楊振龍 張 偉 付國家 孫天澳

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

單片機(jī)通用軟件架構(gòu)在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用*

楊振龍 張 偉 付國家 孫天澳

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

常規(guī)的單片機(jī)系統(tǒng)由于靈活性較差、過于復(fù)雜，用戶使用不方便?；谕ㄓ玫能浖軜?gòu)設(shè)計(jì)，用戶可實(shí)現(xiàn)自行設(shè)計(jì)、開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)。介紹了一種單片機(jī)軟件架構(gòu)的基本設(shè)計(jì)思想，闡述了事件的記錄與檢測、類型與產(chǎn)生方式、處理過程、產(chǎn)生實(shí)例、定時(shí)器中斷服務(wù)程序等，并對部分代碼進(jìn)行說明?；谠摷軜?gòu)的單片機(jī)時(shí)序邏輯控制系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性能，同時(shí)降低了程序開發(fā)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)健壯性，縮短了程序開發(fā)周期，使利用單片機(jī)開發(fā)復(fù)雜的控制系統(tǒng)變得相對簡單、輕松。

單片機(jī) 軟件架構(gòu) 數(shù)據(jù)采集

單片機(jī)做為一種輕量級的微機(jī)系統(tǒng)具有廉價(jià)、方便、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用。與PC系統(tǒng)不同，單片機(jī)是一種完全開放的硬件系統(tǒng)，沒有相對固定的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。根據(jù)具體應(yīng)用的不同，用戶需要自主定制系統(tǒng)外設(shè)。這在增加系統(tǒng)靈活性的同時(shí)也使得各種單片機(jī)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)千差萬別，用戶必須針對不同的應(yīng)用重新考慮相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)，無形中增加了系統(tǒng)開發(fā)的難度，加大了開發(fā)周期。

近年來，雖然已經(jīng)開發(fā)出一些相對成熟的單片機(jī)操作系統(tǒng)，例如Keil公司的RTX51等，但應(yīng)用范圍仍然較小，主要與其靈活性及復(fù)雜度有關(guān)。這些操作系統(tǒng)大多過于復(fù)雜，很多支持多任務(wù)等功能，用戶需要花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)和掌握使用技巧。另外操作系統(tǒng)的靈活性有待提高，用戶的編程方式受到了一定程度的限制。

分析認(rèn)為，單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)并不需要一套額外的軟件系統(tǒng)，而是一個(gè)相對靈活、通用的軟件框架和程序開發(fā)準(zhǔn)則?；谠摽蚣芎蜏?zhǔn)則，對于任何單片機(jī)系統(tǒng)，用戶都可以按部就班的進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)、編程。論文介紹了基于此類目的開發(fā)的單片機(jī)軟件架構(gòu)，能適用于大多數(shù)單片機(jī)控制系統(tǒng)。

1 基本設(shè)計(jì)思想

單片機(jī)(如無特殊說明，單片機(jī)均指與Intel C51系列單片機(jī)兼容的CPU)歸根結(jié)底就是一款CPU，確切地說是基于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)(程序存儲(chǔ)執(zhí)行)的CPU。因此，可以模仿CPU的工作方式來設(shè)計(jì)的軟件架構(gòu)。

CPU的工作過程可簡單的描述如下[1-2]：

(1)CPU按順序逐條執(zhí)行程序存儲(chǔ)器中的指令。

(2)在兩條機(jī)器指令之間，CPU執(zhí)行中斷標(biāo)志的檢測。如果檢測到中斷則跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序中執(zhí)行。

(3)中斷處理完畢后，CPU跳轉(zhuǎn)到先前被中斷的指令處繼續(xù)執(zhí)行。

上述過程是CPU最基本的工作過程，略去了有關(guān)步驟更深入的細(xì)節(jié)，因?yàn)槠鋵浖軜?gòu)沒有本質(zhì)影響。

仿照CPU的工作過程，單片機(jī)軟件框架基本結(jié)構(gòu)應(yīng)該是這樣的(基于C語言描述)[3]。

void main()

