微機自動(dòng)檢測系統體系結構研究

　　摘要　本文詳細地論述了微機自動(dòng)檢測系統(簡(jiǎn)稱(chēng)MADM)的典型結構、各部分的功能和作用，以及系統軟件的結構和設計方法。提出了微機自動(dòng)檢測系統設計所涉及的核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù)，對微機自動(dòng)檢測系統的設計和應用具有參考作用。 
　　關(guān)鍵詞　微機自動(dòng)檢測　自動(dòng)檢測　檢測技術(shù) 

1　前言 

　　檢測問(wèn)題廣泛存在于各個(gè)領(lǐng)域。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，隨著(zhù)人類(lèi)生活水平、生產(chǎn)力水平的提高，檢測問(wèn)題越來(lái)越多，對檢測提出的要求也越來(lái)越高：要求能更快、更準、更靈敏、更可靠地完成檢測任務(wù)；要求能實(shí)現自動(dòng)化檢測；要求研制出更多更好的、智能化的、多功能化的、數字化的、集成化的、微型/小型化的儀器儀表或檢測系統。此外，由于檢測領(lǐng)域的不斷擴大，檢測的參數范圍不斷延伸，部分參數本來(lái)就難于檢測，且許多情況下需要檢測的參數又與其它背景物理量摻雜在一起，此時(shí)必須使用復雜的儀器儀表或檢測系統，才能完成檢測任務(wù)。自動(dòng)檢測技術(shù)作為自動(dòng)化科學(xué)的一個(gè)重要分支，作為專(zhuān)門(mén)研究檢測問(wèn)題的一門(mén)實(shí)用型、綜合型的新興邊沿學(xué)科已經(jīng)形成。而微機自動(dòng)檢測(Microcomputer automatic-detection and measurement,簡(jiǎn)稱(chēng)MADM)是自動(dòng)檢測技術(shù)及系統發(fā)展的高級形式?！拔C自動(dòng)檢測”就是使用微機及相關(guān)設備來(lái)實(shí)現自動(dòng)檢測儀器、自動(dòng)檢測系統的技術(shù)。本文就微機自動(dòng)檢測系統的體系結構，系統軟件設計等有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行詳細討論。 

2　微機自動(dòng)檢測系統硬件結構 

　　對智能儀器儀表、個(gè)人儀器、自動(dòng)測試儀器及系統、計算機輔助測試系統(CAT)等等典型儀器系統的結構、功能、技術(shù)特點(diǎn)深入分析，發(fā)現它們都屬于檢測技術(shù)的分支領(lǐng)域，其技術(shù)特點(diǎn)、功能、結構具有相似性，都屬于微機(包括各種單片微機、微處理器、個(gè)人計算機、工控機等等)在這些分支領(lǐng)域的不同應用形式，它們的設計技術(shù)也具有很大的相似性。為此，抽象出微機在自動(dòng)檢測技術(shù)及系統中應用的典型結構形式，稱(chēng)為“微機自動(dòng)檢測系統”，相應的技術(shù)稱(chēng)為“微機自動(dòng)檢測技術(shù)”。 

2.1　微機自動(dòng)檢測系統結構原理 

　　微機自動(dòng)檢測系統典型結構如圖1所示。整個(gè)系統由下列子系統組成： 
　　　微機基本子系統(包括CPU、RAM、ROM或EPROM、EEPROM等) 
　　　數據采集子系統及接口 
　　　數據通信子系統及接口 
　　　數據分配子系統及接口 
　　　基本輸入輸出(I/O)子系統及接口 

圖1　微機自動(dòng)檢測系統的典型結構 

2.2　微機自動(dòng)檢測系統各子系統的基本功能 

　　微機基本子系統是整個(gè)系統的核心，對整個(gè)系統起監督、管理、控制作用，例如進(jìn)行復雜的信號處理、控制決策、產(chǎn)生特殊的測試信號，控制整個(gè)檢測過(guò)程等等。此外，利用微機強大的信息處理能力和高速運算能力，實(shí)現命令識別，邏輯判斷、非線(xiàn)性誤差修正，系統動(dòng)態(tài)特性的自校正，系統自學(xué)習、自適應、自診斷、自組織等功能。 

　　數據采集子系統及接口，用于和傳感器、檢測元件、變送器聯(lián)接，實(shí)現參數采集、選路控制、零點(diǎn)校正、量程自動(dòng)切換等功能。在各式各樣的微機自動(dòng)檢測系統中，數據采集是必不可少的，被測對象的有關(guān)參數由數據采集子系統收集、整理后，經(jīng)它的接口傳送到微機子系統處理。 

