采用多單片機的液位監控儀設計與實(shí)現

　　采用單片機設計液位監控儀是很通用的做法。如果要測量的液位有很多路(16路以上)，每路要求能滾動(dòng)顯示1年內每班、每日、每月的輸入輸出總量(1日3班)，正?；蛞馔馔ｋ姅祿粊G失，人機交互能力要強(要設置適當數量的按鍵及采用LCD顯示)，并且每路液位要求對應2路控制輸出信號(液罐液體輸入控制和輸出控制)，配置微型打印機端口，設置聲音報警，所有這些無(wú)疑需要很多的I/O端口來(lái)支持，單憑一個(gè)單片機是辦不到的，需要擴展I/O端口。在此設計中，筆者認為采用專(zhuān)用I/O擴展芯片有較多的弊端，權衡利弊，選擇了用單片機來(lái)代替專(zhuān)用I/O接口芯片的方法。

　　1 專(zhuān)用 I/O芯片與單片機用作I/O芯片的對比

　?、賹?zhuān)用I/O接口芯片的I/O口數量不比單片機多(筆者采用單片機型號為89C52);

　?、趯?zhuān)用I/O接口芯片使用不靈活，幾種使用方式已被芯片設計者設定，不能超出此范圍變化，而單片機則受限制較小，使用起來(lái)較靈活;

　?、蹖?zhuān)用I/O接口芯片獨立性差、智能性差，無(wú)論是接收輸入信號還是輸出控制信號，I/O專(zhuān)用芯片對信號的輸入輸出增色不能做出決定，必須要由單片機來(lái)做決定，僅起接力或過(guò)渡信號作用，沒(méi)有監控能力，不能獨立處理問(wèn)題，而單片機則不然，可采用多種方式靈活處理問(wèn)題;

　?、苁褂肐/O擴展專(zhuān)用芯片就必須要熟悉它，工程技術(shù)人員一般對單片機的熟悉程度要比對它強很多，相比之下，使用它要浪費時(shí)間，再一個(gè)I/O擴展專(zhuān)用芯片的價(jià)格均要比單片機高，從成本核算上考慮不經(jīng)濟;

　?、輰?zhuān)用I/O芯片實(shí)時(shí)性差，由于I/O擴展專(zhuān)用芯片僅起收發(fā)信號的作用，本身沒(méi)有加工處理信號的能力，這樣信號經(jīng)過(guò)它來(lái)回的傳遞勢必造成延遲，因而會(huì )出現實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題;

　?、奘褂脝纹瑱C作I/O接口，便于軟硬件設計模塊化，分工清晰，給設計、調試、維護帶來(lái)極大方便;

　?、呤褂脝纹瑱C作I/O接口加強了對接口的監管力度，減輕了主單片機的負擔。

　　2 硬件結構及分工

　　硬件設計共分如下幾部分：?jiǎn)纹瑱C;A/D轉換部分;控制信號輸出部分;非易失性存儲器(作RAM擴展);按鍵部分;顯示部分;打印I/O端口部分;模擬開(kāi)關(guān)部分。硬件結構框圖如圖1所示。

　　硬件設計中：

　?、賳纹瑱C選用89C52，其特點(diǎn)是片內含有8KB ROM，不需片外擴展ROM;

　?、贏(yíng)/D轉換器選用MC14433，其特點(diǎn)是轉換精度高，抗干擾能力強，每秒可轉換20次左右，因為液位變化不是很快，所以可滿(mǎn)足監測液位變化的需要;

　?、劭刂菩盘栞敵霾捎脝纹瑱C控制74LS373鎖存器的方式，這樣可通過(guò)增減鎖存器個(gè)數的方式來(lái)增減控制輸出端口數量;

　?、芤蛎柯芬竽軡L動(dòng)顯示1年內每班、每日、每月的輸入輸出量總量(1日3班)，正?；蛞馔馔ｋ姅祿粊G失，所以采用了AT29LV040A(512KB)的閃速存儲器(也可采用FRAM)，因89C52最多可外擴展64KB的RAM，為了保證有足夠的存儲空間可將AT29LV040A的A16、A17和A18地址線(xiàn)與1#單片機的某個(gè)端口連接，這樣通過(guò)控制這3個(gè)地址線(xiàn)的變化就可達到使用AT29LV040A的512KB空間的目的。

　?、莅存I部分采用常規的非編碼鍵盤(pán)方式即可;

　?、逓榱颂岣呷藱C的交互能力，顯示部分采用了GXM12864SL大屏幕LCD，這樣屏幕上可顯示自編的漢字、數字、等式及簡(jiǎn)單的圖案;

　?、叽蛴/O端口，可根據要求進(jìn)行相應的連接配置即可;

