監(jiān)控程序設(shè)計

1、第六章監(jiān)控程序設(shè)計6.1監(jiān)控程序的功能和組成一、監(jiān)控程序的功能：1、進(jìn)行鍵盤和顯示管理，按鍵入的命令轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵服務(wù)；2、接收因過程(輸入輸出)通道或時鐘等引起的中斷請求信號，區(qū)分優(yōu)先級，實現(xiàn)中斷嵌套，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的實時測量、控制功能子程序；3、實現(xiàn)對硬件定時器的處理及由此形成的軟件定時器的管理；4、實現(xiàn)對系統(tǒng)自身的診斷處理；5、初始化，手-自動控制，掉電保護(hù)等。二、監(jiān)控程序的組成監(jiān)控程序的組成主要取決于測控系統(tǒng)的組成規(guī)模，以及系統(tǒng)的硬件配備與功能。通常由監(jiān)控主程序、初始化管理、鍵盤管理、顯示管理、中斷管理、時鐘管理、自診斷、手-自動控制等模塊組成。圖6-1-1監(jiān)控程序的基本組成1、監(jiān)控主程序調(diào)

2、用各模塊，并將它們聯(lián)系起來，形成一個有機整體，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的全部管理功能。2、測控算法程序主要實現(xiàn)測量與控制功能，它由描述一種或幾種測控算法(如數(shù)字濾波，PID算法等)的功能模塊構(gòu)成，通常為實時中斷程序或監(jiān)控程序所調(diào)用。3、各功能模塊又由各種下層模塊(子程序)所支持。6.2 監(jiān)控主程序和初始化管理 6.2.1 監(jiān)控主程序一、監(jiān)控主程序的任務(wù)監(jiān)控主程序是整個監(jiān)控程序的一條主線，上電復(fù)位后首先進(jìn)入監(jiān)控主程序。它的任務(wù)是識別命令、解釋命令并獲得完成該命令的相應(yīng)模塊的入口。監(jiān)控主程序引導(dǎo)測控系統(tǒng)進(jìn)入正常運行，并協(xié)調(diào)各部分軟、硬件有條不紊地工作。二、監(jiān)控主程序的組成模塊監(jiān)控主程序通常包括可編程器件、輸

3、入、輸出端口和參數(shù)的初始化，自診斷管理模塊，鍵盤顯示管理模塊，以及實時中斷管理和處理模塊等，是“自頂向下”結(jié)構(gòu)化設(shè)計中的第一層次。除了初始化和自診斷外，監(jiān)控主程序一般總是把其余部分聯(lián)接起來，構(gòu)成一個無限循環(huán)圈，測控系統(tǒng)的所有功能都在這一循環(huán)圈中周而復(fù)始地、或有選擇地執(zhí)行，除非掉電或按復(fù)位(RESET)鍵，測控系統(tǒng)不會跳出這一循環(huán)圈。由于各個微機化測控系統(tǒng)的功能不同，硬件結(jié)構(gòu)不同，程序編制方法不同，因而監(jiān)控主程序沒有統(tǒng)一的模式。圖6-2-1微機溫控儀監(jiān)控主程序流程。6.2.2 初始化管理一、可編程器件初始化對可編程硬件接口電路的工作模式的初始化微機化測控系統(tǒng)中常用的可編程器件有：鍵盤顯示管理接口

4、8279、I/O和RAM擴展接口8155，并行輸入輸出接口8255、定時計數(shù)器接口8253等，二、堆棧初始化復(fù)位后首先在用戶RAM中確定一個堆棧區(qū)域，由堆棧指示器SP來管理三、參數(shù)初始化是指對測控系統(tǒng)的整定參數(shù)(如PID算法的Kp、TI、TD三個參數(shù)的初值)、報警值以及過程輸入通道的數(shù)據(jù)與過程輸出通道的數(shù)據(jù)初始化。通常把這些可調(diào)整初始化參數(shù)集中在一個模塊中，以便集中管理，也有利于實現(xiàn)模塊獨立性。初始化管理模塊作為監(jiān)控程序的第二層次，通過分別調(diào)用上述三類初始化功能模塊(第三層次)，實現(xiàn)對整個儀表和系統(tǒng)中有關(guān)器件的初始化。6.3鍵盤管理6.3.1一鍵一義的鍵盤管理一鍵一義，即一個按鍵代表一個確切的

