单片机课件_清华-第12章以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试

《单片机课件_清华-第12章以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机课件_清华-第12章以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 单片机原理、接口及应用单片机原理、接口及应用第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 内 容 提 要嵌入式系统开发与开发工具 嵌入式系统的抗干扰技术 单片机应用系统举例电子显示屏 小结第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 12.1 嵌入式系统开发与开发工具 12.1 嵌入式系统开发与开发工具 以MCU为控制核心的嵌入式系统是嵌入式系统的一种，它是以单片机为核心构成的计算机应用系统，是最具代表性和使用最广泛的嵌入式系统。以下简称它为单片机应 用系统。 (一)典型嵌入式应用系统的构成一个典型的MCU为核心的嵌入式系统硬件构成如图

2、12.1所示，通常由单片机、片外ROM、RAM、扩展 I/O口及对系统工作过程进行人工干预和结果输出的人机对话通 道等组成。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 单片机常用的输入、输出设备有键盘、LED、LCD显示器、打印机等；用于检测信号采集的输入通道一般由 传感器、信号处理电路和相应的接口电路组成；向操 作对象发出各种控制信号的输出通道， 通常包括输出 信号电参量的变换、通道隔离和驱动电路等；与其它 计算机系统或智能设备实现信息交换的通信接口，一 个完整的嵌入式系统的设计，一般涵盖以上部分。图12.1第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 (二) 嵌入式应用系统的构

3、成方式 由于设计思想和使用要求不同，应用系统的构成方式也 有所不同。 1.专用系统 这是最典型和最常用的构成方式，它的最突出的特征是 系统全部的硬件资源完全按照具体的应用要求配置，系统软 件就是用户的应用程序。专用系统的硬、软件资源利用得最 充分，但开发工作的技术难度较高。 2.模块化系统 由图12.1可见，单片机应用系统的系统扩展与通道配置 电路具有典型性，因此有些厂家将不同的典型配置做成系列 模板，用户可以根据具体需要选购适当的模块板组合成各种 常用的应用系统。它以提高制作成本为代价换取了系统开发 投入的降低和应用上的灵活性。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 3.单机与多

4、机应用系统 一个应用系统只包含一块MCU或MPU，称为单机应用系统 ，这是目前应用最多的方式。 如果在单机应用系统的基础上再加上通信接口，通过标准 总线和通用计算机相连，即可实现 应用系统的联机应用。在此 系统中，单片机部分用于完成系统的专用功能，如信号采集和 对 象控制等，称为应用系统。通用计算机称为主机，主要承担 人机对话、大容量计算、记录、 打印、图形显示等任务。由于 应用系统是独立的计算机系统，对于快速测控过程，可由其独 立处理，大大减轻了总线的通信压力，提高了运行速度和效率 。 在多点多参数的中、大型测控系统中，常采用多机应用系 统。在多机系统中，每一个单片机相对独立地完成系统的一个

5、 子功能，同时又和上级机保持通信联系，上级机向各子功能系 统发布有关测控命令，协调其工作内容和工作过程，接收和处 理有关数据。多机应用系统还可以以局部网络的方式工作。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 12.1.2 嵌入式应用系统的设计原则 1.单片机机型的选择 单片机是嵌入式系统的心脏，其机型选择是否合适，对系 统的性能优劣、构成繁简，开发工作的难易，产品的价格等方 面影响较大。选择单片机首先考虑单片机的功能和性能满足应 用系统的要求，其次要考虑供货渠道是否畅通，开发环境是否 具备，对于熟悉的机型，无疑将提高开发的效率。 2.应充分利用单片机内的硬件资源，简化系统的扩展，利于

