彩色小長圖無紙記錄儀的設(shè)計與開發(fā)

　　摘要：本文介紹了在保持與中長圖無紙記錄儀通用的基礎(chǔ)上開發(fā)的小長圖無紙記錄儀。該記錄儀可全中文圖形界面顯示、輸入、功能完備，運用了數(shù)據(jù)空間擴展分頁訪問管理和代碼空間擴展切換等新技術(shù)。從硬件以及軟件兩方面詳細(xì)論述了這些新技術(shù)的實現(xiàn)。
　　　
　　記錄儀是工業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中常見的二次儀表。傳統(tǒng)的記錄儀功能單一，機械結(jié)構(gòu)易發(fā)故障，日常維護(hù)工作繁瑣，已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)過程綜合自動化的要求。筆者天1998年研制的彩色中長圖無紙記錄儀，已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品化，并廣泛應(yīng)用于化工、鋼鐵行業(yè)的過程監(jiān)控，獲得用戶的好評。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的實際需求以及使用意見，筆者又開發(fā)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通道輸入、16點報警、2點PID輸出，尺寸小、功能全、可滿足大多數(shù)行業(yè)的需求。
　　
　　1主要功能　　
　?。?）信號采樣：模擬輸入通道1～8路。全隔離輸入，可輸入0～10V、0～5V、0～10mA、4～20mA標(biāo)準(zhǔn)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(tài)畫面選擇，無需更換輸入通道板。記錄間隔可設(shè)置為1/2/4/8/20/40/60/120/240等。
　　
　?。?）組態(tài)功能：該記錄儀具有強大的組態(tài)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(shù)等進(jìn)行設(shè)置。圖形化的組態(tài)界面，操作簡單。
　　
　?。?）顯示功能：全中文圖形界面，菜單驅(qū)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(shù)字畫面（以上畫面均可1～8通道選擇）、歷史數(shù)字趨勢追憶畫面（單通道或多通道同時）、多通道流量累計畫面、組態(tài)畫面（包括通道設(shè)置、顯示設(shè)置、流量累計設(shè)置、PID參數(shù)設(shè)置、歷史追憶設(shè)置等畫面）。
　　
　?。?）存儲功能：采用大容量Flash作為主要存儲設(shè)備（用戶可選1/2/4/6M）。軟盤作為輔助，用戶可以將任意時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到軟盤，然后在PC機上進(jìn)行顯示、分析、打印。
　　
　?。?）通訊功能：提供RS-232/RS-485通訊接口?？蛇h(yuǎn)距離通訊，多臺儀表組網(wǎng)。配合上位PC機軟件可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
　　
　?。?）打印功能：提供常用微型打印機接口，打印任意時間段內(nèi)數(shù)據(jù)、趨勢曲線、流量累計值等。
　　
　?。?）報警功能：配有16點開關(guān)量輸出通道（可選長開/長閉），根據(jù)各通道設(shè)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。
　　
　?。?）簡單PID調(diào)節(jié)功能：具有兩路PID輸出通道，信號類型為1～5～/4～20mA。
　　
　　2硬件設(shè)計　　
　　作者先前開發(fā)的彩色中長圖無紙記錄儀內(nèi)部采用了上下位機的結(jié)構(gòu)。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(shù)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(fù)責(zé)畫面顯示、用戶組態(tài)、數(shù)據(jù)管理、打印以及遠(yuǎn)程通訊（RS232或485）。下位機負(fù)責(zé)信號調(diào)理、數(shù)據(jù)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(tài)信息和通道數(shù)據(jù)值。結(jié)構(gòu)框圖見圖1。采用該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是模塊化設(shè)計，上下位機各司其職，分工合作；應(yīng)用靈活，兼容性好；故障定位容量。該系統(tǒng)的易用性和可靠性已經(jīng)在工廠應(yīng)用得到了證明。但也要看到，在該系統(tǒng)中，PC104模板的功能并沒有被充分使用，硬件空間浪費嚴(yán)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(dǎo)致了記錄儀價格偏高。
　　
　　在總結(jié)了中長圖無紙記錄儀的研發(fā)之后，在小長圖無紙記錄儀的設(shè)計中仍然采用了上下位機的結(jié)構(gòu)。其中下位機數(shù)據(jù)采集模塊與中長圖無紙記錄儀通用，這樣避免了重復(fù)開發(fā)，并使小長圖、中長圖無紙記錄儀成為一個體系。全新開發(fā)了以DALLAS公司80C320為核心的上位機。結(jié)構(gòu)框圖見圖2。采用了320×240的5“DSTN彩色液晶顯示屏。數(shù)據(jù)存儲主要采用大容量的Flash，輔助設(shè)備采用1.44M軟盤，由GM82C765負(fù)責(zé)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(nèi)部上下位機通訊以及與外部的遠(yuǎn)程通訊，軟件編制的復(fù)雜程度也大大降低；二是軟驅(qū)控制器GM82C765的實時性要求比較高，而80C320的4周期技術(shù)可使其在與其它51芯片采用相同晶振的條件下，指令執(zhí)行速度快三倍；加上雙DPTR的結(jié)構(gòu)，能提高程序執(zhí)行效率，從而更好地與GM82C765配合。
