《单片机原理及应用（应用型本科） 教学课件 ppt 作者 王波》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理及应用（应用型本科） 教学课件 ppt 作者 王波（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单片机原理及应用,作者：徐新民,责任编辑：王 波 出版日期：2009年9月 IDPN：308-2009-151 课件章数：11,第11 章 单片机应用系统设计,11 1 典型的单片机应用系统 11 2 应用系统设计的一般步骤 11 3 硬件电路的组成及设计原则 11 4 应用系统的可靠性设计 11 5 应用系统的保密性设计 11 6 应用系统的调试方法,11 1 典型的单片机应用系统,11 1 1 单片机的应用,由于单片机具有体积小、功耗低、可靠性高、控制功能强等特点，它在下述的各个领域得到了广泛的应用：,（）智能仪器仪表。 由单片机构成的智能仪器仪表集测量、处理、控制功能于一体，不仅在功能上
2、较之传统的仪器仪表有很大的增强，也大大提高了测量精度和可靠性。 （）家电消费类产品。 例如，各种电动玩具、电视机、电冰箱、洗衣机、录像机等家电的控制，都少不了单片机的作用。 （）工业测控系统。 单片机IO线多，具有丰富的位指令，特别适合于实时控制。 其作用包括数据采集、过程控制等诸多方面。 （）计算机与通信技术。 目前，相当多的计算机和通信设备中都有单片机的应用，如打印机、硬盘驱动器、复印机、调制解调器、程控交换机等等。,单片机应用系统是以单片机为核心，能满足使用要求并在使用环境中可靠地实现预定功能的产品系统。 典型的单片机应用系统框图如图- 所示。,图- 典型的单片机应用系统框图,图中虚线并
3、有阴影的部分是必备的最小系统，即能够维持单片机运行的最简单的配置系统。 最小系统的组成与单片机类型有关。 对于片内有EPROM 的单片机，只要配上晶振、复位电路和电源就可以构成最小系统。 而对于片内无EPROM 的单片机（如8031） ，其最小系统除了配置上述电路外，还需要扩展外部程序存储器。 最小系统结构简单、成本低廉，常常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入输出控制、时序控制等。,11 1 3 单片机应用系统的构成方式,用户在构成单片机应用系统时，有下面三种方式可供选择：,在专用系统中，系统的硬件只需满足本系统应用的要求，系统只配备应用软件(固化在ROM 或EPROM 中)，因此，系统
4、具有节省的配置，系统的软硬件资源能得到最充分的利用。但这种系统的缺点就是没有自开发能力，要有开发工具的支持。 专用系统主要用于大批量生产的仪表、设备、消费家电产品等方面。,由于单片机系统的扩展与配置具有可移植性，因此可将系统的各个部分分开设计成独立的电路板（如主系统板、AD卡、DA 卡、IO 卡等）。 有了这些独立的电路板后，用户就可根据系统要求，选择适当的功能模块组成相应的应用系统。 模块化系统是大、中型应用系统发展的方向。 它可以大大减少用户在硬件开发上投入的力量和资金，缩短开发周期，也便于系统的调试及日后的维护。,单片单板机系统是指不考虑当前应用系统是否需要，将多种功能都做在一块电路板上
5、的系统。 这种系统按照典型应用系统配置，并配有监控程序，具有自开发能力，故可加速系统的研制速度，缩短开发周期，但单板机的固定结构形式使应用系统不能获得最佳配置，软硬件资源浪费严重。,1 专用系统,2 模块化系统,3 单片单板机系统,图- 单片机应用系统开发过程示意图,1 总体方案设计,在开始对一个应用系统或产品设计之前，一般需要对构成产品的总体方案进行一定的选择和论证，它通常包括确定产品的性能指标和构建系统总体框架两个方面。,（）确定性能指标,设计者接到研制任务后，首先要对用户提出的要求进行全面深入地分析，包括了解系统检测及控制对象的特性和工艺要求、控制信号的种类和数量、应用环境、抗干扰要求等
