1 引言
某糖果廠于1985年從德國SIMON電子公司引進帶微電腦的計量進料器116EM型生產線，用于糖果生產。由于引進時間較長、圖紙資料不全、外方維護不便等原因，時有因電腦控制部分發生故障而影響生產的情況發生。從提高設備國產化比重、節約外匯、方便維護、保證生產出發，本文應廠方要求，在對進口裝置的設備性能和電氣信號時序透徹分析的基礎上，開發了基于8031" title="8031">8031的嵌入式的微機自動計量" title="自動計量">自動計量進料系統，該系統從性能要求、信號時序到外觀尺寸都與進口裝置完全匹配，成功地實現了進口設備控制系統國產化。
2 計量進料器的稱量和計量進料原理
啟動預先設置的計量進料程序后，計量系統首先稱量并存儲稱量鍋皮重，然后依次控制各種配料如牛奶、砂糖、水等進入稱量鍋，其中干物料用振動盤計量進料，粉末料由螺旋進料器計量進料，液體料則由液壓閥計量進料，糊狀物由泵進料。每一種配料都先后使用粗料和細料兩種進料方式，以保證稱量精度達到98%～99%。物料重量由安裝在支撐架上懸置稱量鍋的3個應變儀轉變為電信號，經A／D轉換讀入計算機進行重量計算，去除皮重后與設定值比較，其結果作為控制物料切換或粗、細進料轉換的依據。完成稱量的混合物通過活門排放至可加熱的儲藏缸、攪拌，再用泵打入溶解器，進入溶解制糖工序。
3 系統功能要求
為保證原進口裝置性能，要求計量進料自動控制系統具有如下功能：
(1)實現多達5種原料的順序自動稱量，定時攪拌、排放；
(2)在總重量不超過135 kg的范圍內任意設定稱量值；
(3)累計5種原料的班用量；
(4)每個稱量循環完畢對稱重系統進行自檢，并能隨時執行檢查命令；
(5)能隨時暫停自動稱量灌裝；
(6)若某種原料的灌裝系統故障，可跳過該原料的灌裝；
(7)故障報警功能：
無壓縮空氣報警，系統停止運行；
電機聯接故障報警，系統停止運行；
稱量鍋內臟物超過10 kg，系統停止運行；
儲藏缸液位超過設定值，系統停止運行；
(8)顯示：凈重、毛重，自檢／檢查值等；
(9)指示：重量上、下限，系統故障等；
(10)自動／手動切換；
(11)打?。汗潭ǜ袷降淖詣哟蛴『蛦五?、單一原料數據打印。
4 系統硬件結構
根據上述系統功能要求，通過對原裝置傳感器、執行部件的電氣信號分析，并考慮到安裝條件，硬件設計立足于低成本、國產化，采用了以MCS—51系列單片機8031為CPU，聯接A／D，鍵盤／顯示，撥碼盤，打印機等接口電路組成系統的設計方案。
整個系統由如圖4—1所示的CPU板、A／D轉換板、開關量I／O板、顯示／鍵盤、打印機接口板、撥碼盤輸入板以及電源板組成。6塊板以插件形式安裝在兩只抽屜式機箱內，嵌入原裝置的控制器部位，實現與原裝置的電氣銜接。
其中8031最小系統由8031單片機通過總線驅動器擴展一片2764EPROM、一片6264RAM組成 。A／D轉換采用雙積分式12位A／D轉換芯片ICL7109及相應輔助芯片組成。ICL7109具有高精度 、低漂移、抗干擾能力強等優點。采用8279作為鍵盤／顯示接口，CPU以中斷方式處理按鍵申請。五組四位BCD撥碼盤通過兩級譯碼，其控制端和8421數碼端經8255與CPU相接。開關量Ｉ／O及打印機接口也均由8255實現。系統在保證功能的前提下體現了經濟實效、立足國內的原則。
5 系統軟件設計
系統應用軟件在DVCC—52與PC機聯合開發系統下，采用匯編語言與BASIC語言混合編程 、模塊化、結構化的設計方法。整個程序由系統診斷模塊、自動配料模塊、A／D及數據處理模塊、越限報警模塊、按鍵、顯示、打印模塊等組成。各模塊相對獨立又相輔相成，從而使采樣、運算、控制、顯示、參數設置等有條不紊，急緩有序的運行。在稱量精度、按鍵響應速度、故障報警能力等方面都達到了自動計量進料的要求。主程序框圖如圖5—1所示。
其中，診斷子程序包括CPU指令系統診斷、RAM診斷、EPROM診斷、A／D、I／O模板診斷以及為達到系統故障報警功能而進行的傳感器信號的檢測。
