计算机课件第3章 微控制器应用系统综合设计

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1、第3章 微控制器应用系统综合设计第3章 微控制器应用系统综合设计第3章 微控制器应用系统综合设计第3章 微控制器应用系统综合设计o教学提示：n本章以通用的MCS-51微控制器为例，讲述了微控制器应 用系统综合设计中将涉及的主要问题和解决办法。n本章主要内容包括三节。第3.1节讲述了微控制器应用系 统综合设计中将涉及的三个问题：微控制器的发展趋势 、应用及选择和综合设计的一般过程。第3.2节介绍了以 微控制器为核心的应用系统硬件模块设计和相应的接口 模块程序设计，重点介绍了人机接口设计和总线接口设 计等。第3.3节介绍了微控制器应用系统程序设计的一些 技巧和方法：编程语言的选择、程序设计规范、汇

2、编编 程、C51编程以及汇编和C51的混合编程。第3.2节、3.3 节是本章的重点。第3.3节中的汇编和C51的混合编程是 本章的难点。第3章 微控制器应用系统综合设计第3章 微控制器应用系统综合设计o教学要求n让学生理解和掌握微控制器应用系统综合设计 的一般过程和方法。重点让学生学会针对不同 的应用系统，应根据不同的具体要求，合理地 、灵活地应用相关的知识来解决问题。n建议在教学中结合相应的实验，全面理解以微 控制器为核心的应用系统综合设计方法。第3章 微控制器应用系统综合设计第3章 微控制器应用系统综合设计o3.1 单片机应用系统综合设计概述 o3.2 单片机应用系统硬件及接口设计 o3.

3、3 单片机应用系统程序设计 第3章 微控制器应用系统综合设计3.1 单片机应用系统综合设计概述o3.1.1 单片机的发展趋势o3.1.2 单片机的应用及选择o3.1.3 单片机应用系统综合设计的一般过 程第3章 微控制器应用系统综合设计3.1.1 单片机的发展趋势 o单片机的发展经历了以下几个发展阶段：n上世纪七十年代后期，单片机由4位发展到8位，采用NMOS工艺，速度低， 功耗大，集成度低。这段时期代表的产品主要有：MC6800，Intel8048等 。n八十年代，以8位单片机为主，主要采用CMOS工艺，并逐渐被高速低功耗 的HMOS工艺代替。这段时期代表的产品主要有：MC146805，In

4、tel8051等 。n上世纪末，单片机的发展可以说是百花齐放、百家争鸣的时期，世界上各 大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数 ，应有尽有。主核有与主流80C51系列兼容的，也有不兼容的。它们各具 特色，为单片机的应用提供广阔的选择空间。从有关的市场调查来看，这 个时期仍然是8位机唱主角。n到本世纪，几大主流单片机制造公司都在主推16位单片机和32位机。尽管 有更高位机取代8位机的发展趋势，但是据有关的市场分析，目前占有绝 大部分市场且极具发展前途的仍是8位机和16位机，而且还将在一定时期 内保持这种状况。在中小型应用系统综合设计中，多数应用仍采用以 80C51为

5、核心的单片机。 第3章 微控制器应用系统综合设计单片机的发展趋势o目前，兼容80C51系列结构和指令系统的单 片机主要有爱特梅尔（Atmel）公司的系列 产品、飞利浦（Philips）公司的系列产品 和中国台湾的华邦（Winbond）公司的系列 产品等。o另外不兼容80C51系列结构和指令系统的单 片机主要有Microchip公司的PIC精简指令集 (RISC)系列产品、MOTOROLA公司的系列产品 以及日本几大公司的专用单片机等。 第3章 微控制器应用系统综合设计单片机的发展趋势o 低功耗n随着芯片制造技术和电源技术的发展，低功耗、宽工作 电源电压的单片机将成为主流。目前，多数单片机的制

