孟慶波,常玉華
(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450052)
目前,各種類型的電子表決器在我國的政府部門、各級人大和企事業(yè)單位都有應(yīng)用。調(diào)查和分析顯示,市場上現(xiàn)有的電子表決器主要存在下述問題:表決方式落后,原理存在缺陷,工作效率較低;系統(tǒng)連線較多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝、調(diào)試和維護(hù)難度大,故障率高;表決器不能定位,不具有數(shù)據(jù)處理和判斷能力;設(shè)計(jì)方案用現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)或性價比不高等[1]。針對傳統(tǒng)投票方式的缺點(diǎn)和目前投票系統(tǒng)的不足,本文研究并開發(fā)了一套全新的電子表決系統(tǒng)——基于AT89C系列單片機(jī)的大型電子投票表決系統(tǒng)。
基于AT89C系列單片機(jī)的大型電子投票表決系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。該系統(tǒng)要求可以實(shí)現(xiàn)直接電子投票、實(shí)時采集數(shù)據(jù)、快速統(tǒng)計(jì)匯總、準(zhǔn)確顯示投票結(jié)果和實(shí)時存儲打印等功能,能夠支持大型會議(如300~500人)的電子表決功能,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,性能穩(wěn)定,操作簡便,易于維護(hù)。同時,該系統(tǒng)還要承擔(dān)會議表決重要數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)與發(fā)布,因而該系統(tǒng)研發(fā)要體現(xiàn)可靠性高、操作維護(hù)方便、模塊化設(shè)計(jì)、性價比高和設(shè)計(jì)周期短等特點(diǎn)。
圖1顯示了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
硬件系統(tǒng)主要包括主控制器、通信和電源總線、分支控制器、表決器、計(jì)算機(jī)、分頻器和多媒體顯示設(shè)備等。整個系統(tǒng)采用RS-485網(wǎng)絡(luò)通信方式,整體布網(wǎng)采用串聯(lián)方式連接。主控制器通過串行接口與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)通信,將表決結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī),由統(tǒng)計(jì)管理軟件進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計(jì)、顯示、打印。同時,由分頻器將計(jì)算機(jī)連接多媒體顯示設(shè)備,同步顯示表決信息。一臺主控制器管理24個分支控制器,每個分支控制器管理10~26個表決器,構(gòu)成可控制24×26=624個點(diǎn)的表決系統(tǒng)(可擴(kuò)展)。
計(jì)算機(jī)依靠統(tǒng)計(jì)管理軟件,通過RS-485(也可采用RS-232,需轉(zhuǎn)換)標(biāo)準(zhǔn)串行接口與主控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信?;赪indows操作系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)管理軟件還可以實(shí)現(xiàn)會議表決結(jié)果打印和會議宣傳附屬要求,通過多媒體設(shè)備進(jìn)行發(fā)布。
主控制器、分支控制器和表決器部分用單片機(jī)及RS-485總線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。主控制器采用AT89C52單片機(jī)及外圍電路;分支控制器采用AT89C51單片機(jī)及外圍電路;表決器功能較為簡單,采用AT89C2051構(gòu)成的最小單片機(jī)系統(tǒng)。主控制器與分支控制器、分支控制器與表決器構(gòu)成一個符合RS-485通信規(guī)范,以串行方式連接的多單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)。主控制器到分支控制器、分支控制器到表決器之間實(shí)現(xiàn)主從通信方式。
計(jì)算機(jī)、主控制器、分支控制器和表決器采用多級分層結(jié)構(gòu),如圖2。主控制器、若干個分支控制器和若干個表決器作為節(jié)點(diǎn),構(gòu)成了一個一個符合RS-485通信規(guī)范的主從分布、三級驅(qū)動、串行連接的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
圖2 系統(tǒng)多級分層結(jié)構(gòu)
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括基于Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)(上位機(jī))統(tǒng)計(jì)管理軟件設(shè)計(jì)和采用單片機(jī)技術(shù)的主控制器、分支控制器和表決器(下位機(jī))的通信程序編寫。
計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)管理軟件采用VisualBasic6.0語言開發(fā),使用MSComm控件與主控制器實(shí)現(xiàn)通信,其數(shù)據(jù)庫管理功能強(qiáng)大,貫穿了模塊化設(shè)計(jì)思路,用戶界面友好。下位機(jī)通信軟件使用KeilC進(jìn)行開發(fā),開發(fā)周期短、成本低,生成目標(biāo)代碼效率高,可移植性好,且易于維護(hù)、可靠性高。它們采用異步串行通信、主從呼叫響應(yīng)的通信方式,完成下位機(jī)通信、上位機(jī)通信和上下位機(jī)間的通信等功能。
圖3顯示了軟件系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用異步串行通信、主從呼叫響應(yīng)的通信方式,即主控制器、分支控制器和表決器基于RS-485通信協(xié)議,采用查詢和地址數(shù)據(jù)回送的方式實(shí)現(xiàn)相互通信和統(tǒng)計(jì)功能,最后由主控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)和處理,并回送計(jì)算機(jī)。
圖3 軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)方案
