《精编》单片机应用系统的设计规范

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1、第七章单片机应用系统设计概述与高级语言编程 7 1单片机应用系统设计概述单片机是一种集成电路芯片 采用超大规模技术把具有数据处理能力的微处理器 CPU 随机存取数据存储器 RAM 只读程序存储器 ROM 输入输出电路 I O口 可能还包括定时计数器 串行通信口 SCI 等电路集成到一块单块芯片上 构成一个最小然而完善的计算机系统 这些系统能在软件的控制下准确 迅速 高效地完成程序设计者事先规定的任务 由此来看 单片机有着微处理器所不具备的功能 它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能 这是单片机最大的特征 单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统 可以软件控制

2、来实现 并能够实现智能化 现在单片机控制范畴无所不在 例如通信产品 家用电器 智能仪器仪表 过程控制和专用控制装置等等 单片机的应用领域越来越广泛 7 1 1单片机应用系统的分类按照单片机系统扩展与系统配置的状况 单片机应用系统可分为最小系统 典型应用系统和增强应用系统等 1 最小应用系统最小应用系统是指能维持单片机运行的最简配置系统 这种系统结构简单 成本低廉 常构成一些简单的控制系统 如开关状态的输入 输出控制 时序控制等 这种应用系统的硬件电路构成很简单 对于片内有程序存储器的单片机 只要配上晶振 复位电路和电源就可以构成最小应用系统 而对于片内无程序存储器的单片机 其最小应用系统除了配

3、置晶振 复位电路和电源外 还需扩展程序存储器 图7 1所示是8031的最小系统 最小应用系统的功能完全取决于单片机芯片技术水平 AT89C51的最小系统 ADuC812是一个完全集成的12位数据采集系统 在一个芯片内结合了高性能的自校准多通道12位ADC 双12位DAC和可编程8位微控制器 与8051兼容的指令集 片内的8K字节闪速 电擦除存储器 640字节片内闪速 电擦除数据存储器和256字节的片内数据静态存储器 均由可编程8051兼容内核控制 另外微控制器具有包括看门狗定时器 电源监视器和ADCDMA功能 为多处理器接口和I O扩展提供了32条可编程的I O线 I2C兼容的SPI和标准UA

4、RT串行口I O等 ADuC812单片智能转换器 MicroConverter ADuC812单片智能转换器 MicroConverter 2 典型应用系统典型应用系统是指单片机要完成一般工业测 控功能所必须具备的硬件结构系统 它包括系统扩展与系统配置两部分内容 系统扩展是指在单片机内部程序存储器 ROM EPROM 数据存储器 RAM 及输入 输出 I O 口等部分不能满足系统要求时 需在片外扩展的部分 扩展多少 视系统要求而定 系统配置是指单片机为满足应用要求所应配置的基本外部设备 如键盘 显示器等 3 增强应用系统增强应用系统是指包含为了加强典型系统的人机对话 与其他设备通讯和系统测控功

5、能而增设外设与接口的系统 如图7 3所示 7 1 2单片机应用系统的构成方式 单片机应用系统有三种结构方式 1 专用系统这种系统的扩展与配置完全是按照应用系统的功能要求设计的 系统硬件只需满足应用要求 系统中只配备应用软件 固化在ROM或EPROM中 故系统有最佳配置 系统的软应件资源能得到最充分的利用 但这种系统无自开发能力 要有开发工具的支持 采用这种结构方式 要求有较强的软硬件开发基础 专用系统主要用在大批量生产的仪器 设备和家用电器等方面作测控用 一般不需要很多按键 甚至可以不要 2 模块化系统由于单片机应用系统的扩展与配置具有典型性 可把这些典型配置做成用户系列板 比如主机板 A D

6、板 D A板 A D A板 I O板 打印机接口板 通信接口板等 供用户选择使用 用户可根据应用系统的要求 选择适当的功能模块组合成自己的测控系统 模块化结构是大 中型应用系统的发展方向 它可以大大减少用户在硬件开发上投入的力量 且可使硬件开发周期缩到最短 但目前我国单片机应用系统模块化产品水平尚不高 软硬件配套工作还不完善 有待进一步发展 3 单片单板机系统受通用CPU单板机 如TP801等 的影响 同时也考虑多种应用目的 国内有用单片机来构成单片单板机 这种系统的硬件按典型应用系统配置 并配有监控程序 具有自开发能力 但是 单板机的固定结构形式常使应用系统不能获得最佳配置 即软硬件资源不能

