基于PIC單片機的便攜式測試記錄儀設計

　　2 軟件設計

　　本記錄儀軟件由實時處理程序和組成記錄儀諸功能部件的驅動程序組成。

　　2.1 實時處理程序

　　實時處理程序調用相關驅動程序完成模擬量采集、數(shù)字濾波、插值運算、實時顯示、記錄合成及記錄保存。本記錄儀采用的記錄格式從高至低依序為:傳感器號,量程,采集值,年,月,日,時,分,秒。

　　2.2 驅動程序設計

　　驅動程序設計的基本思想是:首先完成相關接口、寄存器的初始化,然后根據(jù)具體物理部件產(chǎn)生微操作時序,并對操作過程中遇到的異常事件進行容錯處理。

　　2.2.1 讀/寫E2PROM 驅動程序

　　I2C總線由時鐘線(SCL)和數(shù)據(jù)線(SDA)組成。根據(jù)I2C總線協(xié)議,將圖1所采用的24LC65芯片的讀/寫操作按操作順序分解為:使總線處于空閑狀態(tài)(SCL、SDA均為高電平);發(fā)送讀/寫啟動信號(SCL保持高電平,SDA從高變低產(chǎn)生下降沿);在數(shù)據(jù)線SDA上讀或寫數(shù)據(jù)位(SCL高電平時,SDA狀態(tài)為有效的讀或寫數(shù)據(jù)位,SDA狀態(tài),即0或1的變化必須在 SCL低電平期間完成);發(fā)送讀/寫結束信號(SCL保持高電平,SDA從低變高產(chǎn)生上升沿)。如果為寫操作,每寫完1字節(jié)數(shù)據(jù)后,24LC65在數(shù)據(jù)線SDA上回送握手應答信號,表示該字節(jié)數(shù)據(jù)已被可靠寫入。以上微操作通過匯編語言編程實現(xiàn)。

　　本記錄儀以記錄方式讀/寫數(shù)據(jù)片。因此,對寫來說,首先讀字典片,以便用其中的表頭參數(shù)判斷當前數(shù)據(jù)片是否已寫滿。若已寫滿,則在LCD上顯示無寫空間標記代碼,然后返回休眠狀態(tài);否則,將記錄寫入記錄指針所指向的數(shù)據(jù)片中,同時對表頭參數(shù)進行修改。在寫過程中,重要的是處理疵點單元。盡管24LC65在寫過程中出現(xiàn)的疵點概率極少,但若不正確處理,則會導致目標數(shù)據(jù)丟失甚至出現(xiàn)系統(tǒng)死機現(xiàn)象。作者曾采用數(shù)據(jù)輪詢技術進行容錯處理,收到了良好的效果。其基本思想是:每當在數(shù)據(jù)線上寫完1字節(jié)數(shù)據(jù)后,便反復查詢24LC65回送的應答信號,但最多不超過50次(此數(shù)足夠24LC65寫入時間);若超過查詢次數(shù)仍無應答信號,便認為該單元為疵點單元,將其地址記入疵點單元地址隊列,并使疵點單元計數(shù)器加1,然后在下一比鄰單元繼續(xù)寫入原數(shù)據(jù)。如果連續(xù)兩單元為疵點單元,則認為整個芯片有問題,此時,在LCD上顯示該單元所在的芯片號(芯片號參見圖1),然后,返回休眠狀態(tài)。

　　對讀來說,首先判斷數(shù)據(jù)片是否為空。若為空,則在LCD上顯示無記錄標記代碼,然后返回休眠狀態(tài)。否則,繼續(xù)判斷數(shù)據(jù)片是否有疵點,如果無疵點,則從數(shù)據(jù)片首址開始按序讀出所有記錄;否則,在按序讀記錄過程中,根據(jù)疵點單元地址隊列內(nèi)容,跳過所有疵點單元,以保證讀出的記錄連續(xù)、真實、可靠。

　　2.2.2 采集驅動程序設計

　　A/D轉換器MAX189所帶串口與單片機PIC16C74的SPI口完全兼容。因此,在A/D轉換完成后,只要啟動單片機SPI口產(chǎn)生13個同步時鐘脈沖便可連續(xù)兩次從SPI數(shù)據(jù)緩沖器上獲得12位轉換結果。由于本記錄儀采集的參數(shù)個數(shù)依現(xiàn)場安裝的傳感器數(shù)不同而不同,因此,驅動程序必須能予以自動識別。圖2為采集驅動程序流程,其基本設計思想是:首先讀識別片,以確定實際安裝的傳感器數(shù)量,然后從0通道傳感器開始進行采集,直到實際安裝的最后一個傳感器采集完畢為止。圖2中:CHAN:通道寄存器;COUNT:傳感器數(shù)量寄存器。