{

BYTE data e = 0;∥存儲(chǔ)檢測到的事件類型；

init(); onEvtRST();∥初始化系統(tǒng)，產(chǎn)生'RST'通知事件；

while ( 1 ) {

if ( getEvt(&e) ){∥檢測事件；

processEvt(e); delEvt(e);//處理事件，刪除處理完的事件；

}

else{

onIdle();∥無事件需要處理時(shí)，執(zhí)行空閑代碼；

}

}

}

其中變量e用于存儲(chǔ)getEvt()函數(shù)所獲取的當(dāng)前產(chǎn)生的事件類型。這里的“事件”就相當(dāng)于CPU處理過程中的“中斷”。該框架最多支持8類事件，即變量e的每一個(gè)二進(jìn)制位代表了一類事件。為了保證所有產(chǎn)生的事件都被處理而不發(fā)生事件丟失現(xiàn)象，getEvt()函數(shù)以及事件處理函數(shù)processEvt()并不刪除任何事件，因此，在事件處理完后要調(diào)用delEvt()函數(shù)將事件刪除。否則相同的事件就會(huì)不斷地被處理。當(dāng)沒有事件產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)空閑代碼onIdle()去執(zhí)行一些實(shí)時(shí)性要求不高的動(dòng)作。

processEvt()函數(shù)用于處理e中記錄的事件，且每次僅獲取一個(gè)事件(如果有的話)，即每次檢測，變量e中只會(huì)有一位被置為1。onEvtRST()是一個(gè)“軟事件”，相當(dāng)于CPU處理過程中的“軟中斷”，其中可以放置一些通知代碼，以通知上位機(jī)單片機(jī)產(chǎn)生了一次復(fù)位動(dòng)作。

總體上，框架用“函數(shù)調(diào)用”代替了CPU的“機(jī)器指令”，用“事件”代替了CPU的“中斷”，以完全模仿CPU工作過程的方式構(gòu)建整個(gè)單片機(jī)軟件執(zhí)行架構(gòu)。

2 事件的記錄與檢測

框架使用全局變量g_evt記錄系統(tǒng)產(chǎn)生的全部事件，與代碼 1中變量e類型相同，但可以同時(shí)記錄8個(gè)事件。它位于全局存儲(chǔ)區(qū)，便于各事件產(chǎn)生代碼(如中斷服務(wù)程序)并記錄各自產(chǎn)生的事件類型。需要注意的是，同一類型的事件在被處理之前只能被記錄一次。如果一類事件從產(chǎn)生到被處理之前又產(chǎn)生了該類事件，將會(huì)發(fā)生事件丟失現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況說明單片機(jī)的處理速度不夠，即事件產(chǎn)生的頻率過快，應(yīng)提高單片機(jī)的主頻。與事件記錄(存儲(chǔ))及檢測有關(guān)的代碼如下：

volatile BYTE data g_evt = 0;∥全局變量；

#define MAX_EVT 8

#define isEvtOn(e) (0 != (g_evt&(e)) )

#define addEvt(e) (g_evt |= (e) )

#define delEvt(e) (g_evt &= (～(e)) )

#define clrEvt() (g_evt = 0 )

BOOL getEvt(BYTE *p)

{

BYTE data i;

for (*p =1, i= 0; i< MAX_EVT;++i, (*p) <<= 1){

if ( isEvtOn(*p) ){

return TRUE;

}

}

return FALSE;

}

3 事件的類型及產(chǎn)生方式

單片機(jī)系統(tǒng)的事件主要包含以下幾種：

(1)命令事件，即收到的上位機(jī)命令，由串口中斷服務(wù)程序產(chǎn)生的事件。該事件需串口中斷服務(wù)程序應(yīng)接收到完整的命令后才能產(chǎn)生，因此應(yīng)設(shè)置全局命令緩沖區(qū)用于存儲(chǔ)接收到的單個(gè)字符，同時(shí)設(shè)置緩沖區(qū)指針以指示當(dāng)前接收到的字符應(yīng)存放的緩沖區(qū)位置。命令緩沖區(qū)還用于事件處理函數(shù)中判斷當(dāng)前事件是哪個(gè)具體的命令產(chǎn)生的。因此，串口中斷服務(wù)程序中要首先判斷程序當(dāng)前是否正在處理該類事件，即緩沖區(qū)當(dāng)前是否空閑，才能決定是否將收到的字符放入緩沖區(qū)中，否則將干擾函數(shù)對事件的處理。

