基于单片机的阀岛控制系统构建分析

【摘　要】基于单片机的阀岛控制系统的架构主要分为阀岛控制系统的硬件系统架构、阀岛控制的软件系统架构以及发到控制系统的抗干扰系统架构。其中硬件系统架构分为硬件系统扩展部分和各个硬件功能模块部分的构架，软件系统构架分为执行软件架构和监视软件架构，抗干扰系统架构分为隔离与屏蔽。基于单片机的阀岛控制系统即单片机对阀岛的智能化控制，形成一种电气一体化的控制器，完成对气动系统的实时且全面的控制。文章以单片机的控制技术为基础，结合气动阀岛的自身特性，实现对整个阀岛控制系统的架构。

【关键词】阀岛;控制系统架构;硬件系统;软件系统;抗干扰系统;单片机应用

单片机自诞生以来对嵌入式系统工业有着极其深远影响，一切有关人类的生产生活娱乐等各个方面都和单片机技术的应用密切联系，其主要应用在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统和人类生活中。而在现代的自动化工业生产领域，如机械制造、化工、电气、食品、印刷、电力等领域中，通过单片机控制阀岛来达到智能化操作和运维的技术已发展迅速。

1.阀岛和单片机的介绍及其原理

1.1阀岛

“阀岛”诞生于德国一家名为FESTO的公司，其德语名为“Ventilinsel”，英译为“Valve Terminal”。它是一种通过单片机控制技术和气动技术，利用电磁阀和总线实现对数据的全面控制，最终成为有机的整套软硬结合的控制单元模块。阀岛拥有高效的智能化控制、便捷的现场总线接口、快速的故障诊断机制、合理紧凑的体系结构、轻松简易的适用度的五大特点。若 按照系统的集成化程度和复杂的程度，阀岛可分为带多针接口阀岛、带现场总线阀岛、可编程阀岛和模式化阀岛。这些阀岛通过与软件的合理结合最终达到对整个控制系统的实现和发展。

阀岛的控制系统原理分为直接控制原理和总线控制结构原理。直接控制原理即通过总线和电缆来连接阀岛，利用计算机编制程序和开关板的通断来实现对阀岛进行直接控制，这种控制非常的方便实用。总线控制结构原理利用计算机端口和一根串口线连接几个甚至几百个阀岛所实现的控制系统，这样的一种结构安装方便、可靠性高、而且更易进行远程控制。

1.2单片机

自1974年第一个单片机的诞生开始到现在，单片机的发展经历了五个阶段：初始阶段、探索阶段、完善阶段、微控制器阶段、全面发展阶段。初始阶段的单片机采用双片形式，必须外接其他电路才能构成一个完整的微机。探索阶段是低性能的单片机，其典型代表是Intel公司的MCS-48系列单片机，而”单片机“一词就由此而来。这个时期的单片机只能应用于比较简单的场合。完善阶段的典型就是MCS-51，它奠定了通用总线型单片机的体系结构，是最为经典的单片机型。微控制器阶段是将单片机周围增加绩优的模块和电路，使之更加智能化。各种接口技术、数模转换技术、电路控制技术、可靠性技术都被增加到电路中。全面发展阶段已经实现了各种通用单片机和专用单片机的高速稳定、强运算量、大寻址位并向更高位发展的能力。

2.阀岛控制系统的三大架构

一般来说，阀岛控制系统的架构分为硬件系统的架构和软件系统的架构，硬件系统的架构由单片机和设备构成，软件系统架构由执行软件和监视软件组成。最后还要有抗干扰系统的架构来完成整个系统的稳定性和健壮性。下面是阀岛控制系统的架构流程图：

阀岛控制系统的整体架构图如下：

2.1阀岛控制系统的硬件架构

阀岛控制系统的硬件系统是整个控制系统的基础部分，也是为以后进行软件构架的进一步设计做好工作。阀岛控制系统的硬件架构分为两个部分：一个是各个功能模块的架构，另一个是整个系统的扩展架构。功能模块种类很多，比如数据采集、挖掘、传送、存储、利用模块；通信系统模块；控制显示模块等，系统扩展就分为存储器和接口这两个方面。在进行硬件系统构架的时候，应该尽可能使用典型化的，标准化的、模块化的硬件电路这样能够大大提高系统的可用性；在资金允许的情况下应优先选用功能强大且集成度高的芯片，提高系统稳定操作性；选用市面上流行的硬件产品，方便购买和替换；设计系统架构师应注意所用的驱动电路能力，不能过高也不能过低，满足系统的正常运行为主。在使用单片机的时候应注意机内的程序存储器、地址锁存器、总线驱动能力、系统匹配速度和电源有关的特性和限制。在硬件系统架构之后的测试过程中有两个步骤需要注意：一是排除硬件设计性错误，一个是排除硬件工艺性错误。测试过程先是硬件测试，再进行软件综合测试，在后面的软件系统构架中会具体阐述。

在进行阀岛控制系统的硬件设计时，以AT89C51系列单片机为例，设计各个功能模块和系统架构。硬件系统架构框图如下所示：

阀岛控制系统的硬件架构分为：按键输入电路、阀岛检测电路、RS232接口电路、复位电路、LCD显示线路，输出驱动电路。通过以上各个模块的有机整合完成硬件上的全面架构。

2.2阀岛控制系统的软件架构

系统软件架构主要是对在硬件系统架构之后对系统实现数据的处理控制和利用，其架构分为主程序设计、上位机程序设计、下位机程序设计、人机交互界面设计。主程序中包含接受子程序和发送子程序，先将串口初始化、设置串行口的工作方式、波特率设定、数据帧的格式设置，然后进行串口通信和显示输出以及监控检测等程序。上位机程序设计的方法有以下几种：Windows API通信函数方法、利用端口函数直接操作、MSComm控件实现、VC++类CSerial简介等。下位机程序主要满足数据的接受和发送，这些都通过单片机的中断子程序来实现完成的。人机交互界面的设计主要是指键盘和液晶显示器的设计，人机界面就是用户界面，通过输出设备的直观显示来完成人与控制系统的操作与维护。一个好的用户界面一定要直观易用，因为这样就减少资金费用预算和培训成本、更能吸引客户。软件架构完成之后的软件测试至关重要，这是整个软件制造过程中最花时间和精力的阶段，明确测试的顺序、模拟现场测试、现场测试是主要的三大步骤。

2.3阀岛控制系统的抗干扰系统架构

阀岛控制系统的抗干扰系统架构分为硬件部分和软件部分。硬件部分的主要措施是屏蔽和隔离，屏蔽即针对那些制造噪音大部件进行隔离空间辐射来减少对单片机的干扰；隔离是指将单片机的输入输出模块利用光电隔离器件隔离， 防止噪音的交叉感染。软件部分的措施是运用监视跟踪定时器控制整个程序运行的过程，一旦程序出现异常就会导致定时器不能够刷新而产生定时中断将系统复位。定时器的定时时间应该稍大于主程序的正常运行周期，实时跟踪程序的执行来刷新定时器时间常数。

3.单片机应用技术的总结和展望

利用单片机的控制技术和方法来实现对阀岛的控制和智能操作，充分体现了单片机的重要性和实用性，人类生活中各个方面都凸显着单片机的大作为。通过单片机对阀岛的智能控制，从硬件系统、软件系统、抗干扰系统这三个方面来深刻剖析此系统的架构。而此控制系统的未来还需要质量更好、品质更优、速度更快的单片机来架构在阀岛之上，更进一步优化硬件结构，开发新的软件，最终完成阀岛控制系统的智能化和现代化。

【参考文献】

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