主控制器是整個電子投票表決系統(tǒng)的控制部分,負(fù)責(zé)控制命令下發(fā)、表決數(shù)據(jù)收集傳送等功能。其核心部件微處理器具有檢測分支控制器與表決器在線功能,執(zhí)行表決開始、停止命令,統(tǒng)計(jì)表決結(jié)果,察看表決結(jié)果,傳輸表決數(shù)據(jù)等功能。還可以通過接駁計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)信息顯示、統(tǒng)計(jì)打印等功能。
主控制器的核心電路主要由AT89C52單片機(jī)、地址鎖存器芯片74LS373、高集成度CMOS靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)62256、雙4選1的2路電子信號模擬多路器 4052、RS-485通信接口收發(fā)器MAX491 等元件構(gòu)成[2,3]。
分支控制器是用于連接主控制器和表決器的中間設(shè)備,是主控制器和表決器之間數(shù)據(jù)信息傳遞的紐帶。分支控制器主要負(fù)責(zé)將主控制器的命令傳給每個表決器,以及收集每個表決器的結(jié)果并傳給主控制器。它還可以擴(kuò)展RS-485總線,使系統(tǒng)容量增大。每個分支控制器可管理10~26個表決器。分支器在工作時有兩個指示燈。工作正常時,工作指示燈閃動;當(dāng)有信息傳送時,通信指示燈亮。分支控制器在整個過程中都是自動工作的,無須操作。
分支控制器的核心電路主要由AT89C51單片機(jī)、雙4選1的2路電子信號模擬多路器4052、RS-485通信接口收發(fā)器MAX491等元件構(gòu)成。
表決器是表決信息采集的終端,為與會代表表決時直接使用的選項(xiàng)控制設(shè)備。
表決器的核心電路主要由AT89C51單片機(jī)、RS-485通信接口收發(fā)器MAX491等元件構(gòu)成。89C2051是一種小型單片機(jī),不提供外部擴(kuò)展存儲器與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號,不能擴(kuò)展存儲器或I/O設(shè)備。因此,AT89C2051本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。
系統(tǒng)組網(wǎng)采用串聯(lián)布線方式,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單,數(shù)據(jù)傳輸可靠。系統(tǒng)的總線包括了電源及通信總線。按其連接位置及功能參數(shù),又可以細(xì)分為干線和支線。主控制器和分支器的電源采用AC220電源,各分支器電源統(tǒng)一由主控制器供給;表決器采用DC12V電源,由分支器提供。干線及支線通信均采用RS-485通信模式。在前期鄭州鐵路局的電子表決器工程應(yīng)用中,曾經(jīng)采用RS-232通信模式,需用RS-232/485轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
RS-485是平衡傳送、差分接收的電氣標(biāo)準(zhǔn),具有很強(qiáng)的共模干擾抑制能力,比起RS-232非平衡的傳送方式在電氣指標(biāo)上有了大幅度的提高。同時,RS-485是一個多引出線接口,這個接口可以有多個驅(qū)動器和接收器,可以實(shí)現(xiàn)一臺計(jì)算機(jī)和多臺單片機(jī)之間的串行通信;而且RS-485的接受器具有較高的靈敏度,最長的傳輸距離為1200m,適合中距離的傳輸[4,5]。
在集散控制系統(tǒng)中,普遍采用RS-485總線作為底層通信接口??紤]到RS-232串行通信接口的固有缺點(diǎn)以及分支控制器數(shù)量多、分布范圍大、可能距離主機(jī)較遠(yuǎn)等實(shí)際情況,本論文采用RS-485串行總線構(gòu)成通信干線及支線的接口。主控制器、分支控制器和表決器以RS-485半雙工通信協(xié)議為基礎(chǔ),采用 AT89C52、AT89C51和 AT89C2051系列單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成一個總線型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。傳送數(shù)據(jù)采用主從通信、一主多從、串行通信的RS-485總線型連接方式來達(dá)到信息交換和多機(jī)通信的目的。采用RS-485協(xié)議進(jìn)行連接的主從式多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低系統(tǒng)成本。
本文所研究的大型電子投票表決系統(tǒng)采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C52、AT89C51、AT89C2051系列單片機(jī)芯片組成三級驅(qū)動的多單片機(jī)系統(tǒng),功能強(qiáng)大,性能優(yōu)越,性價比較高;采用RS-485總線方式來構(gòu)建系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),兩線平衡傳送,數(shù)據(jù)差分接收,具有很強(qiáng)的共模干擾抑制能力,電氣標(biāo)準(zhǔn)較高;實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模、中距離、高傳輸速率、低成本的多機(jī)串行通信。系統(tǒng)各部分之間傳送數(shù)據(jù)采用主從通信、一主多從、主從呼叫響應(yīng)的串行通信方式,來達(dá)到信息交換和多機(jī)通信的目的;傳輸數(shù)據(jù)速度快,可靠性高。從測試的結(jié)果來看,基于AT89C系列單片機(jī)的大型電子表決系統(tǒng)基本滿足了設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了表決結(jié)果及時、準(zhǔn)確顯示,提高了會議表決的透明度,保證了表決的公開性,大大提高了會議的工作效率。
需要指出的是:本系統(tǒng)在硬件選型、軟件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信方式等方面與已有系統(tǒng)已經(jīng)有了許多本質(zhì)性的區(qū)別;系統(tǒng)在研發(fā)過程中所貫穿的系統(tǒng)化、通用化和模塊化設(shè)計(jì)思想對于相關(guān)應(yīng)用具有一定借鑒價值。另外,系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時,充分考慮了制作、運(yùn)行成本和社會的經(jīng)濟(jì)承受能力。因此,本文所做工作在技術(shù)應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益上都具有非?,F(xiàn)實(shí)的意義。
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鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2013年1期