片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的保存及有效性判別

【摘　要】　對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)有效性的判別方法進(jìn)行了介紹，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如何實(shí)現(xiàn)保存進(jìn)行了探討。同時(shí)給出了存儲(chǔ)過程中的數(shù)據(jù)校驗(yàn)和運(yùn)行參數(shù)的取值范圍檢驗(yàn)過程。
??? 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，運(yùn)行參數(shù)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)，取值范圍

1　引　言
　　在單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)控制時(shí)需要使用和保存已經(jīng)設(shè)置或優(yōu)化的參數(shù)。如果將運(yùn)行參數(shù)僅僅存儲(chǔ)于單片機(jī)的RAM區(qū)中，則系統(tǒng)在掉電或重啟時(shí)將會(huì)丟失這些重要參數(shù)，不能正常運(yùn)行。為了解決上述問題，保證控制系統(tǒng)正常、可靠地運(yùn)行，需要將這些運(yùn)行參數(shù)保存在足夠容量的電可擦除存儲(chǔ)器（EEPROM）中。在寫入或讀出EEPROM中的數(shù)據(jù)時(shí)，為保證數(shù)據(jù)操作的正確性，則需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。在系統(tǒng)運(yùn)行這些參數(shù)之前，為檢查運(yùn)行參數(shù)的取值是否在許可范圍之內(nèi)，則需要進(jìn)行參數(shù)取值范圍的檢驗(yàn)。本文結(jié)合作者開發(fā)的電梯轎廂門機(jī)控制系統(tǒng)，來詳細(xì)討論參數(shù)保存和校驗(yàn)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。
2　系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的存儲(chǔ)
　　在單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)是系統(tǒng)正常運(yùn)行所必須使用的，既要保證運(yùn)行參數(shù)的可修改性，又要保證運(yùn)行參數(shù)在系統(tǒng)停機(jī)或掉電的情況下能夠正確保存，因而運(yùn)行參數(shù)應(yīng)保存在電可擦除存儲(chǔ)器（EEPROM）中。根據(jù)參數(shù)個(gè)數(shù)的多少，決定所使用EEPROM的存儲(chǔ)容量。例如，在本文的單片機(jī)系統(tǒng)中，電梯轎廂門機(jī)控制運(yùn)行所需要的參數(shù)有：門寬參數(shù)、有無光電檢測(cè)、輸出保持力矩、開門加速步頻、關(guān)門加速步頻、開門減速步頻、關(guān)
門減速步頻、工作計(jì)數(shù)器等，設(shè)計(jì)中要求存儲(chǔ)的參數(shù)共需28個(gè)字節(jié)，再加上一個(gè)字節(jié)校驗(yàn)和，所以選用32字節(jié)容量的EEPROM。Xicro公司的X24C44能滿足上述可修改性和容量的要求。
2．1　EPROM芯片簡(jiǎn)介及硬件組成
　　電可擦除存儲(chǔ)芯片X24C44是一個(gè)八引腳的芯片，其內(nèi)部有存儲(chǔ)矩陣和RAM兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，外部引腳的功能如圖1所示。芯片各引腳的功能為：CE為芯片使能引腳；Vcc及Vss為電源引腳；電壓為＋5V；SK是讀寫X24C44數(shù)據(jù)時(shí)所用到的外部時(shí)鐘同步信號(hào)；DI為命令或數(shù)據(jù)串行輸入X24C44的信號(hào)引腳；DO為X24C44數(shù)據(jù)串行輸出的信號(hào)引腳；STORE為低電平時(shí)，允許將EEPROM中RAM的內(nèi)容保存到存儲(chǔ)矩陣；RECALL為低電平時(shí)，允許將EEPROM的存儲(chǔ)矩陣的內(nèi)容傳送到EEPROM的RAM中。