5、命令或一個數(shù)字，編程時只要根據(jù)當(dāng)前按鍵的編碼把程序直接分支到相應(yīng)的處理模塊的入口，而無需知道在此以前的按鍵情況。鍵盤信號的獲得有三種方法：一、單純查詢法主程序用掃描鍵盤等手段來獲取鍵盤信息。微處理器(機)周而復(fù)始地掃描鍵盤，當(dāng)發(fā)現(xiàn)按鍵時，首先判別是命令鍵還是數(shù)字鍵，若是數(shù)字鍵，則把按鍵讀數(shù)讀入存儲器，通常還進(jìn)行顯示；若是命令鍵，則根據(jù)按鍵讀數(shù)查閱轉(zhuǎn)移表，以獲得處理子程序的入口。處理子程序執(zhí)行完后繼續(xù)掃描鍵盤，如圖6-3-1(a)。所示進(jìn)行一鍵一義的鍵盤管理的核心是一張一維的轉(zhuǎn)移表。如圖6-3-1(b)所示，在轉(zhuǎn)移表內(nèi)順序登記了各個處理子程序的轉(zhuǎn)移指令。圖6-3-1查詢法程序流程圖 查詢法處理的

6、一鍵一義監(jiān)控程序（程序清單見教材） 二、鍵盤中斷法按下鍵盤任何鍵都引起一個中斷請求，鍵碼分析過程放在中斷子程序中，這種方法需獨自占用一個外部中斷源，其監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)如圖6-3-2(a)所示。 三、定時查詢法每隔一定時間查詢一次鍵盤，由于時間間隔通常很短，對于操作者來說鍵盤的響應(yīng)是實時的，鍵盤的查詢過程安排在定時中斷程序中完成，其監(jiān)控程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖6-3-2(b)所示。圖6-3-2中斷法和定時法程序框圖6.3.2一鍵多義的按鍵管理一、一鍵多義的一鍵多義，一個按鍵有多種功能，既可作多種命令鍵，又可作數(shù)字鍵。在一鍵多義的情況下，一個命令不是由一次按鍵，而是由一個按鍵序列所組成。換句話說，對一個按鍵

7、含義的解釋，除了取決于本次按鍵外，還取決于以前按了些什么鍵。因此對于一鍵多義的監(jiān)控程序，首先要判斷一個按鍵序列(而不是一次按鍵)是否已構(gòu)成一個合法命令。若已構(gòu)成合法命令，則執(zhí)行命令，否則等待新按鍵輸入。 二、一鍵多義的監(jiān)控程序一鍵多義的監(jiān)控程序仍可采用轉(zhuǎn)移表法進(jìn)行設(shè)計，不過這時要用多張轉(zhuǎn)移表，組成一個命令的前幾個按鍵起著引導(dǎo)的作用，把控制引向某張合適的轉(zhuǎn)移表，根據(jù)最后一個按鍵編碼查閱該轉(zhuǎn)移表，就找到要求的子程序入口。按鍵的管理，可以用查詢法也可以用中斷法。三、一鍵多義鍵服務(wù)程序流程實例實例8回路微機溫控儀鍵盤有6個按鍵：C鍵(回路號18，第8回路為環(huán)境溫度補償，其余為控溫點)P鍵(參數(shù)號，有設(shè)

