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　　摘要：單片機單板機自上世紀70年代問世至今，一直是各類儀器的控制核心，其自身性能也在不斷提高，由此帶來的儀器設(shè)計水平的提高不言而喻。同時，單片機單板機的開發(fā)應(yīng)用隨之也更加專業(yè)化。上世紀80-90年代Z80，C51，M6800等8位機的軟硬件開發(fā)就已須要專門訓練，近年來16位以上CPU的開發(fā)已遠非以前八位機簡單易行。

　　本文探究了一種簡捷易行的儀器開發(fā)方法，在開發(fā)過程中避免了繁厄的嵌入式芯片的軟硬件開發(fā)。因此不但簡化了開發(fā)過程，縮短了開發(fā)時間，減少開發(fā)成本，同時也降低了開發(fā)專業(yè)技術(shù)門限。本文以一種復(fù)雜的自動精密分析儀器-生化分析儀為例，對使用國產(chǎn)HOLLiAS LM 小型PLC為核心的設(shè)計開發(fā)方案進行詳細探討。在提出這個技術(shù)設(shè)想之前，從設(shè)計方法學，技術(shù)可行性以及性能價格比幾方面對此技術(shù)設(shè)想的合理性進行透視。在充分理解了技術(shù)設(shè)想的可操作性之后，再對具體實施的細節(jié)進行詳細全面的描述。

　　一、傳統(tǒng)儀器設(shè)計過程回顧

　　現(xiàn)代化的自動儀器設(shè)備均具有如下幾方面的性能和特點

　　前端的信號檢測，適時數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)其功能的光機電一體化的自動裝置，以及人機操作界面，除此之外還必須有完備的上下位機的控制程序軟件包。為實現(xiàn)以上幾個方面的性能，以高性能的微處理器為基礎(chǔ)的嵌入式單板機就似乎成為迄今儀器設(shè)計的唯一選擇。

　　從而，在儀器具體的性能要求確定以后，單板機的軟硬件設(shè)計制造工作就進入議事日程。這項工作是非常專業(yè)和浩繁的，比較小的公司不可能儲備如此多的專業(yè)技術(shù)人員，所以靠自身的技術(shù)力量是無法完成的。為此就必須支付高昂的設(shè)計開發(fā)費用，而且，整機軟硬件及外部設(shè)備的聯(lián)調(diào)也需要大量的時間以及返工和重新設(shè)計。同樣，大公司也并非不存在類似問題。特別是在新技術(shù)新方法摸索創(chuàng)新的樣機試制階段。

　　二、新設(shè)計方案的提出和可行性分析與單板機方案比較

　　所謂的新方案的概念源于個人的專業(yè)技術(shù)經(jīng)歷和接觸不同的技術(shù)領(lǐng)域，筆者分別從事過精密儀器設(shè)計和工業(yè)自動化領(lǐng)域的工作，PLC技術(shù)，特別是國產(chǎn)HOLLiAS LM 系列小型PLC的性能給我一個在精密儀器設(shè)計方案上重新審視的技術(shù)空間。

　　從設(shè)計方法學的角度來看待設(shè)計問題，全世界沒有誰規(guī)定自動儀器一定要以單板機為核心，只要能夠?qū)崿F(xiàn)傾向用戶使用要求　　的儀器設(shè)計就是成功的產(chǎn)品，換句話說用戶和使用者不關(guān)心儀器的設(shè)計過程和內(nèi)部構(gòu)造，他們只關(guān)心儀器的性能價格比。而作為設(shè)計人員，我們所要考慮的是所有可以實現(xiàn)預(yù)期性能的設(shè)計方案和手段以及技術(shù)途徑，這樣較為符合設(shè)計方法學的思想方法和設(shè)計規(guī)程。

　　考慮技術(shù)可行性，先來看一下電子控制的硬件要求，一般地，系統(tǒng)需要有高性能的CPU，一定數(shù)量的內(nèi)存，DI，DO，AI，AO，與人機界面的通訊端口，以及根據(jù)具體運行要求所編制的程序。這些工作對一個單板機或DSP系統(tǒng)來說，無異于編制一套專用小型操作系統(tǒng)。在硬件上甚至往往需要設(shè)計單板機或DSP的PCB板，在SMT技術(shù)的今天設(shè)計完善這樣的系統(tǒng)也非易事，調(diào)試的問題不用說，甚至一兩個DI的擴展，都需要重新設(shè)計改動PCB板。

