微机自动检测系统体系结构研究

1　前言 　　检测问题广泛存在于各个领域。随着科学技术的高速发展，随着人类生活水平、生产力水平的提高，检测问题越来越多，对检测提出的要求也越来越高：要求能更快、更准、更灵敏、更可靠地完成检测任务；要求能实现自动化检测；要求研制出更多更好的、智能化的、多功能化的、数字化的、集成化的、微型/小型化的仪器仪表或检测系统。此外，由于检测领域的不断扩大，检测的参数范围不断延伸，部分参数本来就难于检测，且许多情况下需要检测的参数又与其它背景物理量掺杂在一起，此时必须使用复杂的仪器仪表或检测系统，才能完成检测任务。自动检测技术作为自动化科学的一个重要分支，作为专门研究检测问题的一门实用型、综合型的新兴边沿学科已经形成。而微机自动检测(Microcomputer automatic-detection and measurement,简称MADM)是自动检测技术及系统发展的高级形式。“微机自动检测”就是使用微机及相关设备来实现自动检测仪器、自动检测系统的技术。本文就微机自动检测系统的体系结构，系统软件设计等有关问题进行详细讨论。 2　微机自动检测系统硬件结构 　　对智能仪器仪表、个人仪器、自动测试仪器及系统、计算机辅助测试系统(CAT)等等典型仪器系统的结构、功能、技术特点深入分析，发现它们都属于检测技术的分支领域，其技术特点、功能、结构具有相似性，都属于微机(包括各种单片微机、微处理器、个人计算机、工控机等等)在这些分支领域的不同应用形式，它们的设计技术也具有很大的相似性。为此，抽象出微机在自动检测技术及系统中应用的典型结构形式，称为“微机自动检测系统”，相应的技术称为“微机自动检测技术”。 2.1　微机自动检测系统结构原理 　　微机自动检测系统典型结构如图1所示。整个系统由下列子系统组成： 　　　微机基本子系统(包括CPU、RAM、ROM或EPROM、EEPROM等) 　　　数据采集子系统及接口 　　　数据通信子系统及接口 　　　数据分配子系统及接口 　　　基本输入输出(I/O)子系统及接口 图1　微机自动检测系统的典型结构 2.2　微机自动检测系统各子系统的基本功能 　　微机基本子系统是整个系统的核心，对整个系统起监督、管理、控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号，控制整个检测过程等等。此外，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，实现命令识别，逻辑判断、非线性误差修正，系统动态特性的自校正，系统自学习、自适应、自诊断、自组织等功能。 　　数据采集子系统及接口，用于和传感器、检测元件、变送器联接，实现参数采集、选路控制、零点校正、量程自动切换等功能。在各式各样的微机自动检测系统中，数据采集是必不可少的，被测对象的有关参数由数据采集子系统收集、整理后，经它的接口传送到微机子系统处理。 　　基本I/O子系统及接口，用于实现人-机对话、输入或改系统参数、改变系统工作状态，输出检测结果、动态显示测控过程，实现以多种形式输出、显示、记录、报警等功能。 　　通信子系统及接口，用于实现本系统与其它仪器仪表、系统的通信与互联，依靠通信子系统可根据实际问题需求灵活构造不同规模、不同用途的微机测控系统，如分布式测控系统，集散型测控系统等。通信接口的结构及设计方法，与采用的总线技术、总线规范有关。例如有IEEE-488(或GP－IB)总线、RS－232C总线、STD总线、VXI总线、现场总线等等，总线技术及规范不同，需要采用不同的软硬件接口实现方法，不同的技术平台支撑。 　　数据分配子系统及接口，实现对被测控对象、被测试组件、测试信号发生器、甚至于系统本身和检测操作过程的自动控制。 　　接口(Interface)根据实际需要以各种形式大量存在于系统中，接口的作用是完成它所联接的设备之间的信号转换(如进行信号功率匹配、阻抗匹配、电平转换和匹配)和交换、信号(如控制命令、状态/数据信号、寻址信号等)传输、信号拾取，对信息进行必要的缓冲或锁存，增强微机自动检测系统的功能。 3　微机自动检测系统软件结构 　　微机自动检测系统软件设计要经历问题定义，软件结构设计，软件编制，软件调试与测试等过程。一般采用模块化和结构化程序设计方法，即自顶向下逐步求精的设计方法，适当划分模块可提高设计与调试的效率。微机自动检测系统不仅要接收来源于传感器、检测元件或变送器的信号，而且要接收和处理来自于控制面板的按钮或开关信号，或由通信系统传来的控制命令等信号，还要求系统具有实时处理能力，能实时完成各种测控任务。