8、定值，實測值，共8個參數(shù)) 鍵(加1)鍵（減1）只用于設(shè)定值的修改R鍵(運行)S鍵(停止運行)第8回路(環(huán)境溫度補償回路)只有溫度實測值一個參數(shù)，沒有其它參數(shù)第17個回路有設(shè)定值（P、I、D參數(shù)，上、下限報警值）、溫度實測值8個參數(shù)1、 程序流程圖6332、 程序清單 設(shè)鍵編碼R：00H；S：01H；：02H；：03H；C：04H和P：05H。內(nèi)存RAM 20H中高4位為通道(回路)號標(biāo)記，低4位為參數(shù)號標(biāo)記。假設(shè)8279命令口地址為7FFFH，數(shù)據(jù)口地址為7FFEH。 7個回路(17)，每個回路8個參數(shù)，共有56個轉(zhuǎn)移入口，分別由56個鍵服務(wù)功能模塊所支持。第8回路無參數(shù)，由其獨立子程序C8

9、單獨處理。程序清單（見教材） 圖6-3-3一鍵多義鍵服務(wù)程序流程6.3.3自動/手動切換一、微機化控制系統(tǒng)的兩種工作方式自動方式微機化控制系統(tǒng)的基本工作方式。手操方式在系統(tǒng)調(diào)試、測試時，用來調(diào)整輸出控制值。二、自動/手動切換控制的基本功能是：在手操方式時，能通過一定的手動操作來方便、準(zhǔn)確地調(diào)整輸出值；能實現(xiàn)手動-自動的無擾動切換。三、實現(xiàn)手動操作的方法實現(xiàn)手動操作，有硬件方法和軟件方法兩種。目前大多數(shù)微機化系統(tǒng)采用軟件方法，由操作面板上的幾個按鍵來實現(xiàn)。這幾個鍵分別是：手-自動切換鍵；手操輸出加；手操輸出減。監(jiān)控程序通過判斷手動-自動切換鍵的狀態(tài)來判斷是否進(jìn)入手操方式。在手操方式時，系統(tǒng)的自動

10、控制功能暫停，改由面板上的輸出加、減兩鍵來調(diào)整輸出值。 四、無擾動切換的實現(xiàn)在用戶RAM區(qū)中開辟一個輸出控制值單元，作為當(dāng)前輸出控制量的映象，無論是手操還是自動控制，都是對這一輸出值的映象單元進(jìn)行加或減，在輸出模塊程序作用下，輸出通道把此值送到執(zhí)行機構(gòu)上去。這樣就用極其簡單的方法實現(xiàn)了無擾動切換。6.4顯示、中斷與時鐘管理6.4.1顯示管理一、微機化系統(tǒng)的主要顯示方式模擬指示用模擬表頭作為顯示手段，無需軟件管理。數(shù)字顯示硬件方案的不同，軟件顯示管理方法也不同模擬數(shù)字混合顯示 二、顯示管理軟件的基本任務(wù) 1、顯示更新的數(shù)據(jù)2、多參數(shù)的巡測和定點顯示管理 巡回顯示方式每隔一定時間)改換一個新的顯示

11、參數(shù) 定點顯示方式只跟蹤顯示某一參數(shù)，不改換通道或參數(shù)3、 指示燈顯示管理通常可由與某一指示燈有關(guān)的功能模塊直接管理。6.4.2中斷管理一、中斷的概念允許被控過程的某一狀態(tài)或?qū)崟r時鐘或鍵操作中斷正在進(jìn)行的工作，轉(zhuǎn)而處理該過程的實時問題。當(dāng)這一處理工作完成后，再回去執(zhí)行原先的任務(wù)，即監(jiān)控程序中確認(rèn)的工作。一般說來，未經(jīng)事先“同意”(開放中斷)，不允許過程或?qū)崟r時鐘申請中斷。能夠發(fā)出中斷請求信號的外設(shè)或事件稱為中斷源。微機化測控系統(tǒng)中常見的中斷源有：過程通道、實時時鐘、面板按鍵、通信接口、系統(tǒng)故障。二、一個中斷源的中斷過程暫時保護(hù)程序計數(shù)器的內(nèi)容，以便使CPU在服務(wù)程序執(zhí)行完時能回到它在產(chǎn)生中斷之

