微機自動檢測系統(tǒng)體系結構研究

　　摘要　本文詳細地論述了微機自動檢測系統(tǒng)(簡稱MADM)的典型結構、各部分的功能和作用，以及系統(tǒng)軟件的結構和設計方法。提出了微機自動檢測系統(tǒng)設計所涉及的核心技術和相關技術，對微機自動檢測系統(tǒng)的設計和應用具有參考作用。 
　　關鍵詞　微機自動檢測　自動檢測　檢測技術 

1　前言 

　　檢測問題廣泛存在于各個領域。隨著科學技術的高速發(fā)展，隨著人類生活水平、生產(chǎn)力水平的提高，檢測問題越來越多，對檢測提出的要求也越來越高：要求能更快、更準、更靈敏、更可靠地完成檢測任務；要求能實現(xiàn)自動化檢測；要求研制出更多更好的、智能化的、多功能化的、數(shù)字化的、集成化的、微型/小型化的儀器儀表或檢測系統(tǒng)。此外，由于檢測領域的不斷擴大，檢測的參數(shù)范圍不斷延伸，部分參數(shù)本來就難于檢測，且許多情況下需要檢測的參數(shù)又與其它背景物理量摻雜在一起，此時必須使用復雜的儀器儀表或檢測系統(tǒng)，才能完成檢測任務。自動檢測技術作為自動化科學的一個重要分支，作為專門研究檢測問題的一門實用型、綜合型的新興邊沿學科已經(jīng)形成。而微機自動檢測(Microcomputer automatic-detection and measurement,簡稱MADM)是自動檢測技術及系統(tǒng)發(fā)展的高級形式?！拔C自動檢測”就是使用微機及相關設備來實現(xiàn)自動檢測儀器、自動檢測系統(tǒng)的技術。本文就微機自動檢測系統(tǒng)的體系結構，系統(tǒng)軟件設計等有關問題進行詳細討論。 

2　微機自動檢測系統(tǒng)硬件結構 

　　對智能儀器儀表、個人儀器、自動測試儀器及系統(tǒng)、計算機輔助測試系統(tǒng)(CAT)等等典型儀器系統(tǒng)的結構、功能、技術特點深入分析，發(fā)現(xiàn)它們都屬于檢測技術的分支領域，其技術特點、功能、結構具有相似性，都屬于微機(包括各種單片微機、微處理器、個人計算機、工控機等等)在這些分支領域的不同應用形式，它們的設計技術也具有很大的相似性。為此，抽象出微機在自動檢測技術及系統(tǒng)中應用的典型結構形式，稱為“微機自動檢測系統(tǒng)”，相應的技術稱為“微機自動檢測技術”。 

2.1　微機自動檢測系統(tǒng)結構原理 

　　微機自動檢測系統(tǒng)典型結構如圖1所示。整個系統(tǒng)由下列子系統(tǒng)組成： 
　　　微機基本子系統(tǒng)(包括CPU、RAM、ROM或EPROM、EEPROM等) 
　　　數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及接口 
　　　數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)及接口 
　　　數(shù)據(jù)分配子系統(tǒng)及接口 
　　　基本輸入輸出(I/O)子系統(tǒng)及接口 

圖1　微機自動檢測系統(tǒng)的典型結構 

2.2　微機自動檢測系統(tǒng)各子系統(tǒng)的基本功能 

　　微機基本子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，對整個系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，例如進行復雜的信號處理、控制決策、產(chǎn)生特殊的測試信號，控制整個檢測過程等等。此外，利用微機強大的信息處理能力和高速運算能力，實現(xiàn)命令識別，邏輯判斷、非線性誤差修正，系統(tǒng)動態(tài)特性的自校正，系統(tǒng)自學習、自適應、自診斷、自組織等功能。 

　　數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及接口，用于和傳感器、檢測元件、變送器聯(lián)接，實現(xiàn)參數(shù)采集、選路控制、零點校正、量程自動切換等功能。在各式各樣的微機自動檢測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是必不可少的，被測對象的有關參數(shù)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)收集、整理后，經(jīng)它的接口傳送到微機子系統(tǒng)處理。 

　　基本I/O子系統(tǒng)及接口，用于實現(xiàn)人-機對話、輸入或改系統(tǒng)參數(shù)、改變系統(tǒng)工作狀態(tài)，輸出檢測結果、動態(tài)顯示測控過程，實現(xiàn)以多種形式輸出、顯示、記錄、報警等功能。 

