單片機(jī)課件：第7章 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例

1、7.1 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程7.2 家用電器典型實(shí)例全自動(dòng)洗衣機(jī)7.3 工業(yè)應(yīng)用實(shí)例配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)遙測(cè)終端單元7.4 網(wǎng)絡(luò) 所謂應(yīng)用系統(tǒng)，是指利用單片機(jī)作為微處理器所設(shè)計(jì)的能夠完成某種應(yīng)用目的的單片機(jī)控制系統(tǒng)(在調(diào)試過(guò)程中通常稱(chēng)做目標(biāo)系統(tǒng))。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、在線調(diào)試、產(chǎn)品化等幾個(gè)階段，但它們不是絕對(duì)分開(kāi)的，有時(shí)是交叉進(jìn)行的。圖7.1描述了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。7.1 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖7.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程框圖 7.1.1 總體設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的總體方案的確定是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步?？傮w方案的好壞直接影響整個(gè)應(yīng)用系

2、統(tǒng)的投資成本、產(chǎn)品品質(zhì)和具體實(shí)施細(xì)則。1確定功能技術(shù)指標(biāo)在著手進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合、工作環(huán)境、具體用途提出合理的、詳盡的功能技術(shù)指標(biāo)，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)，也是決定產(chǎn)品前途的關(guān)鍵。不管是老產(chǎn)品的改造還是新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，都應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的可靠性、通用性、可維護(hù)性、先進(jìn)性及成本等進(jìn)行綜合考慮，參考國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的有關(guān)資料，使確定的技術(shù)指標(biāo)合理且符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 2機(jī)型選擇選擇單片機(jī)機(jī)型的出發(fā)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。(1) 市場(chǎng)貨源。所選機(jī)型必須有穩(wěn)定、充足的貨源。(2) 單片機(jī)性能。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求和各種單片機(jī)的性能，選擇最容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的機(jī)型，且該機(jī)型具有較高的性能價(jià)格比。(3)

3、 研制周期。在設(shè)計(jì)任務(wù)重、時(shí)間緊的情況下，還需要考慮對(duì)所選擇的機(jī)型是否熟悉，是否能馬上著手進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與研制周期有關(guān)的另一個(gè)重要因素是單片機(jī)的開(kāi)發(fā)工具，性能優(yōu)良的開(kāi)發(fā)工具能加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)的速度。3器件選擇除了單片機(jī)以外，系統(tǒng)中還可能需要傳感器、模擬電路、輸入/輸出電路、存儲(chǔ)器以及鍵盤(pán)、顯示器等器件和設(shè)備，這些部件的選擇應(yīng)符合系統(tǒng)的精度、速度和可靠性等方面的要求。在總體設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)市場(chǎng)情況有個(gè)大體的了解，對(duì)器件的選擇提出具體要求。4硬件和軟件的功能劃分系統(tǒng)硬件的配置和軟件的設(shè)計(jì)是緊密聯(lián)系在一起的，而且在某些場(chǎng)合，硬件和軟件具有一定的互換性。有些硬件電路的功能可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，反之亦然。例如，系

4、統(tǒng)日歷時(shí)鐘的產(chǎn)生可以使用時(shí)鐘電路(如5832 芯片)，也可以由定時(shí)器中斷服務(wù)程序來(lái)控制時(shí)鐘計(jì)數(shù)。多用硬件完成一些功能可以提高工作速度，減少軟件設(shè)計(jì)的工作量，但增加了硬件成本；若用軟件代替某些硬件完成一些功能，則可以節(jié)省硬件開(kāi)支，但增加了軟件的復(fù)雜性。因此在一般情況下，如果所研制的產(chǎn)品生產(chǎn)批量比較大，則能夠用軟件實(shí)現(xiàn)的功能都由軟件來(lái)完成，以便簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本。在總體設(shè)計(jì)時(shí)，必須權(quán)衡利弊，仔細(xì)劃分好硬件和軟件的功能。7.1.2 硬件原理設(shè)計(jì)所謂硬件電路的總體設(shè)計(jì)，就是為實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目全部功能所需要的所有硬件的電氣連線原理圖。為使硬件設(shè)計(jì)盡可能合理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

5、(1) 盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。(2) 在條件允許的情況下，盡可能選用功能強(qiáng)、集成度高的電路或芯片。因?yàn)椴捎眠@種器件可能代替某一部分電路時(shí)，不僅使元件數(shù)量、接插件和相互連線減少，體積減小，系統(tǒng)可靠性增加，而且成本往往比用多個(gè)元件實(shí)現(xiàn)的電路要低。 (3) 注意選擇通用性強(qiáng)、市場(chǎng)貨源充足的器件，尤其在需大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合，更應(yīng)注意這方面的問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)是：一旦某種元器件無(wú)法獲得，也能用其他元器件直接替換或?qū)﹄娐飞宰鞲膭?dòng)后用其他器件代替。(4) 在對(duì)中央控制單元、輸入接口、輸出接口、人機(jī)接口等分塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用的連接方式應(yīng)選用通用接口方式。在必要的情況下，選

6、用已有的模板作為系統(tǒng)的一部分。這樣盡管成本有些偏高，但會(huì)大大縮短研制周期，提高工作效率。當(dāng)然，在有些特殊情況和小系統(tǒng)場(chǎng)合，用戶(hù)必須自行設(shè)計(jì)接口，定義連線方式。此時(shí)要注意接口協(xié)議，一旦接口方式確定下來(lái)，各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都應(yīng)遵守該接口方式。(5) 系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)留有余地，以備將來(lái)修改、擴(kuò)展之需。(6) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能多做些調(diào)研，采用最新的技術(shù)。(7) 在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動(dòng)能力。(8) 工藝設(shè)計(jì)時(shí)，包括機(jī)箱、面板、配線、接插件等，要充分考慮到安裝、調(diào)試、維修的方便。(9) 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。7.1.3 印制電路板設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用

7、系統(tǒng)的硬件單元電路設(shè)計(jì)完成后，就可以運(yùn)用電路板設(shè)計(jì)軟件完成相應(yīng)的原理圖(.Sch)、印制板圖(.Pcb)的制作?？梢圆捎玫碾娐钒鍒D設(shè)計(jì)軟件有很多，如PROTEL、CAD等。但現(xiàn)在大部分電子設(shè)計(jì)者采用PROTEL軟件輔助設(shè)計(jì)。首先開(kāi)始電路原理圖的繪制，圖樣要整潔、美觀、大方，應(yīng)正確標(biāo)注出各元件之間連接的網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)，為下一步制作印制板圖時(shí)自動(dòng)生成網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系作好準(zhǔn)備。其次根據(jù)原理圖繪制印制電路板圖，印制電路板一般分為2層板、4層板、8層板，層數(shù)越高，板的造價(jià)越高。 印制電路板布線時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：(1) 印制電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.010.1 F高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的

8、布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。布線時(shí)避免90折線，以減少高頻噪聲發(fā)射。(2) 注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定。(3) 用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則。(4) 單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。大功率器件應(yīng)盡可能放在印制電路板邊緣。(5) 整板設(shè)計(jì)完成后，要及時(shí)檢查信號(hào)走線和連接是否正確，是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，器件標(biāo)注是否正確完整，同時(shí)還要注意整體外觀形象。7.1.4 軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中軟件的設(shè)

