采用多單片機(jī)的液位監(jiān)控儀設(shè)計與實現(xiàn)

　　采用單片機(jī)設(shè)計液位監(jiān)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)，每路要求能滾動顯示1年內(nèi)每班、每日、每月的輸入輸出總量(1日3班)，正常或意外停電數(shù)據(jù)不丟失，人機(jī)交互能力要強(qiáng)(要設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的按鍵及采用LCD顯示)，并且每路液位要求對應(yīng)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(jī)端口，設(shè)置聲音報警，所有這些無疑需要很多的I/O端口來支持，單憑一個單片機(jī)是辦不到的，需要擴(kuò)展I/O端口。在此設(shè)計中，筆者認(rèn)為采用專用I/O擴(kuò)展芯片有較多的弊端，權(quán)衡利弊，選擇了用單片機(jī)來代替專用I/O接口芯片的方法。

　　1 專用 I/O芯片與單片機(jī)用作I/O芯片的對比

　?、賹Ｓ肐/O接口芯片的I/O口數(shù)量不比單片機(jī)多(筆者采用單片機(jī)型號為89C52);

　?、趯Ｓ肐/O接口芯片使用不靈活，幾種使用方式已被芯片設(shè)計者設(shè)定，不能超出此范圍變化，而單片機(jī)則受限制較小，使用起來較靈活;

　?、蹖Ｓ肐/O接口芯片獨立性差、智能性差，無論是接收輸入信號還是輸出控制信號，I/O專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(jī)來做決定，僅起接力或過渡信號作用，沒有監(jiān)控能力，不能獨立處理問題，而單片機(jī)則不然，可采用多種方式靈活處理問題;

　?、苁褂肐/O擴(kuò)展專用芯片就必須要熟悉它，工程技術(shù)人員一般對單片機(jī)的熟悉程度要比對它強(qiáng)很多，相比之下，使用它要浪費時間，再一個I/O擴(kuò)展專用芯片的價格均要比單片機(jī)高，從成本核算上考慮不經(jīng)濟(jì);

　?、輰Ｓ肐/O芯片實時性差，由于I/O擴(kuò)展專用芯片僅起收發(fā)信號的作用，本身沒有加工處理信號的能力，這樣信號經(jīng)過它來回的傳遞勢必造成延遲，因而會出現(xiàn)實時性差的問題;

　?、奘褂脝纹瑱C(jī)作I/O接口，便于軟硬件設(shè)計模塊化，分工清晰，給設(shè)計、調(diào)試、維護(hù)帶來極大方便;

　?、呤褂脝纹瑱C(jī)作I/O接口加強(qiáng)了對接口的監(jiān)管力度，減輕了主單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)及分工

　　硬件設(shè)計共分如下幾部分：單片機(jī);A/D轉(zhuǎn)換部分;控制信號輸出部分;非易失性存儲器(作RAM擴(kuò)展);按鍵部分;顯示部分;打印I/O端口部分;模擬開關(guān)部分。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　硬件設(shè)計中：

　　①單片機(jī)選用89C52，其特點是片內(nèi)含有8KB ROM，不需片外擴(kuò)展ROM;

　?、贏/D轉(zhuǎn)換器選用MC14433，其特點是轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，每秒可轉(zhuǎn)換20次左右，因為液位變化不是很快，所以可滿足監(jiān)測液位變化的需要;

　　③控制信號輸出采用單片機(jī)控制74LS373鎖存器的方式，這樣可通過增減鎖存器個數(shù)的方式來增減控制輸出端口數(shù)量;

　　④因每路要求能滾動顯示1年內(nèi)每班、每日、每月的輸入輸出量總量(1日3班)，正?；蛞馔馔ｋ姅?shù)據(jù)不丟失，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(kuò)展64KB的RAM，為了保證有足夠的存儲空間可將AT29LV040A的A16、A17和A18地址線與1#單片機(jī)的某個端口連接，這樣通過控制這3個地址線的變化就可達(dá)到使用AT29LV040A的512KB空間的目的。

　　⑤按鍵部分采用常規(guī)的非編碼鍵盤方式即可;

　?、逓榱颂岣呷藱C(jī)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(shù)字、等式及簡單的圖案;

　　⑦打印I/O端口，可根據(jù)要求進(jìn)行相應(yīng)的連接配置即可;

　　⑧模擬開關(guān)選用多片CD4051，它們與單片機(jī)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(zhuǎn)換。

