記錄儀是工業(yè)生產自動化系統(tǒng)中常見的二次儀表。傳統(tǒng)的記錄儀功能單一，機械結構易發(fā)故障，日常維護工作繁瑣，已經無法滿足生產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，已經實現了產品化，并廣泛應用于化工、鋼鐵行業(yè)的過程監(jiān)控，獲得用戶的好評。在此基礎上，根據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通道萬能輸入、16點報警、2點PID輸出，尺寸小、功能全、可滿足大多數行業(yè)的需求。

 

1 主要功能

 

 

 

 

 

 

(1)信號采樣：模擬輸入通道1～8路。全隔離萬能輸入，可輸入0～10V、0～5V、0～10mA、4～20mA標準信號和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。記錄間隔可設置為1/2/4/8/20/40/60/120/240等。

 

(2)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參數等進行設置。圖形化的組態(tài)界面，操作簡單。

 

(3)顯示功能：全中文圖形界面，菜單驅動，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、數字畫面(以上畫面均可1～8通道選擇)、歷史數字趨勢追憶畫面(單通道或多通道同時)、多通道流量累計畫面、組態(tài)畫面(包括通道設置、顯示設置、流量累計設置、PID參數設置、歷史追憶設置等畫面)。

 

(4)存儲功能：采用大容量Flash作為主要存儲設備(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的數據轉存到軟盤，然后在PC機上進行顯示、分析、打印。

 

(5)通訊功能：提供RS-232/RS-485通訊接口?？蛇h距離通訊，多臺儀表組網。配合上位PC機軟件可實現遠程監(jiān)控。

 

(6)打印功能：提供常用微型打印機接口，打印任意時間段內數據、趨勢曲線、流量累計值等。

 

(7)報警功能：配有16點開關量輸出通道(可選長開/長閉)，根據各通道設置的上下限，在顯示畫面實時顯示報警信息的同時輸出報警信號。

 

(8)簡單PID調節(jié)功能：具有兩路PID輸出通道，信號類型為1～5～/4～20mA。

 

2 硬件設計

 

 

 

 

 

 

作者先前開發(fā)的彩色中長圖無紙記錄儀內部采用了上下位機的結構。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。上位機負責畫面顯示、用戶組態(tài)、數據管理、打印以及遠程通訊(RS232或485)。下位機負責信號調理、數據計算、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)信息和通道數據值。結構框圖見圖1。采用該種結構的優(yōu)點是模塊化設計，上下位機各司其職，分工合作;應用靈活，兼容性好;故障定位容量。該系統(tǒng)的易用性和可靠性已經在工廠應用得到了證明。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，從而導致了記錄儀價格偏高。

 

在總結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計中仍然采用了上下位機的結構。其中下位機數據采集模塊與中長圖無紙記錄儀通用，這樣避免了重復開發(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。結構框圖見圖2。采用了320×240的5“DSTN彩色液晶顯示屏。數據存儲主要采用大容量的Flash，輔助設備采用1.44M軟盤，由GM82C765負責控制。使用80C320主要基于兩點考慮：一是80C320具有兩個UART，能滿足記錄儀內部上下位機通訊以及與外部的遠程通訊，軟件編制的復雜程度也大大降低;二是軟驅控制器GM82C765的實時性要求比較高，而80C320的4周期技術可使其在與其它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的結構，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方式驅動，并且大容量的并行Flash存儲器遠遠超出了51單片機64K的數據尋址空間，因此，我們對80C320進行了數據空間擴展，增加了8根地址線。對增加的地址空間我們進行了分頁管理(每個頁面大小為32K)，利用51原有的高端32K數據空間進行換頁訪問。在增加的數據空間內，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，擴充的數據空間達到8M。原理圖見圖3。

 

對編程而言，數據空間就是原有的64K空間。當程序要訪問擴充的數據空間時，先向地址0x7FFF寫入高8位地址進行頁面選擇，由硬件片選電路將被選擇的頁面映射到原51的高端32K數據空間。此后對高端32K數據空間的訪問就是對所選擴展數據空間頁面的訪問。擴充數據空間總共有分為256個頁面。低端32K數據空間的訪問不受頁面選擇的影響。

 

 

 

 

 

 

由于51系列單片機體系結構上的限制，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，可以說這是最小長圖無紙記錄儀在技術上的一個創(chuàng)新。其硬件原理見圖4。而在軟件設計上，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。

 

這在下面的軟件設計一節(jié)中詳細說明。

 

3 軟件設計

 

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語言進行編程能提高開發(fā)的效率以及代碼的質量，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;而對實時性要求嚴格的GM82C765軟驅控制器的訪問、液晶屏有驅動等底層函數均采用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、共享及代碼調用等問題。限于篇幅，在此就不多論述了，有興趣的讀者論壇者請參閱參考文獻3。

 

軟件設計中要解決的關鍵問題是代碼切換。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。相應的程序必須分成兩個工程來編寫。其中Function1放在ROM1中，Function2放在ROM2中，MainLoop(主循環(huán))與SwitchChip(空間切換函數)為公共函數;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。

 

 

 

 

 

 

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，進入MainLoop循環(huán)等待事件發(fā)生。當某一時刻，event2事件發(fā)生，程序調用SwitchChip，參數為2(見圖中①)。進入SwitchChip函數后，根據參數設置片選，選中ROM2，此后程序在ROM2空間運行(見圖中②)。SwitchChip函數返回，開始調用ROM2中真正的Function2函數(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。

 

當程序運行在ROM2中的MainLoop時，event1事件發(fā)生，程序調用SwitchChip，參數為1(見圖中④)。進入SwitchChip函數后，根據參數設置片選，先中ROM1，從而程序回到ROM1空間運行(見圖中⑤)。SwitchChip函數返回，開始調用ROM1中真正的Function1函數(見圖中⑥)。執(zhí)行完畢后程序在ROM1空間中的MainLoop循環(huán)。

 

而當程序運行在ROM1中發(fā)生event1事件時，調用SwitchChip不會切換ROM空間，從而能正確調用Function1函數。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空間進行正確切換的必要條件是：

 

·兩塊ROM中MainLoop函數的起始地址必須相同，并且語句必須完全一樣，從而保證每條語句的地址是相同的。在ROM切換后，函數調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函數體必須完全相同并定位在相同的地址。

 

·兩個工程中的全局變量在RAM中的定位必須完全一致，否則將出現不可預期的后果。

 

·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。

 

程序中函數以及變量的定位可參考C51編譯器以及連接器的定位開關，這里就不展開了。

 

彩色小長圖無紙記錄儀的設計與開發(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。并且使用了數據空間(RAM)擴展分頁訪問管理、代碼空間(ROM)擴展切換等新技術。