第九章應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)9.1系統(tǒng)設(shè)計原則

9.2應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例

9.3可靠性及測試

思考練習(xí)題

9.1系統(tǒng)設(shè)計原則

9.1.1基本要求

對于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基本要求如下：

(1)可靠性要高。可靠性高，是測控系統(tǒng)設(shè)計最重要的一個基本要求，這是因為一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將造成整個生產(chǎn)過程的混亂，引起嚴(yán)重后果。

(2)系統(tǒng)操作性能要好。操作性能的好壞包括兩個含義：使用是否靈活、方便，維修是否容易。這個要求對微機(jī)測控系統(tǒng)來說是很重要的，硬件和軟件設(shè)計時都要考慮這個問題。當(dāng)設(shè)計軟件系統(tǒng)時，不但要考慮滿足功能要求，還要考慮為操作人員提供良好、簡單實用的操作方式，減少對操作人員專業(yè)知識的要求。最好配置查錯程序或診斷程序，并能提供診斷結(jié)果。硬件方面，零部件的配置和布局應(yīng)便于操作人員的檢查和維修。

(3)通用性好，便于擴(kuò)充。一個單片機(jī)測控系統(tǒng)，一般可以檢測和控制多個設(shè)備和不同的過程參數(shù)，但各個設(shè)備和控制對象的要求是不同的，而且隨著進(jìn)一步的發(fā)展，控制設(shè)備可能要更新，控制對象也有增減。設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)考慮使其適應(yīng)各種不同設(shè)備和各種不同控制對象，使系統(tǒng)不必作重大改動就能很快應(yīng)用于新的控制對象。這就要求系統(tǒng)的通用性好，能靈活地進(jìn)行擴(kuò)充。要使測控系統(tǒng)達(dá)到這樣的要求，設(shè)計時必須使系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化，并盡可能采用通用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總線(如S-100、STD、base總線等)，以便在需要擴(kuò)充時，只要增加插件板就能實現(xiàn)。接口部件最好采用通用的LSI接口芯片，在速度允許的情況下，盡可能把接口硬件部分的操作功能用軟件來實現(xiàn)，以減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

進(jìn)行測控系統(tǒng)的設(shè)計時，各設(shè)計指標(biāo)應(yīng)留有一定的余量，這樣也便于系統(tǒng)的擴(kuò)充。如CPU的工作速度、電源功率、內(nèi)存容量、輸入輸出通道等指標(biāo)，均應(yīng)留有一定余量。

(4)設(shè)計周期要短，價格要便宜。單片機(jī)測控技術(shù)發(fā)展迅速，各種新技術(shù)和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，在滿足精度、速度和其它性能要求的前提下，應(yīng)縮短設(shè)計周期并盡可能采用價格低的元器件，以降低整個測控系統(tǒng)的費(fèi)用。

上述幾點(diǎn)是設(shè)計單片機(jī)測控系統(tǒng)時應(yīng)考慮的基本要求，其它如精度、速度、體積、重量及監(jiān)視手段等，對不同的系統(tǒng)均有特定的要求，也必須予以足夠的重視。9.1.2設(shè)計特點(diǎn)

設(shè)計人員必須把系統(tǒng)要執(zhí)行的任務(wù)和應(yīng)具備的功能合理地分配給硬件和軟件來實現(xiàn)，既要考慮到系統(tǒng)的價格，又要考慮到系統(tǒng)滿足實時性要求的工作速度，做到硬件、軟件合理權(quán)衡，并盡量節(jié)省機(jī)器時間和內(nèi)存空間。

硬件設(shè)計主要采用大規(guī)模集成電路，這不但使組件減少，而且對設(shè)計人員所需要的電子線路技術(shù)要求較低。由于控制對象不同和外圍設(shè)備各異，輸入輸出接口設(shè)計和輸入輸出控制程序的設(shè)計，是整個測控系統(tǒng)設(shè)計中很重要的一環(huán)。各種微處理器都有大量可供選擇的通用和專用接口組件，恰當(dāng)?shù)剡x擇它們也是十分重要的。在進(jìn)行軟件設(shè)計時，可以借用計算機(jī)廠家提供的系統(tǒng)和監(jiān)控程序，或選用合適的嵌入式操作系統(tǒng)，其關(guān)鍵是設(shè)計應(yīng)用程序。當(dāng)然也可根據(jù)控制對象和系統(tǒng)的具體要求，選擇恰當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄗ跃帉Ｓ帽O(jiān)控程序、診斷程序和控制程序等。