　　基本I/O子系統及接口，用于實(shí)現人-機對話(huà)、輸入或改系統參數、改變系統工作狀態(tài)，輸出檢測結果、動(dòng)態(tài)顯示測控過(guò)程，實(shí)現以多種形式輸出、顯示、記錄、報警等功能。 

　　通信子系統及接口，用于實(shí)現本系統與其它儀器儀表、系統的通信與互聯(lián)，依靠通信子系統可根據實(shí)際問(wèn)題需求靈活構造不同規模、不同用途的微機測控系統，如分布式測控系統，集散型測控系統等。通信接口的結構及設計方法，與采用的總線(xiàn)技術(shù)、總線(xiàn)規范有關(guān)。例如有IEEE-488(或GP－IB)總線(xiàn)、RS－232C總線(xiàn)、STD總線(xiàn)、VXI總線(xiàn)、現場(chǎng)總線(xiàn)等等，總線(xiàn)技術(shù)及規范不同，需要采用不同的軟硬件接口實(shí)現方法，不同的技術(shù)平臺支撐。 

　　數據分配子系統及接口，實(shí)現對被測控對象、被測試組件、測試信號發(fā)生器、甚至于系統本身和檢測操作過(guò)程的自動(dòng)控制。 

　　接口(Interface)根據實(shí)際需要以各種形式大量存在于系統中，接口的作用是完成它所聯(lián)接的設備之間的信號轉換(如進(jìn)行信號功率匹配、阻抗匹配、電平轉換和匹配)和交換、信號(如控制命令、狀態(tài)/數據信號、尋址信號等)傳輸、信號拾取，對信息進(jìn)行必要的緩沖或鎖存，增強微機自動(dòng)檢測系統的功能。  

3　微機自動(dòng)檢測系統軟件結構 

　　微機自動(dòng)檢測系統軟件設計要經(jīng)歷問(wèn)題定義，軟件結構設計，軟件編制，軟件調試與測試等過(guò)程。一般采用模塊化和結構化程序設計方法，即自頂向下逐步求精的設計方法，適當劃分模塊可提高設計與調試的效率。微機自動(dòng)檢測系統不僅要接收來(lái)源于傳感器、檢測元件或變送器的信號，而且要接收和處理來(lái)自于控制面板的按鈕或開(kāi)關(guān)信號，或由通信系統傳來(lái)的控制命令等信號，還要求系統具有實(shí)時(shí)處理能力，能實(shí)時(shí)完成各種測控任務(wù)。因此，微機自動(dòng)檢測系統軟件對實(shí)時(shí)性有一定程序的要求，同時(shí)，還要對系統資源進(jìn)行管理和調度。 

　　微機自動(dòng)檢測系統軟件通常由監控程序、中斷服務(wù)程序、檢測與控制算法、通信與控制程序等組成。系統常用的模塊及相互關(guān)系如下： 
　　 
　　控制算法　(各類(lèi)自動(dòng)控制算法) 
　　　　　　　　鍵盤(pán)/面板管理 
　　人－機接口　顯示輸出 
　　　　　　　　打印輸出 
　　通信與控制 
　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘 
　　故障自診斷與處理 
　　監控程序的主要作用是及時(shí)響應來(lái)自系統或外部的各種服務(wù)請求，有效地管理系統軟硬件資源，并在系統一旦發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)發(fā)現和作出相應的處理。監控程序由若干功能模塊組成(圖2所示)，監控程序調用功能模塊，形成一有機整體，實(shí)現對微機自動(dòng)檢測系統的全面管理。因此微機自動(dòng)檢測系統監控軟件設計成為系統軟件的核心。 


圖2　監控主程序結構 

3.1　監控主程序結構及其設計 

　　監控主程序取決于系統功能的復雜程度和鍵盤(pán)操作方式。常用的結構形式有：①作業(yè)優(yōu)先調度型。系統的作業(yè)有優(yōu)先權差別，高優(yōu)先權者先運行。②作業(yè)順序調度型。作業(yè)的觸發(fā)方式有接力方式，定時(shí)觸發(fā)方式，外部信號觸發(fā)方式。③鍵碼分析作業(yè)調度型。操作者由鍵盤(pán)或遙控通信來(lái)發(fā)出作業(yè)調度命令。 

3.2　初始化管理 

　　對系統的初始化管理包括硬件和軟件的初始化。硬件初始化對系統中各硬件資源設定明確的初始化狀態(tài)，包括對可編程器件初始化，各I/O口初始狀態(tài)設定，為系統硬件資源分配任務(wù)等。軟件初始化包括中斷安排，堆棧初始化，狀態(tài)變量初始化，各軟件標志初始化，系統時(shí)鐘初始化，各變量存儲單元初始化，系統參數初始化等。 

