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1、第8章 单片机应用系统设计,8.1 系统设计内容 8.2 系统开发过程 8.3 系统设计方法 8.4 系统调试 8.5 SPCE061A系统设计举例,8.1 系统设计内容,8.1.1 系统硬件组成 单片机的典型应用系统应包括单片机(CPU)模块、用于检测信号的传感器输入模块、控制输出模块以及基本的人机对话模块等。对于单机系统不能满足要求时，应采用多机系统，即包含多个单片机系统及机与机之间的通信模块。一个单片机应用系统框图如图8.1所示。,1. 输入模块 输入模块是单片机与测控对象连接的部分，是系统数据采集的输入通道。通常，来自测控对象的现场信息是多种多样的，按物理量的特征可分为模拟量和数字量两
2、种。 数字量输入：对于数字量的采集，输入比较简单，只需进行光电隔离，可直接作为计数输入。 模拟量输入：模拟量输入通道比较复杂，一般包括传感器、隔离放大器、滤波、采样保持器、多路电子开关、A/D转换器及其接口电路等。,传感器：用来采集现场的各种信号，并将其变换成电信号，以满足单片机的输入要求。现场信号有各种各样，有电信号(如电压、电流、电磁量等)，也有非电量信号(如温度、湿度、压力、流量、位移量等)，对于不同物理量应选择相应的传感器。这一部分也是计算机专业学生的一个薄弱环节，要成为系统设计师、总工程师，就必须从全局出发，对系统涉及到的各个领域都十分清楚。在此提出来，请读者注意拓宽自己的知识面。,
3、隔离放大与滤波：一般情况下传感器的输出信号比较微弱，不能满足系统的要求，要经过放大处理后才能作为输入信号。另外，信息来自各种工业生产现场，存在大量的工业噪音干扰。为了提高系统的可靠性，必须采取隔离措施，滤掉干扰，这是整个系统抗干扰设计的重点部位。 多路电子开关：用多路电子开关实现一个AD转换器对多路模拟信号进行转换，是受单片机控制的多路模拟电子开关，某一时刻需要对某路模拟信号进行转换，由单片机向多路电子开关发出路地址信息，把该路模拟信号与A/D转换器接通，其它模拟信号与A/D转换器隔离，从而实现用一个A/D转换器对多路信号的转换。,综上所述，输入模块具有以下特点： (1) 与现场采集对象相连，
4、是现场干扰进入系统的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位。 (2) 由于所采集的对象不同，有模拟量、数字量，而这些信号都是由现场的传感器产生的，信号不能满足要求，故必须有信号处理电路，如测量放大器、I/F变换、A/D转换、放大、整形电路等。 (3) 输入模块是一个模拟电路和数字电路混合系统，电路功耗低，信号功率小。,2输出模块 输出模块的特点如下： (1) 输出模块是应用系统的输出通道，通常需要信号锁定和功率驱动。 (2) 驱动现场，控制系统的大功率负荷易从该通道进入单片机系统，干扰系统正常工作，因此，输出信号的隔离对系统的可靠性影响很大。系统设计时必须十分重视。 (3) 根据控制对象的不
5、同要求，电路有多种多样，有模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流信号输出、电压信号输出、开关量输出及数字量输出等，视具体系统的实际情况而定。,3人机对话模块 人机对话模块是单片机应用系统中人机之间信息交流的主要通道，是用户为了对应用系统进行干预(如启动、参数设置等)以及了解应用系统运行状态所设置的对话通道。主要有键盘、显示器、打印机等接口。,人机对话模块有以下特点： (1) 由于常用的单片机系统大多数是小规模嵌入式系统，因此，系统中人机对话设备的配置都较小，如微型打印机、功能键、LEDLCD显示器等。若需高水平的人机对话配置，如通用打印机、CRT、硬盘、标准键盘等，则往往将单片机系
