大学计算机课件第八章 单片机应用系统的设计

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1、第八章 单片机应用系统的设计 第一节 单片机应用条件 第二节 单片机系统设计 要领第三节 单片机系统的设计过程第四节 单片机与软盘驱动器接口技术及应用 第五节 MCS-51单片机用于电子配料秤第六节 在单片机控制系统中实现可控硅过0控制*1第一节 单片机应用条件 8.1.1 单片机可应用场合的确定8.1.2 单片机应用层次的确定8.1.3 单片机应用地位的确定2n8.1.1 单片机可应用场合的确定 n单片机并不是万能的 ,面向一个对象是否采用单片机 应进行可行性分析。n一般来说分析内容可归为如下几类: （1）单片机的最高工作速度能否满足对象的实时 性要求；（2）单片机的最大存储空间能否满足关于

2、对象的 软件长度要求；（3）单片机的指令系统、寻址功能、运算能力等 能否胜任对象的复杂度；（4）单片机的接口规程是否适用对象的信息交换 方式；（5）系统引入单片机后是否能产生更好的性价比 。38.1.2 单片机应用层次的确定 n单片机应用层次可分为普通民用品、耐用民用品、 优良环境工业现场品、恶劣环境工业现场品和军用 品等。n不同的应用层次，所选择的单片机的品质是不尽相 同的，而系统的硬件、软件体系也会各有千秋.n所以人们在设计单片机应用系统之前有必须要搞清 楚所设计系统属于哪个层次，以便按所在层次的要 求进行器材选择、电路设计、软件开发等。 48.1.3 单片机应用地位的确定 n单片机应用系

3、统可分为单片单片机、多片单片机 和子系统等多种类型。n单片机在系统中处在不同地位，相应的硬件、软 件配置是有区别的。n应用系统只含一片单片机则整个系统以其为核心 进行设计；n若含多片单片机，必须先确定各单片机在系统中 的地位，即谁是主片，谁是从片，或地位相等， 然后确定各片之间的信息交换方式；n如果该系统是某个系统的子系统，主要考虑的问 题有二个，一是作为子系统的任务，二是与主系 统的信息交换方式。 5第二节 单片机应用系统设计要领 8.2.1 对象特性分析要领8.2.2 硬件体系设计要领8.2.3 算法设计及其优化要领8.2.4 软件设计及其优化要领6n8.2.1 对象特性分析要领 n对象的

4、特性分析包括对象存在形式的认定，逻辑形 式认定，数学关系的认定及单片机介入的可能性确 定等。n对象存在形式可分为电量和非电量两大类。n电量的主要形式是电压、电流、电功率等，对于交 流电有频率、周期，对于脉冲信号有脉冲形状和宽 度等内容。n非电量的常见形式有温度、速度、湿度、粘度、压 力、张力、流量、位移等。n逻辑形式是指对象的能量转换方法及其条件。7n数学关系是对象处理的基本依据。n有些对象的数学描述不是唯一的，不同的数学模型 对系统的成功与否、系统的测控精度等都有至关重要 的影响.n建立的数学模型即要反映对象的特性又要适宜于单 片机处理。可以说大多数对象的测控，单片机都有用 武之地.n也有些

5、情况不适宜单片机介入或直接介入，如：n(1)数据过多以至于单片机超容量扩充也无法容纳的 对象；n(2)数据采集速度要求过高以至于无法通过单片机运 行程序来正常采集的对象；n(3)单片机最快的程序运行速度也不能满足对象的实 时性要求等。88.2.2 硬件体系设计要领 n对于确定的对象，单片机应用系统的硬件体系设计 的总要求可归纳为“满足功能，降低成本，压缩体 积”。n满足硬件功能的基本方法为选择合适的通道结构、 单片机的扩展内容；n降低成本主要体现在单片机应用层次上的器材选择 、工艺要求，此外在满足功能的前提下尽可能提高 元器件的共用程度及以软件代替硬件；n压缩体积主要体现在电路板上的元件布局的