　　3 測試設計

　　測試設計是通過測試程序完成對記錄儀本身各功能硬件的性能測試。測試程序獨立于實際應用程序,在單獨的單片機中,使用時只要拔掉記錄儀模板上的單片機而用其代之即可。測試程序設計的基本思想是:首先根據(jù)不同測試對象(即部件)產(chǎn)生不同的測試數(shù)據(jù)和測試期望數(shù)據(jù),然后以測試數(shù)據(jù)為入口參數(shù),調度相關驅動程序產(chǎn)生目標數(shù)據(jù),最后用測試期望數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)進行比較,以此判斷所測硬件性能之良劣。

　　3.1 E2PROM測試設計

　　E2PROM測試需要與PC機通訊。其基本原理是:首先產(chǎn)生8種測試數(shù)據(jù):0x00、0xff、0x55、0xaa、0x0f、0xf0、0x5a、0xa5(0x表示16進制數(shù)),然后分別以此8種測試數(shù)據(jù)為入口參數(shù),交替調度寫、讀E2PROM驅動程序3次(即先寫后讀3次)。每讀一次,與測試期望數(shù)據(jù)(此處測試數(shù)據(jù)與測試期望數(shù)據(jù)相同)進行比較,若不相等,則對相應片錯誤計數(shù)器加1。測試結果實時地顯示在記錄儀LCD和PC機上。LCD只顯示總錯誤個數(shù),PC機則依次顯示、保存總錯誤個數(shù)及錯誤單元地址。

　　3.2 A/D測試設計

　　A/D測試也需要與PC機通訊。由于本記錄儀最多可采集8路傳感器參數(shù),因此,測試程序對鍵盤重新定義如下:當手動、自動、通訊、打印、清零鍵有鍵按下時,對應測試0～4通道傳感器;當手動、自動、通訊鍵其中之一與清零鍵同時按下時,則對應測試5～7通道傳感器。測試只對放大器滿量程的10%、50%、90%等3點進行采集。其原理是:首先,測試程序掃描鍵盤,當掃描到有鍵按下時,則調度采集驅動程序對該鍵盤定義的通道傳感器進行連續(xù)采集,采集結果不作任何處理,實時地顯示在記錄儀LCD和PC機上。LCD只顯示當前的A/D轉換碼值,PC機則顯示并保存當前A/D轉換碼值、各點最大、最小轉換碼值及兩者絕對差值。技術人員可以此判斷前向通道(傳感器、放大器、A/D)工作性能的好壞。筆者曾連續(xù)測試0通道傳感器6個半小時,發(fā)現(xiàn)最大碼差為9,表明前向通道工作相當穩(wěn)定。

　　3.3 實時時鐘測試設計

　　實時時鐘DS1302測試需要借助PC機完成。其測試原理是:首先PC機上的測試程序讀PC系統(tǒng)日歷信息─年、月、日、時、分、秒、星期,并進行發(fā)送。記錄儀在接收后,立即調度寫DS1302驅動程序將接收的PC系統(tǒng)日歷信息寫入DS1302相關功能寄存器中,并使DS1302以此為時基進行計時。此后,進入記錄儀發(fā)送、PC接收的無限循環(huán)狀態(tài),即:每隔10ms,記錄儀調度一次讀DS1302驅動程序,并將獲得的最近日歷信息予以迅速發(fā)送;而處于接收狀態(tài)的PC接收后,立即與PC系統(tǒng)當前日歷信息進行比較,如此循環(huán),直到人工干預結束測試為止。在上述測試過程中,記錄儀LCD只實時地顯示日歷信息的分、秒兩位,PC機則實時地顯示記錄儀和PC機兩端完整的日期、時間及兩者比較差。另外,通過觀察記錄儀LCD上顯示的分、秒位變化,也可初步判定DS1302的性能。筆者曾連續(xù)運行該測試程序24小時,偏差極小,足以滿足本系統(tǒng)的需要。

　　4 實際應用

　　本記錄儀已投入實際應用一年多,其可靠性、穩(wěn)定性、操作性和精度均受用戶歡迎。不足之處是:目前功耗還比較大,作者在+12V供電時測得電流為45.5mA,尚需進一步改進。

　　參考文獻

　　1 竇振忠. PIC系列單片機原理和程序設計.北京:北京航空航天大學出版社,1998

　　2 王福瑞. 單片機測控系統(tǒng)設計大全. 北京:北京航空航天大學出版社,1999

　　3 王幸之. 單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術. 北京:北京航空航天大學出版社,2000