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馮  平  蔣靜坪

1  引言
目前，大多數(shù)測量儀器已趨向數(shù)字化，采用微機(jī)或單片機(jī)控制，甚至一些數(shù)字化集成傳感器也應(yīng)用單片機(jī)作為其控制核心。微機(jī)控制數(shù)字化儀器具有體積小，多功能，高精度等特點(diǎn)，尤其是具備了靈活適應(yīng)各種不同應(yīng)用場合的能力。當(dāng)儀器的應(yīng)用環(huán)境或使用要求改變時(shí)，例如更換不同型號(hào)或校正系數(shù)不同的傳感器，或要求儀器改變輸出信號(hào)的類型等等，由于微機(jī)控制的靈活性，通常無需改動(dòng)儀器的硬件及控制程序，僅對(duì)其系統(tǒng)配置設(shè)定及某些工作參數(shù)作相應(yīng)的修改，就能使儀器很好地滿足要求。在這種情況下，為了實(shí)現(xiàn)配置重設(shè)定，顯然要求儀器配備鍵盤及顯示器等人－機(jī)對(duì)話部件。但對(duì)數(shù)字化集成傳感器和某些小型儀器來說，由于受到體積和成本限制，并且考慮到儀器的配置修改僅在其應(yīng)用場合改變時(shí)才需進(jìn)行，所以在設(shè)計(jì)硬件時(shí)往往不設(shè)置這些部件。這樣就使儀器的配置重設(shè)定較為困難，多數(shù)情況下只能由開發(fā)人員修改其控制程序才能實(shí)現(xiàn)，用戶無法自行修改儀器的配置，從而微機(jī)控制的靈活性未能得到充分體現(xiàn)。
為了改善這種狀況，我們設(shè)計(jì)了一種可方便地對(duì)上述這類不帶人－機(jī)對(duì)話部件的數(shù)字化集成傳感器和小型數(shù)字化儀器進(jìn)行配置的計(jì)算機(jī)重設(shè)定系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，不增加儀器硬件就可實(shí)現(xiàn)對(duì)其配置重設(shè)定，修改儀器的系統(tǒng)配置時(shí)無需改動(dòng)其控制程序，且允許用戶自行對(duì)儀器按需要進(jìn)行重配置。
2  系統(tǒng)簡介
在進(jìn)行配置重設(shè)定時(shí)，使用PC機(jī)作為儀器的擴(kuò)展人－機(jī)對(duì)話裝置以進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、修改及顯示等。PC機(jī)和儀器之間通過串行通訊交換數(shù)據(jù)。配置值修改完成后，去除PC機(jī)與儀器的連接，儀器便可按修改后的系統(tǒng)配置及參數(shù)值正確地運(yùn)行于新的工作環(huán)境。
2.1  硬件
PC機(jī)與儀器的連接如圖1所示。PC機(jī)的串行口與儀器的串行口之間用一條串行通訊總線相連。圖中的電平變換器用于PC機(jī)串行口的RS－232C 信號(hào)電平與儀器內(nèi)單片機(jī)串行口的TTL信號(hào)電平之間的變換。該變換器也可置于儀器內(nèi)部。
本系統(tǒng)對(duì)PC機(jī)的硬件無特殊要求，任何型號(hào)的PC機(jī)只要具備串行通訊口均可使用。但對(duì)儀器來說，則要求其硬件具備：① 一個(gè)能和PC機(jī)通訊的異步串行通訊口；② 配備有非揮發(fā)并可電擦寫的內(nèi)存儲(chǔ)器，如EEPROM或Flash等，以用來保存系統(tǒng)配置及參數(shù)設(shè)定值。
 

