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1、1,2019/5/25,单片机原理与应用电子课件,第 10 章,单片机应用系统设计方法,2019/5/25,2,本章主要内容,10.1 单片机典型应用系统组成 10.2 单片机典型应用系统开发过程,2019/5/25,3,10.1 单片机典型应用系统组成,10.1 单片机典型应用系统组成 单片机典型应用系统组成如图10-1所示。,图10-1单片机典型应用系统组成,以单片机作为控制核心，通过A/D接口实现模拟信号的采集；,2019/5/25,4,通过D/A接口，输出模拟量的控制信号，实现对执行机构的控制； 通过开关量输入输出通道，实现开关信号的检测和控制； 通过通信接口，实现系统和外界（单片机或
2、PC）的数据交换和远程传输； 通过人机界面，沟通用户和系统，实现数据和命令的输入及结果的显示。,2019/5/25,5,单片机系统是将硬件和软件合理的结合起来，构成一个完整的系统装置来完成特定的功能或任务。 其中,软件是用以实现有关功能的“思想或灵魂”； 硬件是保证这种工作进程的“平台或介质”。,2019/5/25,6,10.2单片机典型应用系统开发过程 单片机应用系统开发过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试、性能测试、可靠性实验和产品化等几个阶段，如图10-2所示。但各阶段不是绝对独立的，有时是交叉进行的。,图10-2单片机典型应用系统开发过程,2019/5/25,7,10.2.1
3、确定任务 首先要细致分析、研究实际问题，明确设计目的，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，编写设计任务书。 10.2.2总体设计 设计人员在接到单片机应用系统的研制任务后，一般先进行总体设计。总体设计包括以下内容：,10.2 单片机典型应用系统开发过程,2019/5/25,8,1.项目调研、方案论证 设计人员接到研制任务后，首先应对用户提出的任务进行深入细致的分析和项目调研，参考国内外同类或相关产品的有关资料和标准，根据系统的工作环境、用途、功能和技术指标，经过反复论证拟定出性价比最高的一套方案。这是系统设计的依据和出发点，也是决定系统设计是
4、否成功的关键。,2019/5/25,9,2.CPU的合理选型 目前世界上生产单片机的厂商有几十家，单片机芯片的型号有上千种，其中应用较多的产品有Intel公司的MCS-51及其兼容芯片(如ATMEL公司的89S5X系列、Philips公司的51系列等)、MCS-51派生型芯片(如SST公司的89E5XRD2系列、华邦Winbond的W78与W77系列、 Philips公司的LPC76X与LPC900系列等)、ATMEL公司的AVR系列、Microchip公司的PIC系列、Motorola公司的M68HC系列、TI公司的TMS430系列等MCU芯片以及以ARM为内核的32位MCU芯片。 一般来说
5、，在选择单片机类型时应综合考虑以下几个因素：,2019/5/25,10,(1)货源稳定、充足 所选单片机芯片在国内元器件市场上货源要稳定、充足，并且有成熟的开发设备(主要指仿真器和编程器)。对于MCS-51及其兼容芯片来说，在研制阶段可选择带Flash ROM存储器的CPU芯片，如89S5X系列，借助ISP编程器即可反复修改监控程序，便于调试。 (2)性价比高 在保证性能指标的情况下，所用芯片价格要尽可能低，使系统有较高的性价比。,2019/5/25,11,(3)芯片加密功能完善 如果所选芯片加密功能完善，则软件不容易破解，使委托方与开发者的利益都可以得到保护。 (4)尽量选择用户广泛、技术成