6、等，并在此基础上进行必要的理论分析和计算。 然后，设计者需要进行一定的市场调研，参考国内外同类产品，对产品的可靠性、可维护性、性能价格比进行综合考虑，最终确定自己产品的功能和性能指标。,11 2 应用系统设计的一般步骤,单片机的应用范围很广，在不同领域的应用，其要求各不相同，构成的方案也千差万别，没有固定的方法可循。 但处理问题的过程大体相似，如图11-2所示。 系统设计者接到任务后，在进行应用系统设计时，大都要经历以下步骤。,（）划分硬件和软件功能,根据系统性能指标，设计总体方案和系统框图时，较为棘手的问题就是正确划分硬件和软件的功能，因为硬件和软件在某些场合具有一定的互换性。 采用硬件还是
7、软件实现，各有利弊，需要反复比较。 划分的基本原则是尽可能发挥单片机以软件代替硬件的长处，能够由软件来完成的任务，就尽可能用软件来实现，这样可以简化硬件结构，降低生产成本，提高系统的可靠性。 但也应考虑到以软件代替硬件功能会降低系统的运行速度，即牺牲了系统的实时性。 因此，软、硬件功能的划分要根据系统的要求和实际情况做合理安排，全盘考虑。 总体方案选定之后，系统软、硬件设计工作可分开进行或同时并进。,2 硬件设计,硬件设计的任务主要包括设计系统的电路原理图，绘制印刷电路板（PCB 板）、印制板的焊接与测试。,3 软件设计,软件设计的任务主要包括编程语言的选择，软件任务划分，应用程序的编制。 下
8、面一一介绍。,单片机的编程语言不仅有汇编语言，还有一些高级语言，常用的高级语言有C 语言、PLM 语言、BASIC语言。,（）编程语言的选择,（）选择单片机机型,目前单片机种类多，性能、价格差别较大，选型时，必须考虑以下几点： ）要有性能良好的开发工具。 单片机自身无开发能力，必须借助开发工具来开发。 ）所选择的单片机最容易实现产品的技术指标。 这包括单片机是否有系统所需要的IO口数、中断源和定时器、外围接口等等。 当然，不能满足系统要求的单片机也可通过扩展来实现系统要求。 因此，设计者要在单片机的性能价格和外扩系统的复杂程度上做折中的选择。 ）市场货源充足。 能达到这一点的话，单片机的质量、
9、供货都有保障，而且能享受较好的售后服务。,编制软件到底用哪种语言，要视具体情况而定。 采用汇编语言，具有占用内存空间小，实时性强等特点，不足之处在于编程麻烦，可读性差，修改不方便。 因此，汇编语言往往用在系统实时性要求较高且运算不太复杂的场合。 C语言等高级语言具有丰富的库函数，编程简单，能使开发周期大大缩短，程序可读性强，便于修改。 对于运算复杂的系统软件，一般采用汇编、高级语言混合编程，这样既能完成复杂运算问题，又能解决局部实时性问题。,（）软件任务划分,软件任务划分包括以下方面： ）模块划分及框图设计。 一般的软件设计都采用模块化程序设计，即把一个完整的程序划分成若干个功能相对独立的程序
10、模块，再根据各模块的时间顺序和相互关系，将它们连接在一起设计出软件的总体框图。 模块化设计的优点是每个模块可以单独设计，也可利用原有的成熟程序，这样既便于软件调试、链接，又便于移值、修改。 ）合理分配硬件资源。 完成了硬件原理图设计后，系统硬件资源就基本确定了 在软件总体框图完成后，还要将这些硬件资源进行合理分配，这包括片内片外程序存储器和数据存储器的存储空间、IO口、定时器计数器和中断源的功能等。,（）应用程序的编制,应用程序的编制要完成以下几个步骤： ）确定算法（数学模型）。 ）绘制程序流程图。 ）编写程序。,4 软件仿真调试,程序编写完成并翻译为机器码后，还要进行程序调试。 对于单片机应
11、用系统而言，大多数的程序模块的运行都依赖于硬件，没有相应的硬件支持，软件的功能将荡然无存。 因此，要在硬件系统测试合格后，将试验样机（应用系统）、开发系统（仿真器）和PC 机连接在一起，构成联机调试状态，完成大多数软件模块的调试。,5 系统脱机运行,系统软件在线仿真调试成功后，可利用程序写入器将程序固化到EPROM 中，然后插上单片机芯片，将应用系统脱离仿真器进行上电运行检查。 由于单片机实际运行环境和仿真调试环境的差异，即使仿真调试成功，脱机运行时也可能出错。 这时应进行全面检查，针对出现的问题，修改硬件、软件或总体设计方案，直至系统运行正常为止。,11 3 硬件电路的组成及设计原则,11
