呂猛，段焜，宋陸昊

（江蘇安全技術職業(yè)學院，徐州 221004）

引言

AT89C52在單片機中具備低電壓、高性能的優(yōu)點，但是在使用現(xiàn)有的可靠性評估系統(tǒng)時，經常會出現(xiàn)維護成本過高、數(shù)據(jù)計算的準確性較差等問題，使用此類評估系統(tǒng)對AT89C52單片機的多機通信功能進行評估，則會導致可靠性的計算結果不準確。對于可靠性的評價直接決定了整個系統(tǒng)有效性，因此需要對其進行實時測試，以保證AT89C52單片機在執(zhí)行多機通信功能時可以確保指令能夠被迅速、穩(wěn)定地執(zhí)行，不會因AT89C52單片機自身的問題，導致系統(tǒng)受損，因此需要設計單片機多機通信功能的可靠性評估系統(tǒng)。

文獻[1]主要解決了大功率電子設備中的種種問題，在人工智能技術的作用下，通過硬件與軟件的雙重結構，設計了一個網絡體系總體框架，并在該框架的基礎上，識別電子信號的智能傳輸數(shù)據(jù)，解讀信號數(shù)據(jù)，并自動化輸出硬件指令的加載模式。通過軟件結構將以上步驟連接在一起，實現(xiàn)設備的自動化評估。文獻[2]則是以轉子動力學為基礎，開發(fā)了現(xiàn)代信號技術的處理標準，并結合大數(shù)據(jù)挖掘技術，評估設備運行與維修的標準，使用分布式數(shù)據(jù)采集裝置，建立多機通信的監(jiān)測網絡，在多元信息融合中構建通信頻道的可靠性評估系統(tǒng)。以上兩種系統(tǒng)均是對機械設備的狀態(tài)進行可靠性評估，與本文的系統(tǒng)具備一定的相似性，但是不能直接應用于現(xiàn)有的AT89C52單片機多機通信可靠性評估方式。本文在設計系統(tǒng)時，從軟件與硬件的雙重角度出發(fā)，設計一種可以自動化評估AT89C52單片機當前狀態(tài)的評估監(jiān)測系統(tǒng)。

1 基于AT89C52單片機的多機通信可靠性評估系統(tǒng)硬件設計

1.1 基于AT89C52單片機配置引腳

在AT89C52單片機中，大致有40個引腳和32個外部雙向端口，圖1中的引腳結構為節(jié)選部分。在這些工作系統(tǒng)中，可以選擇非易失性的程序作為數(shù)據(jù)存儲器的主要編程結構。將具備獨立鎖的定位器放置在代碼區(qū)內，完成系統(tǒng)編程的讀寫[3]。設定該單片機的工作電壓為4.5 V左右，上下波動誤差不大于0.3 V。此時其引腳配置如圖1所示。

在圖1所示的引腳中，P1.0-P1.9接口均為8bit的雙開輸入輸出接口，也是數(shù)據(jù)總線的復用地址。當這些引腳作為單片機的輸入接口時，可以在驅動邏輯門上填寫一個高阻抗的輸入端作為外部訪問的傳輸?shù)刂贰．斶@9個引腳作為單片機的輸出接口時，則可以接續(xù)程序指令，在校驗過程中，與外部的電阻相連，并作為高電平的輸出端口，將內部電阻提高到一定的范圍之內[4,5]。而AD0-AD9接口則可以通過振蕩器作為地址存儲裝置，當Flash動畫播出時，編程脈沖會通過特殊功能寄存在AD0的復位器內，并在外部程序的執(zhí)行過程中，提高指令讀取效率。通過這樣的引腳配置，可以在保證安全性的同時，大幅度提高該系統(tǒng)的運行效率。

圖1 單片機引腳配置

1.2 可靠性評估系統(tǒng)電路設計

在基于AT89C52單片機多機通信的可靠性評估系統(tǒng)內，需要將外圍電路與內部的時鐘振蕩裝置相連接，組成一個復位電路作為單片機的主要電路結構[6,7]。多機通信的數(shù)據(jù)接收電路與數(shù)據(jù)發(fā)送電路結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路結構圖

