基于AVR单片机的控制系统设计 - 设计干货精选：AVR单片机工业控制方案合集

　　基于AVR单片机的控制系统设计

　　引言

　　现在许多的系统都采用了多通道Input/Output的设计，控制系统的设计也日趋复杂、庞大，所以有必要将控制电路单独分离出来。过去许多系统均采用 C51系列单片机作为控制电路，但其功能有限，电路设计较为复杂、影响了系统的稳定性，也不易扩展。本文介绍的AVR单片机由美国ATMEL公司生产，采用RISC指令集，内置RAM及可以擦写数千次的FLASH，采用哈佛结构，速度较快。ATmega128为此系列中功能最强大的一款，用于设计控制系统能适应现时复杂系统的要求。

　　系统硬件设计框架

　　硬件系统主要由CPU（AVR单片机）、人机操作和显示接口（液晶显示、键盘、指示灯和蜂鸣器）、通信接口组成。系统框图如图1所示

　　

　　图1系统硬件设计框图

　　CPU为核心处理器件，通过I/O接口方式或A/D总线方式与液晶、显示键盘、指示灯和蜂鸣器交互，作者实现了两个版本，分别采用I/O方式和A/D总线方式。通信接口主要用到了UART接口和扩展的网络接口。其中UART提供了RS-232和RS-485接口，RS-232提供全双工单对单通信同时，而 RS-485以主/从方式与系统的多个部分通信，可用于多通道的输入输出设备。该芯片本身并不带网络接口，通过扩展一个W3100A连接RT- L8201（L）芯片，实现TCP/IP协议栈，从而使设备可以接入LAN，实现在LAN内的远程控制管理和监控。

　　系统软件结构

　　系统软件体系分为几个部分：

　　（1）系统的循环检测部分，用于检测各通道的系统设备工作是否正常，出现异常时则通过三色指示灯报警（绿色代表正常，红色代表异常，黄色为中间状态）。

　　（2）系统的设置部分，接受用户按键，用户可以在GUI上设置希望设置的参数。

　　（3）网络接口部分，此时单片机系统不参与设置，主要功能将网络部分获得的数据导至各通道。软件系统的核心部分在于菜单结构的设计。

　　本系统采用一种基于节点编号的三叉树状菜单的设计。将整个菜单看作一个菜单树，每个界面对应于树中的一个节点，父节点为当前菜单的上一级菜单；右节点为当前菜单的“兄弟”菜单，亦即上级菜单的其余子菜单。

　　我们采用对节点编号的方式将整个菜单树串起来，通过识别节点编号（ID）就能知道该节点处于哪一级菜单，同时也便于我们将菜单数初始化。编号方式：每级子菜单的编号为上级父菜单ID乘以10再加上该级子菜单在上级菜单中对应的子项号（1，2，3.），我们将根节点ID编号为1，则根节点菜单的子菜单对应的 ID分别为11，12，13.ID为11的节点的下级菜单ID为：111，112，113.一个树型结构菜单的结构和ID编号的实例如图2所示。

　　Typedef structmenu{ long ID； / /当前菜单ID void （ * disp laymenu） （ long i， unsigned char j） ； / /当前菜单对应处理函数char cur； / /当前菜单子项char total； / /子菜单总数structmenu * up， * down， * right； / /毗邻子菜单}MENU；

　　

　　图2 一个菜单树的实例

　　对于用户按键操作切换不同的菜单时，我们只需修改一个指向对应菜单节点的全局菜单节点指针即可。当用户按下“ESC”键时，菜单指针指向当前节点的父节点，按下“Enter”键时，则指针指向对应节点的子节点。

　　用于AVR单片机的RAM空间较小，只有4KB，我们需设计一种合理而简洁的数据结构，我们将菜单的数据结构定义为（C语言实现）。

　　

　　图3 menuselect函数的流程图

　　将菜单分为显示型菜单和功能性菜单，显示型菜单项用于切换各级菜单，功能型菜单则执行最底层菜单所对应的操作，total变量为0则表示为功能型菜单，大于0则表示选择型菜单。通过菜单的ID，即可以知道当前菜单的显示位置和内容，将此信息放在对应的displaymenu函数中可以节省数据空间，不用对于功能型菜单建立额外的ID与处理函数间的对应关系表，从而实现功能型菜单和显示型菜单的一致性操作。一个供参考的执行函数可以写作：

　　if（g_pmenu->total>0）

　　{ g_pmenu=menuselect（g_pmenu，Key）；} else {（g_pmenu->displaymenu）（g_pmenu->ID，g_pmenu->cur）；}

　　其中menuselect函数用于切换对应的菜单子项，按键为“UP”键和“DOWN”键时，只需修改g_pmune->cur即可；按下 “ENTER”键时，则g_pmenu=g_pmenu->down，再根据cur值，g_pmenu=g_pmenu->right；按下 “ESC”键，则g_pmenu=g_pmenu->up.

　　这种设计使得代码数据量变得较小，同时增强了程序的扩展性，需要增加或修改菜单项时，不论是功能型菜单还是执行性菜单，只需要修改对应的菜单结构的数组即可，而不必修改对应的执行代码。经过这样的简化后，发现对于菜单数较多的多通道输入/输出系统，系统RAM区还是不够用。对于一个8输入通道的系统，每个通道的参数设置项可能多达40项，总菜单节点大于300个，每个节点占用14B，则整个菜单节点所占的RAM已超过4K，所以这种方式还是需要进一步改进。

　　注意到多通道的参数设置项完全相同，ID为111，112，118的菜单分支完全一样，ID为121和122的菜单分支也完全相同。可以定义一种 Sibling菜单，从而删去ID为112～118以及ID为122的菜单节点和子节点（虚线框所示），其上级菜单（ID为11和ID为12）的项目中的 total值均变为1.为了区别不同的通道分支，有两种实现办法：

　　一种处理方法采用全局变量

　　增加一个g_CODER_Channel_Number的全局变量，用于保存当前的通道号。在menuselect函数中，增加一个针对本系统设计的一个判断，当ID为11时，则不修改对应的g_pmenu->cur，而是直接修改变量g_CODER_Channel_Number，进入对应的显示函数后，直接根据g_CODER_Channel_Number判断通道号，从而输出对应的值。这种方法不需要改变系统设计的结构，但需要针对不同的系统修改主处理函数menuselect.

　　另一种处理方法在菜单结构中增加一个MenuSibling结构，定义为

　　typedef struct _menuSibling{

　　signedcharcur；signedchartotal；}SIBLING；同时对应的菜单结构修改为typedefstructmenu{……

　　SIBLINGSibling；}MENU；

　　这样，ID为11的结构项的Sibling.total为8，Sibling.cur为当前的子菜单项。判断到total>0且 Sibling.total>0时，可知其下一级菜单为SIB2LING菜单，此时以前需修改cur想的操作则修改Sibling.cur即可。这种设计下，每个节点增加了2B的空间，但是保证的程序的一致性，对于不同的系统其设计基本一致。

　　以上菜单项的设计用于系统设置部分，当退出系统设置时，即进入系统循环检测部分。单片机通过RS-485接口检测各个通道是否正常，当正常时则显示为绿灯，出现异常则显示为红灯，黄灯为中间状态。指示灯的流程参见图4.

　　

　　图4循环检测的指示灯流程

　　结束语

　　按照本文提供的方法优化后的设计，可以满足大多数的多通道输入/输出系统的控制系统的需要，整个系统的设计主要在于建立一个菜单树，将对应的节点编号，再编写对应的节点处理函数即可。这种设计使得程序的开发、维护都很容易，具有较强的可扩展性和可移植性。