(2)外部中斷觸發(fā)事件，由單片機(jī)配置的外設(shè)硬件觸發(fā)，由外部中斷服務(wù)程序注冊，由0號定時(shí)器中斷產(chǎn)生。該類事件不直接在中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生，主要是由于該類事件的產(chǎn)生具有很大的隨機(jī)性，可能在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很多個(gè)，如果直接在中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生并處理，可能導(dǎo)致單片機(jī)無法處理其他事件。同時(shí)，該類事件還可能是外設(shè)的誤動(dòng)作如按鍵的抖動(dòng)等。因此，讓定時(shí)器以某一固定的時(shí)間間隔來檢測該類事件比較合適(這有點(diǎn)類似于多任務(wù)系統(tǒng)的時(shí)間片概念)，這樣可以抑制該類事件產(chǎn)生的頻度，還能達(dá)到去抖的目的。

(3)自定義事件，即“軟事件”，是由具體應(yīng)用定義的事件。例如當(dāng)檢測到某一端口電平狀態(tài)(開關(guān)量)時(shí)，或當(dāng)檢測到某一模擬量輸入時(shí)(比如代碼 1中的“RST”事件)，自定義事件直接由軟件在一定條件下通過某種算法產(chǎn)生。

與事件類型及產(chǎn)生有關(guān)的代碼如下：

enum{//事件類型；

EVT_CMD= 0x01,∥00000001，命令事件；

EVT_EX0= 0x02,∥00000010，外部硬件中斷0事件；

EVT_EX1= 0x04,∥00000100，外部硬件中斷1事件；

/*

...∥自定義類型事件。

*/

};

volatile BYTE data g_int = 0;∥全局變量；

#define isIntOn(e) (0 != (g_int&(e)) )

#define addInt(e) (g_int |= (e) )

#define delInt(e) (g_int &= (～(e)) )

#define clrInt() (g_int = 0 )

#define chkInt() ( (g_evt |= g_int), clrInt() )

全局變量g_int用于存儲(chǔ)當(dāng)前產(chǎn)生的中斷類型，含義與g_evt類似。在外部硬件中斷服務(wù)程序中調(diào)用addInt()向g_int中添加(注冊)中斷，在0號定時(shí)器中斷服務(wù)程序中調(diào)用chkInt()檢測產(chǎn)生的中斷并同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的事件，最后清除注冊的中斷(調(diào)用clrInt())。

各類事件均有其特定的產(chǎn)生機(jī)制，一般與具體應(yīng)用有關(guān)。命令事件是指上位機(jī)發(fā)送給下位機(jī)的命令。大多數(shù)情況下單片機(jī)通過串口(UART)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，命令事件在串口中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生。這類事件實(shí)時(shí)性要求較高且不存在誤觸發(fā)及“抖動(dòng)”問題，可直接在中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生。在此僅給出較有代表性的命令事件的產(chǎn)生過程以供參考，具體代碼如下：

#define INT_COM0 4 /*串口中斷的中斷號*/

#define CMD_SIZE 32 /*命令的最大長度*/

char data g_cmd[CMD_SIZE] = {0};∥命令緩沖區(qū)，全局變量；

void isrCOM0 ()interrupt INT_COM0

{

if ( RI0 ){∥處理“讀”中斷；

static int data pos = 0;∥命令緩沖區(qū)指針；

const char data ch = SBUF0;∥讀串口；

if ( !isEvtOn(EVT_CMD) ){∥確保程序當(dāng)前未在處理該類事件；

if ( (pos >= CMD_SIZE)||('?' == ch)||('=' == ch) ){

pos = 0;

}

g_cmd[pos++]= ch;∥將字符存入命令緩沖區(qū)；

if ( ';' == ch ){∥';'表示接收到一個(gè)有效的命令；

g_cmd[pos]= '/0';∥構(gòu)造C格式的字符串；

pos = 0;∥復(fù)位緩沖區(qū)指針；

addEvt(EVT_CMD);∥產(chǎn)生事件；

}

}

RI0 = 0;∥清除硬件中斷標(biāo)志；

}

else{∥處理“寫”中斷；

TI0 = 0;∥清除硬件中斷標(biāo)志；

}

}

該事件中命令使用ASCII字符進(jìn)行編碼，所有命令均以“?”或“=”開頭，以“;”結(jié)尾。因此，中斷服務(wù)程序中，每次檢測到“;”字符即可確定當(dāng)前收到了一個(gè)完整的命令，從而產(chǎn)生命令事件。在命令事件處理程序(onEvtCMD())中通過對全局命令緩沖區(qū)g_cmd中的內(nèi)容進(jìn)行字符串比對即可判斷具體的命令類型。