6、合理性 及组件布局的合理性。n在满足电路消除噪声、散热正常的前提下，元件安 排得越近越有利于电路板面积缩小和连线缩短，有 条件的可将调试好的电路做成非标准的集成电路可 大幅度压缩系统体积、降低成本。 98.2.3 算法设计及其优化要领 n算法考虑原则:结合对象的数学模型与系统的硬件体系 。n面向一个确定的数学模型或某一可处理关系设计算法时 ，应从单片机的指令功能及其特点、存储器结构及其特 点、输入输出接口及其特点等方面出发，建立与所用单 片机应用系统的硬件体系相适用的计算机制。n算法优化方法有两种，n一是根据算法内容与某种经典算法的相似程度，创造条 件将经典算法用于本系统；n二是以降低算法结构

7、复杂程度和算法运行时间为依据设 计新算法。n算法优化的总目标是使得按此算法设计出来的程序运行 效果达标，符号量大幅度下降，存储器开销减小，运算 速度加快。 108.2.4 软件设计及其优化要领 n软件设计首先要注重软件系统的结构设计。n面向基本定型的硬件环境和对象的处理算法要选用 适当的程序结构去迎合对象及用户的要求。n对象要求主要包括精度、速度、分时等方面；n用户要求主要包括输入方式、输出形式等方面。n常见程序结构有：n(1)纯主程序；n(2)主程序子程序；n(3)主程序中断服务程；n(4)主程序子程序中断服务程序；n(5)主程序I/O口查询服务子程序中断服务程 序，。11n 软件设计的宗旨

8、是在满足对象算法及系统控制要求 的前提下，简化程序结构，提高程序的使用效率。n 优化软件的主要手段之一是最大限度的抽取公共模 块，缩短调用距离。12第三节 应用系统的设计过程 一般过程图示 8.3.1 应用系统的总体设计 8.3.2 应用系统的硬件设计 8.3.3 应用系统的软件设计 8.3.4 单片机系统的可靠性设计13编写程序程序编译，部分软件调试加工组装样机样机静态测试插上器件软件结构分析确定算法，程序流程设计硬件逻辑框图设计选择器件，完成逻辑设计开始确定任务，系统功能，技术指标选择机型，划分软硬件功能14N 仿真运行目标程序调整硬件，修改软件有错误否？YN测试样机硬件调整样机硬件有故障

9、否？Y联机仿真调试15目标程序固化到EPROMEPROM插入到目标样机仿真运行EPROM中目标程序YN检查故障原因排除样机硬件故障软件固化错误？有错误否？NYN 调整硬件，修改软件Y测试系统动态性能系统达到设计指标否 ？目标机脱离开发系统插CPU系统研制完成168.3.1 应用系统的总体设计 n1确定功能技术指标n 单片机应用系统的研制首先是从确定目标任务 开始的。即根据系统应用场合，工作环境，具体用 途提出合理的，详尽的功能技术指标，这是系统设 计的依据和主要出发点,也是决定产品前途的关键。n 其次是可靠性，通用型，可维护性，先进性以 及成本等进行综合的考虑，参考国内外同类产品的 有关资料，

10、使确定的技术指标合理而且符合国际标 准。n2机型的选择n有货源;n根据系统的要求和各种单片机的性能，选择最容易 实现产品技术指标的机种，而且能达到较高的性/价 比。 17n3器件选择n 系统中一些环节的器件和设备应符合系统的精度、 速度和可靠性等方面的要求。n 在总体设计阶段，应对市场情况有个大体的了解， 对器件的选择提出具体要求。 n4硬件和软件功能划分n 系统硬件的配置和软件的设计是紧密联系在一起的 ，而且在某些场合，硬件和软件具有一定的互换性。n即有些硬件电路和功能可用软件来实现，反之亦然。n由于软件是一次性投资，因此在一般情况下，如果所研 制的产品生产批量比较大，则能够由软件实现的功能

11、都 由软件来完成，以便简化硬件结构，降低生产成本。n在总体设计时，必须权衡利弊，仔细划分好硬件和软件 的功能。 188.3.2 应用系统的硬件设计 n硬件设计的任务就是根据总体设计要求，在所选择 的机型基础上，具体确定系统中所要使用的元器件 ，绘出系统的电路原理图，必要时做一些部件环节 实验，以验证电路的正确性，以及印制电路板设计 与制作和样机的组装等。n1程序存贮器n视系统的程序量选择：n程序量小于4K的可选用内有EPROM的单片机如8751， 可以压缩电路板面积。n程序量大于4K可采用片内不带ROM/ EPROM的单片机 ，以扩展EPROM作为程序存储器，便可灵活方便使用 ，仍然保持单片机