6、提高 系统的可靠性。 3.单片机和服务对象往往结合成一个紧密的整体，应了解服务对 象的特性，进行一体化设计，在性能指标上应留有余地。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 4.在保证系统的功能和性能的前提下，不要过份追究单片机或其他器件的精度，如八位单片 机满足要求就无需选十六位单片机，以降低成本，增加竞争优势。总之，单片机用于产品的 设计，要求性价比高，开发速度快，这样就能赢得市场。 5.软件采用模块设计，便于调试、链接、修改和移植，对于实时性较强的采用汇编语言编程 比较合适，对复杂的计算或实 时性要求不高的，对C语言比较熟悉，采用C语言编程比较合适 。6.应考虑应用系统的使用环

7、境，采取相应的措施，如抗干扰等。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 12.1.3 嵌入式系统的开发工具 对嵌入式系统的设计、软、硬件调试称为开发。嵌入式系统本身无开发能力，必须借助开发工具。单片机的开发工具有电脑、编程器和仿真机。如果使用 EPROM作程序存贮器， 还需一台紫外线擦除器。其中最基本的、必不可少的工具是电脑和编程器。仿真机和编程器通 过串行接口和电脑的串行口COM1或COM2相连，借助电脑的键盘、监视器及相应的软件完成人机的交流。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 1.编程器 编程器(又称烧写器、下載器)，通过它将调试好的程序 烧写到程序存贮器中(

8、单片机内程序存贮器或片外的EPROM 、EEPROM 或FLASH)，不同档次的编程器价格相差很大， 从几百元几千多元不等，档次的差别在于烧写的可编程芯 片的类型多少，使用界面是否方便及是否还有其他功能等， 目前市面编程器型号很多，根据应用对象及单位经济实力进 行选择。通常专用编程器应具备以下功能：对多种型号单片 机(MCU)、E(E)PROM、FLASH、ROM、PLD、FPGA等 进行读取，擦除、烧写、加密等操作，高档的编程器可独立 于电脑运作。编程的方法可以脱机编程或在系统编程。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 2.仿真机 仿真机又称为在线仿真机，英文为In Cricu

9、it Eluatior(简称ICE)，它是以被仿真的微处理器(MPU) 或微控制器(MCU如单片机)为核心的一系列硬件构 成，使用时拔下用户MPU或MCU，换插ICE插头(称 为仿真头)，这样用户系统就成了ICE的一部分，原 来由MPU或MCU执行程序由仿真机来执行，利用仿 真机的完整的硬件资源和监控程序，实现对用户目 标码程序的跟踪调试 ，观察程序执行过程中的单片 机寄存器存贮器的内容，根据执行情况随时修改程 序。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 12.1.4 嵌入式系统的调试 当嵌入式应用系统设计安装完毕，应先进行硬件的静态 检查，即在不加电的情况下用万用表等工具检查电路

10、的接线 是否正确，电源对地是否短路。加电后在不插芯片情况下， 检查各插座引脚的电位是否正常，检查无误以后，再在断电 的情况下插上芯片。静态检查可以防止电源短路或烧坏元器 件，然后再进行软硬件的联调。 嵌入式系统的调试有两种方法： 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 由图可见，这种方式是通过反复的上机试用 和反复插、拔芯片和擦除、烧写完成开发的， 对于有经验的工作人员，在正确后，也可以一 次烧写成功。如果在烧写前先进行软件模拟调 试，待程序执行无误后再烧写，是可以提高开 发效率的。另一种是在系统编程（ISP），这需要使用 ISP型的

11、单片机，并有相应编程电路。本教材实 验指导书中的开发板用ISP型的51单片机89S52 ，实现在系统烧写功能并可立即执行，实现了 编程器和实验台双重功能。 这种开发方式优点是所需的投资少，一般 教学单位或小公司乃至个人，均会有PC电脑， 所需购买的只是编程器，且一个实验室只需购 买一、两台即可。模拟仿真软件网上可以下载 或向商家索取。缺点是无跟踪调试功能，只适 用于小系统开发，开发效率较低。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 图12.4第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 12.2 嵌入式系统的抗干扰技术 在嵌入式系统中，系统的抗干扰性能直接影响系统工作 的可靠性。

