基于AT89C52單片機(jī)的多機(jī)通信可靠性評估系統(tǒng)

呂猛，段焜，宋陸昊

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，徐州 221004）

引言

AT89C52在單片機(jī)中具備低電壓、高性能的優(yōu)點(diǎn)，但是在使用現(xiàn)有的可靠性評估系統(tǒng)時，經(jīng)常會出現(xiàn)維護(hù)成本過高、數(shù)據(jù)計算的準(zhǔn)確性較差等問題，使用此類評估系統(tǒng)對AT89C52單片機(jī)的多機(jī)通信功能進(jìn)行評估，則會導(dǎo)致可靠性的計算結(jié)果不準(zhǔn)確。對于可靠性的評價直接決定了整個系統(tǒng)有效性，因此需要對其進(jìn)行實(shí)時測試，以保證AT89C52單片機(jī)在執(zhí)行多機(jī)通信功能時可以確保指令能夠被迅速、穩(wěn)定地執(zhí)行，不會因AT89C52單片機(jī)自身的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)受損，因此需要設(shè)計單片機(jī)多機(jī)通信功能的可靠性評估系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[1]主要解決了大功率電子設(shè)備中的種種問題，在人工智能技術(shù)的作用下，通過硬件與軟件的雙重結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一個網(wǎng)絡(luò)體系總體框架，并在該框架的基礎(chǔ)上，識別電子信號的智能傳輸數(shù)據(jù)，解讀信號數(shù)據(jù)，并自動化輸出硬件指令的加載模式。通過軟件結(jié)構(gòu)將以上步驟連接在一起，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動化評估。文獻(xiàn)[2]則是以轉(zhuǎn)子動力學(xué)為基礎(chǔ)，開發(fā)了現(xiàn)代信號技術(shù)的處理標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，評估設(shè)備運(yùn)行與維修的標(biāo)準(zhǔn)，使用分布式數(shù)據(jù)采集裝置，建立多機(jī)通信的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在多元信息融合中構(gòu)建通信頻道的可靠性評估系統(tǒng)。以上兩種系統(tǒng)均是對機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行可靠性評估，與本文的系統(tǒng)具備一定的相似性，但是不能直接應(yīng)用于現(xiàn)有的AT89C52單片機(jī)多機(jī)通信可靠性評估方式。本文在設(shè)計系統(tǒng)時，從軟件與硬件的雙重角度出發(fā)，設(shè)計一種可以自動化評估AT89C52單片機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的評估監(jiān)測系統(tǒng)。

1 基于AT89C52單片機(jī)的多機(jī)通信可靠性評估系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 基于AT89C52單片機(jī)配置引腳

在AT89C52單片機(jī)中，大致有40個引腳和32個外部雙向端口，圖1中的引腳結(jié)構(gòu)為節(jié)選部分。在這些工作系統(tǒng)中，可以選擇非易失性的程序作為數(shù)據(jù)存儲器的主要編程結(jié)構(gòu)。將具備獨(dú)立鎖的定位器放置在代碼區(qū)內(nèi)，完成系統(tǒng)編程的讀寫[3]。設(shè)定該單片機(jī)的工作電壓為4.5 V左右，上下波動誤差不大于0.3 V。此時其引腳配置如圖1所示。

在圖1所示的引腳中，P1.0-P1.9接口均為8bit的雙開輸入輸出接口，也是數(shù)據(jù)總線的復(fù)用地址。當(dāng)這些引腳作為單片機(jī)的輸入接口時，可以在驅(qū)動邏輯門上填寫一個高阻抗的輸入端作為外部訪問的傳輸?shù)刂贰．?dāng)這9個引腳作為單片機(jī)的輸出接口時，則可以接續(xù)程序指令，在校驗(yàn)過程中，與外部的電阻相連，并作為高電平的輸出端口，將內(nèi)部電阻提高到一定的范圍之內(nèi)[4,5]。而AD0-AD9接口則可以通過振蕩器作為地址存儲裝置，當(dāng)Flash動畫播出時，編程脈沖會通過特殊功能寄存在AD0的復(fù)位器內(nèi)，并在外部程序的執(zhí)行過程中，提高指令讀取效率。通過這樣的引腳配置，可以在保證安全性的同時，大幅度提高該系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

圖1 單片機(jī)引腳配置

1.2 可靠性評估系統(tǒng)電路設(shè)計

在基于AT89C52單片機(jī)多機(jī)通信的可靠性評估系統(tǒng)內(nèi)，需要將外圍電路與內(nèi)部的時鐘振蕩裝置相連接，組成一個復(fù)位電路作為單片機(jī)的主要電路結(jié)構(gòu)[6,7]。多機(jī)通信的數(shù)據(jù)接收電路與數(shù)據(jù)發(fā)送電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，電容C1與電容C2共同構(gòu)成了數(shù)據(jù)接收電路的時鐘結(jié)構(gòu)，在電容C3的阻攔下，可以直接通過電源對單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行復(fù)位處理[8]。電容C4與電阻R1則是用于快速恢復(fù)低電平的上拉電阻，滑阻Rt作為一個獨(dú)立控制功能的控制器，用以控制數(shù)據(jù)發(fā)動的頻率。以上電路設(shè)計可以大幅度降低硬件設(shè)計的復(fù)雜度，并提高系統(tǒng)的運(yùn)行準(zhǔn)確性。

