微機自動檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及軟件設(shè)計與實現(xiàn)

1前言

檢測問題廣泛存在于各個領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，隨著人類生活水平、生產(chǎn)力水平的提高，檢測問題越來越多，對檢測提出的要求也越來越高：要求能更快、更準、更靈敏、更可靠地完成檢測任務(wù)；要求能實現(xiàn)自動化檢測；要求研制出更多更好的、智能化的、多功能化的、數(shù)字化的、集成化的、微型/小型化的儀器儀表或檢測系統(tǒng)。此外，由于檢測領(lǐng)域的不斷擴大，檢測的參數(shù)范圍不斷延伸，部分參數(shù)本來就難于檢測，且許多情況下需要檢測的參數(shù)又與其它背景物理量摻雜在一起，此時必須使用復(fù)雜的儀器儀表或檢測系統(tǒng)，才能完成檢測任務(wù)。自動檢測技術(shù)作為自動化科學(xué)的一個重要分支，作為專門研究檢測問題的一門實用型、綜合型的新興邊沿學(xué)科已經(jīng)形成。而微機自動檢測（Microcomputer automatic-detection and measurement，簡稱MADM）是自動檢測技術(shù)及系統(tǒng)發(fā)展的高級形式?！拔C自動檢測”就是使用微機及相關(guān)設(shè)備來實現(xiàn)自動檢測儀器、自動檢測系統(tǒng)的技術(shù)。本文就微機自動檢測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件設(shè)計等有關(guān)問題進行詳細討論。

2微機自動檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

對智能儀器儀表、個人儀器、自動測試儀器及系統(tǒng)、計算機輔助測試系統(tǒng)（CAT）等等典型儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)特點深入分析，發(fā)現(xiàn)它們都屬于檢測技術(shù)的分支領(lǐng)域，其技術(shù)特點、功能、結(jié)構(gòu)具有相似性，都屬于微機（包括各種單片微機、微處理器、個人計算機、工控機等等）在這些分支領(lǐng)域的不同應(yīng)用形式，它們的設(shè)計技術(shù)也具有很大的相似性。為此，抽象出微機在自動檢測技術(shù)及系統(tǒng)中應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)形式，稱為“微機自動檢測系統(tǒng)”，相應(yīng)的技術(shù)稱為“微機自動檢測技術(shù)”。

2.1微機自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

微機自動檢測系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)由下列子系統(tǒng)組成：

微機基本子系統(tǒng)（包括CPU、RAM、ROM或EPROM、EEPROM等）

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及接口

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)及接口

數(shù)據(jù)分配子系統(tǒng)及接口

基本輸入輸出（I/O）子系統(tǒng)及接口

圖1微機自動檢測系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

2.2微機自動檢測系統(tǒng)各子系統(tǒng)的基本功能

微機基本子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，對整個系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，例如進行復(fù)雜的信號處理、控制決策、產(chǎn)生特殊的測試信號，控制整個檢測過程等等。此外，利用微機強大的信息處理能力和高速運算能力，實現(xiàn)命令識別，邏輯判斷、非線性誤差修正，系統(tǒng)動態(tài)特性的自校正，系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自診斷、自組織等功能。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及接口，用于和傳感器、檢測元件、變送器聯(lián)接，實現(xiàn)參數(shù)采集、選路控制、零點校正、量程自動切換等功能。在各式各樣的微機自動檢測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是必不可少的，被測對象的有關(guān)參數(shù)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)收集、整理后，經(jīng)它的接口傳送到微機子系統(tǒng)處理。

基本I/O子系統(tǒng)及接口，用于實現(xiàn)人-機對話、輸入或改系統(tǒng)參數(shù)、改變系統(tǒng)工作狀態(tài)，輸出檢測結(jié)果、動態(tài)顯示測控過程，實現(xiàn)以多種形式輸出、顯示、記錄、報警等功能。