圖1  系統(tǒng)連接框圖

2.2  配置重設(shè)定過程
當(dāng)按圖1把PC機(jī)與儀器連接后，就可在PC機(jī)上運(yùn)行本系統(tǒng)的專用程序，然后使儀器復(fù)位以啟動(dòng)配置重設(shè)定。整個(gè)配置重設(shè)定過程可分為如下一些階段：① 建立PC機(jī)與儀器間的通訊聯(lián)系。② PC機(jī)命令儀器發(fā)送其原有參數(shù)設(shè)置值。儀器響應(yīng)后，PC機(jī)接收發(fā)來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)。③ 所有這些原設(shè)置值在PC機(jī)上顯示并可對(duì)其修改。④ 修改完成后，PC機(jī)命令儀器接收并保存修改后的新設(shè)置值。⑤ 當(dāng)儀器接收無誤并作保存后，PC機(jī)命令儀器退出通訊。⑥ 其后，儀器將按新的系統(tǒng)配置及參數(shù)設(shè)置值工作。
由上可見，整個(gè)過程由PC機(jī)控制。在此，PC機(jī)是主機(jī)，儀器作為從機(jī)，PC機(jī)通過向儀器發(fā)命令來控制其完成相應(yīng)的操作。
在階段①，PC機(jī)首先不斷地向儀器發(fā)送“呼叫”信號(hào)，并接收儀器發(fā)來的“申請”信號(hào)。與此同時(shí)，儀器也不斷地向PC機(jī)發(fā)送申請信號(hào)和接收PC機(jī)的呼叫信號(hào)。一旦儀器收到PC機(jī)的呼叫信號(hào)，將發(fā)送“響應(yīng)”信號(hào)給PC機(jī)。當(dāng)PC機(jī)收到這響應(yīng)信號(hào)后，雙方的通訊聯(lián)系就此建立。
在建立通訊的初期，雙方這樣不斷地向?qū)Ψ桨l(fā)送信號(hào)及接收對(duì)方的信號(hào)，不僅有利于盡快地建立通訊，而且還實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)搜索通訊串口”和“無需配置重設(shè)定選擇開關(guān)”的特點(diǎn)。在PC機(jī)一方，先設(shè)其COM1為通訊口，如從該口接收到儀器的申請信號(hào)或響應(yīng)信號(hào)，表明該口為正使用的通訊口，否則，如經(jīng)幾次嘗試后仍未收到儀器的信號(hào)，就改設(shè)COM2為通訊口嘗試，如再未收到則再換下一串口，如此在其所有可用的串口之間輪流嘗試，直到接收到儀器的信號(hào)為止。這樣就實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)通訊串口的自動(dòng)定位，避免了選擇串口的麻煩，使用更為方便。在儀器一方，當(dāng)復(fù)位后進(jìn)行初始化并作自診斷的同時(shí)，不斷地嘗試與PC機(jī)通訊，如在這段時(shí)間內(nèi)接收到PC機(jī)的呼叫信號(hào)，它就發(fā)送響應(yīng)信號(hào)給PC機(jī)并轉(zhuǎn)入配置重設(shè)定子程序準(zhǔn)備進(jìn)行系統(tǒng)配置的修改，否則，如在自診斷完成后仍未收到PC機(jī)的信號(hào)，則將停止與PC機(jī)的通訊，不再理會(huì)PC機(jī)以后發(fā)來的信號(hào)。把與PC機(jī)建立通訊的過程安排在儀器的初始化及自診斷期間有如下一些優(yōu)點(diǎn)：① 無需儀器增加硬件以指示是否要進(jìn)行配置重設(shè)定；② 無需額外的時(shí)間開銷來建立與PC機(jī)的通訊；③ 具有較強(qiáng)的抗干擾性。
在階段②，PC機(jī)先是不斷地向儀器發(fā)送“發(fā)原設(shè)置值”命令，直到收到儀器發(fā)來特定的數(shù)據(jù)包頭部標(biāo)志為止，然后它將接收整個(gè)數(shù)據(jù)包并作校驗(yàn)。如果校驗(yàn)通過，配置重設(shè)定進(jìn)程轉(zhuǎn)入階段③，PC機(jī)向儀器發(fā)送“讀數(shù)據(jù)正確”信號(hào)直到階段③結(jié)束，以確保儀器收到此信息。否則，進(jìn)程將仍停留在此階段，PC機(jī)重復(fù)發(fā)送“發(fā)原設(shè)置值”命令和接收數(shù)據(jù)包直到校驗(yàn)通過。由于應(yīng)用了這樣的通訊及進(jìn)程控制，有效地克服了誤碼和雙方進(jìn)程的失步，大大提高了抗干擾能力。在階段④和階段⑤中也應(yīng)用了類似的控制時(shí)序。
在階段③，所有設(shè)置值被顯示在PC機(jī)上，并可方便地對(duì)其反復(fù)修改。此時(shí)雖無數(shù)據(jù)傳送，但PC機(jī)與儀器間仍保持通訊聯(lián)系，以防進(jìn)程失步。
2.3  通訊
由于在修改儀器配置時(shí)，相應(yīng)數(shù)據(jù)需在PC機(jī)和儀器間傳送，所以通訊是基礎(chǔ)，其可靠性直接影響配置重設(shè)定的正確進(jìn)行。為保證通訊的正確可靠，首先必須為雙方定義一個(gè)相互一致的通訊協(xié)議，其中包括諸如通訊波特率、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、命令、校驗(yàn)信息等的定義。其次，必須使要傳送的數(shù)據(jù)包帶有其特定的頭部標(biāo)志、長度以及校驗(yàn)信息，并且在每次數(shù)據(jù)傳送完成后都對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的校驗(yàn)。此外，為提高抗干擾能力，確保儀器的系統(tǒng)配置及參數(shù)設(shè)定值修改無誤，并克服通訊失步現(xiàn)象而進(jìn)一步應(yīng)用了進(jìn)程控制：將整個(gè)配置重設(shè)定過程分為幾個(gè)階段，只有當(dāng)前一階段的通訊正確無誤地完成后，雙方的進(jìn)程才會(huì)轉(zhuǎn)入下一階段，否則雙方將不斷重復(fù)本階段的通訊。