7、得到充分利用 产品批量大时 软 硬件资源浪费较大 但这种系统可以减少研制时的硬件工作量和部分软件工作量 并且具有二次开发能力 故可加速应用系统的研制速度 缩短开发周期 通常可用于教学系统 7 1 3单片机应用系统设计的基本要求 1 对设计者的要求 1 一定的硬件基础知识 设计者不仅要掌握各种单片机 存储器 如EPROM E2PROM RAM 和I O接口 如8255 8155 8279及其它功能器件 还要掌握键盘 开关 检测各种输入量的传感器 控制用的执行装置以及与单片机和各种仪器进行通信的接口等 2 一定的软件设计能力 设计者能根据系统的要求 设计出所需要的程序 比如数据采样程序 A D或D

8、 A转换程序 数码转换程序 数字滤波程序 标度变换程序 键盘处理程序 显示及打印程序以及各种控制算法和非线性补偿程序等等 3 有综合运用和分析的能力 设计者要能够将一个单片机应用系统的复杂设计任务划分成许多便于实现的组成部分 尤其是对软件和硬件折衷问题能够恰当地运用 4 设计者还要掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法以及被控对象的动 静态特性等 2 对单片机应用系统的要求 1 可靠性要高这是对应用系统最重要的一个基本要求 提高应用系统可靠性的常用几种方法 1 采用双机冗余系统 2 采用集散式控制系统 3 提高元器件的可靠性 4 进行软硬件滤波 5 提高印刷电路板的质量 设计电路板时布线及

9、接地要合理 6 对供电电源采用抗干扰措施 7 输入输出通道采取抗干扰措施 2 自诊断功能要强在进行系统整体设计时 一定要考虑系统的故障自动检测和处理的功能 当系统正常运行时 可定时对各模块进行自诊断 并对外界出现的异常情况作出快速应变处理 对于出现无法解决的情况 应能及时切换后备装置投入工作 或及时报警 以提醒人工干预 对于集散控制系统 主机除了对各子系统的例行监督管理外 还要诊断各子系统是否在正常运转 当发现某个系统有故障时 应立即进行处理 3 操作和维修要方便在系统的硬件和软件设计时 应考虑操作和维修方便 尽量降低对操作人员的专业知识的要求 以便于系统的推广 系统的操作控制开关不能太多 太

10、复杂 操作顺序应简单明了 最好具有一定的容错性 输入输出应用十进制表示 功能符号简明直观 结构应规范化 模块化 并配有现场故障诊断程序 4 性能 价格比高一个单片机应用系统能否被广泛地采用 关键在于是否有很高的性能 价格比 硬件软化是提高系统性能 价格比的实用方法 在系统总体设计时 应尽可能减少硬件成本 能用软件实现的功能尽量用软件实现 在不增加成本的基础上 提高软件和硬件结构的通用性和可扩充性是十分重要的 上述四点是设计单片机应用系统时应考虑的基本要求 对不同的应用系统还有许多特定的要求 如精度 速度 体积 重量及监视手段等 这些均须根据具体系统的要求而定 7 1 4单片机应用系统硬件设计概

11、述 1 应用系统硬件设计内容一个单片机应用系统的硬件设计包括两大部分内容 1 系统扩展 通过系统扩展 构成一个完善的计算机系统 它是单片机应用系统中的核心部分 系统的扩展方法 内容 规模与所选用的单片机系列以及供应状态有关 扩展部分设计包括存储器扩展和接口扩展 存储器的扩展指EPROM EEPROM和RAM的扩展 接口扩展是指8255 8155 8279以及其它功能器件的扩展 2 各功能模块的设计 如信号测量功能模块 信号控制功能模块 人机对话功能模块 通讯功能模块等 根据系统功能要求配置相应的A D D A 键盘 显示器 打印机等外围设备 2 单片机应用系统硬件设计应遵循的基本原则 为使硬件