6、熟而设计人员又熟悉的单片机类型 选择用户广泛、技术成熟而设计人员又熟悉的单片机类型，在研制任务重、时间紧的情况下，可以较快地进行系统设计。,2019/5/25,12,3.关键器件的选择 确定单片机类型后，通常还需要对系统中一些严重影响系统性能指标的器件进行选择。例如，在精确测控系统中，传感器、前置微弱信号放大器的精度或使用条件等因素直接影响系统的控制效果，必须慎重选择。 4.绘制总体框图 根据选择的器件和要实现的功能，绘制系统总统组成框图。,2019/5/25,13,10.2.3系统硬件设计 单片机应用系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分以CPU为核心，包括了扩展存储器、输入/输出接口电路及设
7、备等；软件部分包括各种控制程序。只有硬件和软件的密切配合、协调一致，才能组成一个高性能的单片机应用系统。硬件设计时应考虑系统资源及软件实现方法，而软件设计时又必须了解硬件的工作原理。,2019/5/25,14,在应用中，系统的软/硬件功能划分要根据系统的要求而定，一些硬件电路的功能可以由软件来实现，反之亦然。 用硬件来实现某些功能可以提高系统反应速度、减少存储容量、缩短软件开发周期，但会增加系统硬件成本，使系统的灵活性与适应性变差；相反，若用软件来实现某些硬件功能，可以节省硬件开支，增强灵活性和适应性，但系统反应速度会下降，软件设计费用和所需存储器容量也相应增加。 对于产品量大、价格敏感的小产
8、品，原则上能用软件实现的功能，不靠硬件电路完成。但如果系统对实时性要求较高，应采用硬件实现。因此在在总体设计时，必须权衡利弊，仔细划分好硬件和软件的功能。,2019/5/25,15,1系统硬件电路设计的一般原则 尽可能选择典型电路、采用硬件移植技术、力求硬件电路标准化、模块化； 尽可能选择功能强的芯片，简化电路的设计； 系统配置及扩展必须充分满足系统的功能要求，并留有余地，以便于系统的二次开发； 在不影响系统功能的条件下，采用“以软代硬”方法，以简化系统的硬件电路，降低成本，提高系统的可靠性。,2019/5/25,16,系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。例如选用CMOS芯片单片机构成低功耗
9、的系统时，系统中全部芯片都应选择低功耗器件。 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。若驱动能力不足，则系统工作不可靠。这时应增设线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。 可靠性与抗干扰设计：去耦滤波、合理布线、信号隔离、看门狗电路等； 工艺设计，包括机架机箱、面板、配线、接插件等，必须兼顾电磁兼容的要求以及安装、调试、维护等操作是否方便的要求。,2019/5/25,17,2.硬件可靠性设计 单片机应用系统工作环境恶劣，个别系统甚至要求在无人值守情况下工作，因此任何差错都可能造成非常严重的后果。可见，单片机在应用时对系统的可靠性要求较高，而影响单片机应用系统可靠性的因素很多，如电磁干扰、电网
10、电压波动、大型用电设备(如电炉、电机、电焊机等)的启/停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等，需要针对不同应用条件在硬件上采取相应的抗干扰措施，使系统可靠运行，硬件抗干扰措施主要有以下几点：,2019/5/25,18,（1)输入/输出通道干扰的抑制措施 采用隔离和滤波技术可抑制输入/输出通道可能出现的干扰。常用的隔离器件有隔离变压器、光电耦合器、继电器和隔离放大器等，应根据传输信号的种类选择相应的隔离器件。例如，对于高频开关信号可采用脉冲变压器作隔离器件；对于低速开关、电平信号，可采用光电耦合器作隔离器件。,2019/5/25,19,（2)供电系统干扰的抑制措施 单片机应用系统
11、的供电线路是干扰的主要入侵途径，常采用如下措施进行供电系统干扰的抑制： 1)单片机系统的供电线路和产生干扰的各类大功率用电设备分开供电。 2) 通过低通滤波器和隔离变压器接入电网。低通滤波器可以吸收大部分电网中的“毛刺”，隔离变压器是在初级绕组和次级绕组之间多加一层屏蔽层，并将它和铁芯一起接地，防止干扰通过初次级之间的电容效应进入单片机供电系统。 3) 在整流元件上并接滤波电容，可以在很大程度上削弱高频干扰,2019/5/25,20,（3) 电磁场干扰的抑制措施 电磁场的干扰可采用屏蔽和接地措施。用金属外壳或金属屏蔽罩将整机或部分元器件包起来，再将金属外壳接地，即能起到屏蔽作用。单片机系统中有
