基于單片機(jī)的低成本遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

【摘　要】　簡(jiǎn)述了基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)介紹了有線／無(wú)線數(shù)據(jù)通信的電路設(shè)計(jì)，最后就如何提高系統(tǒng)可靠性等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。
??? 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，調(diào)制解調(diào)器，可靠性

1　引　言
　　隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)特定分散測(cè)控對(duì)象實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用需求正日益廣泛。以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的低成本遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于野外作業(yè)、企業(yè)生產(chǎn)及軍事裝備的指揮控制中，能夠充分體現(xiàn)出組網(wǎng)靈活、高可靠性與可維護(hù)性以及令人滿意的性能價(jià)格比。
2　系統(tǒng)總體方案簡(jiǎn)介
　　系統(tǒng)由一個(gè)主站、若干個(gè)機(jī)動(dòng)從站構(gòu)成。主站負(fù)責(zé)自動(dòng)化轉(zhuǎn)臺(tái)及傳感器的數(shù)據(jù)采集、控制命令及狀態(tài)信息的上傳下達(dá)。從站位于固定機(jī)房、無(wú)人值守間及野外作業(yè)站等地方，負(fù)責(zé)接收檢測(cè)傳感器的指示數(shù)據(jù)、進(jìn)行Karlman濾波后的生產(chǎn)工藝方程解算、相關(guān)顯控處理等。主站與從站之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的碼分多址通信，可以實(shí)現(xiàn)有線數(shù)據(jù)通信（?15km），以及在V／UHF電臺(tái)支持下的無(wú)線分時(shí)復(fù)用數(shù)／話一體通信（?25km）。
??? 系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖如圖1所示，電路功能主要有：
　　·主站、從站均采用雙CPU（80C196、8031）擴(kuò)展STD總線結(jié)構(gòu)，即除STD的56芯標(biāo)準(zhǔn)插件之外，自定義了60芯的專用系統(tǒng)信號(hào)。0C000H－0C3FFH分配給雙口RAM（IDT7130），以便與數(shù)據(jù)通信板的8031進(jìn)行透明的數(shù)據(jù)交換。非全地址譯碼I／O空間，采用了在線可編程芯片ISP2031，便于調(diào)試。

　　·付站顯控電路。以MC6847作為顯控主芯片，顯存占用80C196地址空間的0A000－0C000H，外接工業(yè)級(jí)CRT，顯示分辨率為256×192。根據(jù)在微機(jī)上獲取的漢字字模，自建專用12×12非標(biāo)準(zhǔn)漢字庫(kù)。鍵盤(pán)控制的主芯片為8279，在應(yīng)用軟件的支持下，可以獲得類似于工控機(jī)的表頁(yè)或圖示式監(jiān)控效果。
　　·各類I／O板，接收來(lái)自擴(kuò)展STD總線的信號(hào)，完成數(shù)據(jù)、地址與控制信號(hào)的隔離驅(qū)動(dòng)，為了防止設(shè)備間的互相干擾，在這類電路板上，廣泛采用了MC1413支持下的繼電器隔離、光電隔離，以及變壓線圈隔離等措施，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。
　　·智能接口板，主要以3片MC6821控制芯片為核心，形成48路可以任意位定義的信號(hào)（如瞬時(shí)IO方向，信號(hào)持續(xù)時(shí)間等），與模擬器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該電路板可以模擬給出展寬后的復(fù)雜總線時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
　　·轉(zhuǎn)臺(tái)方位轉(zhuǎn)換電路。以分立元器件電路得出同步傳輸機(jī)的模擬方位信號(hào)，經(jīng)過(guò)粗、精信號(hào)的分化，形成直流電平，再由CPU控制多路開(kāi)關(guān)切換，以后由80C196內(nèi)置的AD變換電路求出方位數(shù)據(jù)。其他傳感器轉(zhuǎn)換電路，在識(shí)別同步脈沖后，直接由高性能計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并產(chǎn)生外部中斷信號(hào)，交CPU處理。

