单片机应用－任益芳第9章

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1、单片机应用,第九章 单片机应用系统设计,本章通过一个单片机应用系统实例：一个8路数据实时采集系统的设计分析，对所学知识单片机的基本工作原理和程序设计方法、存储器和I/O接口的扩展方法以及人机接口和模拟量输入/输出通道的设计等进一步系统化，并进一步学习和领会单片机应用系统的设计方法。 最后阐述单片机应用系统的一些实用技术。,第九章 单片机应用系统设计,课程描述：,知识点及技能点 会根据设计要求设计整体方案 熟练掌握硬件电路的设计 熟练掌握软件程序的编写 掌握单片机应用系统设计的方法,9.1 应用系统开发的一般方法 9.2 应用系统设计实例 9.3 单片机应用系统实用技术 9.4 抗干扰设计 重点

2、和难点 讨论 本章小结 作业及练习,主要内容,9.1.1 确定任务 单片机应用系统的开发过程是以确定系统的功能和技术指标开始的。 首先要细致分析、研究实际问题，明确各项任务与要求，综合考虑系统的先进性、可靠性、可维护性以及成本、经济效益，拟订出合理可行的技术性能指标。,9.1 应用系统开发的一般方法,在对应用系统进行总体设计时，应根据应用系统提出的各项技术性能指标，拟订出性价比最高的一套方案。 首先，根据任务的繁杂程度和技术指标要求选择机型。其次，再选择系统中要用到的其它外围元器件，如传感器、执行器件等。 在总体方案设计过程中，对软件和硬件进行分工是一个首要的环节。原则上，能够由软件来完成的任

3、务就尽可能用软件来实现，以降低硬件成本，简化硬件结构。同时，还要求大致规定各接口电路的地址、软件的结构和功能、上下位机的通信协议、程序的驻留区域及工作缓冲区等。 总体方案一旦确定，系统的规模及软件框架就确定了。,9.1.2 总体设计,硬件设计是指应用系统的电路设计，包括主机、控制电路、存储器、I/O接口、A/D和D/A转换电路等。 讨论MCS-51单片机应用系统硬件电路设计时应注意的几个问题。 1.程序存储器 2.数据存储器和I/O接口 3.地址译码电路 4.总线驱动能力,9.1.3 硬件设计,在实际应用中，4个端口的负载不应超过总负载能力的70%，以保证留有一定的余量。如果满载，会降低系统的

4、抗干扰。在外接负载较多的情况下，如果负载是MOS芯片，因负载消耗电流很小，所以影响不大。如果驱动较多的TTL电路，则应采用总线驱动电路，以提高端口的驱动能力和系统的抗干扰能力。 数据总线宜采用双向8路三态缓冲器74LS245作为总线驱动器，地址和控制总线可采用单向8路三态缓冲区74LS244作为单向总线驱动器。,9.1.3 硬件设计,5.系统速度匹配 6.抗干扰措施 1) 电源供电系统 2) 电路上的考虑,9.1.3 硬件设计,软件设计是单片机应用系统研制中任务繁重的工作。 单片机应用系统的软件主要包括两大部分：用于管理单片机微机系统工作的监控程序和用于执行实际具体任务的功能程序。 监控程序应

5、尽可能利用现成微机系统的监控程序。 功能程序需要根据应用系统的功能要求来编程序。 系统的软件设计千差万别，不存在统一模式。,9.1.4 软件设计,9.2 应用系统设计实例,下面以一个单片机实时数据采集系统为例，介绍单片机应用系统的设计方法。,1.系统的组成 本系统为一个8路数据实时采集系统，系统采用AT89C52 单片机为主芯片。,9.2.1 系统的硬件设计,图9.1 系统总体框图,3.系统硬件设计 (1) 键盘、显示电路。,9.2.1 系统的硬件设计,图9.2 键盘、显示电路,2.系统工作原理,(2) A/D转换器的选择。,9.2.1 系统的硬件设计,图9.3 0809与AT89C52连接图

6、,(3) D/A转换器选择。,9.2.1 系统的硬件设计,图9.4 0832的电压输出电路,(4) 打印机的选择。,9.2.1 系统的硬件设计,图9.5 8155和PP40打印机连接图,9.2.2 系统的软件设计,1.存储器及I/O口地址分配,2.程序设计,9.3.1 低功耗设计 在很多情况下，单片机系统要工作于供电困难的场合下，如野外、井下、空中、无人值守监测站、手持设备等，或长期运行的监测系统中，要求系统运行时功耗最小。 MCS-51单片机有HMOS和CHMOS两种工艺状态芯片。HMOS芯片本身运行功耗大，不适用于低功耗应用系统中。CHMOS工艺制成的单片机，其功耗相当于普通CMOS电路，