12、数字地线、模拟地线、交流地线、信号地线、屏蔽地线，应分开接不同性质的地线。强信号地线和弱信号地线也要分开。,2019/5/25,21,（4）使用“看门狗”电路，解决CPU运行时可能进入混乱或死循环 由于干扰或程序设计错误等各种原因，程序在运行过程中可能会偏离正常的顺序而进入到不可预知、不受控制的状态，甚至陷入死循环。为防止出现这种情况造成重大损失，并让系统能够自动恢复正常运行，必须对系统运行进行监控。完成系统运行监控功能的电路或软件称为“看门狗”。其工作原理是系统在运行过程中，每隔一段固定的时间给“看门狗”一个信号（喂狗），如果系统运行正常则“看门狗”电路不会产生复位或中断信号。如果超过这一时
13、间没有给出信号，“看门狗”将自动产生一个复位信号使系统复位，或产生一个“看门狗”定时器中断请求，系统响应该请求，转去执行中断服务子程序，处理当前的故障。“看门狗”的使用有以下两种情况：,2019/5/25,22,1）使用某些单片机本身的“看门狗” 某些单片机本身带有“看门狗”，例如AT89S系列单片机，可以使用其“看门狗”功能，只要周期性地写01EH和0E1H到WDTRST寄存器，系统正常工作时WDT不会计数溢出，只有系统出现故障，在规定的时间内不能写01EH和0E1H到WDTRST寄存器，WDT计数溢出，从而使系统复位恢复正常工作。 2）使用专门的监控芯片 对于本身没有“看门狗”的单片机，可
14、以外接专门的监控芯片，例如美国MAXIM公司推出的微处理机/单片机系统监控集成电路具有系统复位、备份电池切换、“看门狗”定时输出、电源电压监测等多种功能，使用非常方便。,2019/5/25,23,3. 元器件选择原则 单片机应用系统中可用的元器件种类繁多、功能各异且价格不等，选择元器件的基本原则是选择那些满足性能指标、可靠性高、经济性好的元器件。选择元器件时应考虑以下因素： 1）尽量采用通用的大规模集成电路 在应用系统中，尽量采用通用的大规模集成电路芯片，这样能简化系统的设计、安装和调试过程，也有助于提高系统的可靠性。一般原则是能用一块中大规模芯片完成的功能，不用多个中小规模电路芯片实现。,2
15、019/5/25,24,2）整个系统速度匹配 单片机时钟频率一般可在一定范围内选择(如增强型51系列单片机芯片可在033 MHz之间任意选择)，在不影响系统性能的前提下，时钟频率选低一些好，这样一方面可降低系统对其他元器件的速度要求，从而降低成本和提高系统的可靠性；另一方面也将减少晶振电路潜在的电磁干扰。 3）外围电路芯片类型一致 对于低功耗应用系统，必须采用HCMOS或CMOS芯片，如74HC系列、CD4000系列；而一般系统可使用TTL数字集成电路芯片。,2019/5/25,25,10.2.4系统软件设计 整个单片机应用系统是一个整体，当系统的硬件电路设计定型后，软件的任务也就明确了。软件
16、设计是单片机系统设计中最重要的一环。进行软件编程时，可以采用汇编语言或高级语言（常为C语言）完成。系统软件设计主要包括以下两个方面问题：,2019/5/25,26,1.资源分配 一个单片机应用系统所拥有的硬件资源可分为片内和片外两部分。片内资源是指单片机本身所包含的中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、看门狗计数器、中断源、I/O接口以及串行通信接口等。这部分硬件资源的种类和数量，不同公司不同系列单片机之间的差别较大，设计人员进行硬件设计选择单片机时一定要根据系统要实现的功能充分了解它们内部资源情况进行合理选型，当选定某种型号的单片机进行系统设计时，软件设计应充分利用片内的各种宝贵的硬件资源。,2019/5/25,27,软件设计在进行资源分配时应注意以下几点： (1） 在分配I/O引脚时，必须根据外部接口电路特性做出合理的选择 单片机芯片各I/O引脚的功能不完全相同，如部分引脚具有第二输入/输出功能；各I/O引脚输出级的电路结构也不尽相同，如8XC5X的P0口采用漏极开路输出方式，而P1P3口采用准双向结构；各I/O引脚输出级的驱动能力也