　　由于選用了3個單片機(jī)，有效地解決了I/O端口不夠用的問題，也使得在設(shè)計上簡化了許多，只要按照常規(guī)的連接芯片方式即可，省去了很多的過渡芯片，如74LS244、74LS245、74LS73等，也使得軟件設(shè)計變得簡單容易。因硬件連接變得簡單而且均為常規(guī)連接，所以本文沒有提供詳細(xì)的線路連接圖。3個單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換采用了串行口通信方式，如圖1所示。本設(shè)計中，3個單片機(jī)采用同時復(fù)位，當(dāng)然也可采用分開復(fù)位方式，但按鍵要增加，此種情況視要求而定。

　　3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　由于3個單片機(jī)同時復(fù)位，所以復(fù)位后3個單片機(jī)是處于并行工作狀態(tài)的。1#單片機(jī)的主要工作是將所有路液位模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量保存起來。它可根據(jù)鍵盤命令或系統(tǒng)默認(rèn)格式將采集加工后的結(jié)果傳送給2#單片機(jī)顯示及3#單片機(jī)輸出控制，也可根據(jù)命令只監(jiān)測指定的某1路或某幾路的液位變化。2#單片機(jī)的主要工作是讀入鍵盤命令，加工處理后，向1#和3#發(fā)布命令，然后根據(jù)反饋結(jié)果在LCD上顯示出來。也可根據(jù)1#單片要同采集到的數(shù)據(jù)，不斷更新其顯示內(nèi)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(shè)定等都可通過鍵盤輸入并保存起來。也可通過鍵盤設(shè)定密碼，防止別人或誤操作破壞設(shè)定內(nèi)容，鍵入方式應(yīng)設(shè)計成無須看說明書，只要按照LCD顯示上的提示進(jìn)行選擇即可。3#單片機(jī)的主要工作是根據(jù)鍵盤命令或1#單片機(jī)及時采集到的數(shù)據(jù)，發(fā)出控制信號或打印輸出結(jié)果，打印輸出格式可根據(jù)鍵盤命令進(jìn)行選擇。3個單片機(jī)的工作流程框圖分別如圖2、圖3和圖4所示。

　　3個單片機(jī)之間通過串行口，除傳送正常的數(shù)據(jù)、命令外，3者之間還要進(jìn)行互相監(jiān)督(這是I/O擴(kuò)展芯片很難做到的)。

　　①相互之間傳送信息后一定要進(jìn)行印證，也就是發(fā)送者要及時收到接收者的回執(zhí);

　　②3者之間定時互訪，確保相安無事;

　　③每次上電復(fù)位除自檢外，還要互檢。

　　互相監(jiān)督的目的是為提高整個系統(tǒng)的性能，為系統(tǒng)維護(hù)提供方便。1#和3#單片機(jī)上都配有2個發(fā)送二極管，用于監(jiān)測指示另外兩個單片機(jī)工作是否正常。2#單片機(jī)本身有LCD顯示，無需發(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互訪程序流程圖等因比較簡單沒有給出。

　　4 調(diào)試

　　在一個系統(tǒng)中，使用多個單片機(jī)對整個系統(tǒng)調(diào)試確實會帶來一些不便。系統(tǒng)中有多少個單片機(jī)最好就有多少個單片機(jī)開發(fā)裝置，這對調(diào)試是有極大幫助的，因為在調(diào)試中可隨時查看每個單片機(jī)的狀態(tài)，但實際當(dāng)中往往不會有多個，只有1個。

　　每個單片機(jī)的程序基本上是由兩部分組成的，一部分是與其它單片機(jī)沒有任何聯(lián)系的獨立部分，另一部分是單片機(jī)之間相互通信聯(lián)系的部分(這部分程序量較小)。調(diào)試時先把單片機(jī)各自獨立部分調(diào)試出來，這部分對單片機(jī)應(yīng)用人員來說不會有問題。然后調(diào)試單片機(jī)相互之間的串行通信程序，先把相互之間的簡單通信建立起來，相互之間能識別傳遞數(shù)據(jù)后，再逐步把完整的程序一步一步添加進(jìn)去。在設(shè)計、編制程序時要想到如何調(diào)試，這樣在編制程序時就會有意識地程序分成有效的塊，調(diào)試時就可以一塊一塊地調(diào)試。多單片機(jī)調(diào)試方法較多，此是一孔之見。

　　結(jié)語

　　在一個液位監(jiān)控系統(tǒng)中采用多個單片機(jī)是一種嘗試，但它確實簡化了系統(tǒng)設(shè)計，便于分工和多人投入?yún)f(xié)作，也便于產(chǎn)品改進(jìn)更新。其最顯著的效果是縮短了產(chǎn)品的設(shè)計、調(diào)試和生產(chǎn)的周期。