1、第六章第六章 監(jiān)控程序設(shè)計監(jiān)控程序設(shè)計微機(jī)化測控系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分。按其功能來說，軟件又分為監(jiān)控程序和功能程序兩部分。監(jiān)控程序：用于管理整個系統(tǒng)正常工作的程序功能程序：用于執(zhí)行所要求任務(wù)的程序。6 . 1 監(jiān)控程序的功能和組成監(jiān)控程序的主要作用是能及時的響應(yīng)來自系統(tǒng)的各種服務(wù)請求，有效地管理測控系統(tǒng)自身軟、硬件及人一機(jī)聯(lián)系設(shè)備，與系統(tǒng)中其它設(shè)備交換信息，并在系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障時，及時作出相應(yīng)的處理。1. 監(jiān)控程序的具體功能： 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)； 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

2、程序； 處理硬件定時器及軟件定時器； 實現(xiàn)對系統(tǒng)自身的診斷處理； 初始化，自動手動切換，掉電保護(hù)等。 2. 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。一般組成如圖6 一1 一1 所示。監(jiān)控主程序調(diào)用各模塊，并將它們聯(lián)系起來，形成一個有機(jī)整體，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的全部管理功能。3. 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。 6 . 2 監(jiān)控主程序和初始化管理1. 監(jiān)控主程序 上電復(fù)位后首先進(jìn)入監(jiān)控主程序。監(jiān)控主程序一般都放在0號單元開始的ROM 中，它的任務(wù)

3、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)控主程序通常包括可編程器件、輸入輸出端口和參數(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，否則測控系統(tǒng)不會跳出這一循環(huán)圈。 由于各個微機(jī)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。下圖為一個微機(jī)溫控儀監(jiān)控主程序流程示例。 6 . 2 . 2 初始化管理 初始

4、化管理主要包括可編程器件初始化、堆棧初始化和參數(shù)初始化三部分。 可編程器件初始化 是指對可編程硬件接口電路的工作模式的初始化。微機(jī)化測控系統(tǒng)中常用的可編程器件有鍵盤顯示管理接口8279 、I/O 和RAM 擴(kuò)展接口8155 、并行輸入輸出接口8255 、定時計數(shù)器接口8253 等，這些器件的初始化都有固定的格式，只是格式中的初始化參數(shù)隨應(yīng)用方式不同而異，因此，都可編成一定的子程序模塊，隨時調(diào)用。 堆棧初始化 就是復(fù)位后首先在用戶RAM 中確定一個堆棧區(qū)域。堆棧是實現(xiàn)實時中斷處理的必不可少的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。大多數(shù)微處理器允許設(shè)計人員在用戶RAM 中任意開辟堆棧區(qū)域并采用向上或向下生長的堆棧結(jié)構(gòu)，由

5、堆棧指示器SP 來管理。 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 3 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。 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)對整個測控系統(tǒng)中有關(guān)器件的初始化。 6 . 3 鍵盤管理1. 一鍵一義的鍵盤管理 微機(jī)化測控系統(tǒng)的按鍵定義都比較簡單，屬一鍵一義，即: 一個按鍵代表一個確切的命令或一個數(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。鍵盤信號的獲得有三種方法：（1）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(jī)

6、）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。下面是查詢法處理的一鍵一義監(jiān)控程序。進(jìn)入該程序時，累加器A 內(nèi)包含了鍵盤的某按鍵編碼，當(dāng)鍵碼小于10H 時為數(shù)字鍵，等于或大于10H 時為命令鍵，全部按鍵編碼小于20H 。 MOV RI , A CLR C SUBB A , # I0H ；

7、判斷是何種閉合鍵 JC DIGIT ；是數(shù)字鍵，轉(zhuǎn)DIGIT MOV DPTR , # TBJ2；轉(zhuǎn)換表首址一DPTR MOV A , RI ANL A , # 0FH ；取出命令鍵碼 ADD A , A ；鍵碼加倍 JNC NADD INC DPH ；大于或等于256 時，DPH 內(nèi)容加1 NADD : JMP A 十DPTR ；執(zhí)行處理子程序 TBJ2: AJMP PROGI ；轉(zhuǎn)移表 AJMP PROG2 AJMP PROGn DIGIT: ；數(shù)字送顯示緩沖器，并顯示 (2) 中斷方法 按下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

8、序結(jié)構(gòu)如圖6 一3 一2 ( a ）所示。(3) 定時查詢方法 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 一3 一2 ( b ）所示。 6 . 3 . 2 一鍵多義的鍵盤管理 有些鍵盤設(shè)計成一鍵多義，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