9、計(jì)在很大程度上決定了系統(tǒng)的功能。軟件的資源細(xì)分為系統(tǒng)理解部分、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分和程序設(shè)計(jì)部分。(1) 系統(tǒng)理解是指在開(kāi)始設(shè)計(jì)軟件前，熟悉硬件留給軟件的接口地址、I/O方式，確定存儲(chǔ)空間的分配，了解應(yīng)用系統(tǒng)面板控制開(kāi)關(guān)、按鍵、顯示的設(shè)置等。(2) 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要結(jié)合單片機(jī)所完成的功能確定相應(yīng)的模塊程序，比如一般子程序、中斷功能子程序的確定，模塊程序運(yùn)行的先后順序的確定，程序整體流程圖的繪制。(3) 程序設(shè)計(jì)和其他軟件程序設(shè)計(jì)一樣，首先要建立數(shù)學(xué)模型，選定數(shù)學(xué)算法，繪制具體程序的流程圖，作好程序接口說(shuō)明。然后選定編程所用語(yǔ)言(匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言)。以上程序在編制時(shí)可以采用WAVE、Keil C等集成

10、編輯軟件的軟件模擬仿真功能進(jìn)行軟件模擬調(diào)試。程序無(wú)誤后通過(guò)編輯軟件的匯編功能將其轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼，然后聯(lián)機(jī)調(diào)試。7.1.5 調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)在完成目標(biāo)系統(tǒng)樣機(jī)的組裝和軟件設(shè)計(jì)之后，便進(jìn)入系統(tǒng)的調(diào)試階段。用戶(hù)系統(tǒng)的調(diào)試步驟和方法是相同的，但具體細(xì)節(jié)則與所采用的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)以及目標(biāo)系統(tǒng)所選用的單片機(jī)型號(hào)有關(guān)。系統(tǒng)調(diào)試的目的是查出系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)存在的錯(cuò)誤及可能出現(xiàn)的不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，以便修改設(shè)計(jì)，最終使系統(tǒng)能正確工作。最好能在方案設(shè)計(jì)階段就考慮到調(diào)試問(wèn)題，如采用什么調(diào)試方法，使用何種調(diào)試儀器等，以便在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)將必要的調(diào)試方法綜合到軟、硬件設(shè)計(jì)中，或提早作好調(diào)試準(zhǔn)備工作。系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試、軟件

11、調(diào)試及軟/硬件聯(lián)調(diào)。根據(jù)調(diào)試環(huán)境不同，系統(tǒng)調(diào)試又分為模擬調(diào)試與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。各種調(diào)試所起的作用是不同的，它們所處的時(shí)間階段也不一樣，但它們的目標(biāo)是一致的，都是為了查出系統(tǒng)中潛在的錯(cuò)誤。電路故障包括設(shè)計(jì)性錯(cuò)誤和工藝性故障，通常借助電氣儀表進(jìn)行故障檢查。軟件調(diào)試是利用開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行在線仿真調(diào)試，在軟件調(diào)試過(guò)程中也可以發(fā)現(xiàn)硬件故障。幾乎所有的在線仿真器和簡(jiǎn)易的開(kāi)發(fā)工具都為用戶(hù)調(diào)試程序提供了以下幾種基本方法。(1) 單步運(yùn)行：一次只執(zhí)行一條指令，在每執(zhí)行一條指令后，又返回監(jiān)控調(diào)試程序。(2) 連續(xù)運(yùn)行：可以從程序任何一條地址處啟動(dòng)，然后全速運(yùn)行。(3) 斷點(diǎn)運(yùn)行：用戶(hù)可以在程序的任何地方設(shè)置斷點(diǎn)，當(dāng)程序執(zhí)行

12、到斷點(diǎn)時(shí)，控制返回到監(jiān)控調(diào)試程序。(4) 檢查和修改存儲(chǔ)器單元的內(nèi)容。(5) 檢查和修改寄存器的內(nèi)容。(6) 符號(hào)化調(diào)試：按匯編語(yǔ)言程序中的符號(hào)進(jìn)行調(diào)試。程序調(diào)試可以一個(gè)模塊一個(gè)模塊地進(jìn)行，一個(gè)子程序一個(gè)子程序地調(diào)試，最后連起來(lái)總調(diào)。利用開(kāi)發(fā)工具提供的單步運(yùn)行和設(shè)置斷點(diǎn)運(yùn)行方式，通過(guò)檢查應(yīng)用系統(tǒng)的CPU現(xiàn)場(chǎng)、RAM的內(nèi)容和I/O的狀態(tài)，檢查程序執(zhí)行的結(jié)果是否正確，觀察應(yīng)用系統(tǒng)I/O設(shè)備的狀態(tài)變化是否正常，從中可以發(fā)現(xiàn)程序中的死循環(huán)錯(cuò)誤、機(jī)器碼錯(cuò)誤及轉(zhuǎn)移地址的錯(cuò)誤，也可以發(fā)現(xiàn)待測(cè)系統(tǒng)中的軟件算法錯(cuò)誤及硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。在調(diào)試過(guò)程中，應(yīng)不斷地調(diào)整、修改應(yīng)用系統(tǒng)的硬件和軟件，直到其正確為止。在調(diào)試完成后

13、，系統(tǒng)還要進(jìn)行一段時(shí)間的試運(yùn)行。只有試運(yùn)行，系統(tǒng)才會(huì)暴露出它的問(wèn)題和不足之處。在系統(tǒng)試運(yùn)行階段，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)觀測(cè)它能否經(jīng)受實(shí)際環(huán)境的考驗(yàn)，還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)功能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，是否達(dá)到預(yù)期效果。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的拷機(jī)和試運(yùn)行后，就可投入正式運(yùn)行。在正式運(yùn)行中還要建立一套健全的維護(hù)制度，以確保系統(tǒng)的正常工作。7.1.6 C語(yǔ)言與WAVE開(kāi)發(fā)環(huán)境1C語(yǔ)言編譯器單片機(jī)的開(kāi)發(fā)除了需要硬件支持外，同樣離不開(kāi)軟件。CPU真正可執(zhí)行的是機(jī)器碼。用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的源程序必須轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼才能被執(zhí)行。轉(zhuǎn)換的方法有手工匯編和機(jī)器匯編兩種，前者目前已經(jīng)很少使用。機(jī)器匯編是通過(guò)匯編軟件

14、將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼的編譯方法。這種軟件稱(chēng)為編譯器。51系列微處理器使用0和1組成的機(jī)器語(yǔ)言，凡是用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序最終都要轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言。在微處理器內(nèi)部有程序計(jì)數(shù)器(Program Counter，PC)，它負(fù)責(zé)按順序讀取由0和1組成的指令代碼。編程人員把多個(gè)指令代碼進(jìn)行適當(dāng)排列，讓微處理器去執(zhí)行。由于把機(jī)器語(yǔ)言全都記下來(lái)并進(jìn)行排列是非常困難的事情，因此，先用容易理解的高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序后，再通過(guò)編譯和連接將其轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言代碼。C語(yǔ)言是一種通用編程語(yǔ)言。它提供了高效代碼、結(jié)構(gòu)化編程元素及豐富的運(yùn)算符。C語(yǔ)言不是一種大型語(yǔ)言，不是為特定領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。C語(yǔ)言的普遍性使它可以為各種不同的軟

15、件任務(wù)提供便利、有效的編程方案。許多應(yīng)用設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言比其他專(zhuān)門(mén)語(yǔ)言更有效。對(duì)于大多數(shù)8051系列的應(yīng)用，使用像C語(yǔ)言這樣的高級(jí)語(yǔ)言比使用匯編程序更具優(yōu)點(diǎn)，例如：(1) 不需要了解處理器的指令集，對(duì)8051的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)也不必了解。(2) 寄存器的分配和尋址方式由編譯器進(jìn)行管理。(3) 指定操作的變量選擇組合提高了程序的可讀性。(4) 可使用與人的思維更相近的關(guān)鍵字和操作函數(shù)。(5) 與使用匯編語(yǔ)言編程相比，程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)試時(shí)間大大縮短。(6) 庫(kù)文件可提供許多標(biāo)準(zhǔn)的例程，例如格式化輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和浮點(diǎn)運(yùn)算加入到應(yīng)用程序當(dāng)中。(7) 通過(guò)C語(yǔ)言可實(shí)現(xiàn)模塊化編程技術(shù)，從而可將已編制好的程序加入到新程