3.3　鍵盤(pán)管理 

　　微機自動(dòng)檢測系統的鍵盤(pán)可采用編碼鍵盤(pán)或軟件掃描(非編碼)鍵盤(pán)，與系統采用的微處理機類(lèi)型、鍵盤(pán)類(lèi)型等有關(guān)。 

3.4　顯示管理 

　　顯示方式主要有模擬顯示、數字顯示、混合顯示等方式。顯示管理軟件的基本任務(wù)是：①更新顯示數據；②多參數巡檢與定點(diǎn)顯示管理。定點(diǎn)顯示方式時(shí)，不斷地將當前顯示參數的更新值送出顯示；巡回顯示方式時(shí)，每隔一定時(shí)間改換一個(gè)新的顯示參數，并顯示該值；③指示燈管理。對面板上的LED指示燈或報警指示燈管理。 

3.5　時(shí)鐘管理 

　　定時(shí)電路及時(shí)鐘管理在微機自動(dòng)檢測系統中必不可少，主要用于：數據采樣周期定時(shí)；控制周期定時(shí)；參數修改數字增減速度的定時(shí)；多參數巡顯的顯示周期定時(shí)；動(dòng)態(tài)刷新周期定時(shí)；故障監視電路(Watch dog)的定時(shí)信號等。定時(shí)實(shí)現有硬件、軟件和軟硬件結合等方法。 

3.6　中斷管理 

　　針對系統中的各種中斷源和所選用的微處理機的中斷結構，設計相應的中斷處理程序模塊，包括中斷管理模塊和中斷服務(wù)模塊。 

3.7　故障自診斷與處理 

　　故障自診斷與處理是微機自動(dòng)檢測系統的基本功能之一，是提高系統的可靠性和可維護性的重要手段之一。主要形式為：①開(kāi)機自檢。每當電源接通或復位后，系統自動(dòng)執行一次自檢程序，對硬件電路進(jìn)行一次檢測。②周期性自診斷。對系統周期性地進(jìn)行自診斷。③鍵控自診斷。操作人員按“自診斷”按鍵起動(dòng)自診斷功能。 

3.8　通信與通信控制 

　　通信與通信控制模塊實(shí)現與上位機或其它儀器儀表、其它系統的互聯(lián)及通信控制。該模塊的設計與系統采用的通信總線(xiàn)標準，通信協(xié)議，通信接口電路等因素有關(guān)。  

4　微機自動(dòng)檢測的核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù) 
　 
  　微機自動(dòng)檢測技術(shù)涉及眾多的知識領(lǐng)域和先進(jìn)技術(shù)，包括物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)、精密機械設計、微電子學(xué)、電子技術(shù)、通信、微機、數據處理、自動(dòng)控制等等。因此，提出一些關(guān)鍵性的技術(shù)作為微機自動(dòng)檢測技術(shù)的核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù)，以此構成微機自動(dòng)檢測系統基本的技術(shù)框架。微機自動(dòng)檢測技術(shù)的核心技術(shù)是傳感技術(shù)、數據采集技術(shù)、微機技術(shù)(包括軟件、硬件設計技術(shù))、接口技術(shù)、系統組合設計和集成技術(shù)；相關(guān)技術(shù)是數據通信技術(shù)、總線(xiàn)技術(shù)、抗干擾與可靠性技術(shù)、顯示技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子線(xiàn)路設計技術(shù)等等。在設計好開(kāi)放性的微機檢測系統硬件之后，如何充分發(fā)揮微機的強大技術(shù)資源和潛力，開(kāi)發(fā)友好的中文操作平臺，使系統具有良好的管理與控制特性，具有良好的可用性，需要很好的軟件設計技術(shù)和設計方法。 

5　結束語(yǔ) 

　　本文對微機自動(dòng)檢測系統的概念、系統的體系結構、軟件設計、核心技術(shù)和相關(guān)技術(shù)等內容作了一些初步的研究，由于這類(lèi)系統和技術(shù)是一種通用化的，因而有廣泛的應用價(jià)值和較好的發(fā)展前景。 
作者單位：雷　霖(電子科技大學(xué)檢測技術(shù)及儀器教研室　成都　610054) 
參考文獻 
　[1]　雷霖主編.微機自動(dòng)檢測.電子科技大學(xué)出版社，1998年3月 
　[2]　鄭叔芳編著(zhù).計算機輔助測試原理與發(fā)展.科學(xué)出版社，1993年8月 
　[3]　李臘元、官本云編著(zhù).智能儀器儀表.科學(xué)出版社，1993年2月