9、。若已構(gòu)成合法命令，則執(zhí)行命令，否則等待新按鍵輸入。一鍵多義的按鍵管理，可以用查詢法也可以用中斷法。 微機(jī)化系統(tǒng)監(jiān)控程序具有實時性，一般按鍵中斷不應(yīng)干擾正在進(jìn)行的控制運(yùn)算（控制運(yùn)算一般比按鍵具有更高的優(yōu)先級，除非是“停止運(yùn)行”等一類按鍵）。考慮到這些因素，常常把鍵服務(wù)設(shè)計成比過程通道中斷低一級的中斷源。 例：一鍵多義鍵服務(wù)處理方法：設(shè)一個8 回路微機(jī)溫控儀有6 個按鍵： C-回路號1 -8 ，第8 回路為環(huán)境溫度補(bǔ)償，其 余為控溫點 p-參數(shù)號，有設(shè)定值，實測值，P 、l 、D 參數(shù) 值，上、下限報警值，輸出控制值等8 個參 數(shù) -加l ； -減1； R-運(yùn)行； S -停止運(yùn)行。 顯然，按鍵都

10、是一鍵多義的。 C 鍵對應(yīng)了8 個回路，且第8 回路（環(huán)境溫度補(bǔ)償回路）與其余7 個回路不同，它只有實測值一個參數(shù)，沒有其它參數(shù)。 p鍵對應(yīng)了每一回路（除第8 回路外）的8 個參數(shù)。這些參數(shù)，有的能執(zhí)行士1 功能，如設(shè)定值，P 、l 、D 參數(shù)，上、下限報警值；有的不能修改，如實測溫度值。 和 鍵的功能執(zhí)行與否，取決于在它們前面按過的C 和p鍵； R 鍵的功能執(zhí)行與否，則取決于當(dāng)前的C 值。鍵功能流程見圖6 一3 一3 所示。6 . 3 . 3 自動手動切換 微機(jī)化控制系統(tǒng)的基本工作方式是自動控制。但在系統(tǒng)調(diào)試、測試和系統(tǒng)投運(yùn)時，往往要用手動操方式來調(diào)整輸出控制值。自動手動切換控制的基本功能：

11、 在手動操方式時，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。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(jī)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：手動自動切換鍵；手操輸出加；手操輸出減。缺點：當(dāng)主機(jī)、輸出通道等硬件電路發(fā)生故障時，手動控制 也就無法實現(xiàn)了。6 . 4 顯示、中斷與時鐘管理 1. 顯示管理微機(jī)化系統(tǒng)的顯示方式目前主要有模擬指示、數(shù)字顯示和模擬數(shù)字混合顯示三種。對于選用模擬表頭作為顯示手段的，一般只要在過程輸入通道的模擬量部分取出信號送入指示表即可，無需軟件管理。對于數(shù)字式顯示，需軟件管理。多數(shù)微機(jī)化測控系統(tǒng)，顯示

12、管理軟件的基本任務(wù)有如下三個方面：( l ）顯示更新的數(shù)據(jù)( 2 ）多參數(shù)的巡測和定點顯示管理 一個多路系統(tǒng)，通常都采用巡回顯示的方法輔以定點顯示功能，即在一般情況下作巡回顯示，而當(dāng)操作人員對某一參數(shù)特別感興趣時，可中止巡回方式，進(jìn)入定點跟蹤方式。方式的切換由面板按鍵控制。( 3 ）指示燈顯示管理 微機(jī)化測控系統(tǒng)常在面板上設(shè)置一定數(shù)量的指示燈（發(fā)光二極管）。通常可由與某一指示燈有關(guān)的功能模塊直接管理，例如，上下限報警模塊直接管理上下報警指示燈，也可在用戶RAM 中開辟一個指示燈狀態(tài)映像區(qū)，由各功能模塊改變映像區(qū)的狀態(tài)，該模塊由監(jiān)控主程序中的顯示管理模塊來管理。2. 中斷管理為了能及時處理各種可

13、能事件，提高實時處理能力，所有的微機(jī)化測控系統(tǒng)幾乎都具有中斷功能。微機(jī)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、通信接口和系統(tǒng)故障。通常，微機(jī)化測控系統(tǒng)開機(jī)時，處于自動封鎖中斷狀態(tài)，初始化結(jié)束后，監(jiān)控主程序執(zhí)行一條“開放中斷”命令，使測控系統(tǒng)在一旦發(fā)現(xiàn)中斷后，即能進(jìn)入中斷工作方式。中斷過程如下： 必須暫時保護(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)生中斷之前所處的狀態(tài)。 必須將中斷服務(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

14、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?再次變?yōu)楦唠娖健?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)器原先保存的內(nèi)容，以便返回到被中斷的程序。INTINT在實際系統(tǒng)中往往有兩個以上的中斷源。因此設(shè)計者要根據(jù)測控系統(tǒng)的功能特點，確定多個中斷源的優(yōu)先級，當(dāng)多個中斷源同時提出申請時，主機(jī)要識別出哪些中斷源在申請中斷，辨別和比較它們的優(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。中斷管理軟件模塊，通常應(yīng)包括以下功