16、序中。(8) C語(yǔ)言可移植性好且非常普及。C語(yǔ)言編譯器幾乎適用于所有的目標(biāo)系統(tǒng)。已完成的軟件項(xiàng)目可以容易地轉(zhuǎn)換到其他的處理器或環(huán)境中。下面給出開(kāi)發(fā)單片機(jī)C語(yǔ)言程序(Cx51程序)的基本流程，如圖7.2所示。圖7.2 Cx51程序開(kāi)發(fā)過(guò)程基本流程圖2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境WAVE6000WAVE6000提供了一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(Integrated Development Environment，IDE)，包括C編譯器、宏匯編器、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器。這樣，在開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件的過(guò)程中，編輯、編譯、連接、調(diào)試等各階段都集成在一個(gè)環(huán)境中，先用編輯器編寫(xiě)程序，接著調(diào)用編譯器進(jìn)行編譯，連接后即可直接

17、進(jìn)行。 1) C語(yǔ)言編譯器的安裝偉福仿真系統(tǒng)已內(nèi)嵌匯編編譯器(偉福匯編器)，同時(shí)留有第三方的編譯器的接口供應(yīng)用者自行選用。本書(shū)所使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝了Keil C51編譯器。在安裝MCS-51系列CPU編譯器時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面：(1) 進(jìn)入C:盤(pán)根目錄，建立C:COMP51子目錄(文件夾)。(2) 將第三方的51編譯器復(fù)制到C:COMP51子目錄(文件夾)下。(3) 將主菜單|仿真器|仿真器設(shè)置|語(yǔ)言對(duì)話框的編譯器路徑指定為C:COMP51(如果用戶(hù)將第三方編譯器安裝在硬盤(pán)的其他位置，請(qǐng)?jiān)诰幾g器路徑指明其位置)。 2) 開(kāi)發(fā)環(huán)境具體功能介紹開(kāi)發(fā)人員可用IDE本身或者其他編輯器編輯C或者匯編源

18、文件，WAVE編輯器把C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的源程序與Keil內(nèi)含的庫(kù)函數(shù)裝配在一起，然后分別由C51或A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)。ABS文件可由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的HEX文件，以供調(diào)試器進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，還可以直接寫(xiě)入程序存儲(chǔ)器(如EPROM)中。根據(jù)編譯器的性能，其機(jī)器語(yǔ)言代碼長(zhǎng)度可長(zhǎng)可短，其執(zhí)行速度由指令的組合方式?jīng)Q定。圖7.3為WAVE環(huán)境的典型界面。圖7.3 WAVE6000集成開(kāi)發(fā)環(huán)境界面采用C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的典型開(kāi)發(fā)過(guò)程如

19、下：(1) 建立新程序。選擇菜單文件|新建文件功能，出現(xiàn)一個(gè)文件名為NONAME1的源程序窗口，在此窗口中輸入程序。(2) 保存程序。選擇菜單文件|保存文件或文件|另存為功能，給出文件所要保存的位置。(3) 建立新的項(xiàng)目。選擇菜單文件|新建項(xiàng)目功能。新建項(xiàng)目會(huì)自動(dòng)分三步進(jìn)行： 加入模塊文件； 加入包含文件； 保存項(xiàng)目。(4) 編譯程序。選擇菜單項(xiàng)目|編譯功能，也可按編譯快捷圖標(biāo)或F9鍵，編譯項(xiàng)目。(5) 調(diào)試程序。選擇執(zhí)行|跟蹤功能，也可按跟蹤快捷圖標(biāo)或F7鍵進(jìn)行跟蹤調(diào)試，直至程序完全正確。(6) 觀察程序運(yùn)行結(jié)果。選擇窗口|CPU窗口功能觀察特殊功能寄存器SFR以及普通寄存器REG的值。在調(diào)

20、試過(guò)程中，可以在單步運(yùn)行或子程序運(yùn)行后觀察寄存器的內(nèi)容，從而驗(yàn)證所編寫(xiě)程序的正確性。例如，圖7.4為寄存器觀察窗口，可以在該窗口觀察內(nèi)部特殊功能寄存器以及外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的任何一個(gè)單元的實(shí)時(shí)變量值。圖7.4 寄存器觀察窗口 家用電器體積小，品種多，功能差異也大，因此要求控制器體積小，以便能嵌入其結(jié)構(gòu)之中，且控制功能靈活，以實(shí)現(xiàn)不同的功能要求。單片機(jī)具有體積小、價(jià)格低廉、編程靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多種控制功能，廣泛地應(yīng)用于各種嵌入式控制系統(tǒng)中。家用電器是單片機(jī)應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一。單片機(jī)是家用電器實(shí)現(xiàn)智能化的心臟和大腦。 本節(jié)通過(guò)一個(gè)典型實(shí)例介紹單片機(jī)在全自動(dòng)洗衣機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。 7.2 家用電器典

21、型實(shí)例全自動(dòng)洗衣機(jī)7.2.1 洗衣機(jī)的工作原理及設(shè)計(jì)需求分析套桶式單缸波輪全自動(dòng)洗衣機(jī)，一般要求具有如下基本功能。(1) 弱、強(qiáng)洗滌功能。要求強(qiáng)洗時(shí)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)間各為4s，間歇時(shí)間為2s；弱洗時(shí)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)間各為3 s，間歇時(shí)間為2s。(2) 4種洗衣工作程序，即標(biāo)準(zhǔn)程序、經(jīng)濟(jì)程序、單獨(dú)程序和排水程序。標(biāo)準(zhǔn)程序是進(jìn)水洗滌漂洗脫水，如此循環(huán)3次，每循環(huán)一次，洗滌和漂洗環(huán)節(jié)時(shí)間比上一循環(huán)同一環(huán)節(jié)時(shí)間減少2 min，具體是第一循環(huán)為洗滌，時(shí)間為6 min，第二、三次循環(huán)為漂洗，時(shí)間分別為4 min和2 min。排水時(shí)間采用動(dòng)態(tài)時(shí)間法確定，脫水時(shí)間為2 min。經(jīng)濟(jì)程序與標(biāo)準(zhǔn)程序一樣，只是循環(huán)次數(shù)為2

22、次。單獨(dú)程序是進(jìn)水洗滌(6 min)結(jié)束(留水不排不脫)。排水程序是排水脫水結(jié)束，時(shí)間確定與上述程序的相應(yīng)環(huán)節(jié)相同。 (3) 進(jìn)、排水系統(tǒng)故障自動(dòng)診斷功能。洗衣機(jī)在進(jìn)水或排水過(guò)程中，若在一定的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)水或排水未能達(dá)到預(yù)定的水位，則說(shuō)明進(jìn)、排水系統(tǒng)有故障，此故障由控制系統(tǒng)測(cè)知并通過(guò)警告程序發(fā)出警告信號(hào)，提醒操作者進(jìn)行人工排除。 (4) 間歇驅(qū)動(dòng)方式。脫水期間采取間歇驅(qū)動(dòng)方式，以便節(jié)能。本系統(tǒng)要求驅(qū)動(dòng)5s，間歇2 s，間歇期間靠慣性力使脫水桶保持高速旋轉(zhuǎn)。 (5) 聲光顯示功能。洗衣機(jī)各種工作方式的選擇和各種工作狀態(tài)均有聲光提示和顯示。 (6) 脫水期間安全保護(hù)和防振動(dòng)功能。洗衣機(jī)脫水期間，若