如圖2所示，電容C1與電容C2共同構成了數(shù)據(jù)接收電路的時鐘結構，在電容C3的阻攔下，可以直接通過電源對單片機內部進行復位處理[8]。電容C4與電阻R1則是用于快速恢復低電平的上拉電阻，滑阻Rt作為一個獨立控制功能的控制器，用以控制數(shù)據(jù)發(fā)動的頻率。以上電路設計可以大幅度降低硬件設計的復雜度，并提高系統(tǒng)的運行準確性。

2 多機通信功能可靠性評估系統(tǒng)軟件設計

2.1 建立主從機通信傳輸狀態(tài)轉換模型

多機通信功能通常會涉及主機與分機之間的連接機制，在一個此類系統(tǒng)內，通常具備一個主機與若干個從機，其間會有諸多語音數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及通信數(shù)據(jù)作為指令。在這些指令內，想要評估其可靠性，還需要建立一個通信傳輸?shù)霓D換模型，以判斷數(shù)據(jù)在主從機之間的傳入與輸出單元[9,10]。此時需要設定各任務的狀態(tài)轉換結構，如圖3所示。

如圖3所示，將多機通信的可靠性評估整體分為四個狀態(tài)，分別是休眠狀態(tài)、提前準備狀態(tài)、就緒狀態(tài)、開始運行、任務中斷狀態(tài)。這五個狀態(tài)可以依據(jù)相對應的參數(shù)相互轉換。其中休眠狀態(tài)主要指任務在中央處理器內被終止或由于自身原因停止，導致的無法繼續(xù)接受任務的管理體系。提前準備狀態(tài)指雖然當前狀態(tài)下中央處理器內沒有任何任務指標，但是隨時都可以接收任務，而不是像整體休眠一樣的被迫停止狀態(tài)。就緒狀態(tài)指任務完成的所有前提條件都已經準備就緒，如果按下開始鍵，隨時都可以運行任務，并且已經對多機通信功能的優(yōu)先級排序完畢，不會由于排序問題進入錯誤界面。開始運行狀態(tài)則是已經按下開始鍵，正在完成任務的狀態(tài)，該狀態(tài)的持續(xù)時間是一定的，不會因為操作者自身的影響而發(fā)生變化，其時間單位只因系統(tǒng)自身的算法簡潔性以及多機通信下的并發(fā)數(shù)量而發(fā)生變化[11,12]。任務中斷功能，可以分為兩種情況，其中一種是由于系統(tǒng)錯誤導致的任務被迫停止，另一種則是由于任務運行完畢導致的任務中斷。這兩種任務中斷均表現(xiàn)為一種形態(tài)，即中央處理器內暫時沒有任務排序，也不是被迫休眠的狀態(tài)，與提前準備階段類似，隨時可以繼續(xù)開始系統(tǒng)的運行。

圖3 任務狀態(tài)轉換

2.2 多任務下調度優(yōu)先級排序

在多機通信內，對多任務下的調度優(yōu)先級管理是十分有必要的，可以通過函數(shù)的方式，求解最優(yōu)的調度順序。在數(shù)據(jù)的輸出層內，可以以加權的方式計算神經元的權值參數(shù)：

式中：

f i(p)—神經元的權值參數(shù)；

h ji(n)—權值矩陣內第i行的第j個元素；

d0(p)—神經元的輸入誤差；

km—該網絡的整體評估系數(shù)[13]。

通過權值參數(shù)，計算多任務下的調度優(yōu)先級排序，可以得到函數(shù)為：

式中：

H m(x)—輸出層在多機通信內的調度排序函數(shù)值；

f j2(p)—第j個神經元的權值參數(shù)；

kj—輸出層的整體維度。

此時的自變量與初值需要滿足：

式中：

f(xn+1)至f(x0)均為自變量的不同單位函數(shù)值[14]。在以上對比排序下，可以得到各任務的調度系數(shù)，將多個任務進行排序，從而得到其優(yōu)先級排序。

2.3 設計主機通信可靠性評估算法

在系統(tǒng)內，還需要通過一個整體的算法流程，對以上內容進行總結，并提取出局部最優(yōu)解，作為系統(tǒng)通信的算法結構，本文的可靠性評估算法流程如圖4所示。