12、前所處的狀態(tài)。將中斷服務(wù)程序的入口地址送入程序計數(shù)器。這個服務(wù)程序能夠準(zhǔn)確地完成申請中斷的設(shè)備所要求的操作。在服務(wù)程序開始時，必須將服務(wù)程序需要使用的CPU寄存器(例如累加器、進(jìn)位位、專用的暫存寄存器等)的內(nèi)容暫時地保護(hù)起來，并在服務(wù)程序結(jié)束時再恢復(fù)其內(nèi)容。對于引起中斷而將INT變?yōu)榈碗娖降脑O(shè)備，系統(tǒng)必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮魇笽NT再次變?yōu)楦唠娖?。如果允許發(fā)生中斷，則必須將允許中斷觸發(fā)器再次置位。最后，恢復(fù)程序計數(shù)器原先被保存的內(nèi)容，以便返回到被中斷的程序。二、多個中斷源的處理確定多個中斷源的優(yōu)先級，在軟件上作出相應(yīng)處理。運行時，當(dāng)多個中斷源同時提出申請時，主機要識別出哪些中斷源在申請中斷，辨別和比

13、較它們的優(yōu)先級，優(yōu)先響應(yīng)級別高的中斷請求。另外，當(dāng)CPU在處理中斷時，還要能響應(yīng)更高級的中斷請求，而屏蔽掉同級或較低級的中斷請求。這就要求設(shè)計者精心安排多中斷源的級別及響應(yīng)時間，使次要工作不致影響主要工作。 三、中斷程序模塊中斷模塊分中斷管理模塊和中斷服務(wù)模塊兩部分。1、中斷服務(wù)模塊具體服務(wù)內(nèi)容，由各測控系統(tǒng)的功能所決定。2、中斷管理模塊中斷管理軟件模塊，通常應(yīng)包括以下功能：斷點現(xiàn)場保護(hù)；識別中斷源；判斷優(yōu)先級；如果允許中斷嵌套，則再次開放中斷(單片機除外)；中斷服務(wù)結(jié)束后恢復(fù)現(xiàn)場，如圖6-4-1所示。圖6-4-1中斷流程 四、多中斷源識別通常，系統(tǒng)掉電總是作為最高級中斷源。至于其它中斷源的優(yōu)

14、先級，則由設(shè)計人員根據(jù)系統(tǒng)的功能特點來確定當(dāng)有兩個以上中斷源時，可以采用如下兩種方法：利用定時器/計數(shù)器的外部事件計數(shù)輸入端(T0或T1)，作為邊沿觸發(fā)的外部中斷輸入端，這時定時器/計數(shù)器應(yīng)工作于計數(shù)器方式，計數(shù)寄存器應(yīng)預(yù)置滿度數(shù)。每個中斷源都接在同一個外部中斷輸入端(INT0或INT1)上，同時利用輸入口來識別某裝置的中斷請求。具體線路見圖6-4-2。程序清單見教材。圖6-4-2多中斷源識別電路6.4.3時鐘管理一、時鐘作為定時器的用途過程輸入通道的數(shù)據(jù)采樣周期定時；過程輸出通道控制周期的定時；參數(shù)修改按鍵數(shù)字增減速度的定時；多參數(shù)巡回顯示時的顯示周期定時；動態(tài)保持方式輸出過程通道的動態(tài)刷新

15、周期定時；電壓-頻率型A/D轉(zhuǎn)換器定時電路；故障監(jiān)視電路(Watch dog)的定時信號。二、實現(xiàn)定時的方法1、硬件方法 采用可編程定時/計數(shù)器接口電路(如CTC 8253)以及單片機內(nèi)的定時電路。使用時，只要在監(jiān)控主程序的初始化程序或時鐘管理程序中，對它進(jìn)行工作方式預(yù)置和時間常數(shù)預(yù)置即可。這種定時方法的定時間隔不可能做得太長。2、軟件方法。采用軟件延時方案，無需硬件成本，但要占用大量CPU時間，且實時性差，定時精度低，是一種不可取的方法。3、軟件與硬件相結(jié)合定時的方法這種方案幾乎不影響測控系統(tǒng)的實時響應(yīng)，而且能實現(xiàn)多種時間間隔的定時。首先由定時電路產(chǎn)生一個基本的脈沖。硬件定時時間到，產(chǎn)生一中