由于采用單片機(jī)設(shè)計測控系統(tǒng)資源有限，一般只有簡單的控制面板，故所編寫的控制程序或應(yīng)用程序難以在自身系統(tǒng)下調(diào)試，這時往往需要借助于微機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。9.1.3單片機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟

單片機(jī)測控系統(tǒng)雖然隨檢測和控制對象、設(shè)備種類、控制方式、規(guī)模大小等而有所差異，但系統(tǒng)設(shè)計、基本內(nèi)容和主要步驟是大體相同的。

在設(shè)計單片機(jī)測控系統(tǒng)之前，設(shè)計人員首先應(yīng)該考慮使用單片機(jī)的必要性，應(yīng)在對系統(tǒng)性能的改善程度、成本、可靠性、可維護(hù)性以及應(yīng)用單片機(jī)前后的經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行綜合考核，然后決定是否采用單片機(jī)測控。

1．確定檢測和控制任務(wù)

在進(jìn)行設(shè)計之前，必須對控制對象的工作過程進(jìn)行深入的調(diào)查、分析，熟悉其工藝流程，然后才能根據(jù)實際應(yīng)用中的問題提出具體的要求，確定系統(tǒng)所要完成的任務(wù)，提出合適的算法，用時序圖和控制流程圖來描述控制過程和控制任務(wù)，編寫設(shè)計任務(wù)說明書，作為整個測控系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。

2．選擇微處理器和外圍設(shè)備

在設(shè)計任務(wù)確定之后，應(yīng)對系統(tǒng)所需要的硬件作出初步的估計和選擇，這是單片機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計的一個特點(diǎn)。構(gòu)成單片機(jī)測控系統(tǒng)的主要功能部件都是大規(guī)模集成電路組件，設(shè)計人員需要根據(jù)控制任務(wù)和要求進(jìn)行估計和選擇。微處理器是整個控制系統(tǒng)的核心，它的選擇將對整個系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響，一般應(yīng)從以下幾個方面考慮其是否符合控制系統(tǒng)的要求：

(1)字長。和一般計算機(jī)一樣，微處理器字長會直接影響數(shù)據(jù)的精度、指令的數(shù)目、尋址能力和執(zhí)行操作時間。一般來說，字長越長，對數(shù)據(jù)處理越有利，但從減少輔助電路的復(fù)雜性和降低成本的角度考慮，字長短些為宜。因此，應(yīng)根據(jù)不同對象和不同要求，恰當(dāng)選擇字長。在過程控制領(lǐng)域中，選擇8位或16位字長的微處理器就能達(dá)到一般的控制要求。

(2)尋址范圍和尋址方式。微處理器地址碼長度反映了它可尋址的范圍。尋址范圍表示系統(tǒng)中可存放的程序和數(shù)據(jù)量，用戶應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇在尋址范圍之內(nèi)的合理的存儲容量。微處理器的尋址方式一般有直接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、相對尋址等。選擇恰當(dāng)?shù)膶ぶ贩绞剑瑫钩绦蜷L度大大減少，效率提高。

(3)指令種類和數(shù)量。一般來說，微處理器的指令條數(shù)越多，針對特定操作的指令也必然增多，可使運(yùn)算速度加快，編程靈活方便，程序長度減少。字長較短的微處理器，通常指令條數(shù)也會少一些。

(4)內(nèi)部存儲器的種類和數(shù)量。微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是關(guān)系到系統(tǒng)性能的重要因素，常見的8位微處理器一般都包含有通用寄存器組、程序計數(shù)器、堆棧指針、累加器、程序狀態(tài)字寄存器和內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器等。

(5)微處理器的速度。微處理器的速度應(yīng)該與被控制對象的要求相適應(yīng)，過高會給系統(tǒng)的安裝、調(diào)試帶來不必要的麻煩。

(6)中斷處理能力。在單片機(jī)測控系統(tǒng)中，中斷處理往往是一種主要的輸入輸出方式。微處理器的中斷處理能力往往涉及到整個系統(tǒng)實時控制的能力以及硬件和應(yīng)用程序的

布局。

除上述6個方面外，微處理器的LSI外圍電路的配套情況、器件的來源及軟件的運(yùn)行情況等也是設(shè)計人員必須考慮的因素。

3．確定控制算法

工業(yè)生產(chǎn)中單片機(jī)測控系統(tǒng)的控制效果受控制對象數(shù)學(xué)模型的影響很大，要正確描述各控制量與各輸出量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，最常用的是數(shù)字PID控制算法及其改進(jìn)形式。此外還有離散域內(nèi)數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法、模糊控制算法等，要根據(jù)控制對象的不同特性和要求恰當(dāng)?shù)剡x擇系統(tǒng)所用的算法。