15、能：斷點現(xiàn)場保護(hù)斷點現(xiàn)場保護(hù)，識別中斷源和判斷優(yōu)先級；如果允許中斷嵌套，則再次開放中斷（單片機(jī)除外），中斷服務(wù)結(jié)束后恢復(fù)現(xiàn)場，如圖6-4-1所示。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)先級，則由設(shè)計人員根據(jù)系統(tǒng)的功能特點來確定。例：MCS 一51 單片機(jī)有兩個外部中斷輸入端，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Tl ) ，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

16、6-4-2 。INT1INT03. 時鐘管理 時鐘主要作為定時器，用于以下7 個方面： 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（對一些采用一兩個按鍵來修改參數(shù)的測控系統(tǒng)，通常總是先慢加減幾步，然后快加減或呈指數(shù)速度變化）; 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)刷新周期定時； 電壓一頻率型A / D 轉(zhuǎn)換器定時電路； 故障監(jiān)視電路（Watch dog ）的定時信號。微機(jī)化測控系統(tǒng)廣泛采用的定時方法是軟件與硬件相結(jié)合的方法。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)生一中斷。監(jiān)控主程序隨即轉(zhuǎn)入時鐘中斷管理

17、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)）。若一個定時間隔是另一個的整數(shù)倍，軟件定時器可設(shè)計成串行的；若不是整數(shù)倍，則可設(shè)計成并行的。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溢出或回零（即定時時間到），這一程序段一般不會很長，故對測控系統(tǒng)的實時性影響極小。采用這一方法，可方便地實現(xiàn)多個定時器功能。時鐘管理模塊的任務(wù)僅是在監(jiān)控主程序中對各定時器預(yù)置初值和在響應(yīng)時鐘中斷過程中判斷是否時間到。一旦時間到，則重新預(yù)置初值，并建立一個標(biāo)志，以提示應(yīng)該執(zhí)行前述7 種功能中的某項服務(wù)程序。服務(wù)程序的執(zhí)行一般都安排在時鐘中斷返回以后進(jìn)行。

18、由查詢中斷中建立的標(biāo)志狀態(tài)來決定是否執(zhí)行該功能。6 . 5 硬件故障的自檢1. 自檢方式 自檢就是利用事先編制的程序 對測控系統(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。 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。 自檢方式可分為三種類型：(1)開機(jī)自檢開機(jī)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)入測控程序， 如果發(fā)現(xiàn)問題，則及時報警。(2)周期性自檢周期性自檢是指在測控系統(tǒng)運(yùn)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

19、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。(3)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。 自檢過程中，如果檢測到系統(tǒng)出現(xiàn) 某些故障，以文字或數(shù)字的形式顯 示“出錯代碼”“Error X ” ，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。此，往往還給出指示燈的閃爍或者音響報警信號。 一般來說，自檢內(nèi)容包括ROM 、RAM 、總線、顯示器、鍵盤以及測控電路等部件的檢測。測控系統(tǒng)能夠進(jìn)行自檢的項目越多，使用和維修就越方便，但相應(yīng)的硬件和軟件也越復(fù)雜

20、。 2. 自檢算法(1) ROM 或EPROM 的檢測 ROM 故障的檢測常用“校驗和”方法， 具體做法是： 在將程序機(jī)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(jī)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(yùn)算，如果ROM 無故障，各列的運(yùn)算結(jié)果應(yīng)都為“1 ” ，即校驗和等于FFH ，這種算法如表6 一5 一1 所列。 理論上，這種方法不能發(fā)現(xiàn)同一位上的偶數(shù)個錯誤，但是這種錯誤的概率很小，一般可以不予考慮。若要考慮，須采用更復(fù)雜的校驗方法。(2) RAM 的檢測數(shù)據(jù)存儲器RAM 是

21、否正常 是通過校驗其“讀寫性能” 的有效性來體現(xiàn)的。通常 選用特征字 55H( 01010101B ）和 AAH(10101010B ) ， 分別對RAM 每一個單元 進(jìn)行先寫后讀的操作， 其自檢流程圖如圖6 -5-1 所示。 上述檢驗屬于破壞性檢驗， 只能用于開機(jī)自檢。若RAM 中已存有數(shù)據(jù)，在不破壞RAM 中原有內(nèi)容的前提下進(jìn)行檢驗就 相對麻煩一些。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(yùn)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。(3)總線的自檢 由于總線沒有記憶能力，因此 設(shè)置了兩組鎖存觸發(fā)器，用于 分別記憶地址總線和數(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