通信子系統(tǒng)及接口，用于實現(xiàn)本系統(tǒng)與其它儀器儀表、系統(tǒng)的通信與互聯(lián)，依靠通信子系統(tǒng)可根據(jù)實際問題需求靈活構(gòu)造不同規(guī)模、不同用途的微機測控系統(tǒng)，如分布式測控系統(tǒng)，集散型測控系統(tǒng)等。通信接口的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，與采用的總線技術(shù)、總線規(guī)范有關(guān)。例如有IEEE-488（或 GP－IB）總線、RS－232C總線、STD總線、VXI總線、現(xiàn)場總線等等，總線技術(shù)及規(guī)范不同，需要采用不同的軟硬件接口實現(xiàn)方法，不同的技術(shù)平臺支撐。

數(shù)據(jù)分配子系統(tǒng)及接口，實現(xiàn)對被測控對象、被測試組件、測試信號發(fā)生器、甚至于系統(tǒng)本身和檢測操作過程的自動控制。

接口（Interface）根據(jù)實際需要以各種形式大量存在于系統(tǒng)中，接口的作用是完成它所聯(lián)接的設(shè)備之間的信號轉(zhuǎn)換（如進行信號功率匹配、阻抗匹配、電平轉(zhuǎn)換和匹配）和交換、信號（如控制命令、狀態(tài)/數(shù)據(jù)信號、尋址信號等）傳輸、信號拾取，對信息進行必要的緩沖或鎖存，增強微機自動檢測系統(tǒng)的功能。

3微機自動檢測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

微機自動檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計要經(jīng)歷問題定義，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，軟件編制，軟件調(diào)試與測試等過程。一般采用模塊化和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，即自頂向下逐步求精的設(shè)計方法，適當劃分模塊可提高設(shè)計與調(diào)試的效率。微機自動檢測系統(tǒng)不僅要接收來源于傳感器、檢測元件或變送器的信號，而且要接收和處理來自于控制面板的按鈕或開關(guān)信號，或由通信系統(tǒng)傳來的控制命令等信號，還要求系統(tǒng)具有實時處理能力，能實時完成各種測控任務(wù)。因此，微機自動檢測系統(tǒng)軟件對實時性有一定程序的要求，同時，還要對系統(tǒng)資源進行管理和調(diào)度。

微機自動檢測系統(tǒng)軟件通常由監(jiān)控程序、中斷服務(wù)程序、檢測與控制算法、通信與控制程序等組成。系統(tǒng)常用的模塊及相互關(guān)系如下：

控制算法（各類自動控制算法）

鍵盤/面板管理

人－機接口顯示輸出

打印輸出

通信與控制

實時時鐘

故障自診斷與處理

監(jiān)控程序的主要作用是及時響應(yīng)來自系統(tǒng)或外部的各種服務(wù)請求，有效地管理系統(tǒng)軟硬件資源，并在系統(tǒng)一旦發(fā)生故障時，能及時發(fā)現(xiàn)和作出相應(yīng)的處理。監(jiān)控程序由若干功能模塊組成（圖2所示），監(jiān)控程序調(diào)用功能模塊，形成一有機整體，實現(xiàn)對微機自動檢測系統(tǒng)的全面管理。因此微機自動檢測系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計成為系統(tǒng)軟件的核心。

圖2監(jiān)控主程序結(jié)構(gòu)

3.1監(jiān)控主程序結(jié)構(gòu)及其設(shè)計

監(jiān)控主程序取決于系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度和鍵盤操作方式。常用的結(jié)構(gòu)形式有：①作業(yè)優(yōu)先調(diào)度型。系統(tǒng)的作業(yè)有優(yōu)先權(quán)差別，高優(yōu)先權(quán)者先運行。②作業(yè)順序調(diào)度型。作業(yè)的觸發(fā)方式有接力方式，定時觸發(fā)方式，外部信號觸發(fā)方式。③鍵碼分析作業(yè)調(diào)度型。操作者由鍵盤或遙控通信來發(fā)出作業(yè)調(diào)度命令。

3.2初始化管理

對系統(tǒng)的初始化管理包括硬件和軟件的初始化。硬件初始化對系統(tǒng)中各硬件資源設(shè)定明確的初始化狀態(tài)，包括對可編程器件初始化，各 I/O口初始狀態(tài)設(shè)定，為系統(tǒng)硬件資源分配任務(wù)等。軟件初始化包括中斷安排，堆棧初始化，狀態(tài)變量初始化，各軟件標志初始化，系統(tǒng)時鐘初始化，各變量存儲單元初始化，系統(tǒng)參數(shù)初始化等。

