張金龍

（四川大學(xué) 四川 成都 610064）

在人機(jī)交互的工業(yè)控制系統(tǒng)中，通信是必不可少的部分，而穩(wěn)定可靠性是通信的基本指標(biāo)。這就要求系統(tǒng)在硬件上具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在軟件運(yùn)行上能夠有效的避免出現(xiàn)死機(jī)等現(xiàn)象。在傳統(tǒng)工控系統(tǒng)中，一般是采用PLC作為控制器，其應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟，具有很高的可靠性和抗干擾能力。但是PLC相對(duì)于普通微控制器來(lái)說(shuō)存在成本高、體積大、實(shí)現(xiàn)功能單一等問(wèn)題。為此，很多設(shè)計(jì)者采用微型控制器進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)工控系統(tǒng)，但是其在惡劣環(huán)境中的可靠性和抗干擾方面相對(duì)要弱，致使其工控系統(tǒng)總體性能較差。

為此，文中采用S3C44BOX作為控制芯片，結(jié)合硬件和軟件兩方面綜合考慮，介紹一種可靠的人機(jī)交互工控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)主要是觸摸屏和主控芯片的通信，觸摸屏能夠正確發(fā)送和接收顯示數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的基本功能。該系統(tǒng)采用日本的proface3000系列的觸摸屏作為人機(jī)界面，通過(guò)S3C44BOX芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和功能控制。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 硬件設(shè)計(jì)

在硬件方面，影響系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的因素有3個(gè)方面：1）干擾源，能夠產(chǎn)生干擾信號(hào)的元件、設(shè)備或信號(hào)，比如雷電、電機(jī)等；2）傳播路徑，從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介，典型的干擾傳播路徑是導(dǎo)線(xiàn)的傳導(dǎo)和空間的輻射；3）敏感器件，容易被干擾的對(duì)象，比如A/D、D/A變換器，通信線(xiàn)路，弱信號(hào)放大器等。

因此，要增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，就必須從抑制干擾源、切斷干擾信號(hào)傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能這3個(gè)方面考慮。以下為該系統(tǒng)的硬件可靠性設(shè)計(jì)方法。

2.1 抑制干擾源

為了給系統(tǒng)提供穩(wěn)定干凈的電源，電源模塊采用安規(guī)電容抑制差/共模干擾，并加入磁環(huán)抑制高頻干擾信號(hào)，提高電源的穩(wěn)定性。

2.2 切斷傳播路徑

1）電源模塊隔離。各個(gè)功能模塊的電源相對(duì)獨(dú)立，也就阻斷了一個(gè)受干擾的模塊會(huì)通過(guò)電源去影響另一個(gè)模塊正常工作的傳播路徑。由系統(tǒng)框圖可知，該系統(tǒng)的內(nèi)部電源模塊和觸摸屏通信電源模塊分開(kāi)獨(dú)立供電，減少各個(gè)模塊之間的干擾。

2）光耦隔離。為減少外部干擾信號(hào)對(duì)控制器的影響，利用光耦對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行隔離，并采用SN74HC245DW驅(qū)動(dòng)/緩沖器芯片在光耦的兩端，以增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力。由于其較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力也降低了光耦對(duì)其外界干擾信號(hào)的敏感性，提高了抗干擾能力。圖2為光耦隔離電路。

3）在該系統(tǒng)中，通信線(xiàn)使用帶屏蔽層的雙絞線(xiàn)，并將其屏蔽層可靠接地。這樣可以有效的阻斷其外部電磁干擾信號(hào)通過(guò)通訊線(xiàn)干擾系統(tǒng)正常的傳播路徑。

2.3 提高線(xiàn)路的抗干擾性能

由于RS-422采用了差模傳輸方式，傳輸速率高達(dá)10 Mb／s，傳輸距離長(zhǎng)2 000 m，綜合抗干擾能力比RS-232優(yōu)越，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)、機(jī)電一體化產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域。因此，該系統(tǒng)采用MAX488CSA芯片將RS-232通信電平轉(zhuǎn)換成RS-422通信電平后再進(jìn)行傳輸。圖3為RS-422電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖2 光耦隔離電路Fig.2 Circuit of optocoupler isolator

圖3 RS-422電路Fig.3 Circuit of RS-422

為提高系統(tǒng)軟件性能，很多軟件開(kāi)發(fā)人員采用一些軟件來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的可靠性，比如使用看門(mén)狗、設(shè)置軟件陷阱等[1-3]，這些措施的采用都具有普適性。針對(duì)于人機(jī)交互系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，頻繁的點(diǎn)擊觸摸屏，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生多次串行通信中斷，而響應(yīng)中斷程序執(zhí)行代碼較長(zhǎng)，如果超出中斷嵌套次數(shù)，則系統(tǒng)會(huì)面臨崩潰的危險(xiǎn)。為解決此問(wèn)題，該系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)中斷響應(yīng)函數(shù)，提供支持多次產(chǎn)生的串行中斷。