　　對(duì)X24C44的讀寫操作是串行數(shù)據(jù)操作，其讀時(shí)序如圖2所示。結(jié)合圖2中的讀時(shí)序，讀出　　X24C44中某兩字節(jié)的數(shù)據(jù)操作為：芯片的使能引腳CE為高電平，在時(shí)鐘SK信號(hào)的同步下，先向X24C44的數(shù)據(jù)串行輸入引腳DI送讀出兩字節(jié)的命令1AAAA11X（其中AAAA為要讀出的起始地址，X表示X24C44對(duì)該值忽略），數(shù)據(jù)串行輸出引腳在第9個(gè)時(shí)鐘由高阻態(tài)轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)串行輸出，16個(gè)比特為一個(gè)讀出內(nèi)容，通過將CE信號(hào)置為低電平，先關(guān)閉芯片的讀出數(shù)據(jù)操作。
　　按照向X24C44寫入兩字節(jié)內(nèi)容的時(shí)序，寫入兩字節(jié)數(shù)據(jù)的操作類似于讀出操作過程。
　　X24C44采用串行讀寫數(shù)據(jù)，其與單片機(jī)的接線簡(jiǎn)單，除了片選信號(hào)CE外，只要與單片機(jī)的三根I／O引腳相連即可，作用為時(shí)鐘CLK，數(shù)據(jù)輸入DI，數(shù)據(jù)輸出DO，其中DO引腳要接一個(gè)10kΩ的上拉
電阻。硬件電路接線如圖3所示。
2．2　EEPROM讀寫的實(shí)現(xiàn)
　　控制系統(tǒng)中所采用的是51系列單片機(jī)，其中讀寫子程序設(shè)計(jì)用匯編也較容易　　實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化編程。根據(jù)X24C44的時(shí)序和操作過程，下面給出讀出EEPROM中數(shù)據(jù)的匯編子程序。單片機(jī)將數(shù)據(jù)寫入EEPROM的過程與讀出過程相類似。讀出EEPROM中數(shù)據(jù)的匯編子程序如下：
read：push psw；讀數(shù)據(jù)子程序入口　



3　運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)
　　系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)是單片機(jī)控制系統(tǒng)正確運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)值，能確保系統(tǒng)按設(shè)置的特性運(yùn)行。在許多單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需讀出EEPROM中的數(shù)據(jù)，為了確定所讀出的數(shù)據(jù)與原先寫入的數(shù)據(jù)一致，就要用到數(shù)據(jù)校驗(yàn)。在一般的校驗(yàn)中，一是采用數(shù)據(jù)字節(jié)值進(jìn)行異或運(yùn)算；二是字節(jié)值作相加運(yùn)算并忽略進(jìn)位的方法。本文介紹了采用一種16位循環(huán)冗余法（CRC）思想的自定義數(shù)據(jù)校驗(yàn)法。
3．1　循環(huán)冗余法的簡(jiǎn)介
　　循環(huán)冗余法是基于將位串看成是系數(shù)為0或1的多項(xiàng)式，一個(gè)k位的幀可以看成是從xk－1到x0的k次多項(xiàng)式的系數(shù)序列，這個(gè)多項(xiàng)式的階數(shù)為k－1。高位（最左邊）是xk－1項(xiàng)的系數(shù)，下一位是xk－2項(xiàng)的系數(shù)，依此類推。例如11001001有8位，表示成多項(xiàng)式是x7＋x6＋x3＋x0，多項(xiàng)式的系數(shù)分別是1，1，0，0，1，0，0和1。
　　如果采用循環(huán)冗余法進(jìn)行校驗(yàn)，在產(chǎn)生校驗(yàn)和時(shí)及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，運(yùn)算必須用相同的生成多項(xiàng)式G（x），生成多項(xiàng)式的高位和低位必須是1。以2為?！　≌归_運(yùn)算。運(yùn)算法則是：加法不進(jìn)位，減法不借位；加法和減法兩者都異或運(yùn)算相同。如果分計(jì)算m位的數(shù)據(jù)序列M（x）的校驗(yàn)和，生成多項(xiàng)式G（x）必須比多項(xiàng)式M（x）短，即m＞k。校驗(yàn)的基本思想是：將校驗(yàn)和加在數(shù)據(jù)序列M（x）的末尾，使這個(gè)帶校驗(yàn)和的多項(xiàng)式能被G（x）除盡。當(dāng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，用G（x）去除這個(gè)帶校驗(yàn)和的多項(xiàng)式，如果余數(shù)不等于零，則所檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)有錯(cuò)。
計(jì)算檢驗(yàn)和的算法如下：
　?。?）設(shè)G（x）為r階，在數(shù)據(jù)序列的末尾附加r個(gè)零，使數(shù)據(jù)序列為m＋r位，則相應(yīng)的多項(xiàng)式是xrM（x）。
　　（2）按模2除法，用對(duì)應(yīng)于G（x）的位串去除對(duì)應(yīng)于xrM（x）的位串，得余數(shù)。
　　（3）按模2減法，從對(duì)應(yīng)于xrM（x）的位串中減去余數(shù)。結(jié)果就是帶校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)序列，叫多項(xiàng)式T（x）。
　　該方法是經(jīng)過嚴(yán)密數(shù)學(xué)推導(dǎo)的，有三項(xiàng)多項(xiàng)式已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即12位的CRC－12：x12＋x11＋x3＋x2＋x1＋1；16位的CRC－16：x16＋x15＋x2＋1和CRC－CCITT：x16＋x12＋x5＋1。
3．2　自定義數(shù)據(jù)校驗(yàn)的軟件實(shí)現(xiàn)
　　循環(huán)冗余法在通訊中的實(shí)現(xiàn)一般是用一種簡(jiǎn)單的移位寄存器電路來進(jìn)行運(yùn)算，并用硬件來完成對(duì)校驗(yàn)和的校驗(yàn)。實(shí)際應(yīng)用中幾乎都在使用此硬件。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，參考這一產(chǎn)生數(shù)據(jù)序列校驗(yàn)和的思想，由于單片機(jī)的運(yùn)算速度已相當(dāng)高，用軟件實(shí)現(xiàn)這一校驗(yàn)也是可行的。在檢錯(cuò)要求較高的情況下，并考慮到單片機(jī)的運(yùn)算是基于字節(jié)（8位數(shù)據(jù)）的，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用以下自定義數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法。自定義算法的生成多項(xiàng)式取G（x）＝x7＋x5＋1，可以檢出1位錯(cuò)和2位錯(cuò)，顯然比字節(jié)和或者異或和的檢錯(cuò)能力大。
　　自定義數(shù)據(jù)序列校驗(yàn)的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。根據(jù)流程圖，校驗(yàn)用到異或和移位操作運(yùn)算，軟件編程用相應(yīng)的單片機(jī)匯編語言較易實(shí)現(xiàn)，程序簡(jiǎn)捷，實(shí)時(shí)性好。
　　單片機(jī)控制系統(tǒng)在保存運(yùn)行參數(shù)過程中，首先在RAM區(qū)中連續(xù)存儲(chǔ)運(yùn)行參數(shù)，并用自定義數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法計(jì)算運(yùn)行參數(shù)的校驗(yàn)和。系統(tǒng)向X24C44寫入運(yùn)行參數(shù)值時(shí)，也將校驗(yàn)和寫入。在讀出X24C44中的運(yùn)行參數(shù)時(shí)，再用同一算法計(jì)算檢驗(yàn)和，與X24C44中原有的校驗(yàn)和比較，判別數(shù)據(jù)是否合法，如果校驗(yàn)和相同，則對(duì)運(yùn)行參數(shù)的讀寫是正確的。這一檢驗(yàn)算法可有效保證程序所使用的運(yùn)行參
數(shù)的有效性。
　　在讀出X24C44的運(yùn)行參數(shù)時(shí)，如果所讀出的數(shù)據(jù)按同一方法計(jì)算校驗(yàn)和與X24C44中原有的校驗(yàn)和不一致，則表明讀出的是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。這時(shí)可不用這些數(shù)據(jù)，在程序中調(diào)用默認(rèn)的運(yùn)行參數(shù)值，從而
保證了門機(jī)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高了可靠性。

