HINC CXCMP CX，X0JNZ YBJMOV CX，X0-4 ；在Y軸畫間隔為26ADD DX，26 ；長度為4點的5條刻度線CMP DX，Y0JB YBJMOV CX，X0+80 ；給定X軸刻度初值，畫第一個MOV DX，Y0+2 ；刻度，長度為2點XBJ： INT 10HDEC DXCMP DX，Y0JNZ XBJMOV DX，Y0+2 ；在X軸上，畫間隔為80ADD CX，80 ；長度為2點的7條刻度線CMP CX，600JB XBJWRICH‘V’，0112H，0FH ；顯示坐標系的Y軸標識V，；行列位置為(01H，12H)，；白色WRICH‘0’，1412H，0FH ；顯示原點標識WAICH‘T’，144CH，0FH ；顯示X軸標識TWAICH‘l’，14Ldh，0FH ；顯示X軸的刻度WRICH‘2’，1427H，0FHWRICH‘3’，1431H，0FHWRICH‘4’，143BH，0FHWRICH‘5’，1445H，0FH；WRICH‘2’，0D12H，0FH ；顯示Y軸的刻度值WRICH‘5’，0312H，0FHPUSH DSPOP ESMOV AX，1200H ；顯示字符串功能調(diào)用LEA BP，MESS ；ES：BP指向提示信息MOV CX，35 ；提示信息長度MOV BL，0FH ；黑底，白字MOV DX，1600H ；從16H行00列開始INT 10H ；顯示功能調(diào)用RETINIT ENDPCODE ENDS END START13.3.2城市交通管理控制系統(tǒng)分析與設(shè)計

【例13-2】城市交通管理控制系統(tǒng)分析與設(shè)計。城市交通管理中十字路口交通燈的控制對車輛運行效率及安全十分重要。傳統(tǒng)管理利用人工定時切換方式，控制過程不靈活。采用計算機控制具有實時、高效、靈活和安全等優(yōu)點，可為城市交通管理帶來極大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1.控制要求及系統(tǒng)分析城市交通管理中，十字路口的交通燈布局情況如圖13.7所示。圖13.7十字路口的交通燈控制

交通管理系統(tǒng)中，要求對十字路口的交通燈進行定時轉(zhuǎn)換控制，這種燈光控制的規(guī)律可歸結(jié)如下：

(1)縱向(A向)與橫向(B向)的交通燈定時60秒交換紅綠燈一次。

(2)燈光有三種顏色：紅、黃、綠(圖13.7中的R、O、G)，每次交換時要求在黃色燈亮時停留3秒鐘。

(3)一路在60秒內(nèi)過車完后超過6秒無車繼續(xù)過時，如另一路有車在等待，則自動提前交換燈色。交換過程也得先在黃燈處停留3秒。

(4)在緊急車輛(如消防車、救護車等)通過時，四邊街口均顯紅燈，以便只許緊急車輛通過，其他車輛暫停行駛。緊急車輛過后自動恢復原來的燈色標志。

還可以提出更多的要求。不過，上述四點基本要求已足以說明交通燈控制問題對計算機提出的要求是什么。這種控制方式具有如下的特點：第一，這是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，即無反饋的程序控制。第二，開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出。圖13.7中的車輛檢測傳感器(A1、A2及B1、B2)，是光電開關(guān)式的，所以送入計算機的信息是開關(guān)量。計算機控制交通燈的通斷是通過繼電器的，所以也是開關(guān)量輸出。

第三，有提前換燈信號功能，即一路的車輛能夠申請另一路中斷綠燈而讓其通行。不過這是有條件的，即必須是被請求的一路已有6秒鐘無車通過才會響應(yīng)；硬件電路設(shè)置為IRQ5實現(xiàn)。第四，有緊急車輛檢測功能。當圖13.7中的緊急車輛檢測傳感器(J)檢測到有緊急車輛要通過時，立即發(fā)出緊急中斷訊號(也是開關(guān)量)。這種中斷請求不必等到被請求的一路已無車通過，而是無條件地停止其他車輛通過。這里中斷設(shè)置為IRQ3，它的優(yōu)先級高于IRQ5。2.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖13.8交通燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

微型計算機是系統(tǒng)的核心，它具有下列最基本的組件：微處理機：包含CPU、ROM/RAM等部件。CPU是執(zhí)行程序、接受輸入信號并發(fā)出控制信號的指揮中心；ROM/RAM是只讀存儲器/隨機存儲器，存放著控制系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)，其中的程序是由用戶編制的，故稱為用戶程序。這個程序是根據(jù)交通燈控制的需要而由設(shè)計者(用戶)制定的。

LED：發(fā)光二極管顯示器(模擬燈光標志)。在編制程序時，此顯示器可幫助程序員觀察到存儲器中所存的內(nèi)容是否符合所編程序的要求，也可顯示控制過程。

并行接口電路：利用PA端口連接和控制十字路口的紅、黃、綠三色燈，PB端口連接緊急車輛檢測器。

REL：繼電器板。其中有六個繼電器以提高輸出接口的六條輸出線的功率，以便控制A向及B向的交通燈。

RA、OA、GA為A向兩個街口的交通燈，紅、黃、綠三色各有兩個燈。

RB、OB、GB為B向兩個街口的交通燈，也是三色各有兩個燈。

GB：門電路板。其中裝有兩個或門，這實際上是一個門電路組件。其各個與門的輸入輸出邏輯關(guān)系為：A1+A2=A，B1+B2=B。A1及A2為放在A向兩個街口的檢測器，只要其中一個為1(有車要通過)，則A=1，即通知計算機A向有車要求通過。