如圖4所示，需要依據(jù)參數(shù)與函數(shù)值判定是否需要重置密碼或者更新子機與主機中的數(shù)據(jù)。對于參數(shù)值，可以使用公式（4）計算：

圖4 算法流程

式中：

?wd(k)—參數(shù)值的變化量，即引入局部梯度定義的參數(shù)值；

h(k)—第k個神經元下的權值信號；

m2(k)—激活導數(shù)的輸出值；

ηj i(k)—一個i行j列的權值矩陣[15]。

依據(jù)該公式，可以得到設定與重置密碼的判定依據(jù)，并以此對主機通信的可靠性進行評估，得到一個基于AT89C52單片機多機通信功能的可靠性評估系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試環(huán)境準備

多級通信的可靠性評估系統(tǒng)，需要處理大量的元件參數(shù)，并通過計算對AT89C52單片機的可靠性進行評估。在此過程中，對設備過載安全穩(wěn)定的監(jiān)測是可靠性評估系統(tǒng)的重點。單片機的過載安全穩(wěn)定分析主要為單片機的實際過載參數(shù)判定。在實際狀態(tài)的過載下，可以通過可靠性評估系統(tǒng)將某種與之相對應的實際運行方式作為評估指標，如果此時的單片機多級通信模塊有了較為真實的波動，則系統(tǒng)會將其判定為即將過載。每一個硬件模塊均具備自身的設備負載指標，當過載的指標低于負載標準值時，則會直接判定該單片機的多機通信功能不可靠。當過載的指標高于負載標準值時，數(shù)值越高，則該多機通信功能越可靠。在該系統(tǒng)測試中，設備以及服務器的環(huán)境準備如表1所示。

表1 測試環(huán)境及設備

為判斷本文設計的可靠性評估系統(tǒng)是否更準確，將其與傳統(tǒng)的幾種評估系統(tǒng)對比，結合已知的單片機信息，測試多級通信功能的負載。在以上環(huán)境中，通過并發(fā)數(shù)量的不同，分別得到此條件下的負載值，并得到如圖5所示的實際負載結果。

圖5 實際負載結果

在以上測試環(huán)境下，系統(tǒng)25 s內的資源使用率情況如圖5所示，隨著并發(fā)數(shù)量的增加，資源使用率也在不斷提高。其中，并發(fā)數(shù)為5時，資源使用率的最大值為18.6 %，最小值為0；當并發(fā)數(shù)為10時，資源使用率的最大值為28.1 %；并發(fā)數(shù)為15和20時，最大值為44.8 %和61.5 %。

3.2 不同系統(tǒng)對比測試

依據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)，分別測試依據(jù)人工智能算法、大數(shù)據(jù)挖掘方法以及本文方法所得到的可靠性評估系統(tǒng)，在不同并發(fā)數(shù)量下資源使用率情況。相同并發(fā)數(shù)量以及其他測試環(huán)境下，這三種對比系統(tǒng)所得最大資源使用率越小，則該系統(tǒng)負載可靠性越強，測試結果如圖6所示。

圖6 不同系統(tǒng)測試

不同系統(tǒng)可靠性評估結果如圖6所示。當并發(fā)數(shù)為5時，實際的最大資源使用率為18.6 %，三種系統(tǒng)的最大資源使用率分別為15.2 %、17.6 %、18.3 %，均小于實際負載，可見這三種系統(tǒng)在并發(fā)數(shù)為5時指標均可靠，且文中系統(tǒng)資源使用率在三種對比系統(tǒng)中最小。在并發(fā)數(shù)為10、15、20三種不同的條件下，三種系統(tǒng)的資源使用率均小于實際情況，且文中系統(tǒng)均為最小值?？梢娫谶@四種并發(fā)條件中，該系統(tǒng)多機通信功能的可靠性均強于其他系統(tǒng)。

4 結束語

本文基于AT89C52單片機設計了一種多機通信功能的可靠性評估系統(tǒng)，通過硬件與軟件的綜合設計，求解了該功能的可靠性參數(shù)。并依據(jù)實驗，論證了該系統(tǒng)的有效性與優(yōu)越性，其在不同并發(fā)數(shù)下的資源使用率均小于額定值，且為三種對比系統(tǒng)中的最低值。