4　參數(shù)的取值范圍檢驗(yàn)
　　在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，所使用的參數(shù)數(shù)值如果超過了系統(tǒng)的允許范圍，則有可能使系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)不可預(yù)見的工作狀況。為了保證控制系統(tǒng)按所要求的功能運(yùn)行，系統(tǒng)在使用運(yùn)行參數(shù)之前要進(jìn)行取值范圍檢驗(yàn)。
　　在單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)絕大多數(shù)是正數(shù)。如果運(yùn)行參數(shù)1的取值范圍為N11≤參數(shù)1≤N12，則在運(yùn)行參數(shù)的取值范圍檢驗(yàn)子程序中，系統(tǒng)進(jìn)行條件處理為：當(dāng)參數(shù)1＜N11時(shí)，令參數(shù)1取值為N11；當(dāng)參數(shù)1＞N12時(shí)，令參數(shù)1取值為N12；當(dāng)參數(shù)1在許可范圍之內(nèi)時(shí)，參數(shù)1取值不變。運(yùn)行參數(shù)的取值范圍檢驗(yàn)子程序處理流程如圖5所示。
5　結(jié)束語
　　本文所討論的運(yùn)行參數(shù)的保存及參數(shù)有效性判別的實(shí)現(xiàn)方法，在作者所開發(fā)的電梯門機(jī)單片機(jī)控
制系統(tǒng)中使用，實(shí)際應(yīng)用表明：可以保證運(yùn)行參數(shù)在設(shè)計(jì)的許可范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，提高控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。這一方法也可應(yīng)用于需要保存參數(shù)的單片機(jī)組成系統(tǒng)中，如智能儀表、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域的系統(tǒng)。

1　何立民編著．MCS－51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)—系統(tǒng)配置與接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999
2　Andrew S．Tanenbaum著，熊桂喜，王小虎等譯．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第三版）．北京：清華大學(xué)出版社，1999
3　鄭人杰，殷人昆，陶永雷．實(shí)用軟件工程（第二版）．北京：清華大學(xué)出版社，1998