6、造采用了CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体）工艺， 使得单片机具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要 求低功耗（如电池供电）的应用场合。这种工艺将是今 后一段时期单片机发展的主要方向。如TI（德州仪器） 的MSP430新型FLASH单片机在1MHz、3V供电情况下，典型 工作电流为350uA。另外，有些单片机芯片的工作电压已 降到2V或以下了，使得这些单片机的功耗大大降低。第3章 微控制器应用系统综合设计单片机的发展趋势o 单片化nSOC（片上系统）和SOPC（片上可编程系统）是电子应用 系统发展的趋势。现在虽然单片机的品种众多，但内核 大同小异。它们的最大不同之处是，各个制造商给单片 机

7、集成了不同的单元电路，如A/D转换器、D/A转换器、 比较器、内部RC振荡器、看门狗、PWM输出、MP3解码器 和播放器、LCD驱动电路、I2C总线接口、USB接口、CAN 控制器等。单片机包含的单元电路越多，功能就越强大 。n另外，现在的产品普遍单片机不但功能强、功耗低，还 要体积小、重量轻。这就要求单片机都具有多种封装形 式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构 成的系统正朝微型化方向发展。第3章 微控制器应用系统综合设计单片机的发展趋势o 多品种共存n现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍 以80C51为核心的单片机占主流。不同制造商的 单片机具有不同的特色和专长，分别适

8、合于不 同的应用领域。在一定的时期内，这种情形将 得以延续，不存在某个单片机一统天下的垄断 局面。 第3章 微控制器应用系统综合设计3.1.2 单片机的应用及选择 o如上节所述，单片机的品种繁多，各具特色，分别适合于不同 的应用领域。那么在应用及选择上有哪些考虑呢？这就是本小 节要解决的问题。o目前单片机的应用已渗透到我们生活的各个领域。从导弹的导 航装置、飞机上各种仪表的控制，到工业自动化过程的实时控 制及数据处理和传输，从民用轿车的安全保障系统，到录像机 、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等 等场合，都使用了少则一两片，多则几十上干片单片机。因此 ，单片机应用系统综合设计

9、在电子系统综合设计中占有十分重 要的地位。第3章 微控制器应用系统综合设计单片机的应用及选择o在单片机应用系统中，单片机是核心。选择一款合 适的单片机是十分重要的。为确保应用系统的整体 性能指标，在选择单片机时，首先要考虑以下几个 方面的问题：o（1） 字长和指令功能；o（2） 存储器容量大小；o（3） 集成的外设模块功能；o（4） 开发设备和工具；o（5） 开发成本和周期。o此外可能还需要考虑系统功耗、体积大小、可靠性 等。第3章 微控制器应用系统综合设计单片机的应用及选择o从前面介绍的单片机的发展趋势可知，以80C51为核心的单片机 有着各种具有不同外设功能的成员，有着广泛的选择空间。在

10、实际的应用系统设计中，可根据相应的系统要求，综合考虑各 种因素，选用适用的单片机。o例如，考虑到电路板空间和成本，应使外围部件尽可能少。一 般来说，80C51系列单片机最多有512字节的RAM和32K字节的程 序存储器（EPROM或FLASH）。有时只要使用系统内置的RAM和程 序存储器就可以了，应充分利用这些部件，不再需要外接RAM和 程序存储器，这样就省下了I/O口，可用来和其它器件相连。当 需要I/O口数量少并且程序代码较短时，使用28脚或更少管脚的 80C51单片机可节省不少版面空间。第3章 微控制器应用系统综合设计3.1.3 单片机应用系统综合设计的一般过程o3.1.3 单片机应用系

11、统综合设计的一般过 程n和其他应用系统设计一样，单片机应用系统综 合设计过程也有规律可循。设计者首先必须明 确自己所设计的系统完成什么功能，达到什么 样的性能。其次必须考虑如何以最少的资源、 以最快的开发速度、以可靠的性能完成设计任 务。第3章 微控制器应用系统综合设计单片机应用系统综合设计的一般过程o单片机应用系统综合设计的一般过程大体上 可以分为以下几个阶段：n(1) 确定设计任务书，分析系统功能指标，拟 定系统总体设计方案n(2) 硬件设计、软件设计及调试n(3) 系统联调，性能测试n(4) 编制设计文件第3章 微控制器应用系统综合设计单片机应用系统综合设计的一般过程o(1) 确定设计任