4．系統(tǒng)總體方案設(shè)計

在選定微處理器，明確控制任務(wù)以及確定控制算法以后，就可以確定系統(tǒng)的整體設(shè)計方案了。這時，一般需要考慮以下因素：

(1)估計內(nèi)存容量，進(jìn)行內(nèi)存分配。

(2)過程通道和中斷處理方式的確定。

(3)系統(tǒng)總線的選擇。

5．硬件和軟件的具體設(shè)計

在具體設(shè)計階段，必須認(rèn)真考慮和反復(fù)權(quán)衡硬件和軟件的分工及比例，這是因為軟件和硬件具有一定的互換性，有些用硬件完成的功能用軟件也能實現(xiàn)，多用硬件完成一些功能可以改善性能，加快工作速度，但增加了硬件成本，而且升級、修改不方便。若用軟件代替硬件功能，可減少元器件數(shù)目，升級容易，但系統(tǒng)工作速度要相應(yīng)降低，因此在設(shè)計一個新的單片機(jī)控制系統(tǒng)時，必須在硬件和軟件之間進(jìn)行權(quán)衡。 9.2應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例

本例以80C552單片機(jī)代替常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器，構(gòu)成具有數(shù)字PID控制功能的通用控制系統(tǒng)。為了簡便，以溫度控制為背景，說明系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計和使用效果。

9.2.1設(shè)計任務(wù)與要求

設(shè)計一個用單片機(jī)80C552實現(xiàn)的通用溫度控制器。其技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)控制溫度可設(shè)定，范圍為100～200℃。

(2)精度為?±1℃。

(3)實時顯示被測溫度。

(4)故障報警。

(5)具有和主機(jī)通信的接口。為了便于用戶根據(jù)不同的實際需要對工作方式及其它參數(shù)組態(tài)進(jìn)行修改，要求所有的參數(shù)及組態(tài)狀況均可通過面板的幾個操作鍵輸入、檢查、修改，并可在斷電情況下使參數(shù)保存半年。

為了便于與上級計算機(jī)構(gòu)成兩級控制系統(tǒng)，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中還加入了通信功能。采用RS-232接口，通信速率為1200、2400、4800和9600波特/秒等4種波特率，用戶可以通過鍵盤按需要選擇。系統(tǒng)的測量值和所有設(shè)定參數(shù)均由LED數(shù)碼管直接顯示，讀數(shù)清晰、直觀。控制器的結(jié)構(gòu)如圖9-1所示，系統(tǒng)選擇偏差控制方式。圖9-1控制器結(jié)構(gòu)9.2.2硬件設(shè)計方案

通用控制器的硬件設(shè)計方案如下：

(1)?8組電熱絲均勻分布在爐內(nèi)對爐子分段加熱，可獲得較長的恒溫區(qū)。

(2)用8個鉑電阻作為爐內(nèi)8個點(diǎn)的溫度傳感器，實現(xiàn)8段各自的溫度測量和控制。

(3)用4位七段顯示器顯示參數(shù)。

(4)采用4×4按鍵矩陣作為輸入鍵盤。其中，0～9為數(shù)字鍵，用于輸入?yún)?shù)；10～14為功能鍵(選擇、設(shè)定、顯示、運(yùn)行、停機(jī))，15號鍵備用。按選擇鍵使顯示器高位呈0～7循環(huán)計數(shù)狀態(tài)，用于指出對哪一路溫度參數(shù)設(shè)定或顯示。按設(shè)定鍵將顯示器低3位顯示的內(nèi)容寫入高位指出的參數(shù)緩沖器中。按顯示鍵使高位顯示器指出的對應(yīng)路溫度參數(shù)顯示在顯示器低3位。按運(yùn)行鍵使控制器由準(zhǔn)備狀態(tài)轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)。按停機(jī)鍵使控制器由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)中只識別停機(jī)鍵、選擇鍵和顯示鍵。選擇鍵和顯示鍵控制顯示器顯示各點(diǎn)爐內(nèi)溫度，一般無鍵入時顯示器以5秒間隔依次循環(huán)顯示爐內(nèi)各點(diǎn)溫度。