23、打開(kāi)機(jī)蓋，則洗衣機(jī)自動(dòng)停止脫水操作。脫水期間，如果出現(xiàn)衣物纏繞引起脫水桶重心偏移而不平衡，則洗衣機(jī)也會(huì)自動(dòng)停止脫水，以免振動(dòng)過(guò)大，待人工處理后恢復(fù)工作。7.2.2 方案設(shè)計(jì)AT89C52單片機(jī)是Atmel公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)系列產(chǎn)品之一，是一種40引腳雙列直插式芯片，具有256個(gè)RAM字節(jié)、32根I/O口線、6個(gè)中斷源、3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，指令也和51系列單片機(jī)兼容。基于上述特點(diǎn)，選擇它來(lái)設(shè)計(jì)一臺(tái)智能洗衣機(jī)完全可以實(shí)現(xiàn)以下功能。(1) 洗衣工作狀態(tài)功能：強(qiáng)、弱洗滌；(2) 洗衣程序功能：含4種獨(dú)立程序，即標(biāo)準(zhǔn)洗衣程序、經(jīng)濟(jì)洗衣程序、單次洗衣程序、脫水功能程序；(3) 特殊功能：故障診斷、安全保護(hù)

24、、防振、暫停、間歇工作、聲光顯示功能。 洗衣機(jī)要完成洗衣工作，除了對(duì)一般洗衣過(guò)程的人工工作及效能進(jìn)行模擬之外，還要根據(jù)洗衣機(jī)的機(jī)械電子性質(zhì)進(jìn)行有關(guān)控制和檢測(cè)。7.2.3 硬件原理圖及分析全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制邏輯電路如圖7.5圖7.8所示，它由單片機(jī)AT89C52和有關(guān)集成電路及元器件組成。全自動(dòng)洗衣機(jī)的工作部件有3個(gè)，即電機(jī)、進(jìn)水閥和排水閥。電機(jī)是洗衣機(jī)的動(dòng)力源，它的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)洗衣桶和波輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的洗滌；進(jìn)水閥用于控制洗衣機(jī)的進(jìn)水量；排水閥用于控制排水。電機(jī)在脫水時(shí)高速旋轉(zhuǎn)以帶動(dòng)衣物脫水。 圖7.5 單片機(jī)與蜂鳴器電路原理圖 圖7.6 洗滌狀態(tài)LED指示電路原理圖圖7.7 中斷與暫停

25、功能實(shí)現(xiàn)電路原理圖圖7.8 洗衣機(jī)電機(jī)與閥門(mén)控制部分電路原理圖電機(jī)的狀態(tài)有3種，即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止?fàn)顟B(tài)。電機(jī)一般工作在這三種狀態(tài)的不斷轉(zhuǎn)換之中，從而實(shí)現(xiàn)洗滌。但在脫水時(shí)，只工作在正轉(zhuǎn)高速狀態(tài)。進(jìn)水閥和排水閥則只有開(kāi)、關(guān)這兩種狀態(tài)。從圖7.5所示的控制電路中可知，AT89C52的P2端口中的P2.3P2.6共4條I/O線通過(guò)4塊新型固態(tài)繼電器分別直接驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)的這些工作部件。固態(tài)繼電器是一種內(nèi)有發(fā)光二極管及光觸發(fā)雙向可控硅的電路，1050 mA輸入電流即可使雙向可控硅完全導(dǎo)通，輸出端通態(tài)電流為3A(平均值)。選用該器件是因?yàn)樗坏墒闺娐返玫胶?jiǎn)化，而且可以起到隔離作用，使強(qiáng)、弱兩類(lèi)電氣完全隔離，

26、從而可保證主板的安全。74LS05為六反相器，用其作為中間反相器，其中的4個(gè)反相器可分別驅(qū)動(dòng)4個(gè)固態(tài)繼電器，剩余兩個(gè)反相器用于驅(qū)動(dòng)LED5和LED6。74LS139為雙2-4線譯碼器，選用它可解決CPU I/O線數(shù)量不足的問(wèn)題。由控制要求可知，洗衣機(jī)有4種不同的顯示。74LS139譯碼器僅占用CPU的P1.2和P1.3兩口線即可提供4種不同顯示的驅(qū)動(dòng)，其邏輯關(guān)系是：P1.2、P1.3為“11”時(shí)LED1亮，指示標(biāo)準(zhǔn)程序；P1.2、P1.3為“10”時(shí)LED2亮，指示經(jīng)濟(jì)程序；P1.2、P1.3為“01”時(shí)LED3亮，指示單獨(dú)程序；P1.2、P1.3為“00”時(shí)LED4亮，指示排水程序。 洗衣機(jī)

27、的暫停功能和安全保護(hù)及防振動(dòng)功能采用中斷處理方式。這兩個(gè)中斷分別對(duì)應(yīng)于CPU的外部中斷“0”和外部中斷“1”。中斷信號(hào)通過(guò)TC4013BP雙D觸發(fā)器的兩個(gè)分別加到P3.2和P3.3口線，由觸發(fā)器鎖存直到CPU響應(yīng)中斷為止。開(kāi)蓋(安全保護(hù))或不平衡(防振動(dòng))中斷信號(hào)通過(guò)由BG1、BG2組成的反相器送至TC4013BP的CP端，經(jīng)觸發(fā)器的端加到P3.3。本系統(tǒng)對(duì)開(kāi)蓋和不平衡中斷采取相同的處理方法，因此，共用外部中斷“1”。為了充分利用CPU的I/O口線，P1.4和P1.5采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，每線具有兩個(gè)功能。在洗衣機(jī)未進(jìn)入工作狀態(tài)或洗衣機(jī)處于暫停狀態(tài)期間，P1.4為輸入線，用于監(jiān)測(cè)啟動(dòng)鍵的狀態(tài)。當(dāng)啟

28、動(dòng)鍵按下時(shí)，洗衣機(jī)即進(jìn)入工作狀態(tài)或從暫停狀態(tài)恢復(fù)到原來(lái)的工作狀態(tài)；在洗衣機(jī)暫停中斷響應(yīng)期間，P1.4為輸出線，用于撤消暫停中斷請(qǐng)求。在洗衣機(jī)進(jìn)水或排水期間，P1.5被用作輸入線，用于監(jiān)測(cè)水位開(kāi)關(guān)狀態(tài)，為CPU提供洗衣機(jī)的水位信息；在洗衣機(jī)高速脫水期間，當(dāng)發(fā)生開(kāi)蓋和不平衡中斷時(shí)，P1.5為輸出線，用于撤消中斷請(qǐng)求信號(hào)。 CPU的P2.7線用于驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出各種告警信號(hào)。18腳和19腳外接12 MHz的晶振。9腳通過(guò)10 F電容接到+5 V電源，可實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位。K7為強(qiáng)制復(fù)位鍵。洗衣機(jī)的強(qiáng)、弱洗可通過(guò)K1鍵進(jìn)行循環(huán)選擇。K1還具有第二功能，即當(dāng)洗衣機(jī)發(fā)生故障轉(zhuǎn)入報(bào)警程序后，按下K1鍵可使洗衣機(jī)

29、退出報(bào)警狀態(tài)并回到初始待命狀態(tài)。洗衣機(jī)工作程序可通過(guò)K2鍵循環(huán)選擇。洗衣機(jī)的工作狀態(tài)可通過(guò)LED7LED9進(jìn)行顯示。脫水期間系統(tǒng)在響應(yīng)開(kāi)蓋或不平衡終止后，CPU采取軟件查詢(xún)的方式通過(guò)P2.0線對(duì)蓋開(kāi)關(guān)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以確定洗衣機(jī)是否繼續(xù)進(jìn)行脫水操作。圖7.9 洗衣機(jī)程序流程圖7.2.5 實(shí)例小結(jié)本例介紹了利用單片機(jī)作為主控芯片實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，其中硬件設(shè)計(jì)部分給出了詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)圖，軟件設(shè)計(jì)部分給出了整個(gè)控制過(guò)程代碼。讀者在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：(1) 設(shè)計(jì)之前先要明確全自動(dòng)洗衣機(jī)的功能要求。(2) 設(shè)計(jì)硬件時(shí)請(qǐng)注意中斷方式的申請(qǐng)與撤除電路的設(shè)計(jì)。(3) 軟件設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)的故障診斷與軟