12、干扰可来自于本身电路的噪声，也可能来自工频 信号、电火花、电磁波等，一旦应用系统受到干扰，程序跑 飞，即程序指针发生错误，误将非操作码的数据当作操作码 执行，就会造成执行混乱或进入死循环，使系统无法正常运 行，严重的可能损坏元器件。 单片机的抗干扰措施有硬件方式或软件方式。12.3.1 软件抗干扰 1.数字滤波 当噪声干扰进入单片机应用系统叠加在被检测信号上时 ，会造成数据采集的误差，为保证采集数据的精度，可采用 硬件滤波，也可采用软件滤波，对采样值进行多次采样，取 平均值或程序判断剔除偏差较大的值。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 2.设置软件陷阱 在非程序区设置拦截措施，

13、当PC失控进入非程 序区时，使程序进入陷阱，通常使程序返回初始状 态。例如用“LJMP #0000H填满非程序区。 如果在程序存贮器空间有足够的富裕量，且对系 统的运行速率要求不高，可在每条指令后加空操作 指令NOP，如果该指令字长为n字节，则在其后加n- 1个字节的NOP指令，这样即使指令因干扰跑飞，只 会使程序执行一次错误操作后，又回到下一条指令 处，如果跑到别的指令处 ，因别的指令也作了如此 处理，后面的指令还可以一条一条往下执行。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 12.2.2 硬件抗干扰 1.良好的接地方式 在任何电子线路设备中，接地是抑制噪声防止干 扰的重要方法，地

14、线可以和大地连接，也可以不和 大地相连。接地设计的基本要求是消除各电路电流 流经一个公共地线，由阻抗所产生的噪声电压，避 免形成环路。 单片机应用系统中的地线分为数字电路的地线( 数字地)和模拟电路的地线(模拟地)，如有大功率电 气设备(如继电器、电动机等)还有噪声地，仪器机壳 或金属件的屏蔽地，这些地线应分开布置并在一点 上和电源地相连。每单元电路宜采用一个接地点， 地线应尽量加粗以减少地线的阻抗。 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 2.采用隔离技术 在单片机应用系统的输入、输出通道中，为减少 干扰，普遍采用了通道隔离技术。用于隔离的器件 主要有隔离放大器、隔离变压器、纵向扼

15、流圈和光 电耦合等，其中应用最多的是光电耦合器。 光电耦合器具有一般的隔离器件切断地环路、抑 制噪声的作用，此外，还可以有效的抑制尖峰脉冲 及多种噪声。光电耦合器的输入和输出间无电接触 ，能有效地防止输入端的电磁干扰以电耦合的方式 进入计算机系统。光电耦合器的输入阻抗很小，一 般为1001k，噪声源的内阻通常很大，因此能 分压到光耦输入端的噪声电压很小 。第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 12.2.3 “看门狗”技术 看门狗英文为“Wacth dog Timer”即看门狗定时 器，实质上是一个监视定时器，它的定时时间是固 定不变的，一旦定时时间到，产生中断或产生溢出 脉冲，使系

16、统复位。在正常运行时，如果在小于定 时时间间隔内对其进行刷新(即重置定时器，称为喂 狗)，定时器处于不断的重新定时过程，就不会产生 中断或溢出脉冲，利用这一原理给单片机加一看门 狗电路，在执行程序中在小于定时时间间隔内对其 进行重置。而当程序因干扰而跑飞时，因没能执行 正常的程序而不能在小于定时时间内对其刷新。当 定时时间到，定时器产生中断，在中断程序中使其 返回到起始程序，或利用溢出产生的脉冲控制单片 机复位 。第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调试 1.复位功能手动复位：当接在MR引脚上的按键按下， MR接收低电平信号，RESET变为高电平，延时时间为200ms，使8XX51复位。当电源电压降至4.4V以下，内部的电压比较器使RESET变为高电平使单片机复位，直到Vcc上升到正常值 。第12章 以MCU为核心的嵌入式系统的设计与调