某糖果廠于1985年從德國SIMON電子公司引進(jìn)帶微電腦的計(jì)量進(jìn)料器116EM型生產(chǎn)線,，用于糖果生產(chǎn)。由于引進(jìn)時間較長,、圖紙資料不全,、外方維護(hù)不便等原因，時有因電腦控制部分發(fā)生故障而影響生產(chǎn)的情況發(fā)生,。從提高設(shè)備國產(chǎn)化比重,、節(jié)約外匯、方便維護(hù),、保證生產(chǎn)出發(fā),，本文應(yīng)廠方要求，在對進(jìn)口裝置的設(shè)備性能和電氣信號時序透徹分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于8031" title="8031">8031的嵌入式的微機(jī)自動計(jì)量" title="自動計(jì)量">自動計(jì)量進(jìn)料系統(tǒng),，該系統(tǒng)從性能要求,、信號時序到外觀尺寸都與進(jìn)口裝置完全匹配，成功地實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口設(shè)備控制系統(tǒng)國產(chǎn)化,。

2 計(jì)量進(jìn)料器的稱量和計(jì)量進(jìn)料原理

    啟動預(yù)先設(shè)置的計(jì)量進(jìn)料程序后,，計(jì)量系統(tǒng)首先稱量并存儲稱量鍋皮重，然后依次控制各種配料如牛奶,、砂糖,、水等進(jìn)入稱量鍋，其中干物料用振動盤計(jì)量進(jìn)料,，粉末料由螺旋進(jìn)料器計(jì)量進(jìn)料,，液體料則由液壓閥計(jì)量進(jìn)料，糊狀物由泵進(jìn)料,。每一種配料都先后使用粗料和細(xì)料兩種進(jìn)料方式,，以保證稱量精度達(dá)到98%～99%。物料重量由安裝在支撐架上懸置稱量鍋的3個應(yīng)變儀轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)A／D轉(zhuǎn)換讀入計(jì)算機(jī)進(jìn)行重量計(jì)算,，去除皮重后與設(shè)定值比較，其結(jié)果作為控制物料切換或粗,、細(xì)進(jìn)料轉(zhuǎn)換的依據(jù),。完成稱量的混合物通過活門排放至可加熱的儲藏缸、攪拌,，再用泵打入溶解器,，進(jìn)入溶解制糖工序。

3 系統(tǒng)功能要求

    為保證原進(jìn)口裝置性能,，要求計(jì)量進(jìn)料自動控制系統(tǒng)具有如下功能：

    (1)實(shí)現(xiàn)多達(dá)5種原料的順序自動稱量,，定時攪拌、排放,；

    (2)在總重量不超過135 kg的范圍內(nèi)任意設(shè)定稱量值,；

    (3)累計(jì)5種原料的班用量；

    (4)每個稱量循環(huán)完畢對稱重系統(tǒng)進(jìn)行自檢,，并能隨時執(zhí)行檢查命令,；

    (5)能隨時暫停自動稱量灌裝；

    (6)若某種原料的灌裝系統(tǒng)故障,，可跳過該原料的灌裝,；

    (7)故障報(bào)警功能：

    無壓縮空氣報(bào)警，系統(tǒng)停止運(yùn)行,；

    電機(jī)聯(lián)接故障報(bào)警,，系統(tǒng)停止運(yùn)行；

    稱量鍋內(nèi)臟物超過10 kg，系統(tǒng)停止運(yùn)行,；

    儲藏缸液位超過設(shè)定值,，系統(tǒng)停止運(yùn)行；

    (8)顯示：凈重,、毛重,，自檢／檢查值等；

    (9)指示：重量上,、下限,，系統(tǒng)故障等；

    (10)自動／手動切換,；

    (11)打?。汗潭ǜ袷降淖詣哟蛴『蛦五仭我辉蠑?shù)據(jù)打印,。

4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    根據(jù)上述系統(tǒng)功能要求,，通過對原裝置傳感器、執(zhí)行部件的電氣信號分析,，并考慮到安裝條件,，硬件設(shè)計(jì)立足于低成本,、國產(chǎn)化,，采用了以MCS—51系列單片機(jī)8031為CPU，聯(lián)接A／D,，鍵盤／顯示,，撥碼盤，打印機(jī)等接口電路組成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。