6、统通过外部总线与PC机相连享用PC机的外围设备。 (2) 单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多采用内总线形式，与系统扩展密切相关。 (3) 人机对话模块接口一般都采用数字电路，结构简单，可靠性较高。,4通信模块 单片机系统中的通信模块是解决计算机系统间相互通信的接口。在较大规模的多机测控系统中，还需要设计相互通信接口。 通信模块设计中须考虑如下问题： (1) 单片机具有异步串行通信口，很容易实现串行通信。 (2) 单片机本身的串行口为系统通信提供了硬件支持，并没有提供标准的通信规约。因此，利用单片机串行口构成系统时，要有相应的通信规约并配置相关的通信软件。 (3) 通信接口采用数字通信，抗
7、干扰能力强。,8.1.2 系统设计内容 1. 硬件设计 (1) 最小系统设计是给单片机配以必要的外围器件构成单片机最小系统。如片内有程序存储器的机型89C51、87C51、凌阳SPCE061A等，只需在片外设置电源、复位电路和时钟源便构成了最小系统，可实现一些基本功能。 (2) 系统扩展设计是在单片机最小系统基础上，配置能满足应用系统要求的外围器件。 (3) 接口电路设计是根据应用系统的性质与任务，设计相应的输入隔离放大器和输出驱动电路。,(4) 通信模块设计即通信模块通常采用单片机本身提供的串行通信接口，实现与其它设备、系统之间的数据通信。 (5) 系统抗干扰设计要贯穿到设计的全过程。从具体
8、方案、器件选择到电路设计，从硬件系统设计到软件系统设计，都要把抗干扰设计作为一项重要任务。现行的大多数单片机都具有WatchDog功能，防止系统死机。这往往还不够，必须有外围电路组成的系统看门狗对整个系统进行监视。,2. 应用软件设计 根据系统功能要求，设计能够满足系统功能的程序，目前大多采用单片机编程语言或C语言设计程序。,8.2 系统开发过程,1. 需求分析与方案调研 在确定开发课题后，首先要进行系统需求分析与调研。目的是通过市场调研明确系统的设计目标及目前相关产品的性能、优缺点、发展方向及技术指标等。方案调研包括查找资料、分析研究，并解决以下问题： (1) 了解国内外同类系统的现状和发展
9、方向、新器件及供应状况；对接收委托研制项目，应充分了解对方的技术要求、环境状况及技术水平，以便明确课题的技术难度。 (2) 了解软、硬件技术支持，能够移植的尽量移植，避免低水平重复劳动。,(3) 分析软、硬件技术难度，明确技术主攻方向。 (4) 综合考虑软、硬件分工。单片机应用系统设计中，软、硬件工作是密切相关的，在系统设计时要综合考虑。 (5) 根据任务要求，选择合适的传感器和执行部件。 经过需求分析与方案调研，整理出需求分析与方案设计报告，将其作为系统可行性分析的主要依据。,2. 可行性分析 通常可行性分析要从以下几个方面进行论证： (1) 市场或用户的需求情况分析。 (2) 经济效益和社
10、会效益分析。 (3) 技术支持与开发环境。 (4) 现在的竞争力与市场前景。 (5) 新技术的发展方向。,3. 方案设计 系统方案设计是依据市场调研结果、用户需求情况、应用系统环境状况及关键技术支持等，来设计系统功能和系统结构的，选择实现方法。 系统功能设计包括系统总体目标功能的确定及系统软、硬件模块功能的划分与协调。 系统结构设计是根据系统软、硬件功能的划分及其协调关系，确定系统硬件结构和软件结构。系统硬件结构设计包括单片机扩展方案和外围设备的配置及其接口电路，最后要以逻辑框图形式描述。系统软件结构设计是确定系统软件功能模块的划分及各功能模块程序实现的技术和方法，最后以结构框图或流程图形式确
11、定下来。,4. 样机研制 系统详细设计与制作就是将前面的系统方案付诸实施，将硬件框图转化成具体电路，并制作成电路板，将软件框图或流程图用程序实现，并生产样机。这是系统设计的主要工作阶段，要合理调配，做到分工协作，多头并进，力争软、硬件各个环节能同时完成。,5. 系统调试 系统调试是检测所设计系统的正确性与可靠性。单片机应用系统设计是一个复杂过程，在设计、制作中，难免存在一些局部性问题或错误，系统调试可发现存在的问题和错误，并及时进行修正。调试与修改的过程可能要反复多次，直到系统调试成功运行，达到设计要求。系统软、硬件调试通过后，把联机调试完毕的系统软件固化在EPROM中，脱机(脱离开发系统)运