30、復(fù)位必須加以考慮。7.3.1 配電站綜合自動(dòng)化簡(jiǎn)介實(shí)現(xiàn)從變電、配電到用電過(guò)程的監(jiān)視、控制和管理的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，稱(chēng)為配電管理系統(tǒng)(Distribution Management System，DMS)。其內(nèi)容包括配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控(SCADA，包括配網(wǎng)進(jìn)線監(jiān)視、配電變電站自動(dòng)化、饋線自動(dòng)化和配變巡檢及低壓無(wú)功補(bǔ)償)、地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化、工作管理系統(tǒng)(包括負(fù)荷監(jiān)控及管理、遠(yuǎn)方抄表及計(jì)費(fèi)自動(dòng)化、調(diào)度員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)等)幾個(gè)部分。7.3 工業(yè)應(yīng)用實(shí)例配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)遙測(cè)終端單元 遠(yuǎn)動(dòng)裝置(Remote Terminal Unit，RTU)是開(kāi)閉所和配電、變電所內(nèi)自動(dòng)化的重要微機(jī)。該裝置

31、具有遙測(cè)(YC)、遙信(YX)、遙控(YK)和遙調(diào)(YT)四種綜合能力。(1) 遙測(cè)常用于變壓器的有功和無(wú)功采集，線路的有功功率采集，母線電壓和線路電流采集，溫度、壓力、流量(流速)等采集，周波頻率采集，主變油溫采集和其他模擬信號(hào)采集。(2) 遙信要求采用無(wú)源接點(diǎn)方式，即某一路遙信量的輸入是一對(duì)繼電器觸點(diǎn)，或者閉合，或者斷開(kāi)。通過(guò)遙信端子板可將繼電器觸點(diǎn)的閉合或斷開(kāi)轉(zhuǎn)換成為低電平或高電平信號(hào)送入RTU的YX模塊。(3) 遙控采用無(wú)源接點(diǎn)方式，對(duì)控制母線、斷路器、容抗切投器的開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，要求其正確率大于99.99%。所謂遙控的正確動(dòng)作率，是指其不誤動(dòng)的概率。一般拒動(dòng)不認(rèn)為是不正確的。遙控功

32、能常用于斷路器的閉合或斷開(kāi)和電容器、電抗器的切投，以及其他采用繼電器控制的功能。(4) 遙調(diào)常用于有載調(diào)壓變壓器抽頭的升降調(diào)節(jié)和其他可采用一組繼電器控制的具有分級(jí)升降功能的場(chǎng)合。遙調(diào)要求采用無(wú)源接點(diǎn)方式，要求其正確率大于99.99%。電網(wǎng)調(diào)度人員根據(jù)以上終端裝置獲得的信息及時(shí)掌握電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)各斷路器和繼電器的保護(hù)動(dòng)作狀況及動(dòng)作時(shí)間，以區(qū)分事件順序，做出運(yùn)行對(duì)策，進(jìn)行事故分析。7.3.2 綜合自動(dòng)化遙測(cè)單元功能需求遙測(cè)單元作為RTU遠(yuǎn)動(dòng)裝置的一個(gè)重要組成部分，它主要用于對(duì)各線路的瞬時(shí)電壓、電流量進(jìn)行采集，利用傅立葉級(jí)數(shù)、均方根等算法計(jì)算線路(三相)的電壓U的有效值、電流I的有效值、有功功率P、

33、無(wú)功功率Q、頻率f等參數(shù)，并將RTU主機(jī)的需要參數(shù)依據(jù)電力規(guī)程協(xié)議上傳至RTU主機(jī)。一個(gè)典型的遙測(cè)單元應(yīng)該具有采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，并且能夠快速無(wú)誤地將計(jì)算結(jié)果通過(guò)規(guī)定通信協(xié)議上傳至RTU主機(jī)的特點(diǎn)。遙測(cè)單元的設(shè)計(jì)原則如下：(1) 明確任務(wù)。遙測(cè)單元的數(shù)據(jù)采集量有：電壓、電流和信號(hào)的頻率。明確任務(wù)主要是明確各信號(hào)采集精度的標(biāo)準(zhǔn)和要求，據(jù)此來(lái)決定選擇A/D轉(zhuǎn)化器精度及型號(hào)等。(2) 根據(jù)設(shè)計(jì)者目前所熟悉的處理器及不同處理器所具有的資源選擇遙測(cè)終端的主控制器，同時(shí)應(yīng)該結(jié)合后續(xù)程序的編寫(xiě)加以考慮。例如，信號(hào)頻率的測(cè)量一般是先將信號(hào)通過(guò)硬件電路整形為方波，然后利用I/O接口檢測(cè)高低電平的持續(xù)時(shí)間，或者采用外部

34、中斷源來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，即將中斷觸發(fā)模式設(shè)置為邊沿觸發(fā)方式，監(jiān)測(cè)兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔。本節(jié)擬定選89C52作為遙測(cè)單元的主控制器。(3) 結(jié)合應(yīng)用情況合理選擇遙測(cè)單元與RTU主機(jī)的通信方式。遠(yuǎn)動(dòng)裝置的通信方式有多種形式，包括RS-232/485、CAN總線和以太網(wǎng)等模式。設(shè)計(jì)者必須結(jié)合實(shí)際情況選擇可靠、方便的通信方式。本設(shè)計(jì)的背景基礎(chǔ)是RTU主機(jī)由兩部分組成，即主機(jī)和前置機(jī)(具有PC104總線結(jié)構(gòu)的CAN通信卡)。已經(jīng)存在的遙測(cè)單元需要與前置機(jī)進(jìn)行通信，并進(jìn)行參數(shù)的傳遞。遙測(cè)單元屬于工業(yè)控制，要求具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。CAN總線通信方式因具有傳輸速度快，傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，故在本設(shè)計(jì)中得到了采用。根據(jù)

35、國(guó)家電力部頒布的DL/T630-1998交流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)，要求遙測(cè)終端單元能對(duì)線路電壓、電流的變化量及時(shí)進(jìn)行采樣，且采集處理精度要求電壓、電流精度在2以?xún)?nèi)，有功功率和無(wú)功功率必須保證在5以?xún)?nèi)，采集計(jì)算結(jié)果在3秒內(nèi)上傳至RTU主機(jī)。(4) 硬件基本結(jié)構(gòu)的確定。通過(guò)上述分析可以大致確定系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)需結(jié)合各功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步確定。功能實(shí)現(xiàn)與初步設(shè)計(jì)分析如下：(1) 頻率測(cè)量。首先完成信號(hào)頻率的測(cè)量，將通道切換開(kāi)關(guān)切至第一路，該信號(hào)在接入A/D轉(zhuǎn)換器的同時(shí)，經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器整形為方波，接入至外部中斷源的輸入端。將外部中斷的觸發(fā)方式設(shè)置為邊沿觸發(fā)方式，利用中斷服務(wù)程序判斷兩次下降沿，

36、通過(guò)測(cè)量?jī)纱蜗陆笛氐臅r(shí)間差，即可獲得信號(hào)的周期，記為T(mén)。(2) 數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集指在獲得被測(cè)信號(hào)頻率的基礎(chǔ)上，如何完成從電壓、電流的模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換過(guò)程，首先應(yīng)該根據(jù)采樣的精度需求來(lái)確定在一個(gè)周期信號(hào)內(nèi)需要的采樣點(diǎn)數(shù)，確定采樣時(shí)間間隔，采樣點(diǎn)越多，精度越高。本節(jié)將正弦周期信號(hào)內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)定為32點(diǎn)，則每次采樣的時(shí)間間隔為T(mén)S=T/32。由于采樣時(shí)，每條線路分為A、B、C三相，其電壓或者電流都是通過(guò)它們各自的A/D轉(zhuǎn)換器完成的，因此在一個(gè)采樣周期內(nèi)要完成一條線路的電壓、電流的完整采樣，必須分別啟動(dòng)電壓、電流的A/D轉(zhuǎn)換器96次，即每次啟動(dòng)采樣的時(shí)間間隔為T(mén)SS=TS/3，也就是對(duì)一條線路實(shí)