    整個系統(tǒng)由如圖4—1所示的CPU板,、A／D轉(zhuǎn)換板、開關(guān)量I／O板,、顯示／鍵盤,、打印機(jī)接口板、撥碼盤輸入板以及電源板組成,。6塊板以插件形式安裝在兩只抽屜式機(jī)箱內(nèi),，嵌入原裝置的控制器部位，實(shí)現(xiàn)與原裝置的電氣銜接,。
                   

    其中8031最小系統(tǒng)由8031單片機(jī)通過總線驅(qū)動器擴(kuò)展一片2764EPROM,、一片6264RAM組成 。A／D轉(zhuǎn)換采用雙積分式12位A／D轉(zhuǎn)換芯片ICL7109及相應(yīng)輔助芯片組成,。ICL7109具有高精度 ,、低漂移、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用8279作為鍵盤／顯示接口,，CPU以中斷方式處理按鍵申請,。五組四位BCD撥碼盤通過兩級譯碼，其控制端和8421數(shù)碼端經(jīng)8255與CPU相接,。開關(guān)量Ｉ／O及打印機(jī)接口也均由8255實(shí)現(xiàn),。系統(tǒng)在保證功能的前提下體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)實(shí)效、立足國內(nèi)的原則,。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)應(yīng)用軟件在DVCC—52與PC機(jī)聯(lián)合開發(fā)系統(tǒng)下,，采用匯編語言與BASIC語言混合編程 、模塊化,、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法,。整個程序由系統(tǒng)診斷模塊、自動配料模塊,、A／D及數(shù)據(jù)處理模塊,、越限報(bào)警模塊、按鍵,、顯示,、打印模塊等組成。各模塊相對獨(dú)立又相輔相成,，從而使采樣,、運(yùn)算、控制,、顯示,、參數(shù)設(shè)置等有條不紊，急緩有序的運(yùn)行,。在稱量精度,、按鍵響應(yīng)速度、故障報(bào)警能力等方面都達(dá)到了自動計(jì)量進(jìn)料的要求,。主程序框圖如圖5—1所示,。
         
         

  其中，診斷子程序包括CPU指令系統(tǒng)診斷,、RAM診斷,、EPROM診斷、A／D,、I／O模板診斷以及為達(dá)到系統(tǒng)故障報(bào)警功能而進(jìn)行的傳感器信號的檢測,。

    自動配料子程序主要框圖如圖5—2所示?？紤]到給料裝置的振動和慣性,，程序中采用了把兩次采樣時間間隔Δt內(nèi)的重量增量Δg與設(shè)定值和稱量值之差e相比較,，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行粗料、細(xì)料和換料的切換,，以提高稱量精度,。并用一個單元進(jìn)行配料順序記數(shù)，這樣5種配料可公用相同的程序,，以達(dá)到優(yōu)化程序結(jié)構(gòu),，節(jié)省程序存儲器空間的目的。
            
            

     CPU以中斷方式處理按鍵請求,。在鍵盤中斷服務(wù)子程序中,，進(jìn)行按鍵識別，并對相應(yīng)的位標(biāo)志變量進(jìn)行設(shè)置,。而其它各功能模塊則根據(jù)標(biāo)志變量狀態(tài)控制程序走向,。

6 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)處于干擾較多的復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場，因此在設(shè)計(jì)中除采用光電隔離,、電源濾波,、屏蔽接地及地線處理等硬措施，以及用平均值加中位值復(fù)合濾波方法,，克服信號采集中的周期性干擾和尖峰型干擾外,，還采用了硬件自診斷技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)，以保證系統(tǒng)的稱量控制精度和可靠性,。

6.1 硬件故障自診斷技術(shù)

    本系統(tǒng)對關(guān)鍵的硬件設(shè)備采用了由上電自診斷,、定時自檢、鍵控自檢相結(jié)合的自診斷方法,，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障,，保證精度,，以避免系統(tǒng)帶病運(yùn)行,。具體診斷項(xiàng)目有：

    (1)CPU指令系統(tǒng)診斷8031指令系統(tǒng)能被正確地執(zhí)行是系統(tǒng)正常工作的前提，為此設(shè)計(jì)了一段涉及各種指令的測試程序,，判斷其運(yùn)行結(jié)果是否正確,，以排除CPU失靈的可能性。