4 事件處理過程

事件處理函數(shù)的定價(jià)代碼如下：

void processEvt(BYTE e)

{

switch ( e ){

case EVT_CMD:onEvtCMD();break;∥命令事件；

case EVT_EX0:onEvtEX0();break;∥外部硬件中斷0事件；

case EVT_EX1:onEvtEX1();break;∥外部硬件中斷1事件；

/*

…∥自定義類型事件。

*/

default: break;

}

}

其中以“onEvt”開頭的函數(shù)為對應(yīng)某一特定事件的處理函數(shù)，代碼與具體應(yīng)用有關(guān)。

5 定時(shí)器中斷服務(wù)程序

單片機(jī)程序應(yīng)充分利用0號定時(shí)器中斷將CPU時(shí)間進(jìn)行“分片”，以控制程序的執(zhí)行步調(diào)，避免發(fā)生“阻塞”現(xiàn)象，如前面提到的“外部中斷事件”的處理頻度等問題。

選擇0號定時(shí)器中斷的理由有兩個(gè)：①幾乎所有的C51單片機(jī)硬件都默認(rèn)配置有該定時(shí)器硬件；②0號定時(shí)器中斷的優(yōu)先級較高，一般不會(huì)被其他中斷干擾。針對某一特定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)將定時(shí)器中斷配置成某一最小定時(shí)周期(稱其為系統(tǒng)“滴答”周期)，例如1微秒或1毫秒等，然后通過在定時(shí)器中斷內(nèi)部對中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的方式達(dá)到任意定時(shí)時(shí)長的目的。

對外部中斷類事件進(jìn)行定時(shí)檢測的定時(shí)器中斷服務(wù)程序某一實(shí)例代碼如下：

#define INT_T0 1/*0號定時(shí)器中斷號*/

#define TN_EVENT ((WORD)(0.025*TF) )//25ms

void isrT0 ()interrupt INT_T0

{

static WORD data iEvent= 0;

if ((++iEvent) >= TN_EVENT){

chkInt();

iEvent = 0;

}

}

其TF為定時(shí)器中斷的產(chǎn)生頻率，即每秒中發(fā)生中斷的次數(shù)，即系統(tǒng)“滴答”的頻率。對于具體的應(yīng)用，TF應(yīng)視實(shí)際情況在系統(tǒng)初始化時(shí)對定時(shí)器進(jìn)行配置。

6 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用該框架，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原理見圖1[4]。

圖1 某款數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖

該系統(tǒng)是一個(gè)相對復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用系統(tǒng)，涉及較多的外部信號采集、處理，包括模擬量輸入和輸出、數(shù)字量(開關(guān)量，脈沖計(jì)數(shù)等)輸入和輸出、硬件觸發(fā)中斷輸入、數(shù)字通訊等諸多信號輸入、輸出處理[5]，如果不對單片機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)以選擇合理的軟件架構(gòu)，將很難應(yīng)付錯(cuò)綜復(fù)雜的程序流程。

7 結(jié) 論

基于靈活、通用的軟件開發(fā)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)該軟件架構(gòu)，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化、流程化，降低開發(fā)的復(fù)雜程度，使開發(fā)人員可以將主要精力集中于系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)方面而不必在軟件實(shí)現(xiàn)方面花費(fèi)過多的精力。該架構(gòu)可在保證功能實(shí)現(xiàn)的前提下，大大縮短單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)周期，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性也得到了很大的提高。隨著工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的不斷深化，該軟件架構(gòu)將在單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 王克義，魯守智，蔡建新.微機(jī)原理與接口技術(shù)教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2004.

[2] Lan McLoughlin.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：嵌入式方法[M].王 沁，齊 悅譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3] 徐愛鈞，徐 陽.Keil C51單片機(jī)高級語言應(yīng)用編程與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[4] 程國鋼，陳躍琴，崔荔蒙.51單片機(jī)典型模塊開發(fā)查詢手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5] 胡曉軍.數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

2015-11-23)

*國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ240121)。

楊振龍(1976—)，男，工程師，118000 遼寧省丹東市振興區(qū)濱江中路136號。