37、現(xiàn)一次完整采樣所需啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器的次數(shù)為96次(323)。本節(jié)在微處理器(亦稱(chēng)主控制器)的外圍擴(kuò)展有可編程芯片8155，采用8155內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器(將TSS作為啟動(dòng)定時(shí)器的時(shí)間常數(shù))將當(dāng)前通道的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。轉(zhuǎn)換完畢，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)外部中斷INT1，在INT1的中斷服務(wù)程序中讀取轉(zhuǎn)化結(jié)果并分別將電壓、電流轉(zhuǎn)換結(jié)果存入不同的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。值得一提的是，在每次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，CPU必須同時(shí)控制多路切換開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)A、B、C三相信號(hào)的切換，采樣結(jié)果存入的數(shù)據(jù)格式排放順序依次為：A、B、C，A、B、C，A、B、C，共32組，96個(gè)數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待計(jì)算子程

38、序的調(diào)用。CPU是通過(guò)8155的A口和B口來(lái)分別控制電壓、電流的控制切換電路的，具體參見(jiàn)硬件原理圖。(3) 參數(shù)計(jì)算。參數(shù)計(jì)算包括電壓有效值U、電流有效值I、有功功率P和無(wú)功功率Q的計(jì)算。電壓有效值、電流有效值、有功功率采用均方根算式，而無(wú)功功率采用差分方式。其計(jì)算公式分別表示如下：式中：N表示采樣點(diǎn)數(shù)；Ui表示第i點(diǎn)電壓瞬時(shí)值；Ii表示第i點(diǎn)電流瞬時(shí)值；qi表示第i點(diǎn)無(wú)功功率瞬時(shí)值。值得注意的是，關(guān)于無(wú)功功率的計(jì)算，一般情況下先測(cè)量出該線路電壓、電流以及電壓與電流之間的相位差，然后計(jì)算出該線電路的有功功率和無(wú)功功率。本節(jié)的交流采樣單元對(duì)于無(wú)功功率的計(jì)算采用差分算法，相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，程

39、序設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。根據(jù)式(7.5)知，由第i-1點(diǎn)電壓瞬時(shí)值與第i點(diǎn)電流瞬時(shí)值的乘積，減去第i點(diǎn)電壓瞬時(shí)值與第i-1點(diǎn)電流瞬時(shí)值的乘積，然后除以2，再根據(jù)公式(7.4)即可得到無(wú)功功率的有效值。(4) 通信處理。微處理器的資源(運(yùn)算速度)是有限的，采用單一的微處理單元完成數(shù)據(jù)的采集并采用浮點(diǎn)算法進(jìn)行U、I、P和Q計(jì)算且保留小數(shù)位，以保證計(jì)算精度，同時(shí)還要求瞬時(shí)變化量在3秒內(nèi)完成數(shù)據(jù)上傳，這顯然是比較困難的。因此本設(shè)計(jì)中將數(shù)據(jù)處理結(jié)果按照協(xié)議規(guī)定的格式放入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，在微處理器外圍擴(kuò)展有專(zhuān)用通信控制器(Intel82527)。專(zhuān)用通信控制器主要完成遙測(cè)單元與RTU主機(jī)的通信，它與RTU主機(jī)進(jìn)行信息

40、交換，包括兩部分：一是配置下發(fā)信息，即交流與直流采樣的線路條數(shù)以及互感器的變比等參數(shù)信息；二是上傳參數(shù)，即將采樣計(jì)算結(jié)果上傳至主機(jī)。7.3.3 硬件原理設(shè)計(jì)遙測(cè)單元的硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖7.10所示。圖中，89C52為主控制器，Intel 82527為通信控制器，Intel 8250為CAN通信的電平轉(zhuǎn)換單元，PSD834F2為處理器外圍芯片。PSD834F2芯片具有地址鎖存、I/O接口擴(kuò)展、PLD邏輯編程等功能且內(nèi)含數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器單元(128 KB Flash、32 KB EPROM、8 KB SRAM、600門(mén)邏輯電路)。 為提高采樣精度，選擇12位A/D轉(zhuǎn)換器(AD1674)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集

41、。由于MCS-51系列微處理器的數(shù)據(jù)總線為8位，因此A/D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果在接入數(shù)據(jù)總線時(shí)，采用3個(gè)74HC244進(jìn)行緩存。其中，74HC244(1)接電壓A/D轉(zhuǎn)換器的高8位，其低4位接于74HC244(3)的高4位；74HC244(2)接電流A/D轉(zhuǎn)換器的高8位，其低4位接于74HC244(3)的低4位。在該硬件設(shè)計(jì)中擴(kuò)展了一片可編程8155定時(shí)器，主要用來(lái)定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器和實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的切換。另外，該硬件還擴(kuò)展了一片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM62256。圖7.10 遙測(cè)單元的硬件結(jié)構(gòu)原理框圖RTU遙測(cè)單元的采集規(guī)模設(shè)計(jì)為30個(gè)通道。為實(shí)現(xiàn)多條線路采樣，設(shè)計(jì)中應(yīng)該有通道切換電路，圖中設(shè)計(jì)了兩組，

42、每組含四個(gè)4051多路切換開(kāi)關(guān)(共可控制切換32路信號(hào))。通過(guò)它們可分別將30個(gè)通道的電壓、電流信號(hào)切換至主控制板的電壓A/D轉(zhuǎn)換器和電流A/D轉(zhuǎn)換器前端以實(shí)現(xiàn)模擬量的采集。其切換過(guò)程采用編程方式分別控制8155的A口和B口，以實(shí)現(xiàn)電壓、電流通道的切換。采用8155的PA口(PA0、PA1、PA2、PA3、PA4)可控制一組通道的切換(電壓)。其中，PA0、PA1、PA2實(shí)現(xiàn)每塊4051的八選一功能，PA3、PA4經(jīng)過(guò)74HC139(1)來(lái)分別對(duì)四片4051開(kāi)關(guān)進(jìn)行片選(即選通)，因此32個(gè)通道的地址依次為00H、01H、1FH。同理，采用8155的PB口(PB0、PB1、PB2、PB3、PB

43、4)可控制另一組通道的切換(電流)。其中，PB0、PB1、PB2實(shí)現(xiàn)每塊4051的八選一功能，PB3、PB4經(jīng)過(guò)74HC139(2)來(lái)區(qū)別四片4051開(kāi)關(guān)，因此其32個(gè)通道的地址亦依次為00H、01H、1FH。為了提高遙測(cè)裝置的性能，使其便于維護(hù)，可采用分塊結(jié)構(gòu)模式。將圖7.10中的主控制器89C52、外圍控制芯片PSD834F2、可編程8155、鎖存器74HC244、CAN控制器82527、CAN接口芯片8250、A/D轉(zhuǎn)換器AD1674等電路集中設(shè)計(jì)，稱(chēng)為主控制板，如圖7.11所示。線路電壓、電流通道切換部分電路(4051、74HC139)和電壓、電流整形電路等以及信號(hào)接入端子集中于另外一