12、3 1 硬件电路组成,当单片机应用系统比较复杂时，其硬件电路一般包括系统扩展和系统配置两部分。,1 系统扩展,系统扩展指单片机的内部资源不能满足系统要求时，在单片机外扩展相应的硬件电路。它主要包括存储器（程序存储器和数据存储器）、IO口、定时器计数器、中断源等的扩展。,2 系统配置,系统配置指为了满足系统要求而配置的外部设备和通道接口电路。 一般包括以下几个方面：,（）输入通道,输入通道包括从传感器到单片机输入引脚的全部应用电路，常用的有放大整形电路、AD转换器、VF转换器等。 如图- 所示。,- 输入通道结构,当系统中有非电量需要检测时，要求输入通道电路能将它们处理成归一化的、能为单片机输入
13、端接收的数字量或开关电平。 若传感器检测输出的信号是模拟信号，则经放大电路后，还需AD转换器转换成单片机能接收的数字量；若检测对象本身就是开关量或数字量，还需将其整形为单片机IO口的标准TTL或CMOS电平信号，并采用光电隔离措施防止干扰。,（）输出通道,输出通道包括从单片机输出到控制对象的执行机构的全部应用电路，常用的有DA转换器、FV转换器、功率驱动电路等。 如图- 所示。,图- 输出通道结构,应用系统往往根据外部输入的条件或系统运行的结果输出信号，对控制对象进行控制。由于单片机的输出信号是归一化的TTL 或CMOS 电平的开关量或数字量，而许多控制对象执行机构所要求的电信号都是一些具有足
14、够驱动能力的模拟量或开关量，所以需用DA转换器将数字量转换成模拟量，并用功率驱动电路进行功率放大。,（）通信接口,通信接口指单片机应用系统中的标准数字通信接口。 单片机应用系统要构成多机系统、网络系统或与通用计算机通信时，必须配置有标准的RS232、RS422RS485通信接口或CAN 现场总线的通信接口。 为了便于构成标准串行通信接口，现在一般的单片机都提供了串行异步通信接口（UART） ，选择合适的器件就能方便地将UART 扩展成相应的RS232、RS422RS485接口。,（）人机对话设备,人机对话设备是用于“人 机”联系的主要工具。 常用的人机对话外部设备有键盘、显示器、打印机等。 通
15、过键盘输入命令或参数，用户可对系统进行干预。 显示器用来输出数据或字符，显示系统运行结果或提示信息。 打印机可将现时数据或历史记录以定时或调用的方式打印出来。,11 3 2 硬件电路设计原则,1 元器件选择,（）在硬件电路成本允许的情况下，尽可能选择集成度高、功能强大的芯片。 这样，不仅可以使整个系统所用的元器件减少，缩小PCB板体积，更重要的是减少焊接点和连线，从而大大减少故障率和受干扰的概率，使系统的可靠性大大提高。 （）对于需要大批量生产的系统产品，一定要选用通用性强、供货渠道充足的元器件。因为对能完成同样功能的元器件，大路货往往要比冷门货便宜好几倍。 （）整个系统中相关的器件要尽可能做
16、到性能匹配。 例如，选用晶振频率较高时，就应选择存取速度较高的芯片。,2 电路系统设计,（）结合软件方案考虑硬件结构。 原则上，只要能用软件完成的工作就不用硬件。 这种“以软代硬”的方法可以减少硬件成本，提高可靠性，当然系统的运行速度会降低。 在实时性要求不高的情况下，以软代硬的优点会更加突出。,（）设计一个较复杂的系统时，要考虑把硬件系统设计成模块化结构。 即对CPU 单元、IO接口、人机接口等进行分块设计，然后把各模块连接起来构成一个完整的系统。 在系统连接前，要把各硬件模块分别测试好，然后再连接到一起进行统调。 （）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。 这样做可以为硬件系统的标准化、常规化打下良好基础。,下面就系统扩展与配置的几个方面提出一些具体的要求。,（）对于程序存储器，尽量选择大容量的芯片，如2764以上的EPROM ，并留有适当的余量。 前者可以减少