3.3鍵盤管理

微機自動檢測系統(tǒng)的鍵盤可采用編碼鍵盤或軟件掃描（非編碼）鍵盤，與系統(tǒng)采用的微處理機類型、鍵盤類型等有關(guān)。

3.4顯示管理

顯示方式主要有模擬顯示、數(shù)字顯示、混合顯示等方式。顯示管理軟件的基本任務(wù)是：①更新顯示數(shù)據(jù)；②多參數(shù)巡檢與定點顯示管理。定點顯示方式時，不斷地將當前顯示參數(shù)的更新值送出顯示；巡回顯示方式時，每隔一定時間改換一個新的顯示參數(shù)，并顯示該值；③指示燈管理。對面板上的LED 指示燈或報警指示燈管理。

3.5時鐘管理

定時電路及時鐘管理在微機自動檢測系統(tǒng)中必不可少，主要用于：數(shù)據(jù)采樣周期定時；控制周期定時；參數(shù)修改數(shù)字增減速度的定時；多參數(shù)巡顯的顯示周期定時；動態(tài)刷新周期定時；故障監(jiān)視電路（Watch dog）的定時信號等。定時實現(xiàn)有硬件、軟件和軟硬件結(jié)合等方法。

3.6中斷管理

針對系統(tǒng)中的各種中斷源和所選用的微處理機的中斷結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的中斷處理程序模塊，包括中斷管理模塊和中斷服務(wù)模塊。

3.7故障自診斷與處理

故障自診斷與處理是微機自動檢測系統(tǒng)的基本功能之一，是提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性的重要手段之一。主要形式為：①開機自檢。每當電源接通或復(fù)位后，系統(tǒng)自動執(zhí)行一次自檢程序，對硬件電路進行一次檢測。②周期性自診斷。對系統(tǒng)周期性地進行自診斷。③鍵控自診斷。操作人員按“自診斷” 按鍵起動自診斷功能。

3.8通信與通信控制

通信與通信控制模塊實現(xiàn)與上位機或其它儀器儀表、其它系統(tǒng)的互聯(lián)及通信控制。該模塊的設(shè)計與系統(tǒng)采用的通信總線標準，通信協(xié)議，通信接口電路等因素有關(guān)。

4微機自動檢測的核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù)

微機自動檢測技術(shù)涉及眾多的知識領(lǐng)域和先進技術(shù)，包括物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)、精密機械設(shè)計、微電子學(xué)、電子技術(shù)、通信、微機、數(shù)據(jù)處理、自動控制等等。因此，提出一些關(guān)鍵性的技術(shù)作為微機自動檢測技術(shù)的核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù)，以此構(gòu)成微機自動檢測系統(tǒng)基本的技術(shù)框架。微機自動檢測技術(shù)的核心技術(shù)是傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、微機技術(shù)（包括軟件、硬件設(shè)計技術(shù)）、接口技術(shù)、系統(tǒng)組合設(shè)計和集成技術(shù)；相關(guān)技術(shù)是數(shù)據(jù)通信技術(shù)、總線技術(shù)、抗干擾與可靠性技術(shù)、顯示技術(shù)、自動控制技術(shù)、電子線路設(shè)計技術(shù)等等。在設(shè)計好開放性的微機檢測系統(tǒng)硬件之后，如何充分發(fā)揮微機的強大技術(shù)資源和潛力，開發(fā)友好的中文操作平臺，使系統(tǒng)具有良好的管理與控制特性，具有良好的可用性，需要很好的軟件設(shè)計技術(shù)和設(shè)計方法。

5結(jié)束語

本文對微機自動檢測系統(tǒng)的概念、系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計、核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù)等內(nèi)容作了一些初步的研究，由于這類系統(tǒng)和技術(shù)是一種通用化的，因而有廣泛的應(yīng)用價值和較好的發(fā)展前景。

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