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引言 現(xiàn)在許多的系統(tǒng)都采用了多通道Input/Output的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也日趨復(fù)雜、龐大，所以有必要將控制電路單獨(dú)分離出來(lái)。過(guò)去許多系統(tǒng)均采用C51系列單片機(jī)作為控制電路，但其功能有限，電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也不易擴(kuò)展。本文介紹的AVR單片機(jī)由美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)，采用RISC指令集，內(nèi)置RAM及可以擦寫(xiě)數(shù)千次的FLASH，采用哈佛結(jié)構(gòu)，速度較快。ATmega128為此系列中功能最強(qiáng)大的一款，用于設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)能適應(yīng)現(xiàn)時(shí)復(fù)雜系統(tǒng)的要求。 AVR單片機(jī)介紹 ATMEL公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存儲(chǔ)器和數(shù)字集成電路的一流半導(dǎo)體制造公司。AVR單片機(jī)由ATMEL公司開(kāi)發(fā)，是過(guò)去12年里第一個(gè)新發(fā)布的8位RISCMCU，執(zhí)行大多數(shù)指令只需一個(gè)時(shí)鐘周期速度快(8MHzAVR≈200MHzC51)。其32個(gè)通用寄存器直接與ALU相連，消除了運(yùn)算瓶頸;同時(shí)由于C編譯專(zhuān)家的參與，C代碼效率極高;用戶(hù)在享受C語(yǔ)言帶來(lái)的極大便利的同時(shí)無(wú)需擔(dān)心消耗更多的資源。芯片內(nèi)嵌可串行下載或自我編程的FLASH和E2PROM.具有以下功能：電壓檢測(cè)BOD復(fù)位源寄存器看門(mén)狗、PWM、10位A/D、模擬比較器、UART、I2C、SPI、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。具有Idle/Power-Save和Power-Down等低功耗運(yùn)行模式，可電平中斷喚醒PowerDown.同時(shí)具有完整產(chǎn)品線，F(xiàn)LASH從1KB到128KB，E2PROM從64B到4KB，SRAM從128B到4KB，引腳數(shù)從8到64. 其中Atmeg128為AVR系列中的代表性產(chǎn)品之一。相比其它產(chǎn)品，該芯片有以下特性： (1)先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)：133條功能強(qiáng)大的指令，大部分在單時(shí)鐘周期內(nèi)完成，32×8個(gè)通用工作寄存器+外設(shè)控制寄存器，最高可工作在16MHz下，性能可達(dá)16MIPS;片內(nèi)帶有執(zhí)行時(shí)間為2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。 (2)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)：128kB在線可編程Flash存儲(chǔ)器，可反復(fù)擦寫(xiě)1000次;可通過(guò)獨(dú)立的加密位選擇引導(dǎo)程序代碼段，可通過(guò)片內(nèi)引導(dǎo)程序?qū)崿F(xiàn)在線系統(tǒng)編程，寫(xiě)操作時(shí)真正可讀;4kB的EEPROM存儲(chǔ)區(qū)，可反復(fù)擦寫(xiě)100，000次。4kB的片內(nèi)SRAM存儲(chǔ)區(qū)，可外部擴(kuò)展為64kB. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架 硬件系統(tǒng)主要由CPU(AVR單片機(jī))、人機(jī)操作和顯示接口(液晶顯示、鍵盤(pán)、指示燈和蜂鳴器)、通信接口組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示 圖1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖 CPU為核心處理器件，通過(guò)I/O接口方式或A/D總線方式與液晶、顯示鍵盤(pán)、指示燈和蜂鳴器交互，作者實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)版本，分別采用I/O方式和A/D總線方式。通信接口主要用到了UART接口和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)接口。其中UART提供了RS-232和RS-485接口，RS-232提供全雙工單對(duì)單通信同時(shí)，而RS-485以主/從方式與系統(tǒng)的多個(gè)部分通信，可用于多通道的輸入輸出設(shè)備。該芯片本身并不帶網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)擴(kuò)展一個(gè)W3100A連接RT-L8201(L)芯片，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，從而使設(shè)備可以接入LAN，實(shí)現(xiàn)在LAN內(nèi)的遠(yuǎn)程控制管理和監(jiān)控。 