基于AVR單片機的控制系統(tǒng)設(shè)計

　　引言

　　現(xiàn)在許多的系統(tǒng)都采用了多通道Input/Output的設(shè)計，控制系統(tǒng)的設(shè)計也日趨復(fù)雜、龐大，所以有必要將控制電路單獨分離出來。過去許多系統(tǒng)均采用 C51系列單片機作為控制電路，但其功能有限，電路設(shè)計較為復(fù)雜、影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也不易擴展。本文介紹的AVR單片機由美國ATMEL公司生產(chǎn)，采用RISC指令集，內(nèi)置RAM及可以擦寫數(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大的一款，用于設(shè)計控制系統(tǒng)能適應(yīng)現(xiàn)時復(fù)雜系統(tǒng)的要求。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計框架

　　硬件系統(tǒng)主要由CPU（AVR單片機）、人機操作和顯示接口（液晶顯示、鍵盤、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)計框圖

　　CPU為核心處理器件，通過I/O接口方式或A/D總線方式與液晶、顯示鍵盤、指示燈和蜂鳴器交互，作者實現(xiàn)了兩個版本，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提供全雙工單對單通信同時，而 RS-485以主/從方式與系統(tǒng)的多個部分通信，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，通過擴展一個W3100A連接RT- L8201（L）芯片，實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，從而使設(shè)備可以接入LAN，實現(xiàn)在LAN內(nèi)的遠程控制管理和監(jiān)控。

　　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)軟件體系分為幾個部分：

　　（1）系統(tǒng)的循環(huán)檢測部分，用于檢測各通道的系統(tǒng)設(shè)備工作是否正常，出現(xiàn)異常時則通過三色指示燈報警（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，接受用戶按鍵，用戶可以在GUI上設(shè)置希望設(shè)置的參數(shù)。

　　（3）網(wǎng)絡(luò)接口部分，此時單片機系統(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。

　　本系統(tǒng)采用一種基于節(jié)點編號的三叉樹狀菜單的設(shè)計。將整個菜單看作一個菜單樹，每個界面對應(yīng)于樹中的一個節(jié)點，父節(jié)點為當(dāng)前菜單的上一級菜單；右節(jié)點為當(dāng)前菜單的“兄弟”菜單，亦即上級菜單的其余子菜單。

　　我們采用對節(jié)點編號的方式將整個菜單樹串起來，通過識別節(jié)點編號（ID）就能知道該節(jié)點處于哪一級菜單，同時也便于我們將菜單數(shù)初始化。編號方式：每級子菜單的編號為上級父菜單ID乘以10再加上該級子菜單在上級菜單中對應(yīng)的子項號（1，2，3.），我們將根節(jié)點ID編號為1，則根節(jié)點菜單的子菜單對應(yīng)的 ID分別為11，12，13.ID為11的節(jié)點的下級菜單ID為：111，112，113.一個樹型結(jié)構(gòu)菜單的結(jié)構(gòu)和ID編號的實例如圖2所示。

　　Typedef structmenu{ long ID； / /當(dāng)前菜單ID void （ * disp laymenu） （ long i， unsigned char j） ； / /當(dāng)前菜單對應(yīng)處理函數(shù)char cur； / /當(dāng)前菜單子項char total； / /子菜單總數(shù)structmenu * up， * down， * right； / /毗鄰子菜單}MENU；

　　圖2 一個菜單樹的實例

　　對于用戶按鍵操作切換不同的菜單時，我們只需修改一個指向?qū)?yīng)菜單節(jié)點的全局菜單節(jié)點指針即可。當(dāng)用戶按下“ESC”鍵時，菜單指針指向當(dāng)前節(jié)點的父節(jié)點，按下“Enter”鍵時，則指針指向?qū)?yīng)節(jié)點的子節(jié)點。