16、斷。監(jiān)控主程序隨即轉(zhuǎn)入時鐘中斷管理模塊。在設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)時，可串行地或并行地設(shè)置幾個軟件定時器(在用戶RAM區(qū))。當(dāng)硬件定時中斷一到，這些軟件時鐘分別用累加或遞減方法計時，并由軟件來判斷是否定時時間到。6.5硬件故障的自檢6.5.1自檢方式一、自檢的基本原理自檢就是利用事先編制的程序?qū)y控系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行自動檢測，以確定是否有故障以及故障的內(nèi)容和位置。自檢是微機化測控系統(tǒng)應(yīng)具備的基本功能之一，也是提高可靠性和可維護(hù)性的重要手段之一。一般地講，故障診斷的基本原理是對被測部件輸入一串?dāng)?shù)據(jù)試驗數(shù)據(jù)，然后觀察相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)，并對觀察結(jié)果進(jìn)行分析，確定故障的內(nèi)容和位置。試驗數(shù)據(jù)、觀察到的結(jié)果數(shù)據(jù)和故障的

17、對應(yīng)關(guān)系應(yīng)在故障診斷前準(zhǔn)備好。二、自檢方式的三種類型：1、 開機自檢在電源接通或系統(tǒng)復(fù)位之后進(jìn)行。自檢中如果沒發(fā)現(xiàn)問題，就進(jìn)入測量程序，如果發(fā)現(xiàn)問題，則及時報警。2、周期性自檢在測控系統(tǒng)運行過程中，間斷插入的自檢操作，這種操作可以保證測控系統(tǒng)在使用過程中一直處于正常狀態(tài)。周期性自檢不影響測控系統(tǒng)的正常工作，因而只有當(dāng)出現(xiàn)故障給予報警時，用戶才會覺察。2、 鍵盤自檢具有鍵盤自檢功能的測控系統(tǒng)面板上應(yīng)設(shè)有“自檢”按鍵，當(dāng)用戶對系統(tǒng)的可信度發(fā)出懷疑時，便通過該鍵來啟動一次自檢過程。 三、自檢結(jié)果的提示“出錯代碼”自檢過程中，微機化測控系統(tǒng)一般都借用本身的顯示器，以文字或數(shù)字的形式顯示“出錯代碼”，出

18、錯代碼通常以“Error X”字樣表示，其中“X”為故障代號，操作人員根據(jù)“出錯代碼”，查閱操作手冊便可確定故障內(nèi)容。除了給出故障代號之外，往往還給出指示燈的閃爍或者音響報警信號，以提醒操作人員注意。6.5.2自檢算法一、ROM或EPROM的檢測ROM故障的檢測常用“校驗和”方法，具體作法是：在將程序機器碼寫入ROM的時候，保留一個單元(一般是最后一個單元)，此單元不寫程序機器碼而是寫“校驗字”，“校驗字”應(yīng)能滿足ROM中所有單元的每一列都具有奇數(shù)個1。自檢程序的內(nèi)容是：對每一列數(shù)進(jìn)行異或運算，如果ROM無故障，各列的運算結(jié)果應(yīng)都為“1”，即校驗和等于FFH。二、RAM的檢測常用的方法是“異或法”，即把RAM單元的內(nèi)容求反并與原碼進(jìn)行“異或”運算，如果結(jié)果為FFH，則表明該RAM單元讀寫功能正常，否則，說明該單元有故障。最后再恢復(fù)原單元內(nèi)容。RAM的自檢流程如圖651所示。 圖651 RAM的自檢流程三、總線的自檢總線的自檢是指對經(jīng)過緩沖器的總線進(jìn)行檢測。設(shè)置兩組鎖存觸發(fā)器，分別用于記憶地址總線和數(shù)據(jù)總線上的信息。這樣，只要執(zhí)行一條對存儲器或I/O設(shè)備的寫操作指令，地址線和數(shù)據(jù)線上的信息便能分別鎖存到這兩組8D觸發(fā)器(地址鎖存觸發(fā)器和數(shù)據(jù)鎖