B1與B2是放在B向兩個街口的檢測器，其作用和上述檢測器是相同的。

J：四個緊急車輛檢測器的公共入口，即四個控制器的輸出端并聯(lián)在一起，接至此處。NMI為CPU的一個非屏蔽中斷輸入端，低電位(即在J=0時)有效(表示有緊急車輛要通過)。通過NMI端將此信息進入CPU，從而使RAM中正在進行的程序中斷，而跳轉(zhuǎn)至讓緊急車輛通過的中斷服務(wù)子程序。當車輛過后，J恢復為1，則經(jīng)由PC口的輸入線使程序恢復到原來的主程序上去。圖13.9城市交通控制系統(tǒng)的硬件參考電路

3.系統(tǒng)工作原理這個系統(tǒng)的工作過程是：

(1)開始時設(shè)A向通行(GA，即A向的綠燈亮)，B向不通(RB，即B向的紅燈亮)。這樣，通行60秒后自動轉(zhuǎn)為B向通行(GB，綠燈亮)，A向不通(RA，紅燈亮)。這是兩個方向都很頻繁通車的情況。(2)如在GA(綠燈)及RB(紅燈)亮時，A向并未有車輛通行，等待6秒之后，如B向有車輛在等待通過，則通過B1或B2使程序跳轉(zhuǎn)，其結(jié)果是使燈光自動按次序改變：GA及RB滅；OA及OB亮(3秒)；RA及GB亮，同時OA及OB滅。(3)從此時起B(yǎng)向車輛可以通行，60秒后又自動轉(zhuǎn)為A向車輛通行的程序。如無論哪個方向正在通行時，突然來了緊急車輛，不論其方向是否與正在通行的方向相同，則通過S(S=0)使程序跳轉(zhuǎn)至讓緊急車輛通行的子程序而使RA及RB都亮，此時沒有黃燈過渡時期，以便禁止一般車輛繼續(xù)通行。此時子程序所達到的燈光控制效果為：如本來GA是亮的，則GA由亮轉(zhuǎn)滅，然后RA亮。而原來就是紅燈亮(RB)的B向，其紅燈RB仍不變。在A向和B向的紅燈全亮時，緊急車輛可以不受交通燈的管制而隨意通行。

根據(jù)上述控制過程的燈色配置，可以將燈色狀態(tài)歸納成四個模式(PAD)，表13-2作出了這四種模式各自的燈色配置。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計根據(jù)上面討論的交通規(guī)則要求，可以設(shè)計出如圖13.10所示的程序流程圖。圖13.10交通燈控制系統(tǒng)軟件流程圖

程序設(shè)計思路如下：程序開始后，即對A向(縱向)進行測試，如A=1為真，即A向有車要求通過，則程序轉(zhuǎn)至CHK1端而直接輸出燈色模式ZA，否則輸出燈色模式ZB(CHK2端)。如A向及B向均無車時，則對CHK0及CHK2進行循環(huán)測試，同時維持原來的某一輸出狀態(tài)不變。在循環(huán)測試過程中，測試某一方向有車，如A向有車，A=1是真，其控制流程為圖中的左半部，則控制過程如下：先檢查該A向原來是否已處于放行狀態(tài)(PAD=ZA)？如PAD≠ZA，則在A向轉(zhuǎn)為綠燈之前，必須經(jīng)黃燈的過渡。所以要用ZC子程序和3秒子程序，然后調(diào)用ZA子程序。如果PAD=ZA，則說明該A向已處于放行狀態(tài)，不需經(jīng)過ZC子程序，而直接由CHK1處進入輸出ZA的方框(即PAD=ZA)，并等到60秒子程序進行完畢后再去進行循環(huán)檢查。當檢出B=1為真，即B向有車時，其控制流程為圖13.10中的右半部，其過程和左半部完全一樣。

在圖13.10中的60秒子程序方框旁的箭頭附注A=0(或B=0)的意義是，在A向無車時，就轉(zhuǎn)入進行循環(huán)測試。為此，必須每隔若干秒(一般為零點幾秒)測試一次A或B是否為0。如A向(或B向)始終有車，則PAD=ZA(或PAD=ZB)，要延續(xù)至滿60秒再轉(zhuǎn)入循環(huán)測試程序。當有緊急車輛通過時，NMI線有效，則計算機進入緊急車輛程序，此程序一開始就將圖13.10復位至初始狀態(tài)，等緊急車輛過完后，才又從“開始”方框進入控制流程。13.4虛擬儀器技術(shù)

隨著微電子技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展及其在測量儀器中的應(yīng)用，推動了測試新理論、新方法及其新的儀器結(jié)構(gòu)的發(fā)展。虛擬儀器就是基于計算機的、具有傳統(tǒng)儀器功能的軟件與硬件的組合體。虛擬儀器具有軟件的表現(xiàn)形式，又有實際儀器的功能和形式，因此用戶可根據(jù)需求的變化，通過增減相應(yīng)的軟件、硬件或修改軟件的方法，重新定義或配置出新功能的測量儀器。

1.虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)通常傳統(tǒng)測量儀器是一個能實現(xiàn)特定功能的獨立硬件盒子，其功能在制造時就確定了(如示波器、信號發(fā)生器等)，而基于相關(guān)技術(shù)的虛擬儀器，其物理硬件不必限