　　再看一下PLC的性能，PLC是可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的英文縮寫。對有工業(yè)自動化控制經(jīng)驗的人來說，一點也不陌生，但對于那些僅從事儀器設(shè)計的人來說，也許不甚了解或者從未涉足使用。PLC通常具有高性能的CPU，相當規(guī)模的內(nèi)存，可任意擴展的DI，DO，AI，AO接口，其中AI的分辨率為16 BIT 以上，其DO接口可以直接驅(qū)動1A電流的功率器件或繼電器, 因此PLC在硬件上完全可以代替單板機。

　　再從軟件編程和運行的方面比較，單板機或DSP，即使借助于C語言或其他專門的開發(fā)環(huán)境，其工作也是相當厄繁的，而且不使用匯編語言，指令對硬件的直觀控制效果不易觀察，調(diào)試困難。對于儀器控制的特殊應(yīng)用，運行時子程序調(diào)用比較多，在線調(diào)試困難。而對于PLC來說，其自身的功能塊，指令組，就此類系統(tǒng)控制應(yīng)用而言，比C語言完備得多，如各種微電機控制，定時，記數(shù)，脈寬調(diào)制，脈沖輸出等等。另外PLC程序在運行時是實時重復(fù)掃描，可以根據(jù)邏輯計算結(jié)果的要求實時任意取舍子程序或功能塊的運行，對于一個接近120K內(nèi)存的較長程序,一次掃描僅需幾十毫秒,就絕大多數(shù)應(yīng)用而言,速度足夠快。就編程而言，PLC的指令系統(tǒng)容易學，容易使用，調(diào)試方便。PLC 較之嵌入式的程序，具有更好的可讀性和易讀性，它可以使得更多公司和更多工程技術(shù)人員從事開發(fā)工作.

　　考察性能價格比，顯然在開發(fā)階段，PLC的成本很低，它是工控市場化批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，開發(fā)人員不需要設(shè)計建造嵌入式CPU的PCB板，而只需要設(shè)計少量外圍專用電路，軟件環(huán)境也容易在PC上設(shè)置，經(jīng)常是PLC廠家免費提供的。在生產(chǎn)階段，PLC與單板機的成本相差不懸殊，除非有類似家用電器的批量否則PLC在整機中所占比例很小，很顯然，儀器與批量家電無可比性。況且PLC較單板機的用戶面寬，產(chǎn)品成熟，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，從而在生產(chǎn)訂購上也節(jié)省多方面的資源。

　　綜上所述，PLC的功能和實時運行能力以及系統(tǒng)開發(fā)的簡易性超過一般意義上的單板機。甚至具備單板機所不具備的實時在線性能。因此，從理論到實踐上看PLC作為儀器核心都是具有更多優(yōu)越性。

　　三、設(shè)計過程詳實（以自動生化分析儀為例）

　　自動生化分析儀是用于醫(yī)院臨床檢驗血液生化指標的復(fù)雜儀器，在分析類儀器中，它的復(fù)雜程度是最高的。

　　生化分析儀的基本功能是按照各自不同的生化方法要求設(shè)定測試參數(shù)，然后自動機構(gòu)取樣并按照設(shè)定對各樣品及同一樣品的　　不同測試加入所需的試劑，按所需特定比例進行稀釋。進而分別注入比色杯對反應(yīng)液進行保溫和延時（經(jīng)稀釋后的樣品稱為反應(yīng)液），下一步對反應(yīng)液按照所需編排好的測試方法和時間進行測試，最后計算并儲存和打印測試結(jié)果。

　　儀器的具體構(gòu)造此不贅述。

　　從而得到生化分析儀對電子系統(tǒng)的軟硬件要求,并據(jù)此選擇PLC的軟硬件配置。

　　1) 硬件要求

　　120K程序內(nèi)存

　　3 AI輸入

　　24 DI輸入

　　16 DO輸出，包括2 -PTO，1-PWM輸出

　　2 AO 輸出

　　RS232（及485）串行口

　　如有必要可以選擇2個或更多PLC CPU模塊聯(lián)合控制。

　　2) 軟件功能及內(nèi)部函數(shù)要求

　　輸入高速記數(shù)，

　　高速脈沖輸出，

　　步進電機脈沖控制模塊

　　PID 控制功能塊

　　自由通訊功能塊

　　基于ST文本的數(shù)據(jù)處理子程序

　　多種邏輯和計算結(jié)果判斷指令。

　　3) 總控制程序，自動機構(gòu)微電機控制，數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)計算處理軟硬件安排