    (2)RAM診斷采取向關(guān)鍵RAM區(qū)依次進(jìn)行寫入讀出操作,，比較讀出與寫入內(nèi)容是否相同來判斷內(nèi),、外RAM芯片的好壞。上電時采用破壞性測試(不保護(hù)原有內(nèi)容),，復(fù)位,、按鍵診斷采用非破壞性測試(保護(hù)原有內(nèi)容)。
    (3)EPROM診斷固化目標(biāo)程序的EPROM在使用時間長,，窗口密封不好等情況下,，可能出現(xiàn)個別零星單元信息發(fā)生變化的情況,，必須主動進(jìn)行檢查。本文采用了“異或和”校驗(yàn)法,。在程序固化之前,，利用開發(fā)裝置求出所有指令的異或和并把結(jié)果寫入最后一個空單元中，診斷時再求所有指令,，包括“結(jié)果”的異或和,，若和數(shù)為零，可以認(rèn)為EPROM中的內(nèi)容是正確的 ,。
    (4)采用硬件冗余聯(lián)合診斷技術(shù)進(jìn)行A／D,、I／O模板、重要參數(shù)傳感器診斷,。

6.2 軟件抗干擾技術(shù)

    當(dāng)CPU本身受到干擾,，程序計(jì)數(shù)器PC因干擾而改變內(nèi)容時，CPU將不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序,，從而引起混亂,，產(chǎn)生所謂程序“跑飛”現(xiàn)象。為此在軟件上采取了指令冗余,、軟件陷阱 ,、純軟件watchdog技術(shù)以控制程序流向。

    (1)指令冗余當(dāng)CPU受干擾后,，會把操作數(shù)當(dāng)指令碼引起混亂,。分析MCS—51指令系統(tǒng),大多為單字節(jié)指令，最長不超過3字節(jié),。當(dāng)程序彈飛到雙字節(jié)和3字節(jié)指令上時,，繼續(xù)出錯的機(jī)會較大，而當(dāng)彈飛到單字節(jié)指令上時,，程序?qū)⒆詣蛹{入軌道,。因此在程序中對程序流向起決定作用指令之前插入3條空操作指令(如轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用和對系統(tǒng)工作狀態(tài)至關(guān)重要的指令),，并將跳轉(zhuǎn)指令冗余一次,，以保證被正確執(zhí)行。指令冗余技術(shù)可減少彈飛次數(shù),，使程序很快納入軌道,。

    (2)軟件陷阱當(dāng)程序彈飛到非程序區(qū)(EPROM未使用區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)……)時,，冗余指令將無能為力,。為此設(shè)計(jì)了軟件陷阱，即在程序斷裂點(diǎn)(無條件跳轉(zhuǎn)指令,、返回指令之后)和數(shù)據(jù)區(qū)末尾插入NOP NOP LJMP 3條指令,。將空白區(qū)充滿LJMP指令,，強(qiáng)行將捕獲的程序引向出錯處理程序入口。出錯處理程序的主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù),。因LJMP指令的操作碼是02H,，故若把出錯處理程序入口安排在0202H，則可方便地利用開發(fā)系統(tǒng)中Debug功能把大片程序空白區(qū)固化為020202……,，從而大批陷阱處理完畢,。

    (3)純軟件Watchdog若指令彈飛在程序區(qū)，但在遇到冗余指令之前已形成死循環(huán),，則指令冗余和軟件陷阱均失效,。為此本系統(tǒng)利用空閑的定時器T2設(shè)計(jì)了程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)(Watchdog)；設(shè)T2為高優(yōu)先級,，根據(jù)主控程序循環(huán)周期確定T2的定時常數(shù)和計(jì)數(shù)器的記數(shù)值 ,，每次中斷對計(jì)數(shù)器加1，并判斷記數(shù)值若大于設(shè)定值,，則轉(zhuǎn)出錯處理程序入口,。同時在主程序中對計(jì)數(shù)器清零。如此,，保證及時把程序從死循環(huán)中解放出來,。

7 結(jié)束語

    本文結(jié)合工廠實(shí)際，用經(jīng)濟(jì)的8031及外圍芯片設(shè)計(jì)了自動計(jì)量進(jìn)料控制系統(tǒng),，取代了原進(jìn)口設(shè)備的控制裝置,。經(jīng)幾年來運(yùn)行證明，該系統(tǒng)功能完備,，運(yùn)行穩(wěn)定可靠,，操作簡便，性能價(jià)格比高,。該技術(shù)延長了設(shè)備使用壽命,，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益，不失為進(jìn)口設(shè)備國產(chǎn)化和傳統(tǒng)設(shè)備自動化的有益嘗試,，在推進(jìn)食品,、飲料行業(yè)的國產(chǎn)化和自動化方面具有積極意義 ,。