12、设计具有先进性 合理性 应注意以下一些原则 1 尽可能选择典型电路 尤其是要优先选用符合单片机常规用法的标准化 模块化的典型电路 这样可提高设计的成功率和结构的灵活性 2 系统的扩展及各功能模块的设计应充分满足应用系统的功能要求 并留有适当的余地 以便进行二次开发 3 硬件设计要结合应用软件方案一并考虑 硬件电路结构与软件方案会产生相互影响 综合考虑的原则是 能用软件实现的功能尽可能由软件来实现 以便简化硬件电路 但必须注意系统对速度与实时性的要求 4 应用系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配 例如选用晶振频率较高时 存储器的存取时间有限 应该选择允许存取速度较高的芯片 选择CMOS芯片单片机

13、构成低功耗系统时 系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品 5 在电路设计时 要充分考虑应用系统各部分的驱动能力 驱动能力不足时 系统工作不可靠甚至无法工作 而这种不可靠很难通过一般的测试手段来确定 因此 要重视这一问题 6 可靠性与系统的抗干扰设计应贯穿在应用系统设计的全过程 它包括芯片 器件的选择 去噪滤波 印刷电路板布线 通道隔离等 7 设计时要尽可能掌握最新器件与最新技术 并把它们用于设计中 因为电子技术发展很快 各种新器件层出不穷 各种实用的新技术日新月异 只有时刻跟踪其发展动态 才能使设计出的系统具有较先进的综合性能 7 1 5应用系统的软件设计 1 应用系统软件的功能系统中的应用软

14、件是根据系统功能要求设计的 软件设计得如何 将决定整个系统的效率和系统性能的优劣 一般地讲 软件的功能可分为两大类 1 执行软件 它能完成各种实质性的功能 如测量 计算 显示 打印 输出控制等 2 监控软件 它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系 起组织调度的作用 2 应用系统软件设计原则 各种应用系统的功能相差很大 程序编制者风格各异 因此应用软件的设计因系统而异 因人而不同 但优秀的系统软件还是有其共同的特点和规律的 在进行程序设计时应注意以下原则 1 根据软件功能要求 将软件分解为几个相对独立的任务 并根据这些任务的联系和时间关系 设计一个合理的软件结构 2 培养结构化程序设计风格 各

15、功能程序实行模块化 子程序化 这样较便于调试 链接 也便于移植 修改 3 建立与选择正确的数学模型与算法 根据功能要求 描述出各个输入变量和输出变量之间的数学关系 这就是建立数学模型 在单片机应用系统中 数学模型的正确程度 是系统性能好坏的决定因素 数学模型是随系统功能的不同而异的 例如 在测量系统中 从模拟输入通道得到的温度 流量 压力等现场信息与该信号对应的实际值往往存在非线性关系 则需要进行线性处理 为了削弱或消除干扰信号的影响 提高系统精度 常采用算术平均法 中值法等数字滤波方法 4 应绘制出程序流程图 这不仅是程序设计的一个重要组成部分 而且是决定成败的关键部分 设计者千万不可轻视这

16、一步 5 要合理分配系统资源 包括ROM RAM 定时器 计数器 中断源等 尤其要注意片内RAM的分配 7 251系列单片机高级语言C51程序设计基础 7 2 1C语言的特点 1 语言简洁 使用方便灵活C语言的规模较小 关键字只有32个 9种控制语句 书写形式比较自由 表示方法简洁 使用一些简单的方法就可以构造出相当复杂的语句类型和程序结构 2 可移植性好在不同的机器上80 的代码是相同的 3 表达能力强 方式灵活 具有丰富的数据结构类型和运算符 利用C语言提供的运算符可以组成各种表达式 还可以采用多种方法来获得表达式的值 从而使用户在程序设计时具有较大的灵活性 4 可以进行结构化程序设计 C语言是一种结构化程序设计语言 即程序的逻辑结构可以顺序 选择 循环三种基本结构组成 便于采用自顶向下的 逐步细化的结构化程序设计技术 用C语言编制的程序具有容易理解 便于维护的优点 5 可以进行模块化程序设计 C语言是以函数作为程序设计的基本单元的 编译器提供函数库供编程者调用 用户也可以自己编写特殊需要的函数 每一个函数即相当于一个程序模块 因此C语言可以很容易地进行模块化设计 便于多人同时进行