單片機(jī)單板機(jī)自上世紀(jì)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(jì)水平的提高不言而喻。同時(shí)，單片機(jī)單板機(jī)的開發(fā)應(yīng)用隨之也更加專業(yè)化。上世紀(jì)80-90年代Z80，C51，M6800等8位機(jī)的軟硬件開發(fā)就已須要專門訓(xùn)練，近年來16位以上CPU的開發(fā)已遠(yuǎn)非以前八位機(jī)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(shí)間，減少開發(fā)成本，同時(shí)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(jì)開發(fā)方案進(jìn)行詳細(xì)探討。在提出這個(gè)技術(shù)設(shè)想之前，從設(shè)計(jì)方法學(xué)，技術(shù)可行性以及性能價(jià)格比幾方面對此技術(shù)設(shè)想的合理性進(jìn)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(shí)施的細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)全面的描述。
一、傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)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(diǎn)
前端的信號檢測，適時(shí)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)其功能的光機(jī)電一體化的自動裝置，以及人機(jī)操作界面，除此之外還必須有完備的上下位機(jī)的控制程序軟件包。為實(shí)現(xiàn)以上幾個(gè)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(jī)就似乎成為迄今儀器設(shè)計(jì)的唯一選擇。
從而，在儀器具體的性能要求確定以后，單板機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)制造工作就進(jìn)入議事日程。這項(xiàng)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(jì)開發(fā)費(fèi)用，而且，整機(jī)軟硬件及外部設(shè)備的聯(lián)調(diào)也需要大量的時(shí)間以及返工和重新設(shè)計(jì)。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(jī)試制階段。
二、新設(shè)計(jì)方案的提出和可行性分析與單板機(jī)方案比較
所謂的新方案的概念源于個(gè)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(jì)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(gè)在精密儀器設(shè)計(jì)方案上重新審視的技術(shù)空間。
從設(shè)計(jì)方法學(xué)的角度來看待設(shè)計(jì)問題，全世界沒有誰規(guī)定自動儀器一定要以單板機(jī)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(jì)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(jì)過程和內(nèi)部構(gòu)造，他們只關(guān)心儀器的性能價(jià)格比。而作為設(shè)計(jì)人員，我們所要考慮的是所有可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能的設(shè)計(jì)方案和手段以及技術(shù)途徑，這樣較為符合設(shè)計(jì)方法學(xué)的思想方法和設(shè)計(jì)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(jī)界面的通訊端口，以及根據(jù)具體運(yùn)行要求所編制的程序。這些工作對一個(gè)單板機(jī)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(jì)單板機(jī)或DSP的PCB板，在SMT技術(shù)的今天設(shè)計(jì)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(gè)DI的擴(kuò)展，都需要重新設(shè)計(jì)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(yàn)的人來說，一點(diǎn)也不陌生，但對于那些僅從事儀器設(shè)計(jì)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(dāng)規(guī)模的內(nèi)存，可任意擴(kuò)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(jī)。
再從軟件編程和運(yùn)行的方面比較，單板機(jī)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(dāng)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?yán)щy。對于儀器控制的特殊應(yīng)用，運(yùn)行時(shí)子程序調(diào)用比較多，在線調(diào)試?yán)щy。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(jī)控制，定時(shí)，記數(shù)，脈寬調(diào)制，脈沖輸出等等。另外PLC程序在運(yùn)行時(shí)是實(shí)時(shí)重復(fù)掃描，可以根據(jù)邏輯計(jì)算結(jié)果的要求實(shí)時(shí)任意取舍子程序或功能塊的運(yùn)行，對于一個(gè)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(xué)，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(jià)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(jì)建造嵌入式CPU的PCB板，而只需要設(shè)計(jì)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(fèi)提供的。在生產(chǎn)階段，PLC與單板機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)時(shí)運(yùn)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(jī)。甚至具備單板機(jī)所不具備的實(shí)時(shí)在線性能。因此，從理論到實(shí)踐上看PLC作為儀器核心都是具有更多優(yōu)越性。
三、設(shè)計(jì)過程詳實(shí)（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(yàn)血液生化指標(biāo)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(jī)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(jìn)行稀釋。進(jìn)而分別注入比色杯對反應(yīng)液進(jìn)行保溫和延時(shí)（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(shí)間進(jìn)行測試，最后計(jì)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。
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