2 多機(jī)通信功能可靠性評估系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 建立主從機(jī)通信傳輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型

多機(jī)通信功能通常會涉及主機(jī)與分機(jī)之間的連接機(jī)制，在一個此類系統(tǒng)內(nèi)，通常具備一個主機(jī)與若干個從機(jī)，其間會有諸多語音數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)以及通信數(shù)據(jù)作為指令。在這些指令內(nèi)，想要評估其可靠性，還需要建立一個通信傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換模型，以判斷數(shù)據(jù)在主從機(jī)之間的傳入與輸出單元[9,10]。此時需要設(shè)定各任務(wù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

如圖3所示，將多機(jī)通信的可靠性評估整體分為四個狀態(tài)，分別是休眠狀態(tài)、提前準(zhǔn)備狀態(tài)、就緒狀態(tài)、開始運(yùn)行、任務(wù)中斷狀態(tài)。這五個狀態(tài)可以依據(jù)相對應(yīng)的參數(shù)相互轉(zhuǎn)換。其中休眠狀態(tài)主要指任務(wù)在中央處理器內(nèi)被終止或由于自身原因停止，導(dǎo)致的無法繼續(xù)接受任務(wù)的管理體系。提前準(zhǔn)備狀態(tài)指雖然當(dāng)前狀態(tài)下中央處理器內(nèi)沒有任何任務(wù)指標(biāo)，但是隨時都可以接收任務(wù)，而不是像整體休眠一樣的被迫停止?fàn)顟B(tài)。就緒狀態(tài)指任務(wù)完成的所有前提條件都已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，如果按下開始鍵，隨時都可以運(yùn)行任務(wù)，并且已經(jīng)對多機(jī)通信功能的優(yōu)先級排序完畢，不會由于排序問題進(jìn)入錯誤界面。開始運(yùn)行狀態(tài)則是已經(jīng)按下開始鍵，正在完成任務(wù)的狀態(tài)，該狀態(tài)的持續(xù)時間是一定的，不會因?yàn)椴僮髡咦陨淼挠绊懚l(fā)生變化，其時間單位只因系統(tǒng)自身的算法簡潔性以及多機(jī)通信下的并發(fā)數(shù)量而發(fā)生變化[11,12]。任務(wù)中斷功能，可以分為兩種情況，其中一種是由于系統(tǒng)錯誤導(dǎo)致的任務(wù)被迫停止，另一種則是由于任務(wù)運(yùn)行完畢導(dǎo)致的任務(wù)中斷。這兩種任務(wù)中斷均表現(xiàn)為一種形態(tài)，即中央處理器內(nèi)暫時沒有任務(wù)排序，也不是被迫休眠的狀態(tài)，與提前準(zhǔn)備階段類似，隨時可以繼續(xù)開始系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖3 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

2.2 多任務(wù)下調(diào)度優(yōu)先級排序

在多機(jī)通信內(nèi)，對多任務(wù)下的調(diào)度優(yōu)先級管理是十分有必要的，可以通過函數(shù)的方式，求解最優(yōu)的調(diào)度順序。在數(shù)據(jù)的輸出層內(nèi)，可以以加權(quán)的方式計算神經(jīng)元的權(quán)值參數(shù)：

式中：

f i(p)—神經(jīng)元的權(quán)值參數(shù)；

h ji(n)—權(quán)值矩陣內(nèi)第i行的第j個元素；

d0(p)—神經(jīng)元的輸入誤差；

km—該網(wǎng)絡(luò)的整體評估系數(shù)[13]。

通過權(quán)值參數(shù)，計算多任務(wù)下的調(diào)度優(yōu)先級排序，可以得到函數(shù)為：

式中：

H m(x)—輸出層在多機(jī)通信內(nèi)的調(diào)度排序函數(shù)值；

f j2(p)—第j個神經(jīng)元的權(quán)值參數(shù)；

kj—輸出層的整體維度。

此時的自變量與初值需要滿足：

式中：

f(xn+1)至f(x0)均為自變量的不同單位函數(shù)值[14]。在以上對比排序下，可以得到各任務(wù)的調(diào)度系數(shù)，將多個任務(wù)進(jìn)行排序，從而得到其優(yōu)先級排序。

2.3 設(shè)計主機(jī)通信可靠性評估算法

在系統(tǒng)內(nèi)，還需要通過一個整體的算法流程，對以上內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并提取出局部最優(yōu)解，作為系統(tǒng)通信的算法結(jié)構(gòu)，本文的可靠性評估算法流程如圖4所示。