(5)選用80C552單片機(jī)。

9.2.3硬件線路原理

應(yīng)用80C552組成的通用控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖9-2所示，這是一個80C552應(yīng)用系統(tǒng)。圖9-2硬件結(jié)構(gòu)示意圖

(1)?80C552外接一片27648?KBEPROM程序存儲器。

(2)?P1.2～P1.5作為鍵掃描輸出線，P3.2～P3.5作為鍵掃描輸入線。

(3)用8個鉑電阻分別組成8個電橋，電橋輸出信號經(jīng)放大器放大為0～5?V，信號輸入到80C552的ADC0～ADC7，由軟件控制對這8路模擬量巡回采樣。

(4)由P4.0～P4.7、PWM0、PWM1輸出控制8組電熱絲對電爐的加熱。

(5)?P1.1在溫度失控時或故障復(fù)位時產(chǎn)生脈沖，使揚(yáng)聲器輸出報警信號。

(6)?P1.6和P1.7作為I2C總線串行口，接SAA1064驅(qū)動4位七段顯示器。控制器面板上安排8個鍵，其功能如下：

*——設(shè)定有效鍵，表示設(shè)定或修改的參數(shù)值有效。

＞——光標(biāo)移動鍵，每按一次，參數(shù)顯示LED的光標(biāo)移動一位，并在這位閃爍。

∧——加1鍵，每按一次，光標(biāo)位置上的數(shù)字加l，有進(jìn)位功能。

∨——減l鍵，每按一次，光標(biāo)位置上的數(shù)字減1，有借位功能。

A/M——手動/自動選擇鍵，按此鍵M燈亮，表示控制器處于手動狀態(tài)；再按此鍵M燈滅，表示正處于PID控制狀態(tài)。

SEL——通道選擇鍵，按此鍵，可選擇當(dāng)前顯示的值是回路1還是回路2的，同時單位指示燈點(diǎn)亮對應(yīng)的回路燈。

CAS——未用。

PAR——參數(shù)鍵，連續(xù)按此鍵，可循環(huán)顯示各類參數(shù)，包括設(shè)定值，報警組態(tài)和報警上、下限，P、I、D參數(shù)，輸出百分比，小數(shù)點(diǎn)位置，通信狀態(tài)，波特率，控制器編號等。此時結(jié)合移動鍵和增減鍵，可對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改。每個參數(shù)都由一個提示符表示。考慮到工業(yè)控制現(xiàn)場的各種干擾較大，系統(tǒng)采用以下方式抑制常態(tài)與共態(tài)干擾：

(1)用阻容濾波網(wǎng)絡(luò)來除去常態(tài)高頻干擾，同時在程序里還加入數(shù)字濾波程序。

(2)利用光電耦合器把各種模擬負(fù)載與數(shù)字信息源隔離開來，也就是把模擬地和數(shù)字地斷開，使共模信號由于構(gòu)成回路而受到抑制。

(3)選用共模抑制比高的運(yùn)算放大器。9.2.4軟件設(shè)計思想

整個應(yīng)用程序包括管理程序和控制程序兩部分。管理程序?qū)︼@示LED進(jìn)行動態(tài)刷新，控制指示燈，處理鍵盤的掃描和響應(yīng)，進(jìn)行掉電保護(hù)處理，執(zhí)行中斷服務(wù)操作等。控制程序?qū)Ρ豢貙ο筮M(jìn)行采樣、數(shù)據(jù)處理，根據(jù)控制算式進(jìn)行計算和輸出等。由于整個系統(tǒng)軟件較大，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，即整個控制軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，原則是模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散，按功能形成模塊化結(jié)構(gòu)。主控程序主要包括條件判斷和子程序調(diào)用等部分。本控制器采用順序程序設(shè)計方法，監(jiān)控程序由主程序和定時器T0等6個中斷服務(wù)程序組成。

對應(yīng)于烘爐的工作和空閑狀態(tài)，控制器也設(shè)為運(yùn)行和服務(wù)2個狀態(tài)。

在準(zhǔn)備狀態(tài)中完成對爐內(nèi)8個點(diǎn)溫度的設(shè)定和檢查，同時使8組電熱器處于斷電狀態(tài)，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，除定時器T0以外禁止所有的中斷。

控制器處于運(yùn)行狀態(tài)時，定時啟動A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)A/D采樣值和設(shè)定值，基于PID算法，調(diào)整各組電熱器可控硅的導(dǎo)通角，使?fàn)t內(nèi)各點(diǎn)溫度達(dá)到規(guī)定指標(biāo)。9.2.5軟件模塊和功能

