單片機系統(tǒng)運行參數(shù)的保存及有效性判別
加入技術(shù)交流群
在單片機構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)控制時需要使用和保存已經(jīng)設(shè)置或優(yōu)化的參數(shù)。如果將運行參數(shù)僅僅存儲于單片機的RAM區(qū)中，則系統(tǒng)在掉電或重啟時將會丟失這些重要參數(shù)，不能正常運行。為了解決上述問題，保證控制系統(tǒng)正常、可靠地運行，需要將這些運行參數(shù)保存在足夠容量的電可擦除存儲器（EEPROM）中。在寫入或讀出EEPROM中的數(shù)據(jù)時，為保證數(shù)據(jù)操作的正確性，則需要進行數(shù)據(jù)校驗。在系統(tǒng)運行這些參數(shù)之前，為檢查運行參數(shù)的取值是否在許可范圍之內(nèi)，則需要進行參數(shù)取值范圍的檢驗。本文結(jié)合作者開發(fā)的電梯轎廂門機控制系統(tǒng)，來詳細(xì)討論參數(shù)保存和校驗的設(shè)計及實現(xiàn)。
2 系統(tǒng)運行參數(shù)的存儲
在單片機組成的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)設(shè)置的運行參數(shù)是系統(tǒng)正常運行所必須使用的，既要保證運行參數(shù)的可修改性，又要保證運行參數(shù)在系統(tǒng)停機或掉電的情況下能夠正確保存，因而運行參數(shù)應(yīng)保存在電可擦除存儲器（EEPROM）中。根據(jù)參數(shù)個數(shù)的多少，決定所使用EEPROM的存儲容量。例如，在本文的單片機系統(tǒng)中，電梯轎廂門機控制運行所需要的參數(shù)有：門寬參數(shù)、有無光電檢測、輸出保持力矩、開門加速步頻、關(guān)門加速步頻、開門減速步頻、關(guān)
門減速步頻、工作計數(shù)器等，設(shè)計中要求存儲的參數(shù)共需28個字節(jié)，再加上一個字節(jié)校驗和，所以選用32字節(jié)容量的EEPROM。Xicro公司的X24C44能滿足上述可修改性和容量的要求。
2．1 EPROM芯片簡介及硬件組成
電可擦除存儲芯片X24C44是一個八引腳的芯片，其內(nèi)部有存儲矩陣和RAM兩個存儲區(qū)，外部引腳的功能如圖1所示。芯片各引腳的功能為：CE為芯片使能引腳；Vcc及Vss為電源引腳；電壓為＋5V；SK是讀寫X24C44數(shù)據(jù)時所用到的外部時鐘同步信號；DI為命令或數(shù)據(jù)串行輸入X24C44的信號引腳；DO為X24C44數(shù)據(jù)串行輸出的信號引腳；STORE為低電平時，允許將EEPROM中RAM的內(nèi)容保存到存儲矩陣；RECALL為低電平時，允許將EEPROM的存儲矩陣的內(nèi)容傳送到EEPROM的RAM中。
按照向X24C44寫入兩字節(jié)內(nèi)容的時序，寫入兩字節(jié)數(shù)據(jù)的操作類似于讀出操作過程。
X24C44采用串行讀寫數(shù)據(jù)，其與單片機的接線簡單，除了片選信號CE外，只要與單片機的三根I／O引腳相連即可，作用為時鐘CLK，數(shù)據(jù)輸入DI，數(shù)據(jù)輸出DO，其中DO引腳要接一個10kΩ的上拉
電阻。硬件電路接線如圖3所示。
2．2 EEPROM讀寫的實現(xiàn)
控制系統(tǒng)中所采用的是51系列單片機，其中讀寫子程序設(shè)計用匯編也較容易 實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化編程。根據(jù)X24C44的時序和操作過程，下面給出讀出EEPROM中數(shù)據(jù)的匯編子程序。單片機將數(shù)據(jù)寫入EEPROM的過程與讀出過程相類似。讀出EEPROM中數(shù)據(jù)的匯編子程序如下：
read：push psw；讀數(shù)據(jù)子程序入口
3 運行參數(shù)的數(shù)據(jù)校驗
系統(tǒng)運行參數(shù)是單片機控制系統(tǒng)正確運行的關(guān)鍵數(shù)值，能確保系統(tǒng)按設(shè)置的特性運行。在許多單片機組成的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)在運行過程中需讀出EEPROM中的數(shù)據(jù)，為了確定所讀出的數(shù)據(jù)與原先寫入的數(shù)據(jù)一致，就要用到數(shù)據(jù)校驗。在一般的校驗中，一是采用數(shù)據(jù)字節(jié)值進行異或運算；二是字節(jié)值作相加運算并忽略進位的方法。本文介紹了采用一種16位循環(huán)冗余法（CRC）思想的自定義數(shù)據(jù)校驗法。
3．1 循環(huán)冗余法的簡介
循環(huán)冗余法是基于將位串看成是系數(shù)為0或1的多項式，一個k位的幀可以看成是從xk－1到x0的k次多項式的系數(shù)序列，這個多項式的階數(shù)為k－1。高位（最左邊）是xk－1項的系數(shù)，下一位是xk－2項的系數(shù)，依此類推。例如11001001有8位，表示成多項式是x7＋x6＋x3＋x0，多項式的系數(shù)分別是1，1，0，0，1，0，0和1。