44、塊獨(dú)立電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱(chēng)為通道切換板，如圖7.11所示。兩板之間的安裝連接采用上下結(jié)構(gòu)，用多功能插座連接。通道切換板連接主控制板的同時(shí)還通過(guò)插頭S2、S3分別將來(lái)自PT板、CT板上的電壓和電流輸入信號(hào)接入自身。插頭插針的接線順序?yàn)椋?通道、2通道、3通道、公共地、4通道、5通道、6通道、公共地以此類(lèi)推(電壓電流均按此規(guī)律排列)。通道切換板用來(lái)實(shí)現(xiàn)多條線路交流輸入信號(hào)的切換；PT/CT板則用于把交流模擬量輸入(電壓、電流)轉(zhuǎn)換為適合于A/D通道處理的信號(hào)；電壓互感器板將0100 V的電壓線性轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的低電壓；電流互感器板將05 A的電流線性轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的低電壓。硬件地址和內(nèi)存分配管理如下：RAM

45、的地址空間為片內(nèi)存儲(chǔ)器空間000FFH，其余尋址空間均在片外RAM 62256中。ROM地址空間為2000H5FFFH。各個(gè)硬件單元的地址分配及選通如下：(1) CAN通信控制器82527：1800H18FFH。(2) A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)總線接口緩沖單元74LS244(1)：1008H。(3) A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)總線接口緩沖單元74LS244(2)：100AH。(4) A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)總線接口緩沖單元74LS244(3)：100CH。(5) 可編程定時(shí)器8155的選通與地址為1020H：8155命令狀態(tài)字寄存器。1021H：8155A口。1022H：8155B口。1023H：8155C口。1

46、024H：定時(shí)器低八位寄存器。1025H：定時(shí)器高六位寄存器。PSD834F2內(nèi)部能夠包含有32 KB片內(nèi)ROM，因此硬件設(shè)計(jì)時(shí)不再擴(kuò)充片外ROM。通過(guò)對(duì)該芯片內(nèi)的PLD單元編程實(shí)現(xiàn)對(duì)上述各個(gè)單元的地址分配。Intel 82527 CAN控制器采用并行擴(kuò)展方式與主控制器相連。其各種控制信號(hào)的連接如圖7.11(c)所示。其工作時(shí)鐘為獨(dú)立時(shí)鐘，通信波特率可通過(guò)其P1口上的撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置。微處理器中斷資源使用： 外部中斷INT0：CAN總線通信中斷。 外部中斷INT1：A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)束中斷與測(cè)量信號(hào)頻率中斷公用一個(gè)中斷口，利用微處理器的I/O進(jìn)行控制和識(shí)別處理，如圖7.11(c)所示。圖7.11(d)

47、中，SN74LS125N為三態(tài)門(mén)，ADINT與FREINT分別為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷與測(cè)頻中斷的控制端，接89C52的P1.2與P1.3。PS1.2與PS1.3分別與8051的P1.4與P1.5相連接，便于在軟件中判斷是哪一個(gè)中斷源請(qǐng)求中斷。圖7.11 配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)遙測(cè)終端單元(1)圖7.11 配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)遙測(cè)終端單元(2)圖7.11 配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)遙測(cè)終端單元(3)圖7.11 配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)遙測(cè)終端單元(4) 由圖7.11(d)可知，P1.2控制A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)的輸入，P1.3控制頻率信號(hào)的接入，而且測(cè)頻中斷與A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束中斷不能同時(shí)發(fā)生，因此通過(guò)控制P1.2

48、與P1.3三態(tài)門(mén)即可區(qū)分中斷源。7.3.4 程序的設(shè)計(jì)與組織程序的組織采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)子程序要求能夠獨(dú)立完成某種特定功能，并留有輸入/輸出參數(shù)接口供其他程序調(diào)用。整個(gè)程序主要由兩大模塊組成：通信程序和數(shù)據(jù)處理程序。數(shù)據(jù)處理程序又分為數(shù)據(jù)采樣程序和參數(shù)計(jì)算兩部分。各軟件程序模塊之間的接口銜接關(guān)系如圖7.12所示。圖7.12 各程序模塊之間的接口銜接關(guān)系圖下面分別詳細(xì)介紹各模塊程序的組織思路。首先介紹通信子程序模塊。通信程序主要用于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)單元與RTU主機(jī)之間的信息交換，它們之間的數(shù)據(jù)交換方式采用CAN總線通信模式，通信協(xié)議與CAN總線通信協(xié)議格式相同，協(xié)議中的具體參數(shù)定義見(jiàn)表7.1。交換的主

49、要信息內(nèi)容包括以下兩個(gè)方面：(1) 遙測(cè)終端接收RTU主機(jī)下發(fā)的配置信息。RTU主機(jī)下發(fā)配置信息是指RTU主機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際接線情況，對(duì)交流采樣單元的運(yùn)行模式可進(jìn)行靈活配置。配置參數(shù)定義如表7.1所示。遙測(cè)終端接收到上述信息后，會(huì)根據(jù)信息的內(nèi)容組織遙測(cè)單元的運(yùn)行。表7.1 配置參數(shù)定義表(2) 遙測(cè)終端上傳有效數(shù)據(jù)信息至RTU主機(jī)。遙測(cè)單元通過(guò)CAN總線通信方式，把該單元的實(shí)時(shí)有效數(shù)據(jù)(即電壓、電流、有功功率和無(wú)功功率以及信號(hào)頻率的計(jì)算轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù))寫(xiě)入CAN通信控制器的發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中(即根據(jù)規(guī)定協(xié)議將數(shù)據(jù)編包)，由CAN控制器上傳至RTU主機(jī)。上傳數(shù)據(jù)協(xié)議格式如表7.2所示，測(cè)控?cái)?shù)據(jù)標(biāo)識(shí)見(jiàn)

50、表7.3。表7.2 數(shù)據(jù)通信格式 表7.3 測(cè)控?cái)?shù)據(jù)標(biāo)識(shí)明細(xì)數(shù)據(jù)處理程序分為采樣程序和參數(shù)計(jì)算兩個(gè)子程序。采樣子程序主要負(fù)責(zé)采集10條線路(每條線路有A、B、C三相)30個(gè)通道的電壓、電流信號(hào)，并將每條線路在其一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在指定的緩沖區(qū)內(nèi)，等待參數(shù)計(jì)算子程序調(diào)用。計(jì)算子程序主要負(fù)責(zé)將存儲(chǔ)在指定緩沖區(qū)中的10條線路的電壓、電流信號(hào)采樣值讀出，根據(jù)確定的算法計(jì)算各條線路的電壓、電流有效值以及各條線路的有功功率和無(wú)功功率，并將計(jì)算結(jié)果按格式排列為電壓a相、b相、c相，電流a相、b相、c相，有功、無(wú)功順序，并將其分別存放到8個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序主要負(fù)

51、責(zé)按CAN規(guī)定協(xié)議將剛才的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為CAN控制器規(guī)定的格式，以便于數(shù)據(jù)傳輸。7.3.5 程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序優(yōu)化和程序的組織原則密切相關(guān)。下面重點(diǎn)介紹幾個(gè)子程序間的配合方法。1采樣子程序和計(jì)算子程序的關(guān)系首先明確采樣子程序，將采樣結(jié)果寫(xiě)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以供計(jì)算子程序調(diào)用，一般情況下需要開(kāi)辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。每一條線路都由A、B、C三相組成，若在一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)選為32點(diǎn)，則每一相的采樣點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置數(shù)組，即用voltage_a33、voltage_b33和voltage_c33分別存儲(chǔ)每相電壓的瞬時(shí)采樣值，用current_a33和current_b33、current_c33

52、分別存儲(chǔ)每相電流的瞬時(shí)采樣值(上述電壓、電流數(shù)組統(tǒng)一簡(jiǎn)稱(chēng)為第一數(shù)組)。采樣過(guò)程中采用8155中的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)，僅當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，才啟用中斷服務(wù)子程序?qū)D(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行讀取，寫(xiě)數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)中。計(jì)算子程序在主程序中一直被調(diào)用執(zhí)行，只要采樣緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)，就調(diào)用計(jì)算子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。顯然，對(duì)于采樣結(jié)果，緩沖區(qū)會(huì)存在采樣子程序的寫(xiě)入操作和計(jì)算子程序的讀出操作同時(shí)發(fā)生的情形，即發(fā)生緩沖區(qū)讀/寫(xiě)沖突。為避免上述沖突的發(fā)生，特設(shè)定兩個(gè)緩沖區(qū)。因此開(kāi)辟另一組緩沖：voltage_aa33、voltage_bb33、voltage_cc33和current_aa33、current_bb33和cur