12、行、测试性能。,6. 批量生产 在真实环境或模拟环境下运行，经反复测试运行正常，开发过程即告结束。这时的系统作为样机系统，加上外壳、面板，再配上完整的文档资料，就生成了正式系统(或产品)而被投入批量生产，服务社会。 总之，在整个开发过程中，系统调研、方案论证要仔细周密，应多花点时间，而在方案实施阶段，则应抓紧时间，分工协作，同步进行。,8.3 系统设计方法,8.3.1 确定系统功能 由前面的分析可知，系统由若干个功能模块组成，而每一模块又可分为若干个子模块。比如，数据采集可分为模拟信号采集与数字信号采集，两者在硬件支持与软件控制上是有明显差异的。数据处理可分为预处理、功能性处理、抗干扰处理等子
13、功能，而功能性处理还可以继续划分为各种信号处理等。输出信号按控制对象不同可采用多种方式，如继电器控制、D/A转换控制、数码管显示等。 在确定了系统的各种功能之后，就应确定各个功能的实现途径，即哪些功能由硬件完成，哪些功能由软件完成。这就是系统软、硬件功能划分。,系统性能主要由精度、速度、功耗、体积、重量、价格和可靠性等技术指标来衡量。系统研制前，要根据需求调研结果给出上述各个指标值。一旦这些指标被确定下来，整个系统将在这些指标限定下进行设计。系统的速度、体积、重量、价格、可靠性等指标会左右系统软、硬件功能的划分。系统功能用硬件实现时，可提高工作速率，但体积、重量、功耗、硬件等成本都相应地增大，
14、而且还增加了硬件所带来的不可靠因素。用软件实现时，可使系统体积、重量、功耗、硬件等成本降低，并可提高硬件系统的可靠性，但是可能会降低系统的工作速率，延长开发周期等。因此，在进行系统功能的软、硬件划分时，一定要依据系统性能指标综合考虑。,8.3.2 确定系统结构 单片机应用系统结构一般是以单片机为核心的。系统中单片机选型、存储空间分配(存储器分配、通道划分)、I/O方式及系统软、硬件功能划分都会对系统结构产生直接影响。 1单片机选型 不同系列、不同型号的单片机内部结构和外部总线特征均不同。应用系统中的单片机是系统的核心，直接决定系统的总体结构。因此，在确定系统基本结构时，首先要选择单片机，确定采
15、用哪个系列或型号的单片机。选择单片机应考虑以下几个主要因素：,(1) 单片机性价比。根据应用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型，而且能达到较高的性能价格比。性能选择得过低，将给构成系统带来麻烦，甚至不能满足要求；性能选得过高，就可能大材小用，造成浪费，有时还会带来问题，使系统复杂化。,(2) 开发周期。选择单片机时，要考虑具有新技术的新机型。更重要的是应考虑选用技术成熟，有较多软件支持，可得到相应单片机的开发工具，比较熟悉的机型。这样可借鉴许多现成的技术，移植成熟软件，以节省人力、物力及缩短开发周期，降低开发成本，使所开发系统更具竞争力。 总之，对单片机芯片的选择绝
16、不是传统意义上的器件选择，它关系到系统的整体方案、技术指标、功耗、可靠性、外设接口、通信方式、产品价格等，是系统设计过程中十分重要的一环。设计者必须反复推敲、慎重选择。,2. 存储空间分配 存储空间分配既影响单片机系统硬件结构，也影响软件的设计及系统调试。不同系列的单片机具有不同的存储空间。单片机存储器有两种基本结构：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序和数据合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿(Princeton)结构；另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开、分别寻址的结构，称为哈佛(Harvard)结构。MCS-51单片机的程序存储器与数据存储器空间相互独立，工作寄存器、特殊功能寄存器、与内部数据存储器共享内部存储空间，外部I/O端口与数据存储器共享外部空间。8098单片机的片内RAM程序存储区、数据存储区、I/O端口全部使用同一个存储空间。SPCE061A单片机是SRAM与I/O端口、FLASH ROM共用一个存储空间，分段使用。,3. I/O方式 采用不同的I/O方式，对单片机应用系统的软、硬件要求是不同的。在单片机系统中，常用的I/O方式主要有无条