 2.4  軟件
設(shè)計(jì)了二個(gè)程序用于儀器的系統(tǒng)配置重設(shè)定。一個(gè)是為PC機(jī)編制的專用程序，另一個(gè)是為儀器編制的配置修改子程序。它們的程序流程圖如圖2及圖3所示。

圖2  PC機(jī)專用程序流程圖       

      
圖3  儀器的配置重設(shè)定子程序流程圖

PC機(jī)專用程序主要用于和儀器的通訊，修改系統(tǒng)配置及參數(shù)設(shè)置值以及控制進(jìn)程。它具有如下一些特點(diǎn)：① 自動(dòng)搜索串口，如前所述。② 人－機(jī)界面友好，在運(yùn)行過程中可給出多種提示信息：a顯示通訊及進(jìn)程狀態(tài)。b在修改設(shè)置值時(shí)，對(duì)每一選中的參數(shù)項(xiàng)顯示其可選值及意義，以幫助正確輸入。參數(shù)值輸入后，即對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，如為非法值則提示需重輸。已修改的參數(shù)項(xiàng)可按要求被恢復(fù)為原值。此外，對(duì)那些未作修改的參數(shù)項(xiàng)也給出參數(shù)值未變的提示信息，以幫助了解參數(shù)修改情況。

圖4  儀器控制程序流程圖

    儀器的配置修改子程序主要用于和PC機(jī)通訊，發(fā)送與接收系統(tǒng)配置及參數(shù)設(shè)置值和更新存儲(chǔ)器中相應(yīng)內(nèi)容。它被安排在儀器復(fù)位后進(jìn)行系統(tǒng)自診斷的同時(shí)，由主程序調(diào)用，其流程如圖4所示。
 3  結(jié)束語
隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)儀器測量精度及功能要求的不斷提高，儀器采用微機(jī)控制并數(shù)字化，微型化是其發(fā)展方向。本方案為不帶人―機(jī)對(duì)話部件的小型數(shù)字化儀器提供了一種進(jìn)行系統(tǒng)配置重設(shè)定的簡便方法，擴(kuò)展了儀器的適用范圍，使用更為靈活。
該系統(tǒng)已應(yīng)用于對(duì)一種數(shù)字化集成傳感器的配置重設(shè)定。經(jīng)反復(fù)使用，其結(jié)果表明，它具有可靠性高、成本低及易于使用等特點(diǎn)。并且它雖是為小型數(shù)字化測量儀器設(shè)計(jì)，但也可在其他領(lǐng)域的此類小型微機(jī)控制設(shè)備中得到應(yīng)用。