7、可以满足低功耗的要求。,9.3 单片机应用系统实用技术,1CHMOS单片机低功耗运行特性,2CHMOS单片机的节电工作方式,3 最低功耗应用系统实例,图9.6 最低功耗应用系统,防止单片机应用系统被未经授权造仿造，可通过改变单片机系统的硬件电路和软件程序对单片机系统加密。首先，可以通过GAL或带熔丝的FPGA，将系统逻辑电路做到一块芯片内，使其无法被仿造。下面介绍一些防止系统软件被反汇编的措施。 1硬件加密技术,9.3.2 加密技术,2软件加密技术,9.4.1 电源/地线/传输干扰及其对策 1电源干扰及其对策,9.4 抗干扰设计,2地线干扰及其对策 几种常用的接地方法： 1) 一点接地和多点接

8、地的应用 2) 数字地和模拟地的连接原则 3) 印刷电路板的地线分布原则,1隔离技术,9.4.2 硬件抗干扰措施,2系统监控技术 系统监控电路完成以下任务： (1) 上电复位； (2) 监控电压变化； (3) Watchdog，即程序运行监控功能； (4) 片使能； (5) 备份电池切换； (6) 掉电保护等。,一方面，单片机应用系统的干扰不仅影响硬件工作，也会干扰软件的正常运行，另一方面，软件设计本身对系统的可靠性也起着至关重要的作用。随着微处理器性能的不断提高，用软件的方法来实现一些硬件的抗干扰功能，简便易行，成本低，因而愈来愈受到人们的重视。 软件对系统的危害主要表现在：数据采集不可靠、

9、控制失灵、程序运行失常等几个方面。 为了避免上述情况发生，我们介绍几种简单易行又行之有效的软件抗干扰方法。,9.4.3 软件抗干扰措施,1数字滤波提高数据采集的可靠性 下面介绍几种常用的简便有效的方法。值得注意的是，选取何种方法必须根据信号的变化规律进行选择。 (1) 算术平均法。 (2) 比较取舍法。 (3) 中值法。 (4) 一阶递推数字滤波法。,2控制状态失常的软件抗干扰措施 为了提高输入/输出控制的可靠性，可以采取以下抗干扰措施。 1) 软件冗余 2) 软件保护 3) 设置自检程序,单片机应用系统引入强干扰后，程序计数器PC的值可能被改变，因此会破坏程序的正常运行，被干扰后的PC值是随

10、机的，这将导致程序飞出，即程序偏离正常的执行顺序。PC值可能指向操作数，将操作数当做指令码执行，并由此顺序地执行下去；PC值也可能超出应用程序区，将未使用的EPROM区中的随机数当作指令码执行。这两种情况都将使程序执行一系列非预计、无意义、不受控的指令，会使输出严重混乱，最后多由偶然巧合进入死循环，系统失去控制，造成所谓“死机”。 为了防止程序飞出及“死机”，人们研制出各种办法，其基本思想是发现失常状态后及时引导程序恢复原始状态。,3程序运行失常的软件抗干扰措施,1) 设立软件陷阱 软件陷阱是指一些可以使混乱的程序恢复正常运行或使飞出的程序恢复到初始状态的一系列指令。主要有以下两种： (1)

11、空指令（NOP）。 (2) 跳转指令“LJMP #add16”和“JB bit，rel”。,2) 加软件“看门狗”,重点和难点,整体设计 抗干扰技术的应用,为什么实验室能正常模拟运行的单片机应用系统，到了工业现场就不能正常运行呢?,讨论,本章小结,本课程的主要任务是学会以单片机为核心，结合各种扩展和接口器件能够设计单片机应用系统。本章设计制作一个实用性很强的单片机应用系统实例，使读者用所学到的知识实践化、系统化。 单片机应用系统的设计，应采取软件和硬件相结合的方法。通过对系统的目标、任务、指标要求等的分析，确定功能技术指标的软硬件分工方案是设计的第一步；分别进行软、硬件设计，制作，编程是系统设计中最重要的内容；软件与硬件相结合对系统进行仿真调试、修改、完善是系统设计的关键所在。,系统的调试是验证理论设计，排除系统的硬件故障，发现和解决程序错误的实践过程。在调试单片机应用系统时，要充分理解硬件电路的工作原理和软件设计的逻辑关系，有步骤、有目的地进行。对系统进行调试时，应综合运用软、硬件手段，可以通过测试软件来查找硬件故障，也可以通过检查硬件状态来判断软件错误。,本章小结,作业及练习,1单片机应用系统的主要干扰源有哪些?应如何采取相应的抗干扰措施? 2什么是软件陷阱?如何设置软件陷阱? 3查找常用系统监控集成电路芯片的资料，学习其接口和应用方法。,