　　
　　由于液晶屏采用RAM方式驅(qū)動，并且大容量的并行Flash存儲器遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了51單片機64K的數(shù)據(jù)尋址空間，因此，我們對80C320進(jìn)行了數(shù)據(jù)空間擴展，增加了8根地址線。對增加的地址空間我們進(jìn)行了分頁管理（每個頁面大小為32K），利用51原有的32K數(shù)據(jù)空間進(jìn)行換頁訪問。在增加的數(shù)據(jù)空間內(nèi)，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(shù)據(jù)空間達(dá)到8M。原理圖見圖3。
　　
　　對編程而言，數(shù)據(jù)空間就是原有的64K空間。當(dāng)程序要訪問擴充的數(shù)據(jù)空間時，先向地址0x7FFF寫入高8位地址進(jìn)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32K數(shù)據(jù)空間。此后對32K數(shù)據(jù)空間的訪問就是對所選擴展數(shù)據(jù)空間頁面的訪問。擴充數(shù)據(jù)空間總共有分為256個頁面。低端32K數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(qū)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(chuàng)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zui小長圖無紙記錄儀在技術(shù)上的一個創(chuàng)新。其硬件原理見圖4。而在軟件設(shè)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(shè)計一節(jié)中詳細(xì)說明。
　　
　　3軟件設(shè)計

　　
　　小長圖無紙記錄儀軟件采用C語言和匯編語言混合編寫。用C語言進(jìn)行編程能提高開發(fā)的效率以及代碼的質(zhì)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(yán)格的GM82C765軟驅(qū)控制器的訪問、液晶屏有驅(qū)動等底層函數(shù)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(diào)用等問題?！　?br />　　軟件設(shè)計中要解決的關(guān)鍵問題是代碼切換。其原理圖見圖5　　
　　原理圖中Function1與Funciton2代碼很大，當(dāng)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(yīng)的程序必須分成兩個工程來編寫。其中Function1放在ROM1中，F(xiàn)unction2放在ROM2中，MainLoop（主循環(huán)）與SwitchChip（空間切換函數(shù)）為公共函數(shù)；民時為了工程能夠被正確編譯連接，在ROM1和ROM2中分別加放了Function2與Function1的空函數(shù)。
　　
　　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(jìn)入MainLoop循環(huán)等待事件發(fā)生。當(dāng)某一時刻，event2事件發(fā)生，程序調(diào)用SwitchChip，參數(shù)為2（見圖中①）。進(jìn)入SwitchChip函數(shù)后，根據(jù)參數(shù)設(shè)置片選，選中ROM2，此后程序在ROM2空間運行（見圖中②）。SwitchChip函數(shù)返回，開始調(diào)用ROM2中真正的Function2函數(shù)（見圖中③）。完畢后程序在ROM2空間中的MainLoop循環(huán)，等待新事件發(fā)生。
　　
　　當(dāng)程序運行在ROM2中的MainLoop時，event1事件發(fā)生，程序調(diào)用SwitchChip，參數(shù)為1（見圖中④）。進(jìn)入SwitchChip函數(shù)后，根據(jù)參數(shù)設(shè)置片選，先中ROM1，從而程序回到ROM1空間運行（見圖中⑤）。SwitchChip函數(shù)返回，開始調(diào)用ROM1中真正的Function1函數(shù)（見圖中⑥）。執(zhí)行完畢后程序在ROM1空間中的MainLoop循環(huán)。而當(dāng)程序運行在ROM1中發(fā)生event1事件時，調(diào)用SwitchChip不會切換ROM空間，從而能正確調(diào)用Function1函數(shù)。同理在ROM2中發(fā)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(jìn)行正確切換的必要條件是：
　　
　　·兩塊ROM中MainLoop函數(shù)的起始地址必須相同，并且語句必須*一樣，從而保證每條語句的地址是相同的。在ROM切換后，函數(shù)調(diào)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(shù)體必須*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*一致，否則將出現(xiàn)不可預(yù)期的后果。
　　
　　·ROM片選線的切換速率必須足夠快，使得CPU在讀取下一條指令前片選信號就已穩(wěn)定下來。
　　
　　程序中函數(shù)以及變量的定位可參考C51編譯器以及連接器的定位開關(guān)，這里就不展開了。
　　
　　彩色小長圖無紙記錄儀的設(shè)計與開發(fā)保持了與彩色中長圖無紙記錄儀的通用性。基本功能一致，體積減小，成本降低。并且使用了數(shù)據(jù)空間（RAM）擴展分頁訪問管理、代碼空間（ROM）擴展切換等新技術(shù)。