3.1 Memory-link協(xié)議

系統(tǒng)通信采用Proface內(nèi)部集成的Memory-link通信協(xié)議，該協(xié)議支持兩種工作方式：ASCII碼兼容方式和擴(kuò)展方式。在兼容方式下，只有寫(xiě)到數(shù)據(jù)區(qū)和讀數(shù)據(jù)區(qū)兩種命令；而在擴(kuò)展方式下，除此之外，還可以執(zhí)行繪圖命令[4]。

該系統(tǒng)采用的是ASCII碼兼容、主從訪(fǎng)問(wèn)方式。其所用通訊命令有以下4條。

1）主機(jī)（單片機(jī)）讀命令，如表1所示。

表1 主機(jī)讀取指令Tab.1 Read by the host instruction

注：讀的數(shù)據(jù)地址占4字節(jié)，例如讀取地址50，其HEX格式為0x0032；

讀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也占4字節(jié)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是以字為單位的 。

2）GP應(yīng)答命令，如表2所示。

表2 GP應(yīng)答指令Tab.2 GP response instruction

3）主機(jī)（單片機(jī)）寫(xiě)命令，如表3所示。

表3 主機(jī)寫(xiě)指令Tab.3 Read by the host instruction

4）GP中斷輸出命令：GP主動(dòng)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到主機(jī)。

3.2 中斷響應(yīng)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

在人機(jī)交互系統(tǒng)的應(yīng)用中，觸摸屏主要有兩大功能：數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)顯示功能只需要單片機(jī)利用Memory-link協(xié)議通過(guò)RS4-22將數(shù)據(jù)寫(xiě)到觸摸屏的邏輯寄存器，觸摸屏就會(huì)立刻顯示；數(shù)據(jù)輸入過(guò)程比較繁瑣，首先觸摸屏接收數(shù)據(jù)輸入，然后給單片機(jī)發(fā)送中斷，單片機(jī)識(shí)別發(fā)送的中斷號(hào)后執(zhí)行響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，將觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并保存起來(lái)。

為解決短時(shí)間內(nèi)，觸摸屏多次發(fā)送輸入中斷產(chǎn)生的隱患，必須使單片機(jī)進(jìn)入中斷后執(zhí)行的時(shí)間足夠短（小于等于人的反應(yīng)與觸摸屏中斷發(fā)送時(shí)間之和）。為此，文中介紹一種中斷程序執(zhí)行足夠小的代碼執(zhí)行結(jié)構(gòu)。圖4為程序流程圖。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of the program

觸摸屏每次發(fā)送串行中斷之后，單片機(jī)進(jìn)入串行中斷，根據(jù)觸摸屏發(fā)送來(lái)的中斷號(hào)，設(shè)定自定義中斷標(biāo)志位并退出中斷等待接收下一次中斷，在無(wú)中斷時(shí)候，程序執(zhí)行相應(yīng)自定中斷標(biāo)志位有效的中斷函數(shù)。

1）中斷函數(shù)部分程序

上述的代碼可見(jiàn)，單片機(jī)進(jìn)入中斷后執(zhí)行的最長(zhǎng)有效的指令超過(guò)10條，單片機(jī)如果用10 M的晶振3倍頻后時(shí)鐘周期為30 M，在根據(jù)ARM最大指令周期估算[4-5]，整個(gè)中斷執(zhí)行時(shí)間不超過(guò)10 μs。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人的正常反應(yīng)時(shí)間0.1 s，保證了單片機(jī)能執(zhí)行在觸摸屏中人的觸摸發(fā)來(lái)的任意多個(gè)連續(xù)的中斷。

2）主函數(shù)部分程序

在主函數(shù)中，通過(guò)查詢(xún)?nèi)肿兞?，進(jìn)入相應(yīng)中斷程序。不把中斷程序放在中斷里，減弱了實(shí)時(shí)性，但是極大的增強(qiáng)了可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

由上述的理論分析和詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)可以看出?；赟3C44BOX與Proface通信系統(tǒng)硬件將結(jié)構(gòu)具有普適性，軟件結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單。硬件采用隔離、差分傳輸、增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)阻斷傳播途徑、減弱敏感元件的敏感性的方式來(lái)提高硬件的抗干擾能力；軟件則采用在中斷置標(biāo)志位的辦法實(shí)現(xiàn)中斷的快速反應(yīng)能力和在主函數(shù)或任務(wù)中通過(guò)判斷標(biāo)志位的方法來(lái)運(yùn)行中斷程序保證了其不會(huì)受到多重中斷的干擾而不能被正常執(zhí)行。實(shí)踐證明，在弧焊機(jī)等強(qiáng)干擾源的干擾下，系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或死機(jī)等現(xiàn)象。

[1]李朝青.單片機(jī)與PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2]喻萍，郭文川.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]楊寧.單片機(jī)與控制技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4]Thuresson M，Spracklen L，Stenstrom P.Memory-link compressionschemes:avaluelocalityperspective[J].Proc.IEEE Transaction.Computer，2008（7）:916-927.

[5]李伯成.嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[6]張大波.嵌入式系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.