1．主程序

(1)根據(jù)標(biāo)志觸發(fā)器狀態(tài)區(qū)分正常復(fù)位(上電或開關(guān)復(fù)位)和故障復(fù)位，作不同的初始化處理并進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)。

(2)根據(jù)軟件標(biāo)志從緩沖器中讀出輸入的鍵命令或數(shù)據(jù)并作相應(yīng)處理。

(3)根據(jù)軟件標(biāo)志從緩沖器中讀A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，通過PID算法計算相應(yīng)可控硅的導(dǎo)通角。

(4)根據(jù)軟件標(biāo)志對監(jiān)視定時器T3裝入常數(shù)。

(5)根據(jù)軟件標(biāo)志啟動接口更新顯示器。這里的軟件標(biāo)志是主程序和中斷服務(wù)程序的通信標(biāo)志，中斷程序請求主程序作某種處理時置位，主程序查詢到該標(biāo)志時將它清0并完成指定的工作。

2．T0中斷服務(wù)程序

T0為高優(yōu)先級中斷，產(chǎn)生10?ms定時。T0中斷服務(wù)程序完成如下功能：

(1)定時掃描鍵盤，若有有效的輸入鍵則將鍵號寫入緩沖器，并置位標(biāo)志通知主程序處理。

(2)定時啟動A/D新的一輪采樣，定時時間由軟件計數(shù)器控制。

(3)定時置位標(biāo)志通知主程序?qū)3裝入常數(shù)，定時時間由軟件計數(shù)器控制。

(4)運(yùn)行狀態(tài)中定時置位標(biāo)志通知主程序啟動接口，更新顯示內(nèi)容(0～7路溫度循環(huán)顯示，間隔5秒)。

3．CM0中斷服務(wù)程序

根據(jù)當(dāng)前P4.0～P4.7輸出狀態(tài)和軟件計數(shù)值禁止或允許P4.0～P4.7在下次CM0和T2匹配時置位，軟件計數(shù)初值由當(dāng)前輸出占空比數(shù)值確定。

4．CM1中斷服務(wù)程序

根據(jù)當(dāng)前P4.0～P4.7輸出狀態(tài)和軟件計數(shù)值禁止或允許P4.0～P4.7在下次CM1和T2匹配時清0，軟件計數(shù)器初值由當(dāng)前輸出占空比數(shù)值確定。

5．A/D中斷服務(wù)程序

讀A/D結(jié)果寫入緩沖器，若不是最后一路則啟動A/D采樣下一路，否則本輪采樣結(jié)束，置位標(biāo)志通知主程序?qū)?shù)據(jù)處理。

6．I2C中斷服務(wù)程序

將主程序準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為段數(shù)據(jù)串行輸出到SAA1064。下面我們列出中斷服務(wù)程序清單，因為SAA1064是輸出口，所以只有主發(fā)送方式。

9.3可靠性及測試

9.3.1可靠性

為提高單片機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，目前常采用雙機(jī)系統(tǒng)或集散控制系統(tǒng)。

1．雙機(jī)系統(tǒng)

雙機(jī)系統(tǒng)用兩個單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心控制器，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。雙機(jī)控制系統(tǒng)中，兩個單片機(jī)的工作方式一般有如下三種：

(1)備份工作方式。一個單片機(jī)投入系統(tǒng)運(yùn)行，另一個雖然也處于運(yùn)行狀態(tài)，但脫離控制系統(tǒng)，只作為系統(tǒng)的備用機(jī)。當(dāng)投入運(yùn)行的單片機(jī)出現(xiàn)故障時，專用程序切換裝置便自動地把備用機(jī)接入控制系統(tǒng)，故障排除后的單片機(jī)系統(tǒng)則作為備用機(jī)。這樣，控制系統(tǒng)不會因單片機(jī)故障而影響正常工作。