如果采用循環(huán)冗余法進行校驗，在產(chǎn)生校驗和時及檢驗數(shù)據(jù)時，運算必須用相同的生成多項式G（x），生成多項式的高位和低位必須是1。以2為模 展開運算。運算法則是：加法不進位，減法不借位；加法和減法兩者都異或運算相同。如果分計算m位的數(shù)據(jù)序列M（x）的校驗和，生成多項式G（x）必須比多項式M（x）短，即m＞k。校驗的基本思想是：將校驗和加在數(shù)據(jù)序列M（x）的末尾，使這個帶校驗和的多項式能被G（x）除盡。當(dāng)檢驗數(shù)據(jù)時，用G（x）去除這個帶校驗和的多項式，如果余數(shù)不等于零，則所檢驗的數(shù)據(jù)有錯。
計算檢驗和的算法如下：
?。?）設(shè)G（x）為r階，在數(shù)據(jù)序列的末尾附加r個零，使數(shù)據(jù)序列為m＋r位，則相應(yīng)的多項式是xrM（x）。
?。?）按模2除法，用對應(yīng)于G（x）的位串去除對應(yīng)于xrM（x）的位串，得余數(shù)。
?。?）按模2減法，從對應(yīng)于xrM（x）的位串中減去余數(shù)。結(jié)果就是帶校驗和的數(shù)據(jù)序列，叫多項式T（x）。
該方法是經(jīng)過嚴(yán)密數(shù)學(xué)推導(dǎo)的，有三項多項式已成為國際標(biāo)準(zhǔn)，即12位的CRC－12：x12＋x11＋x3＋x2＋x1＋1；16位的CRC－16：x16＋x15＋x2＋1和CRC－CCITT：x16＋x12＋x5＋1。
3．2 自定義數(shù)據(jù)校驗的軟件實現(xiàn)
循環(huán)冗余法在通訊中的實現(xiàn)一般是用一種簡單的移位寄存器電路來進行運算，并用硬件來完成對校驗和的校驗。實際應(yīng)用中幾乎都在使用此硬件。在單片機控制系統(tǒng)中，參考這一產(chǎn)生數(shù)據(jù)序列校驗和的思想，由于單片機的運算速度已相當(dāng)高，用軟件實現(xiàn)這一校驗也是可行的。在檢錯要求較高的情況下，并考慮到單片機的運算是基于字節(jié)（8位數(shù)據(jù)）的，數(shù)據(jù)校驗采用以下自定義數(shù)據(jù)校驗算法。自定義算法的生成多項式取G（x）＝x7＋x5＋1，可以檢出1位錯和2位錯，顯然比字節(jié)和或者異或和的檢錯能力大。
自定義數(shù)據(jù)序列校驗的軟件實現(xiàn)流程如圖4所示。根據(jù)流程圖，校驗用到異或和移位操作運算，軟件編程用相應(yīng)的單片機匯編語言較易實現(xiàn)，程序簡捷，實時性好。
單片機控制系統(tǒng)在保存運行參數(shù)過程中，首先在RAM區(qū)中連續(xù)存儲運行參數(shù)，并用自定義數(shù)據(jù)校驗算法計算運行參數(shù)的校驗和。系統(tǒng)向X24C44寫入運行參數(shù)值時，也將校驗和寫入。在讀出X24C44中的運行參數(shù)時，再用同一算法計算檢驗和，與X24C44中原有的校驗和比較，判別數(shù)據(jù)是否合法，如果校驗和相同，則對運行參數(shù)的讀寫是正確的。這一檢驗算法可有效保證程序所使用的運行參
數(shù)的有效性。
在讀出X24C44的運行參數(shù)時，如果所讀出的數(shù)據(jù)按同一方法計算校驗和與X24C44中原有的校驗和不一致，則表明讀出的是錯誤的數(shù)據(jù)。這時可不用這些數(shù)據(jù)，在程序中調(diào)用默認(rèn)的運行參數(shù)值，從而
保證了門機控制系統(tǒng)的安全運行，提高了可靠性。
4 參數(shù)的取值范圍檢驗
在單片機控制系統(tǒng)中，所使用的參數(shù)數(shù)值如果超過了系統(tǒng)的允許范圍，則有可能使系統(tǒng)運行出現(xiàn)不可預(yù)見的工作狀況。為了保證控制系統(tǒng)按所要求的功能運行，系統(tǒng)在使用運行參數(shù)之前要進行取值范圍檢驗。
在單片機組成的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的運行參數(shù)絕大多數(shù)是正數(shù)。如果運行參數(shù)1的取值范圍為N11≤參數(shù)1≤N12，則在運行參數(shù)的取值范圍檢驗子程序中，系統(tǒng)進行條件處理為：當(dāng)參數(shù)1＜N11時，令參數(shù)1取值為N11；當(dāng)參數(shù)1＞N12時，令參數(shù)1取值為N12；當(dāng)參數(shù)1在許可范圍之內(nèi)時，參數(shù)1取值不變。運行參數(shù)的取值范圍檢驗子程序處理流程如圖5所示。
5 結(jié)束語
本文所討論的運行參數(shù)的保存及參數(shù)有效性判別的實現(xiàn)方法，在作者所開發(fā)的電梯門機單片機控
制系統(tǒng)中使用，實際應(yīng)用表明：可以保證運行參數(shù)在設(shè)計的許可范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)有較強的容錯能力，提高控制系統(tǒng)的運行可靠性。這一方法也可應(yīng)用于需要保存參數(shù)的單片機組成系統(tǒng)中，如智能儀表、運動控制等領(lǐng)域的系統(tǒng)。
參考文獻
1 何立民編著．MCS－51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計—系統(tǒng)配置與接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，19992 Andrew S．Tanenbaum著，熊桂喜，王小虎等譯．計算機網(wǎng)絡(luò)（第三版）．北京：清華大學(xué)出版社，1999
3 鄭人杰，殷人昆，陶永雷．實用軟件工程（第二版）．北京：清華大學(xué)出版社，1998
評論