摘? 要: 介紹了在保持與中長圖無紙記錄儀" title="無紙記錄儀">無紙記錄儀通用的基礎上開發的小長圖無紙記錄儀。該記錄儀可全中文圖形界面顯示、萬能輸入、功能完備,運用了數據空間擴展分頁訪問管理和代碼空間擴展切換等新技術。從硬件以及軟件兩方面詳細論述了這些新技術的實現。

　　關鍵詞: 分頁訪問? 代碼切換? 無紙記錄儀

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　　記錄儀是工業生產自動化系統中常見的二次儀表。傳統的記錄儀功能單一,機械結構易發故障,日常維護工作繁瑣,已經無法滿足生產過程綜合自動化的要求。筆者于1998年研制的彩色中長圖無紙記錄儀,已經實現了產品化,并廣泛應用于化工、鋼鐵行業的過程監控,獲得用戶的好評。在此基礎上,根據用戶的實際需求以及使用意見,筆者又開發了新一代的彩色小長圖無紙記錄儀。該記錄儀具有5″DSTN彩色液晶顯示,1~8通道萬能輸入、16點報警、2點PID輸出,尺寸小、功能全、可滿足大多數行業的需求。

1 主要功能

　　(1)信號采樣:模擬輸入通道1～8路。全隔離萬能輸入,可輸入0～10V、0～5V、1～5V、0～10mA、4～20mA標準信號和PT100、Cu50熱電阻信號以及K、S、B、N、T、E、J、R熱電偶信號。用戶直接在組態畫面選擇,無需更換輸入通道板。記錄間隔可設置為1/2/4/8/20/40/60/120/240等。

　　(2)組態功能:該記錄儀具有強大的組態功能,用戶可對通道信號類型、單位、量程、顯示范圍、記錄間隔、報警上下限以及顯示畫面、歷史追憶、流量累計、PID參數等進行設置。圖形化的組態界面,操作簡單。

　　(3)顯示功能:全中文圖形界面,菜單驅動,信息直觀豐富,操作簡單。主要顯示畫面:水平趨勢畫面、垂直趨勢畫面、棒圖畫面、數字畫面(以上畫面均可1~8通道選擇)、歷史數據趨勢追憶畫面(單通道或多通道同時)、多通道流量累計畫面、組態畫面(包括通道設置、顯示設置、流量累計設置、PID參數設置、歷史追憶設置等畫面)。

　　(4)存儲功能:采用大容量" title="大容量">大容量Flash作為主要存儲設備(用戶可選1/2/4/6M)。軟盤作為輔助,用戶可將任意時間段內的數據轉存到軟盤,然后在PC機上進行顯示、分析、打印。

　　(5)通訊功能:提供RS-232/RS-485通訊接口?？蛇h距離通訊,多臺儀表組網。配合上位PC機軟件可實現遠程監控。

　　(6)打印功能:提供常用微型打印機接口,打印任意時間段內數據、趨勢曲線、流量累計值等。

　　(7)報警功能:配有16點開關量輸出通道(可選長開/長閉),根據各通道設置的上下限,在顯示畫面實時顯示報警信息的同時輸出報警信號。

　　(8)簡單PID調節功能:具有兩路PID輸出通道,信號類型為1～5V/4～20mA。

2 硬件設計

　　作者先前開發的彩色中長圖無紙記錄儀內部采用了上下位機" title="下位機">下位機的結構。上位機采用ALL-IN-ONE型PC104嵌入式模板作為硬件平臺,直接接入GB級硬盤和1.44MB軟盤、640×480的10″彩色TFT液晶顯示屏、6鍵數字鍵盤。下位機采用以PHILIPS公司80C552為控制核心的采集模塊。上位機負責畫面顯示、用戶組態、數據管理、打印以及遠程通訊(RS232或485)。下位機負責信號調理、數據計算、報警以及PID輸出。上下位機間通過RS232接口連接,傳遞通道組態信息和通道數據值。結構框圖見圖1。采用該種結構的優點是模塊化設計,上下位機各司其職,分工合作;應用靈活,兼容性好;故障定位容易。該系統的易用性和可靠性已經在工廠應用中得到了證明。但也要看到,在該系統中,PC104模板的功能并沒有被充分使用,硬盤空間浪費嚴重(目前市場上已買不到4G以下容量的硬盤了),液晶顯示屏價格昂貴,從而導致了記錄儀價格偏高。

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　　在總結了中長圖無紙記錄儀的研發之后,在小長圖無紙記錄儀的設計中仍然采用了上下位機的結構。其中下位機數據采集模塊與中長圖無紙記錄儀通用,這樣避免了重復開發,并使小長圖、中長圖無紙記錄儀成為一個體系。全新開發了以Dallas公司80C320為核心的上位機。結構框圖見圖2。采用了320×240的5″DSTN彩色液晶顯示屏。數據存儲主要采用大容量的Flash,輔助設備采用1.44M軟盤,由GM82C765負責控制。使用80C320主要基于兩點考慮:一是80C320具有兩個UART,能滿足記錄儀內部上下位機通訊以及與外部的遠程通訊,軟件編制的復雜程度也大大降低;二是軟驅控制器GM82C765的實時性要求比較高,而80C320的4周期技術可使其在與其它51芯片采用相同晶振的條件下,指令執行速度快三倍;加上雙DPTR的結構,能提高程序執行效率,從而更好地與GM82C765配合。