自動配料子程序主要框圖如圖5—2所示?？紤]到給料裝置的振動和慣性，程序中采用了把兩次采樣時間間隔Δt內的重量增量Δg與設定值和稱量值之差e相比較，根據比較結果進行粗料、細料和換料的切換，以提高稱量精度。并用一個單元進行配料順序記數，這樣5種配料可公用相同的程序，以達到優化程序結構，節省程序存儲器空間的目的。
CPU以中斷方式處理按鍵請求。在鍵盤中斷服務子程序中，進行按鍵識別，并對相應的位標志變量進行設置。而其它各功能模塊則根據標志變量狀態控制程序走向。
6 系統可靠性設計
本系統處于干擾較多的復雜工業現場，因此在設計中除采用光電隔離、電源濾波、屏蔽接地及地線處理等硬措施，以及用平均值加中位值復合濾波方法，克服信號采集中的周期性干擾和尖峰型干擾外，還采用了硬件自診斷技術和軟件抗干擾技術，以保證系統的稱量控制精度和可靠性。
6.1 硬件故障自診斷技術
本系統對關鍵的硬件設備采用了由上電自診斷、定時自檢、鍵控自檢相結合的自診斷方法，及時發現系統故障，保證精度，以避免系統帶病運行。具體診斷項目有：
(1)CPU指令系統診斷8031指令系統能被正確地執行是系統正常工作的前提，為此設計了一段涉及各種指令的測試程序，判斷其運行結果是否正確，以排除CPU失靈的可能性。
(2)RAM診斷采取向關鍵RAM區依次進行寫入讀出操作，比較讀出與寫入內容是否相同來判斷內、外RAM芯片的好壞。上電時采用破壞性測試(不保護原有內容)，復位、按鍵診斷采用非破壞性測試(保護原有內容)。
(3)EPROM診斷固化目標程序的EPROM在使用時間長，窗口密封不好等情況下，可能出現個別零星單元信息發生變化的情況，必須主動進行檢查。本文采用了“異或和”校驗法。在程序固化之前，利用開發裝置求出所有指令的異或和并把結果寫入最后一個空單元中，診斷時再求所有指令，包括“結果”的異或和，若和數為零，可以認為EPROM中的內容是正確的 。
(4)采用硬件冗余聯合診斷技術進行A／D、I／O模板、重要參數傳感器診斷。
6.2 軟件抗干擾技術
當CPU本身受到干擾，程序計數器PC因干擾而改變內容時，CPU將不能按正常狀態執行程序，從而引起混亂，產生所謂程序“跑飛”現象。為此在軟件上采取了指令冗余、軟件陷阱 、純軟件watchdog技術以控制程序流向。
(1)指令冗余當CPU受干擾后，會把操作數當指令碼引起混亂。分析MCS—51指令系統,大多為單字節指令，最長不超過3字節。當程序彈飛到雙字節和3字節指令上時，繼續出錯的機會較大，而當彈飛到單字節指令上時，程序將自動納入軌道。因此在程序中對程序流向起決定作用指令之前插入3條空操作指令(如轉移、子程序調用和對系統工作狀態至關重要的指令)，并將跳轉指令冗余一次，以保證被正確執行。指令冗余技術可減少彈飛次數，使程序很快納入軌道。
(2)軟件陷阱當程序彈飛到非程序區(EPROM未使用區，數據區……)時，冗余指令將無能為力。為此設計了軟件陷阱，即在程序斷裂點(無條件跳轉指令、返回指令之后)和數據區末尾插入NOP NOP LJMP 3條指令。將空白區充滿LJMP指令，強行將捕獲的程序引向出錯處理程序入口。出錯處理程序的主要功能是實現系統恢復。因LJMP指令的操作碼是02H，故若把出錯處理程序入口安排在0202H，則可方便地利用開發系統中Debug功能把大片程序空白區固化為020202……，從而大批陷阱處理完畢。
(3)純軟件Watchdog若指令彈飛在程序區，但在遇到冗余指令之前已形成死循環，則指令冗余和軟件陷阱均失效。為此本系統利用空閑的定時器T2設計了程序運行監視系統(Watchdog)；設T2為高優先級，根據主控程序循環周期確定T2的定時常數和計數器的記數值 ，每次中斷對計數器加1，并判斷記數值若大于設定值，則轉出錯處理程序入口。同時在主程序中對計數器清零。如此，保證及時把程序從死循環中解放出來。
7 結束語
本文結合工廠實際，用經濟的8031及外圍芯片設計了自動計量進料控制系統，取代了原進口設備的控制裝置。經幾年來運行證明，該系統功能完備，運行穩定可靠，操作簡便，性能價格比高。該技術延長了設備使用壽命，創造了很好的經濟效益，不失為進口設備國產化和傳統設備自動化的有益嘗試，在推進食品、飲料行業的國產化和自動化方面具有積極意義 。