　　用于AVR單片機的RAM空間較小，只有4KB，我們需設(shè)計一種合理而簡潔的數(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語言實現(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，顯示型菜單項用于切換各級菜單，功能型菜單則執(zhí)行最底層菜單所對應(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，將此信息放在對應(yīng)的displaymenu函數(shù)中可以節(jié)省數(shù)據(jù)空間，不用對于功能型菜單建立額外的ID與處理函數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系表，從而實現(xiàn)功能型菜單和顯示型菜單的一致性操作。一個供參考的執(zhí)行函數(shù)可以寫作：

　　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)用于切換對應(yīng)的菜單子項，按鍵為“UP”鍵和“DOWN”鍵時，只需修改g_pmune->cur即可；按下 “ENTER”鍵時，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)計使得代碼數(shù)據(jù)量變得較小，同時增強了程序的擴展性，需要增加或修改菜單項時，不論是功能型菜單還是執(zhí)行性菜單，只需要修改對應(yīng)的菜單結(jié)構(gòu)的數(shù)組即可，而不必修改對應(yīng)的執(zhí)行代碼。經(jīng)過這樣的簡化后，發(fā)現(xiàn)對于菜單數(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。對于一個8輸入通道的系統(tǒng)，每個通道的參數(shù)設(shè)置項可能多達40項，總菜單節(jié)點大于300個，每個節(jié)點占用14B，則整個菜單節(jié)點所占的RAM已超過4K，所以這種方式還是需要進一步改進。

　　注意到多通道的參數(shù)設(shè)置項完全相同，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。可以定義一種 Sibling菜單，從而刪去ID為112～118以及ID為122的菜單節(jié)點和子節(jié)點（虛線框所示），其上級菜單（ID為11和ID為12）的項目中的 total值均變?yōu)?.為了區(qū)別不同的通道分支，有兩種實現(xiàn)辦法：

　　一種處理方法采用全局變量

　　增加一個g_CODER_Channel_Number的全局變量，用于保存當(dāng)前的通道號。在menuselect函數(shù)中，增加一個針對本系統(tǒng)設(shè)計的一個判斷，當(dāng)ID為11時，則不修改對應(yīng)的g_pmenu->cur，而是直接修改變量g_CODER_Channel_Number，進入對應(yīng)的顯示函數(shù)后，直接根據(jù)g_CODER_Channel_Number判斷通道號，從而輸出對應(yīng)的值。這種方法不需要改變系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)，但需要針對不同的系統(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MenuSibling結(jié)構(gòu)，定義為

　　typedef struct _menuSibling{

　　signedcharcur；signedchartotal；}SIBLING；同時對應(yīng)的菜單結(jié)構(gòu)修改為typedefstructmenu{……

　　SIBLINGSibling；}MENU；

　　這樣，ID為11的結(jié)構(gòu)項的Sibling.total為8，Sibling.cur為當(dāng)前的子菜單項。判斷到total>0且 Sibling.total>0時，可知其下一級菜單為SIB2LING菜單，此時以前需修改cur想的操作則修改Sibling.cur即可。這種設(shè)計下，每個節(jié)點增加了2B的空間，但是保證的程序的一致性，對于不同的系統(tǒng)其設(shè)計基本一致。

　　以上菜單項的設(shè)計用于系統(tǒng)設(shè)置部分，當(dāng)退出系統(tǒng)設(shè)置時，即進入系統(tǒng)循環(huán)檢測部分。單片機通過RS-485接口檢測各個通道是否正常，當(dāng)正常時則顯示為綠燈，出現(xiàn)異常則顯示為紅燈，黃燈為中間狀態(tài)。指示燈的流程參見圖4.

　　圖4循環(huán)檢測的指示燈流程

　　結(jié)束語

　　按照本文提供的方法優(yōu)化后的設(shè)計，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，整個系統(tǒng)的設(shè)計主要在于建立一個菜單樹，將對應(yīng)的節(jié)點編號，再編寫對應(yīng)的節(jié)點處理函數(shù)即可。這種設(shè)計使得程序的開發(fā)、維護都很容易，具有較強的可擴展性和可移植性。