12、的各种优点，性能价格比较高。n由于容量不同的EPROM芯片价格相仿，一般应选用速 度高，容量大的芯片。为软件的扩展留有余地。 192数据存储器和I/O接口 n对数据存储器容量的需求，不同系统之间差别较大 ，对于常规测量仪器和控制器，片内RAM(128256个 字节)已能满足要求。n若需扩展少量的RAM时，宜选用RAM/IO扩展芯片8155 ，其片内部资源比较丰富，接口方便，特别适用于 单片机系统。n单片机应用系统一般需扩展I/O接口，选择I/O接口 电路时应从体积，价格，负载，功能等几个方面考 虑。 208.3.3 应用系统的软件设计 n1.软件研制过程 图8.2 单片机软件研制过程绘制程序流

13、程图汇编生成目标程序编制源程序开始问题定义软件结构设计建立数学模型在线仿真调试程序有错 ？修改程序固化到EPROM中结束212. 问题定义 n问题定义的基础是对系统应用场合的了解程度和正 确的工程判断，它对软件设计及硬件设计提供指导 。n首先要定义输入输出，确定数据的传输方式。n数据的传输方式要考虑的问题包括：n(1)串行和并行通讯;n(2)异步或同步通讯方式;n(3)选通或非选通输入输出;n(4)数据传输的速度;22n(5)数据格式;n(6)校验方法以及所用的状态信号等。n它们必须和硬件逻辑相协调一致,同时还必须设想 对输入数据应进行哪些处理。n将输入数据变为输出结果的基本过程，主要取决于

14、对算法的确定。n对实时系统，测试和控制有明确的时间要求，例如 对模拟信号的采样频率，何时发送数据，何时接收 数据，有多少延迟。n同时必须考虑到可能产生错误类型和检测方法，在 软件上作何种处理，以减少错误对系统的影响。 233. 软件结构设计 n(1) 顺序程序设计方法 对于简单的单片机应用系统， 通常采用顺序设计方法，这种系统软件由主程序和若干 个中断服务程序所构成。n根据系统每个操作的性质，制定那些操作由中断服务程 序完成，哪些操作由主程序完成，并指定各个中断的优 先级。n主程序是一个顺序执行的无限循环的程序，不停地顺序 查询各种软件标志，以完成对日常事务的处理。 n中断服务程序对实时事件请

15、求作必要的处理，使系统能 实时地并行完成各个操作，中断处理程序必须包括现场 保护，中断服务，现场恢复，中断返回等四个部分。n主程序和中断服务程序之间的信息交换，一般采用数据 缓冲器和软件标志（置位或清零位寻址区的某一位）方 法。 n主程序的结构如下图所示 24开始软件标志，指针 计数器初始化扩展I/O口初始化堆栈、定时器、 串行口初始化事件1处理事件2处理事件3处理YYYNNN图8.3 主程序框图事件1处理，清事件1标志事件2处理，清事件2标志事件3处理，清事件3标志25n(2)采用实时多任务操作系统 n由于对单片机应用系统的功能要求越来越高 ，往往要求对多个任务同时进行实时控制， 对各个对象

16、的实时信息以足够高的速度进行 处理并作出快速响应。n例如，对于主从式的多级控制系统，主机一 般是功能较强的计算机系统，从机采用单片 机，从机完成数据的定时采集，计算，打印 ，显示以及和主机的通讯，这些操作都要并 行地进行。 264. 程序设计技术 n(1)模块程序设计 n模块程序设计是单片机应用中常用的一种程序设计技术， 它是把一个功能完整的较大的程序分解为若干功能相对独 立的较小的程序模块，各个程序模块分别进行设计，编制 程序和调试，最后将各个调试好的模块联成一个大的程序 。n模块程序设计的优点是单个功能明确的程序模块的设计和 调试比较方便，容易完成。n一个模块可以为多个程序所共享，还可以利用现成的程序 模块（如各种现成的子程序）。n模块程序设计的缺点是各个模块的连接有时有一些难度。n程序模块的划分没有一定的标准，一般可以参考以下原则 ：n每个模块不宜太大；n模块接口参数不宜过多,结构尽可能简化;n力求