3　有線／無(wú)線數(shù)據(jù)通信的軟硬件設(shè)計(jì)
　　單片機(jī)串行口，只能解決近距離的通信，對(duì)中、遠(yuǎn)距離通訊則無(wú)能為力。當(dāng)各點(diǎn)之間距離超過(guò)1 km或更遠(yuǎn)時(shí)，就需要采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)來(lái)解決，參見(jiàn)圖2。
3．1　有線數(shù)據(jù)通信
　　采用電話線作通信介質(zhì)在主、從站都經(jīng)過(guò)有線數(shù)字調(diào)制解調(diào)器（簡(jiǎn)稱Modem）形成FSK調(diào)制信號(hào)。
　　在本方案中采用TCM3105，它是TI公司生產(chǎn)的單片CMOS工藝的Modem，符合CCITT V．23建議和BELL202標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)含基本的調(diào)制解調(diào)、定時(shí)、載波檢測(cè)，以及群延時(shí)均衡等，可工作于全雙工或半雙工方式。其RD及TD腳可以和單片機(jī)的串行口RXD、TXD直接相接，RDR1、RDR2外接至8031的P1口以設(shè)定波特率（1200、600bps）。RXB腳用于接受信號(hào)偏壓調(diào)整，在片內(nèi)調(diào)整最后一級(jí)比較器的門(mén)限電平。CDL腳作載波檢測(cè)電平設(shè)定，所以應(yīng)精確調(diào)整電位器W1、W2以保證良好的收發(fā)性能。這里的CLK腳僅作觀測(cè)用，一般不接。
??? 調(diào)制信號(hào)輸入RC、輸出腳TC經(jīng)過(guò)兩級(jí)運(yùn)放及1:1變壓線圈隔離后至外部電纜接插件。
3．2　無(wú)線數(shù)、話一體通信
　　無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞑ソ橘|(zhì)是電磁波，很適合復(fù)雜地形或機(jī)動(dòng)設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)合，并且能和話音分時(shí)復(fù)用一部電臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)不言而喻。無(wú)論是數(shù)據(jù)還是話音，V／UHF電臺(tái)本質(zhì)上傳輸?shù)亩际堑皖l基帶信號(hào)。MSM6927是日本OKI公司生產(chǎn)的一種單片集成、采用FSK調(diào)制的Modem，符合ITU－T V．23通信協(xié)議，與8031微處理器以及射頻電路一起可以進(jìn)行無(wú)線鏈路數(shù)據(jù)報(bào)的雙向可靠傳輸。
　　圖2中的發(fā)送RD和XD是收發(fā)數(shù)據(jù)腳，為了與有線Modem復(fù)用8031的串行口，還應(yīng)將這二者和TCM3105的RD、TD腳通過(guò)多路開(kāi)關(guān)54LS157轉(zhuǎn)接至8031的RXD、TXD，這一點(diǎn)圖中沒(méi)有繪出。／CD2腳表示是否接收到載波信號(hào)，低電平有效，可接至指示燈。調(diào)制信號(hào)輸入AIN、輸出腳AO經(jīng)過(guò)運(yùn)放處理及低通濾波后饋送到電臺(tái)。
3．3　通信軟件設(shè)計(jì)
　　通信采取由主機(jī)首先發(fā)起廣播呼叫，檢查各從機(jī)是否就緒，再將缺席者從以后的輪詢隊(duì)列中刪除的方法。由于未采用復(fù)雜的TCP協(xié)議，所以主呼與應(yīng)答必須事先確定好規(guī)則，這樣可以避免多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)呼叫而出現(xiàn)通信阻塞。數(shù)據(jù)幀定義為：

　　主呼方呼叫后無(wú)應(yīng)答，給出超時(shí)標(biāo)志后即脫離。分機(jī)收到數(shù)據(jù)包后如發(fā)現(xiàn)地址與本機(jī)符合則接受，有錯(cuò)則視信息的重要與否，要求重發(fā)或干脆丟棄。調(diào)試時(shí)可與微機(jī)進(jìn)行仿真通信，評(píng)估控制關(guān)系及數(shù)據(jù)響應(yīng)率，以減小研發(fā)工作量。
4　改善可靠性的措施
　　·適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計(jì)有助于軍用系統(tǒng)的可靠性。如本系統(tǒng)的有線／無(wú)線通信，CRT與LET復(fù)合顯示，以及備用通道的控制等，都起到了良好的效果。
　　·抗雷擊措施在野外作業(yè)時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)。本系統(tǒng)曾遭雷擊而重度受損，后追加了防雷保護(hù)器，包括有線數(shù)據(jù)通信電纜串接的防雷保護(hù)器、電源防雷保護(hù)器等，系統(tǒng)經(jīng)受住了惡劣氣候的考驗(yàn)。
　　·防止鍵盤(pán)死鎖的一種特殊辦法。鍵盤(pán)死鎖是工業(yè)控制系統(tǒng)甚至家用電腦的常見(jiàn)故障，但對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的軍用系統(tǒng)，則要堅(jiān)決杜絕這一現(xiàn)象。本系統(tǒng)曾遇到由于8279的RST上出現(xiàn)小毛刺，而使8279異常復(fù)位，從而導(dǎo)致鍵盤(pán)死鎖的現(xiàn)象。因此，在定時(shí)器子程序內(nèi)追加了8279初始化代碼，即，每隔10ms定時(shí)給8279初始化一次，以后再未出現(xiàn)鍵盤(pán)死鎖現(xiàn)象。
　　·算法設(shè)計(jì)優(yōu)化也可提高系統(tǒng)的可使用性。如AD采樣后的“野值”剔除處理、Karlman濾波，以及數(shù)據(jù)通信的糾錯(cuò)編碼等，本系統(tǒng)采用了海明（Hamming）編碼校驗(yàn)與代碼和相結(jié)合的方法進(jìn)行檢錯(cuò)與糾錯(cuò)。
5　結(jié)束語(yǔ)
　　采用上述思路設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，已批量生產(chǎn)并裝備部隊(duì)。經(jīng)使用證明其啟動(dòng)快捷、組網(wǎng)靈活、運(yùn)行可靠，取得了良好的效益。

1　呂建平．企業(yè)數(shù)據(jù)通信．北京：清華大學(xué)出版社，1997，2
2　何立民．單片機(jī)應(yīng)用文集．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993，7