(2)主從工作方式。兩個單片機(jī)同時投入系統(tǒng)運(yùn)行，在正常情況下，分別執(zhí)行不同的任務(wù)，其中一個承擔(dān)整個系統(tǒng)的主要控制任務(wù)(稱為主機(jī))，另一個則執(zhí)行一般的數(shù)據(jù)處理任務(wù)或部分設(shè)備的控制任務(wù)(稱為從屬機(jī))。當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時，自動脫離系統(tǒng)，而讓從屬機(jī)承擔(dān)起系統(tǒng)所有的控制任務(wù)，以保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(3)雙工工作方式。這種工作方式中，兩個主機(jī)同時投入系統(tǒng)運(yùn)行，在任何一個時刻都同步執(zhí)行同一個任務(wù)，并把結(jié)果送到一個專門的裝置進(jìn)行核對。如果兩個單片機(jī)輸出結(jié)果相符合，說明兩個主機(jī)都處于正常工作狀態(tài)，可以把核對后的結(jié)果輸出到被控對象或設(shè)備。如果核對結(jié)果不符合，說明一個機(jī)器工作出錯，這時就封鎖輸出，同時通知兩個主機(jī)對前一步進(jìn)行重復(fù)處理，然后對結(jié)果進(jìn)行再核對，以排除隨機(jī)故障。若經(jīng)幾次核對后結(jié)果仍然不相符，則說明其中有一臺主機(jī)發(fā)生故障，此時必須通過一定的診斷程序把已發(fā)生了故障的單片機(jī)從控制系統(tǒng)中切換下來，而讓另一臺主機(jī)繼續(xù)執(zhí)行控制任務(wù)。

2．集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)采用分級分布式控制，它用多臺以微處理器為核心的基本控制器分別控制各個被控對象，上一級計算機(jī)則進(jìn)行監(jiān)督和管理。這種分散控制系統(tǒng)可使故障對整個系統(tǒng)的影響減至最少，也就是說，如果其中某一臺基本控制器出現(xiàn)故障，其影響是局部的，它的控制任務(wù)可以由上級機(jī)來承擔(dān)；如果上級機(jī)出現(xiàn)故障，則基本控制器仍然可以獨(dú)立維持對被控對象的控制，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。集散系統(tǒng)是當(dāng)前微機(jī)過程控制的重要發(fā)展方向。

當(dāng)然，在系統(tǒng)開發(fā)過程中，為提高可靠性，可以采用工業(yè)級的元器件，軟件也要使用“看門狗”等多種方式來提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)健性。9.3.2系統(tǒng)的測試

在完成了目標(biāo)樣機(jī)的組裝和軟件設(shè)計以后，便進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段。這個階段的任務(wù)是排除樣機(jī)中的硬件故障和修正軟件設(shè)計中的錯誤，并解決硬件和軟件不協(xié)調(diào)問題。

1．常見硬件故障分析

(1)邏輯錯誤：由加工過程中的工藝性錯誤所造成，這類錯誤包括錯線、開路、短路，其中短路是常見也是最難以排除的故障。單片機(jī)系統(tǒng)往往要求體積小，印制電路板的布線密度很高，由于工藝原因，經(jīng)常造成引線之間的短路。開路常常是由金屬孔不好或接插件接觸不良造成的。例如，我們在印制電路板上測試正反兩面應(yīng)為等電壓的兩點(diǎn)時，發(fā)現(xiàn)該兩點(diǎn)存在電壓差值，進(jìn)一步檢查，才發(fā)現(xiàn)是正反面地線間的金屬孔不通，從而造成一面地線虛地。

(2)元器件失效：元器件失效的原因一是由于元器件本身損壞或性能差，諸如電容、電阻的型號參數(shù)不合格等；二是組裝錯誤造成的元器件失效，諸如電容、二極管、三極管極性錯誤，集成塊安裝方向錯誤等。

2．硬件的調(diào)試

單片機(jī)系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能完全分開的。許多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和糾正的，但通常應(yīng)先排除明顯的硬件故障，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試。

(1)靜態(tài)調(diào)試。首先，在樣機(jī)上電之前，選用萬用表等工具，根據(jù)硬件邏輯設(shè)計圖仔細(xì)檢查樣機(jī)線路的正確性，核對元器件型號，檢查其安裝是否符合要求，應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源的短路和極性的錯誤，并重點(diǎn)檢查系統(tǒng)總線(地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線)是否存在相互之間的短路或與其它信號線短路。其次加電檢查各插件上引腳的電位，仔細(xì)測量各點(diǎn)電平是否正常，尤其應(yīng)注意CPU插座的各點(diǎn)電位，若有高壓，聯(lián)機(jī)仿真時將會損壞仿真機(jī)的器件。

最后在斷電情況下，除CPU以外，插上所有的元器件，仿真插頭插入樣機(jī)CPU插座，準(zhǔn)備聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試。

(2)聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試。在靜態(tài)調(diào)試中，對目標(biāo)機(jī)硬件進(jìn)行了初步測試，只排除了一些明顯故障，目標(biāo)機(jī)的硬件故障(如各