　　通信子系統(tǒng)及接口，用于實現(xiàn)本系統(tǒng)與其它儀器儀表、系統(tǒng)的通信與互聯(lián)，依靠通信子系統(tǒng)可根據(jù)實際問題需求靈活構造不同規(guī)模、不同用途的微機測控系統(tǒng)，如分布式測控系統(tǒng)，集散型測控系統(tǒng)等。通信接口的結構及設計方法，與采用的總線技術、總線規(guī)范有關。例如有IEEE-488(或GP－IB)總線、RS－232C總線、STD總線、VXI總線、現(xiàn)場總線等等，總線技術及規(guī)范不同，需要采用不同的軟硬件接口實現(xiàn)方法，不同的技術平臺支撐。 

　　數(shù)據(jù)分配子系統(tǒng)及接口，實現(xiàn)對被測控對象、被測試組件、測試信號發(fā)生器、甚至于系統(tǒng)本身和檢測操作過程的自動控制。 

　　接口(Interface)根據(jù)實際需要以各種形式大量存在于系統(tǒng)中，接口的作用是完成它所聯(lián)接的設備之間的信號轉換(如進行信號功率匹配、阻抗匹配、電平轉換和匹配)和交換、信號(如控制命令、狀態(tài)/數(shù)據(jù)信號、尋址信號等)傳輸、信號拾取，對信息進行必要的緩沖或鎖存，增強微機自動檢測系統(tǒng)的功能。  

3　微機自動檢測系統(tǒng)軟件結構 

　　微機自動檢測系統(tǒng)軟件設計要經(jīng)歷問題定義，軟件結構設計，軟件編制，軟件調(diào)試與測試等過程。一般采用模塊化和結構化程序設計方法，即自頂向下逐步求精的設計方法，適當劃分模塊可提高設計與調(diào)試的效率。微機自動檢測系統(tǒng)不僅要接收來源于傳感器、檢測元件或變送器的信號，而且要接收和處理來自于控制面板的按鈕或開關信號，或由通信系統(tǒng)傳來的控制命令等信號，還要求系統(tǒng)具有實時處理能力，能實時完成各種測控任務。因此，微機自動檢測系統(tǒng)軟件對實時性有一定程序的要求，同時，還要對系統(tǒng)資源進行管理和調(diào)度。 

　　微機自動檢測系統(tǒng)軟件通常由監(jiān)控程序、中斷服務程序、檢測與控制算法、通信與控制程序等組成。系統(tǒng)常用的模塊及相互關系如下： 
　　 
　　控制算法　(各類自動控制算法) 
　　　　　　　　鍵盤/面板管理 
　　人－機接口　顯示輸出 
　　　　　　　　打印輸出 
　　通信與控制 
　　實時時鐘 
　　故障自診斷與處理 
　　監(jiān)控程序的主要作用是及時響應來自系統(tǒng)或外部的各種服務請求，有效地管理系統(tǒng)軟硬件資源，并在系統(tǒng)一旦發(fā)生故障時，能及時發(fā)現(xiàn)和作出相應的處理。監(jiān)控程序由若干功能模塊組成(圖2所示)，監(jiān)控程序調(diào)用功能模塊，形成一有機整體，實現(xiàn)對微機自動檢測系統(tǒng)的全面管理。因此微機自動檢測系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計成為系統(tǒng)軟件的核心。 


圖2　監(jiān)控主程序結構 

3.1　監(jiān)控主程序結構及其設計 

　　監(jiān)控主程序取決于系統(tǒng)功能的復雜程度和鍵盤操作方式。常用的結構形式有：①作業(yè)優(yōu)先調(diào)度型。系統(tǒng)的作業(yè)有優(yōu)先權差別，高優(yōu)先權者先運行。②作業(yè)順序調(diào)度型。作業(yè)的觸發(fā)方式有接力方式，定時觸發(fā)方式，外部信號觸發(fā)方式。③鍵碼分析作業(yè)調(diào)度型。操作者由鍵盤或遙控通信來發(fā)出作業(yè)調(diào)度命令。 