如圖4所示，需要依據(jù)參數(shù)與函數(shù)值判定是否需要重置密碼或者更新子機(jī)與主機(jī)中的數(shù)據(jù)。對于參數(shù)值，可以使用公式（4）計算：

圖4 算法流程

式中：

?wd(k)—參數(shù)值的變化量，即引入局部梯度定義的參數(shù)值；

h(k)—第k個神經(jīng)元下的權(quán)值信號；

m2(k)—激活導(dǎo)數(shù)的輸出值；

ηj i(k)—一個i行j列的權(quán)值矩陣[15]。

依據(jù)該公式，可以得到設(shè)定與重置密碼的判定依據(jù)，并以此對主機(jī)通信的可靠性進(jìn)行評估，得到一個基于AT89C52單片機(jī)多機(jī)通信功能的可靠性評估系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試環(huán)境準(zhǔn)備

多級通信的可靠性評估系統(tǒng)，需要處理大量的元件參數(shù)，并通過計算對AT89C52單片機(jī)的可靠性進(jìn)行評估。在此過程中，對設(shè)備過載安全穩(wěn)定的監(jiān)測是可靠性評估系統(tǒng)的重點(diǎn)。單片機(jī)的過載安全穩(wěn)定分析主要為單片機(jī)的實(shí)際過載參數(shù)判定。在實(shí)際狀態(tài)的過載下，可以通過可靠性評估系統(tǒng)將某種與之相對應(yīng)的實(shí)際運(yùn)行方式作為評估指標(biāo)，如果此時的單片機(jī)多級通信模塊有了較為真實(shí)的波動，則系統(tǒng)會將其判定為即將過載。每一個硬件模塊均具備自身的設(shè)備負(fù)載指標(biāo)，當(dāng)過載的指標(biāo)低于負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)值時，則會直接判定該單片機(jī)的多機(jī)通信功能不可靠。當(dāng)過載的指標(biāo)高于負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)值時，數(shù)值越高，則該多機(jī)通信功能越可靠。在該系統(tǒng)測試中，設(shè)備以及服務(wù)器的環(huán)境準(zhǔn)備如表1所示。

表1 測試環(huán)境及設(shè)備

為判斷本文設(shè)計的可靠性評估系統(tǒng)是否更準(zhǔn)確，將其與傳統(tǒng)的幾種評估系統(tǒng)對比，結(jié)合已知的單片機(jī)信息，測試多級通信功能的負(fù)載。在以上環(huán)境中，通過并發(fā)數(shù)量的不同，分別得到此條件下的負(fù)載值，并得到如圖5所示的實(shí)際負(fù)載結(jié)果。

圖5 實(shí)際負(fù)載結(jié)果

在以上測試環(huán)境下，系統(tǒng)25 s內(nèi)的資源使用率情況如圖5所示，隨著并發(fā)數(shù)量的增加，資源使用率也在不斷提高。其中，并發(fā)數(shù)為5時，資源使用率的最大值為18.6 %，最小值為0；當(dāng)并發(fā)數(shù)為10時，資源使用率的最大值為28.1 %；并發(fā)數(shù)為15和20時，最大值為44.8 %和61.5 %。

3.2 不同系統(tǒng)對比測試

依據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)，分別測試依據(jù)人工智能算法、大數(shù)據(jù)挖掘方法以及本文方法所得到的可靠性評估系統(tǒng)，在不同并發(fā)數(shù)量下資源使用率情況。相同并發(fā)數(shù)量以及其他測試環(huán)境下，這三種對比系統(tǒng)所得最大資源使用率越小，則該系統(tǒng)負(fù)載可靠性越強(qiáng)，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同系統(tǒng)測試

不同系統(tǒng)可靠性評估結(jié)果如圖6所示。當(dāng)并發(fā)數(shù)為5時，實(shí)際的最大資源使用率為18.6 %，三種系統(tǒng)的最大資源使用率分別為15.2 %、17.6 %、18.3 %，均小于實(shí)際負(fù)載，可見這三種系統(tǒng)在并發(fā)數(shù)為5時指標(biāo)均可靠，且文中系統(tǒng)資源使用率在三種對比系統(tǒng)中最小。在并發(fā)數(shù)為10、15、20三種不同的條件下，三種系統(tǒng)的資源使用率均小于實(shí)際情況，且文中系統(tǒng)均為最小值。可見在這四種并發(fā)條件中，該系統(tǒng)多機(jī)通信功能的可靠性均強(qiáng)于其他系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本文基于AT89C52單片機(jī)設(shè)計了一種多機(jī)通信功能的可靠性評估系統(tǒng)，通過硬件與軟件的綜合設(shè)計，求解了該功能的可靠性參數(shù)。并依據(jù)實(shí)驗(yàn)，論證了該系統(tǒng)的有效性與優(yōu)越性，其在不同并發(fā)數(shù)下的資源使用率均小于額定值，且為三種對比系統(tǒng)中的最低值。