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟件體系分為幾個(gè)部分： (1)系統(tǒng)的循環(huán)檢測(cè)部分，用于檢測(cè)各通道的系統(tǒng)設(shè)備工作是否正常，出現(xiàn)異常時(shí)則通過(guò)三色指示燈報(bào)警(綠色代表正常，紅色代表異常，黃色為中間狀態(tài))。 (2)系統(tǒng)的設(shè)置部分，接受用戶(hù)按鍵，用戶(hù)可以在GUI上設(shè)置希望設(shè)置的參數(shù)。 (3)網(wǎng)絡(luò)接口部分，此時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)不參與設(shè)置，主要功能將網(wǎng)絡(luò)部分獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)至各通道。軟件系統(tǒng)的核心部分在于菜單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 本系統(tǒng)采用一種基于節(jié)點(diǎn)編號(hào)的三叉樹(shù)狀菜單的設(shè)計(jì)。將整個(gè)菜單看作一個(gè)菜單樹(shù)，每個(gè)界面對(duì)應(yīng)于樹(shù)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前菜單的上一級(jí)菜單;右節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前菜單的“兄弟”菜單，亦即上級(jí)菜單的其余子菜單。 我們采用對(duì)節(jié)點(diǎn)編號(hào)的方式將整個(gè)菜單樹(shù)串起來(lái)，通過(guò)識(shí)別節(jié)點(diǎn)編號(hào)(ID)就能知道該節(jié)點(diǎn)處于哪一級(jí)菜單，同時(shí)也便于我們將菜單數(shù)初始化。編號(hào)方式：每級(jí)子菜單的編號(hào)為上級(jí)父菜單ID乘以10再加上該級(jí)子菜單在上級(jí)菜單中對(duì)應(yīng)的子項(xiàng)號(hào)(1，2，3.)，我們將根節(jié)點(diǎn)ID編號(hào)為1，則根節(jié)點(diǎn)菜單的子菜單對(duì)應(yīng)的ID分別為11，12，13.ID為11的節(jié)點(diǎn)的下級(jí)菜單ID為：111，112，113.一個(gè)樹(shù)型結(jié)構(gòu)菜單的結(jié)構(gòu)和ID編號(hào)的實(shí)例如圖2所示。 Typedef structmenu{ long ID; / /當(dāng)前菜單ID void ( * disp laymenu) ( long i， unsigned char j) ; / /當(dāng)前菜單對(duì)應(yīng)處理函數(shù)char cur; / /當(dāng)前菜單子項(xiàng)char total; / /子菜單總數(shù)structmenu * up， * down， * right; / /毗鄰子菜單}MENU; 圖2一個(gè)菜單樹(shù)的實(shí)例 對(duì)于用戶(hù)按鍵操作切換不同的菜單時(shí)，我們只需修改一個(gè)指向?qū)?yīng)菜單節(jié)點(diǎn)的全局菜單節(jié)點(diǎn)指針即可。當(dāng)用戶(hù)按下“ESC”鍵時(shí)，菜單指針指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，按下“Enter”鍵時(shí)，則指針指向?qū)?yīng)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。 用于AVR單片機(jī)的RAM空間較小，只有4KB，我們需設(shè)計(jì)一種合理而簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們將菜單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為(C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn))。 圖3 menuselect函數(shù)的流程圖 將菜單分為顯示型菜單和功能性菜單，顯示型菜單項(xiàng)用于切換各級(jí)菜單，功能型菜單則執(zhí)行最底層菜單所對(duì)應(yīng)的操作，total變量為0則表示為功能型菜單，大于0則表示選擇型菜單。通過(guò)菜單的ID，即可以知道當(dāng)前菜單的顯示位置和內(nèi)容，將此信息放在對(duì)應(yīng)的displaymenu函數(shù)中可以節(jié)省數(shù)據(jù)空間，不用對(duì)于功能型菜單建立額外的ID與處理函數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，從而實(shí)現(xiàn)功能型菜單和顯示型菜單的一致性操作。一個(gè)供參考的執(zhí)行函數(shù)可以寫(xiě)作： if(g_pmenu->total>0) { g_pmenu=menuselect(g_pmenu，Key);} else {(g_pmenu->displaymenu)(g_pmenu->ID，g_pmenu->cur);} 其中menuselect函數(shù)用于切換對(duì)應(yīng)的菜單子項(xiàng)，按鍵為“UP”鍵和“DOWN”鍵時(shí)，只需修改g_pmune->cur即可;按下“ENTER”鍵時(shí)，則g_pmenu=g_pmenu->down，再根據(jù)cur值，g_pmenu=g_pmenu->right;按下“ESC”鍵，則g_pmenu=g_pmenu->up. 