　　儀器的PLC控制軟件由主控制程序，初始化復(fù)位子程序，自動機構(gòu)動作算法子程序，自動機構(gòu)運動執(zhí)行子程序，數(shù)據(jù)讀取控制子程序，及數(shù)據(jù)計算處理子程序組成。

　　主控制程序完成各子程序的選擇執(zhí)行以及與人機界面的通訊，為梯形圖程序。

　　初始化復(fù)位子程序完成自動機構(gòu)的回位和數(shù)據(jù)初始化，為梯形圖程序。

　　自動機構(gòu)動作算法子程序完成安排自動機構(gòu)的動作順序判斷，為梯形圖程序。

　　自動機構(gòu)運動執(zhí)行子程序驅(qū)動自動機構(gòu)完成要求的動作，為梯形圖程序。

　　數(shù)據(jù)讀取控制子程序執(zhí)行檢測數(shù)據(jù)的讀取和機構(gòu)為讀取數(shù)據(jù)的配合動作，為梯形圖程序。

　　數(shù)據(jù)計算處理子程序完成生化分析所需的分析計算，由ST語言編寫子程序。

　　4) 硬件的安排

　　自動機構(gòu)的運動和控制(包括比色用不同波長光源的自動選擇轉(zhuǎn)換)由高速脈沖輸出端口配合普通DO端口選擇控制多個微型步進電機來實現(xiàn)，其中機構(gòu)的運動定位由 DI，高速DI以及AI接受運動和位置反饋信號用以控制步進電機來實現(xiàn)。
恒溫槽的溫度由AI接收溫度傳感器，經(jīng)PLC的PID結(jié)合脈寬調(diào)制驅(qū)動電熱元件實現(xiàn)。控制精度最高可達±0.05°C，典型值達到±0.1°C。

　　數(shù)據(jù)的讀入由前端對數(shù)運算放大器（LOG100）接入AI實現(xiàn)。由于PLC可設(shè)置數(shù)字濾波參數(shù)。所以數(shù)據(jù)采集完全可以保持所需的精度要求。

　　PLC與人機界面的通訊由PLC的RS232串行口實現(xiàn)，可以采用PLC自身的MODBUS協(xié)議，也可以采用PLC提供的自由協(xié)議功能塊，這樣編程更方便。本系統(tǒng)采用自由通訊協(xié)議。

　　四、結(jié)論和展望

　　到節(jié)稿時儀器已基本可以運行。性價比好的設(shè)計和產(chǎn)品以及設(shè)計方法，只有經(jīng)過實踐檢驗才能證明其優(yōu)劣，以往PLC 從未用作精密儀器控制的核心主要有以下幾點原因

　　設(shè)計人員沒有掌握PLC 技術(shù)，

　　PLC的售價比較高，

　　幾年前的小型PLC的軟硬件性能還不能支持復(fù)雜儀器的控制要求。

　　近年來工控市場上新的PLC品牌不乏高性價比的小型PLC，使其設(shè)想成為可能。而且，儀器設(shè)計者如果更多采用PLC產(chǎn)品，必將促使PLC制造商不斷提高PLC的性能，以及向單板機容合，那樣設(shè)計人員將有更多便利的設(shè)計手段和軟硬件可選擇。從而縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，增加產(chǎn)品品種，使用戶、儀器開發(fā)商和PLC生產(chǎn)商都得到好處。

　　參考資料：

　　1 Visual Basic 串口通信技術(shù)與典型實例  ISBN 7-302-12885-5/TP 8192 清華大學出版社

　　2 HOLLiAS LM 系列小型一體化PLC 硬件手冊 2007 01 北京和利時系統(tǒng)工程有限公司

　　3 HOLLiAS LM 系列小型一體化PLC 軟件手冊 2006 01北京和利時系統(tǒng)工程有限公司

　　4 HOLLiAS LM 系列小型一體化PLC 指令及功能塊手冊 2006 01北京和利時系統(tǒng)工程有限公司

　　5 Visual Basic 應(yīng)用開發(fā)完全手冊 明日科技ISBN 7-115-15355-8/TP 5742 人民郵電出版社

　　6 Visual C++ 串口通信技術(shù)與工程實踐  ISBN 7-115-12344-6/TP 4021人民郵電出版社