因此，微机自动检测系统软件对实时性有一定程序的要求，同时，还要对系统资源进行管理和调度。 　　微机自动检测系统软件通常由监控程序、中断服务程序、检测与控制算法、通信与控制程序等组成。系统常用的模块及相互关系如下： 控制算法　(各类自动控制算法) 　　　　　　　　键盘/面板管理 　　人－机接口　显示输出 　　　　　　　　打印输出 　　通信与控制 　　实时时钟 　　故障自诊断与处理 　　监控程序的主要作用是及时响应来自系统或外部的各种服务请求，有效地管理系统软硬件资源，并在系统一旦发生故障时，能及时发现和作出相应的处理。监控程序由若干功能模块组成(图2所示)，监控程序调用功能模块，形成一有机整体，实现对微机自动检测系统的全面管理。因此微机自动检测系统监控软件设计成为系统软件的核心。 图2　监控主程序结构 3.1　监控主程序结构及其设计 　　监控主程序取决于系统功能的复杂程度和键盘操作方式。常用的结构形式有：①作业优先调度型。系统的作业有优先权差别，高优先权者先运行。②作业顺序调度型。作业的触发方式有接力方式，定时触发方式，外部信号触发方式。③键码分析作业调度型。操作者由键盘或遥控通信来发出作业调度命令。 3.2　初始化管理 　　对系统的初始化管理包括硬件和软件的初始化。硬件初始化对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态，包括对可编程器件初始化，各I/O口初始状态设定，为系统硬件资源分配任务等。软件初始化包括中断安排，堆栈初始化，状态变量初始化，各软件标志初始化，系统时钟初始化，各变量存储单元初始化，系统参数初始化等。 3.3　键盘管理 　　微机自动检测系统的键盘可采用编码键盘或软件扫描(非编码)键盘，与系统采用的微处理机类型、键盘类型等有关。 3.4　显示管理 　　显示方式主要有模拟显示、数字显示、混合显示等方式。显示管理软件的基本任务是：①更新显示数据；②多参数巡检与定点显示管理。定点显示方式时，不断地将当前显示参数的更新值送出显示；巡回显示方式时，每隔一定时间改换一个新的显示参数，并显示该值；③指示灯管理。对面板上的LED指示灯或报警指示灯管理。 3.5　时钟管理 　　定时电路及时钟管理在微机自动检测系统中必不可少，主要用于：数据采样周期定时；控制周期定时；参数修改数字增减速度的定时；多参数巡显的显示周期定时；动态刷新周期定时；故障监视电路(Watch dog)的定时信号等。定时实现有硬件、软件和软硬件结合等方法。 3.6　中断管理 　　针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。 3.7　故障自诊断与处理 　　故障自诊断与处理是微机自动检测系统的基本功能之一，是提高系统的可靠性和可维护性的重要手段之一。主要形式为：①开机自检。每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次检测。②周期性自诊断。对系统周期性地进行自诊断。③键控自诊断。操作人员按“自诊断”按键起动自诊断功能。 3.8　通信与通信控制 　　通信与通信控制模块实现与上位机或其它仪器仪表、其它系统的互联及通信控制。该模块的设计与系统采用的通信总线标准，通信协议，通信接口电路等因素有关。 4　微机自动检测的核心技术和相关技术 　 　微机自动检测技术涉及众多的知识领域和先进技术，包括物理学、化学、生物学、光学、精密机械设计、微电子学、电子技术、通信、微机、数据处理、自动控制等等。因此，提出一些关键性的技术作为微机自动检测技术的核心技术和相关技术，以此构成微机自动检测系统基本的技术框架。微机自动检测技术的核心技术是传感技术、数据采集技术、微机技术(包括软件、硬件设计技术)、接口技术、系统组合设计和集成技术；相关技术是数据通信技术、总线技术、抗干扰与可靠性技术、显示技术、自动控制技术、电子线路设计技术等等。在设计好开放性的微机检测系统硬件之后，如何充分发挥微机的强大技术资源和潜力，开发友好的中文操作平台，使系统具有良好的管理与控制特性，具有良好的可用性，需要很好的软件设计技术和设计方法。 5　结束语 　　本文对微机自动检测系统的概念、系统的体系结构、软件设计、核心技术和相关技术等内容作了一些初步的研究，由于这类系统和技术是一种通用化的，因而有广泛的应用价值和较好的发展前景。 作者单位：雷　霖(电子科技大学检测技术及仪器教研室　成都　610054) 参考文献 　[1]　雷霖主编.微机自动检测.电子科技大学出版社，