這種設(shè)計(jì)使得代碼數(shù)據(jù)量變得較小，同時(shí)增強(qiáng)了程序的擴(kuò)展性，需要增加或修改菜單項(xiàng)時(shí)，不論是功能型菜單還是執(zhí)行性菜單，只需要修改對(duì)應(yīng)的菜單結(jié)構(gòu)的數(shù)組即可，而不必修改對(duì)應(yīng)的執(zhí)行代碼。經(jīng)過(guò)這樣的簡(jiǎn)化后，發(fā)現(xiàn)對(duì)于菜單數(shù)較多的多通道輸入/輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)RAM區(qū)還是不夠用。對(duì)于一個(gè)8輸入通道的系統(tǒng)，每個(gè)通道的參數(shù)設(shè)置項(xiàng)可能多達(dá)40項(xiàng)，總菜單節(jié)點(diǎn)大于300個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)占用14B，則整個(gè)菜單節(jié)點(diǎn)所占的RAM已超過(guò)4K，所以這種方式還是需要進(jìn)一步改進(jìn)。 注意到多通道的參數(shù)設(shè)置項(xiàng)完全相同，ID為111，112，。，118的菜單分支完全一樣，ID為121和122的菜單分支也完全相同�？梢远x一種Sibling菜單，從而刪去ID為112～118以及ID為122的菜單節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)(虛線框所示)，其上級(jí)菜單(ID為11和ID為12)的項(xiàng)目中的total值均變?yōu)?.為了區(qū)別不同的通道分支，有兩種實(shí)現(xiàn)辦法： 一種處理方法采用全局變量 增加一個(gè)g_CODER_Channel_Number的全局變量，用于保存當(dāng)前的通道號(hào)。在menuselect函數(shù)中，增加一個(gè)針對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)判斷，當(dāng)ID為11時(shí)，則不修改對(duì)應(yīng)的g_pmenu->cur，而是直接修改變量g_CODER_Channel_Number，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的顯示函數(shù)后，直接根據(jù)g_CODER_Channel_Number判斷通道號(hào)，從而輸出對(duì)應(yīng)的值。這種方法不需要改變系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，但需要針對(duì)不同的系統(tǒng)修改主處理函數(shù)menuselect. 另一種處理方法在菜單結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)MenuSibling結(jié)構(gòu)，定義為 typedef struct _menuSibling{ signedcharcur;signedchartotal;}SIBLING;同時(shí)對(duì)應(yīng)的菜單結(jié)構(gòu)修改為typedefstructmenu{…… SIBLINGSibling;}MENU; 這樣，ID為11的結(jié)構(gòu)項(xiàng)的Sibling.total為8，Sibling.cur為當(dāng)前的子菜單項(xiàng)。判斷到total>0且Sibling.total>0時(shí)，可知其下一級(jí)菜單為SIB2LING菜單，此時(shí)以前需修改cur想的操作則修改Sibling.cur即可。這種設(shè)計(jì)下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加了2B的空間，但是保證的程序的一致性，對(duì)于不同的系統(tǒng)其設(shè)計(jì)基本一致。 以上菜單項(xiàng)的設(shè)計(jì)用于系統(tǒng)設(shè)置部分，當(dāng)退出系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，即進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)檢測(cè)部分。單片機(jī)通過(guò)RS-485接口檢測(cè)各個(gè)通道是否正常，當(dāng)正常時(shí)則顯示為綠燈，出現(xiàn)異常則顯示為紅燈，黃燈為中間狀態(tài)。指示燈的流程參見(jiàn)圖4. 圖4循環(huán)檢測(cè)的指示燈流程 結(jié)束語(yǔ) 按照本文提供的方法優(yōu)化后的設(shè)計(jì)，可以滿足大多數(shù)的多通道輸入/輸出系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的需要，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要在于建立一個(gè)菜單樹(shù)，將對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，再編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處理函數(shù)即可。這種設(shè)計(jì)使得程序的開(kāi)發(fā)、維護(hù)都很容易，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和可移植性。 |