12、务书，分析系统功能指标，拟定系 统总体设计方案n首先，必须进行认真细致的调查研究，深入了解用户的 需求，结合目前国内外相关的技术水平，进行项目分析 ，确定要完成的任务和应具备的功能和技术指标，在综 合考虑各种因素后，提出系统总体设计方案。n总体设计首先要合理安排单片机软件和硬件应完成的任 务和功能；其次选择确定系统采用的硬件种类和数量， 绘出系统硬件的构成框图；同时还需完成软件设计任务 分析，绘出系统软件构成框图。n总体设计一般还要将系统设计按功能模块分解成若干课 题，拟定详细的工作计划，使各项设计工作得以协调开 展。第3章 微控制器应用系统综合设计单片机应用系统综合设计的一般过程o(2) 硬

13、件设计、软件设计及调试n硬件设计一般应注意以下一些基本原则：oa. 采用典型电路，力求标准化。可以少走弯路，缩短 开发周期。ob. 选择新型器件。避免因器件厂商停产和转产带来的 不便。oc. 系统扩展和配置要留有余地。以备将来更新换代。od. 尽可能以软代硬。提高可靠性和方便修改。n这里列出的是主要的一些原则，其他还有一些事项也必 须引起注意，如可靠性设计、抗电磁干扰设计、自诊自 测电路设计、结构工艺等。第3章 微控制器应用系统综合设计单片机应用系统综合设计的一般过程n关于单片机的软件设计，近年来多推崇以C51语言为主， 以汇编语言为辅。采用C51语言不必对单片机和硬件接口 的结构有很深入的了

14、解，编译器可以自动完成变量存储 单元的分配，编程者只需专注于应用软件部分的设计， 可大大加快软件的开发速度。采用C51语言可以很容易地 进行单片机的程序移植工作，有利于产品中单片机的重 新选型。汇编语言主要用在时间要求比较严格的模块中 。用C51语言进行80C51单片机程序设计是单片机开发与 应用的必然趋势。另外，软件设计应尽量采用结构化设 计和模块化编程的方法，有利于调试和修改。n硬件调试主要有两个工作：一是硬件电路检查；二是硬 件电路运行检查，可能需要结合软件进行。软件调试主 要是指在单片机开发系统下进行的仿真调试。第3章 微控制器应用系统综合设计单片机应用系统综合设计的一般过程o(3)

15、系统联调，性能测试n系统联调主要完成排除单片机应用系统中的软 、硬件故障。在该阶段还必须进行系统性能指 标测试，以确定是否满足设计要求，并写出测 试报告。第3章 微控制器应用系统综合设计单片机应用系统综合设计的一般过程o(4) 编制设计文件n该文件不仅是单片机应用系统综合设计工作的 总结，还是系统使用、维护等的重要资料。第3章 微控制器应用系统综合设计3.2 单片机应用系统硬件及接口设计n3.2.1 时钟电路设计n3.2.2 复位电路设计n3.2.2 复位电路设计n3.2.4 显示器接口设计第3章 微控制器应用系统综合设计单片机应用系统硬件及接口设计n3.2.5 语音接口设计n3.2.6 单总

16、线接口设计n3.2.7 I2C总线接口设计n3.2.8 SPI总线接口设计第3章 微控制器应用系统综合设计3.2.1 时钟电路设计n时钟电路是数字电路的核心。nMCS-51单片机的时钟电路设计通常有两种形式 ：采用内部振荡方式和采用外部振荡方式。如 图3.2.1和3.2.2所示。第3章 微控制器应用系统综合设计时钟电路设计n 内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用 于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把 这两个引脚与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振 器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡 时钟脉冲，如图3.2.1所示。n晶体或陶瓷谐振器的频率一般为1.212MHz， 但需要根据单片机的具体要求而定。两个电容 C1和C2的容量一般为30pF左右，需要根据晶体 或陶瓷谐振器生产厂家的建议而定。第3章 微控制器应用系统综合设计时钟电路设计n 外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已 有的时钟信号（如有源晶体振荡器产生的时钟