3.2　初始化管理 

　　對系統(tǒng)的初始化管理包括硬件和軟件的初始化。硬件初始化對系統(tǒng)中各硬件資源設定明確的初始化狀態(tài)，包括對可編程器件初始化，各I/O口初始狀態(tài)設定，為系統(tǒng)硬件資源分配任務等。軟件初始化包括中斷安排，堆棧初始化，狀態(tài)變量初始化，各軟件標志初始化，系統(tǒng)時鐘初始化，各變量存儲單元初始化，系統(tǒng)參數(shù)初始化等。 

3.3　鍵盤管理 

　　微機自動檢測系統(tǒng)的鍵盤可采用編碼鍵盤或軟件掃描(非編碼)鍵盤，與系統(tǒng)采用的微處理機類型、鍵盤類型等有關。 

3.4　顯示管理 

　　顯示方式主要有模擬顯示、數(shù)字顯示、混合顯示等方式。顯示管理軟件的基本任務是：①更新顯示數(shù)據(jù)；②多參數(shù)巡檢與定點顯示管理。定點顯示方式時，不斷地將當前顯示參數(shù)的更新值送出顯示；巡回顯示方式時，每隔一定時間改換一個新的顯示參數(shù)，并顯示該值；③指示燈管理。對面板上的LED指示燈或報警指示燈管理。 

3.5　時鐘管理 

　　定時電路及時鐘管理在微機自動檢測系統(tǒng)中必不可少，主要用于：數(shù)據(jù)采樣周期定時；控制周期定時；參數(shù)修改數(shù)字增減速度的定時；多參數(shù)巡顯的顯示周期定時；動態(tài)刷新周期定時；故障監(jiān)視電路(Watch dog)的定時信號等。定時實現(xiàn)有硬件、軟件和軟硬件結合等方法。 

3.6　中斷管理 

　　針對系統(tǒng)中的各種中斷源和所選用的微處理機的中斷結構，設計相應的中斷處理程序模塊，包括中斷管理模塊和中斷服務模塊。 

3.7　故障自診斷與處理 

　　故障自診斷與處理是微機自動檢測系統(tǒng)的基本功能之一，是提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性的重要手段之一。主要形式為：①開機自檢。每當電源接通或復位后，系統(tǒng)自動執(zhí)行一次自檢程序，對硬件電路進行一次檢測。②周期性自診斷。對系統(tǒng)周期性地進行自診斷。③鍵控自診斷。操作人員按“自診斷”按鍵起動自診斷功能。 

3.8　通信與通信控制 

　　通信與通信控制模塊實現(xiàn)與上位機或其它儀器儀表、其它系統(tǒng)的互聯(lián)及通信控制。該模塊的設計與系統(tǒng)采用的通信總線標準，通信協(xié)議，通信接口電路等因素有關。  

4　微機自動檢測的核心技術和相關技術 
　 
  　微機自動檢測技術涉及眾多的知識領域和先進技術，包括物理學、化學、生物學、光學、精密機械設計、微電子學、電子技術、通信、微機、數(shù)據(jù)處理、自動控制等等。因此，提出一些關鍵性的技術作為微機自動檢測技術的核心技術和相關技術，以此構成微機自動檢測系統(tǒng)基本的技術框架。微機自動檢測技術的核心技術是傳感技術、數(shù)據(jù)采集技術、微機技術(包括軟件、硬件設計技術)、接口技術、系統(tǒng)組合設計和集成技術；相關技術是數(shù)據(jù)通信技術、總線技術、抗干擾與可靠性技術、顯示技術、自動控制技術、電子線路設計技術等等。在設計好開放性的微機檢測系統(tǒng)硬件之后，如何充分發(fā)揮微機的強大技術資源和潛力，開發(fā)友好的中文操作平臺，使系統(tǒng)具有良好的管理與控制特性，具有良好的可用性，需要很好的軟件設計技術和設計方法。 

5　結束語 

　　本文對微機自動檢測系統(tǒng)的概念、系統(tǒng)的體系結構、軟件設計、核心技術和相關技術等內(nèi)容作了一些初步的研究，由于這類系統(tǒng)和技術是一種通用化的，因而有廣泛的應用價值和較好的發(fā)展前景。 
作者單位：雷　霖(電子科技大學檢測技術及儀器教研室　成都　610054) 
參考文獻 
　[1]　雷霖主編.微機自動檢測.電子科技大學出版社，1998年3月 
　[2]　鄭叔芳編著.計算機輔助測試原理與發(fā)展.科學出版社，1993年8月 
　[3]　李臘元、官本云編著.智能儀器儀表.科學出版社，1993年2月