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　　由于液晶屏采用RAM方式驅動,并且大容量的并行Flash存儲器遠遠超出了51單片機64K的數據尋址空間,因此,我們對80C320進行了數據空間擴展,增加了8根地址線。對增加的地址空間我們進行了分頁管理(每個頁面大小為32K),利用51原有的高端32K數據空間進行換頁訪問。在增加的數據空間內,我們安排了32K的I/O空間、64K的液晶顯示空間以及Flash存儲器空間,擴充的數據空間達到8M。原理圖見圖3。

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　　對編程而言,數據空間就是原有的64K空間。當程序要訪問擴充的數據空間時,先向地址0x7FFF寫入高8位地址進行頁面選擇,由硬件片選電路將被選擇的頁面映射到原51的高端32K數據空間。此后對高端32K數據空間的訪問就是對所選擴展數據空間頁面的訪問。擴充數據空間總共有分為256個頁面。低端32K數據空間的訪問不受頁面選擇的影響。

　　由于51系列單片機體系結構上的限制,其代碼空間只有64K。小長圖無紙記錄儀軟件采用C語言編寫,菜單驅動全中文圖形界面顯示,并且功能完備,軟件代碼的長度超出了64K。為了解決這個問題,我們開創性地使用了擴充代碼空間并自行控制片選從而切換代碼空間的方法,可以說這是小長圖無紙記錄儀在技術上的一個創新。其硬件原理見圖4。而在軟件設計" title="軟件設計">軟件設計上,為了保證程序能在兩塊代碼空間自由切換且保證運行正常,在軟件編寫以及編譯連接定位上均有較高的要求,這在下面的軟件設計一節中詳細說明。

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3 軟件設計

　　小長圖無紙記錄儀軟件采用C語言和匯編語言" title="匯編語言">匯編語言混合編寫。用C語言進行編程能提高開發的效率以及代碼的質量,但在實時性要求較高的場合,目前的C51編譯器仍有其局限性。因此,軟件的主體部分采用C語言編寫;而對實時性要求嚴格的GM82C765軟驅控制器的訪問、液晶屏的驅動等底層函數均采用51匯編語言編寫。C程序和匯編語言模塊之間的連接主要解決變量傳遞、共享及代碼調用等問題。限于篇幅,在此就不多論述了,有興趣的讀者請參閱參考文獻3。

軟件設計中要解決的關鍵問題是代碼切換。其原理圖見圖5。

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　　原理圖中Function1與Funciton2代碼很大,當它們放在一個工程中編譯時,代碼超出了64K的限制。因此將它們分置于兩個代碼空間中。相應的程序必須分成兩個工程來編寫。其中Function1放在ROM1中,Function2放在ROM2中,MainLoop(主循環)與SwitchChip(空間切換函數)為公共函數;同時為了工程能被正確編譯連接,在ROM1和ROM2中分別加入了Function2與Function1的空函數。

　　代碼空間切換的流程是這樣的:假定上電后,程序開始運行于ROM1空間,進入MainLoop循環等待事件發生。當某一時刻,event2事件發生,程序調用SwitchChip,參數為2(見圖中①)。進入SwitchChip函數后,根據參數設置片選,選中ROM2,此后程序在ROM2空間運行(見圖中②)。SwitchChip函數返回,開始調用ROM2中真正的Function2函數(見圖中③)。完畢后程序在ROM2空間中的MainLoop循環,等待新事件發生。

　　當程序運行在ROM2中的MainLoop時,event1事件發生,程序調用SwitchChip,參數為1(見圖中④)。進入SwitchChip函數后,根據參數設置片選,選中ROM1,從而程序回到ROM1空間運行(見圖中⑤)。SwitchChip函數返回,開始調用ROM1中真正的Function1函數(見圖中⑥)。執行完畢后程序在ROM1空間中的MainLoop循環。

　　而當程序運行在ROM1中發生event1事件時,調用SwitchChip不會切換ROM空間,從而能正確調用Function1函數。同理在ROM2中發生event2事件也是一樣。

　　從原理圖以及上述流程可以看出,使兩塊ROM空間進行正確切換的必要條件是:

　　·兩塊ROM中MainLoop函數的起始地址必須相同,并且語句必須完全一樣,從而保證每條語句的地址是相同的。在ROM切換后,函數調用的返回地址是相同的。程序能正常運行而不跑飛。

　　·同理,兩塊ROM中SwitchChip函數體必須完全相同并定位在相同的地址。

　　·兩個工程中的全局變量在RAM中的定位必須完全一致,否則將出現不可預期的后果。

　　·ROM片選線的切換速度必須足夠快,使得CPU在讀取下一條指令前片選信號就已穩定下來。

　　程序中函數以及變量的定位可參考C51編譯器以及連接器的定位開關,這里就不展開了。

　　彩色小長圖無紙記錄儀的設計與開發保持了與彩色中長圖無紙記錄儀的通用性?；竟δ芤恢?體積減小,成本降低。并且使用了數據空間(RAM)擴展分頁訪問管理、代碼空間(ROM)擴展切換等新技術。

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參考文獻

1 Dallas80C320 Data Sheet. Dallas Semiconductor, 1998

2 GM82C765 Data Sheet. LG Semicon.Co. LTD, 1996

3 徐愛鈞,彭秀華.單片機高級語言C51應用程序設計.北京:電子工業出版社,1998