53、rent_cc33，分別用來(lái)存儲(chǔ)另一組的電壓、電流采樣數(shù)據(jù)(簡(jiǎn)稱(chēng)為第二數(shù)組)。初始化時(shí)將設(shè)立的兩個(gè)數(shù)組及各數(shù)組的滿(mǎn)標(biāo)志位清0，采樣子程序?qū)⒛硹l線路的A、B、C三相電壓、電流采樣結(jié)果存于第一數(shù)組。采樣結(jié)束時(shí)，將第一數(shù)組的滿(mǎn)標(biāo)志位置1，若第二數(shù)組的滿(mǎn)標(biāo)志位為0，則將第一數(shù)組中的數(shù)據(jù)內(nèi)容移入第二數(shù)組，同時(shí)將第一數(shù)組的滿(mǎn)標(biāo)志位清0，將第二數(shù)組的滿(mǎn)標(biāo)志位置1。計(jì)算子程序僅從第二數(shù)組讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完畢，將第二數(shù)組的滿(mǎn)標(biāo)志位清0。同時(shí)采樣子程序繼續(xù)運(yùn)行，若第一數(shù)組滿(mǎn)標(biāo)志位清0，則采樣結(jié)果仍然存入第一數(shù)組，如數(shù)組存滿(mǎn)即表示另一條線路采樣完成，準(zhǔn)備將第一數(shù)組內(nèi)容移入第二數(shù)組，此時(shí)若計(jì)算子程序?qū)ι弦粭l線

54、路的計(jì)算未完成，即第二數(shù)組設(shè)立的滿(mǎn)標(biāo)志位未被清0，則停止采樣直到計(jì)算子程序返回，在第二數(shù)組設(shè)立的滿(mǎn)標(biāo)志位被清0時(shí)，允許將第一數(shù)組內(nèi)容移入第二數(shù)組，再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行下一條線路采樣。10條線路均按上述過(guò)程循環(huán)進(jìn)行。2參數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的讀/寫(xiě)配合計(jì)算子程序?qū)?shù)計(jì)算結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程將其轉(zhuǎn)換為CAN通信所需格式，然后存入發(fā)送參數(shù)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待通信子程序從發(fā)送參數(shù)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀出并進(jìn)行發(fā)送。此時(shí)會(huì)發(fā)生同時(shí)對(duì)參數(shù)發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行操作，為避免沖突，采用結(jié)構(gòu)體和重要標(biāo)志位進(jìn)行標(biāo)識(shí)處理。(1) 參數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：讀與寫(xiě)的配合，采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和標(biāo)志位進(jìn)行處理。其結(jié)構(gòu)體描述如下：Se

55、nd_buffer(200) Structure (id word, data_length byte, datas(8) byte)存儲(chǔ)空間位于RAM(0E000H)。重要標(biāo)志位如表7.4所示。表7.4 參數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的重要標(biāo)志位 同理，RTU主機(jī)在下發(fā)配置參數(shù)時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)放入?yún)?shù)接收緩沖區(qū)，等待主程序讀取并根據(jù)配置信息的內(nèi)容設(shè)置遙測(cè)單元的工作運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)也會(huì)發(fā)生對(duì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)同時(shí)進(jìn)行操作，為避免沖突，也采用了結(jié)構(gòu)體和重要標(biāo)志位進(jìn)行標(biāo)識(shí)處理。(2) 參數(shù)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：讀與寫(xiě)的配合，同樣采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和標(biāo)志位進(jìn)行處理。結(jié)構(gòu)體描述如下：Rece_buffer (200) struct

56、ure(id word, data_length byte, datas(8) byte)存儲(chǔ)空間位于RAM(0C000H)重要標(biāo)志位如表7.5所示。 表7.5 參數(shù)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的重要標(biāo)志位遙測(cè)單元主程序流程圖如圖7.13所示。參數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的讀/寫(xiě)配合流程圖如圖7.14所示。圖7.13 遙測(cè)單元主程序流程圖圖7.14 參數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的讀/寫(xiě)配合流程圖7.3.6 各功能模塊實(shí)現(xiàn)的程序源代碼在閱讀本程序之前請(qǐng)預(yù)先閱讀CAN通信的協(xié)議規(guī)定格式(參見(jiàn)附錄五“基于CAN總線的RTU通信協(xié)議”及CAN控制器資料Intel 82527 Data sheet。82527是Intel公司生產(chǎn)的獨(dú)立C

57、AN總線控制器，可通過(guò)并行總線與控制器接口；支持CAN規(guī)程2.0B標(biāo)準(zhǔn),具有接收和發(fā)送功能并可完成報(bào)文濾波。 82527有5種工作模式：Intel方式8位分時(shí)復(fù)用模式，Intel方式16位分時(shí)復(fù)用模式，串行接口模式，非Intel方式8位分時(shí)復(fù)用模式和8位非分時(shí)復(fù)用模式。本節(jié)應(yīng)用Intel方式8位分時(shí)復(fù)用模式。其工作模式及通信過(guò)程的控制均是通過(guò)對(duì)其內(nèi)部功能寄存器的操作來(lái)完成的，這是本程序的一個(gè)難點(diǎn)。下面是部分重要子程序的詳解。CAN通信中斷子程序主要完成遙測(cè)單元與RTU主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)接收、發(fā)送一包數(shù)據(jù)完成后，向主控制器CPU申請(qǐng)中斷。中斷服務(wù)程序完成將接收到的數(shù)據(jù)包讀取或者下一包數(shù)據(jù)的發(fā)

58、送。/*/*功能：初始化CAN控制器。參數(shù)：global_mask為標(biāo)準(zhǔn)模式全局報(bào)文屏蔽字。返回：無(wú)。說(shuō)明：波特率設(shè)置為125 kb/s。*/void init82527(uint global_mask)uchar i； uchar j；uchar baud_num； uint mask； while(CPU_INTERFACE_REG & 0 x80)； CPU_INTERFACE_REG = 0 x40； CONTROL_REG |= 0 x40； BUS_CONFIG_REG = 0 x48； P1CONFIG_REG = 0 x00； P2CONFIG_REG = 0 x00； BU

59、S_TIMING_REG0 = 0 x03； BUS_TIMING_REG1 = 0 x1c； CONTROL_REG &= 0 xbf； mask = 0 xffe0 (global_mask 8； GLOBAL_MASK_STANDARD_REG1 = mask； for(i = 1； i control0 = 0 x55；msg_obj_ptr(i)-control1 = 0 x55；for(j = 0； j arbitrationj = 0 x66； CONTROL_REG |= 0 x02； CONTROL_REG &= 0 xfe； STATUS_REG & = 0 xe0；/*/

60、*功能：初始化報(bào)文對(duì)象，CAN報(bào)文初始化為標(biāo)準(zhǔn)模式。參數(shù)：msg_obj_number為報(bào)文對(duì)象序號(hào)(115)。msg_obj_identifier為報(bào)文對(duì)象標(biāo)識(shí)(11位右對(duì)齊)。 Direction為報(bào)文傳輸方向，0為接收，1為發(fā)送。返回：無(wú)。說(shuō)明：報(bào)文對(duì)象初始化為標(biāo)準(zhǔn)模式，適合于任意模塊中CAN控制器82527的報(bào)文初始化。*/void init_msg_obj(uchar msg_obj_number, uint msg_obj_identifier, uchar direction) MESSAGE_OBJECT *msg_obj； msg_obj = msg_obj_ptr(msg_