　?、嗄M開(kāi)關(guān)選用多片CD4051，它們與單片機配合，用于選擇多路液位模擬量中的1路液位的模擬量，然后進(jìn)行A/D轉換。

　　由于選用了3個(gè)單片機，有效地解決了I/O端口不夠用的問(wèn)題，也使得在設計上簡(jiǎn)化了許多，只要按照常規的連接芯片方式即可，省去了很多的過(guò)渡芯片，如74LS244、74LS245、74LS73等，也使得軟件設計變得簡(jiǎn)單容易。因硬件連接變得簡(jiǎn)單而且均為常規連接，所以本文沒(méi)有提供詳細的線(xiàn)路連接圖。3個(gè)單片機之間的數據交換采用了串行口通信方式，如圖1所示。本設計中，3個(gè)單片機采用同時(shí)復位，當然也可采用分開(kāi)復位方式，但按鍵要增加，此種情況視要求而定。

　　3 軟件結構設計

　　由于3個(gè)單片機同時(shí)復位，所以復位后3個(gè)單片機是處于并行工作狀態(tài)的。1#單片機的主要工作是將所有路液位模擬量轉換成數字量保存起來(lái)。它可根據鍵盤(pán)命令或系統默認格式將采集加工后的結果傳送給2#單片機顯示及3#單片機輸出控制，也可根據命令只監測指定的某1路或某幾路的液位變化。2#單片機的主要工作是讀入鍵盤(pán)命令，加工處理后，向1#和3#發(fā)布命令，然后根據反饋結果在LCD上顯示出來(lái)。也可根據1#單片要同采集到的數據，不斷更新其顯示內容。LCD顯示方式可多種多樣，可循環(huán)顯示指定的某幾路液位，或固定顯示某1路液位，或循環(huán)顯示某1個(gè)月的每天或某天的每班輸入輸出量等。每1路液體的比重、計算修正值、液位上下限高度設定等都可通過(guò)鍵盤(pán)輸入并保存起來(lái)。也可通過(guò)鍵盤(pán)設定密碼，防止別人或誤操作破壞設定內容，鍵入方式應設計成無(wú)須看說(shuō)明書(shū)，只要按照LCD顯示上的提示進(jìn)行選擇即可。3#單片機的主要工作是根據鍵盤(pán)命令或1#單片機及時(shí)采集到的數據，發(fā)出控制信號或打印輸出結果，打印輸出格式可根據鍵盤(pán)命令進(jìn)行選擇。3個(gè)單片機的工作流程框圖分別如圖2、圖3和圖4所示。

　　3個(gè)單片機之間通過(guò)串行口，除傳送正常的數據、命令外，3者之間還要進(jìn)行互相監督(這是I/O擴展芯片很難做到的)。

　?、傧嗷ブg傳送信息后一定要進(jìn)行印證，也就是發(fā)送者要及時(shí)收到接收者的回執;

　?、?者之間定時(shí)互訪(fǎng)，確保相安無(wú)事;

　?、勖看紊想姀臀怀詸z外，還要互檢。

　　互相監督的目的是為提高整個(gè)系統的性能，為系統維護提供方便。1#和3#單片機上都配有2個(gè)發(fā)送二極管，用于監測指示另外兩個(gè)單片機工作是否正常。2#單片機本身有LCD顯示，無(wú)需發(fā)光二極管。串行通信中斷服務(wù)程序、發(fā)送程序流程圖及定時(shí)互訪(fǎng)程序流程圖等因比較簡(jiǎn)單沒(méi)有給出。

　　4 調試

　　在一個(gè)系統中，使用多個(gè)單片機對整個(gè)系統調試確實(shí)會(huì )帶來(lái)一些不便。系統中有多少個(gè)單片機最好就有多少個(gè)單片機開(kāi)發(fā)裝置，這對調試是有極大幫助的，因為在調試中可隨時(shí)查看每個(gè)單片機的狀態(tài)，但實(shí)際當中往往不會(huì )有多個(gè)，只有1個(gè)。

　　每個(gè)單片機的程序基本上是由兩部分組成的，一部分是與其它單片機沒(méi)有任何聯(lián)系的獨立部分，另一部分是單片機之間相互通信聯(lián)系的部分(這部分程序量較小)。調試時(shí)先把單片機各自獨立部分調試出來(lái)，這部分對單片機應用人員來(lái)說(shuō)不會(huì )有問(wèn)題。然后調試單片機相互之間的串行通信程序，先把相互之間的簡(jiǎn)單通信建立起來(lái)，相互之間能識別傳遞數據后，再逐步把完整的程序一步一步添加進(jìn)去。在設計、編制程序時(shí)要想到如何調試，這樣在編制程序時(shí)就會(huì )有意識地程序分成有效的塊，調試時(shí)就可以一塊一塊地調試。多單片機調試方法較多，此是一孔之見(jiàn)。

　　結語(yǔ)

　　在一個(gè)液位監控系統中采用多個(gè)單片機是一種嘗試，但它確實(shí)簡(jiǎn)化了系統設計，便于分工和多人投入協(xié)作，也便于產(chǎn)品改進(jìn)更新。其最顯著(zhù)的效果是縮短了產(chǎn)品的設計、調試和生產(chǎn)的周期。