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1、第6章 单片机应用系统的开发与可靠性设计,MCS-51单片机的开发与开发系统 单片机应用系统的设计 单片机系统的可靠性设计 单片机应用系统举例,MCS-51单片机的开发与开发系统,单片机开发系统的构成,MCS-51单片机的开发与开发系统,单片机开发系统的功能 1、程序编辑功能 2、排错功能 3、仿真功能,MCS-51单片机的开发与开发系统,单片机开发系统的分类 单片单板开发机 强化开发系统 模拟开发系统,单片机应用系统的设计,总体设计 在进行系统设计之前，首先应根据对系统的功能要求及其应用环境等确定合理的、具体的功能和技术指标，对应用系统的可靠性、通用性、先进性、可维护性以及成本等进行综合考虑
2、，以尽量合理并符合相应的标准。然后根据市场上各种单片机的货源情况和单片机的性能及开发工具等因素选择合适的机型。接下来要根据系统中可能涉及到的传感器、模拟电路、I/O接口、存储器、打印机和显示器等器件和设备进行器件选择，使之符合系统在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后确定硬件和软件的功能划分。由于在系统设计中某些功能用硬件和软件都能实现，在设计中应综合考虑研制周期和成本等因素具体划分软硬件功能,单片机应用系统的设计,硬件设计 硬件设计的任务是根据总体要求，在所选的MCU和各个元器件型号的基础上设计出系统的电路原理图，做一些必要的部件实验，以及工艺结构的设计加工，印刷电路板的设计制作和样机的组装
3、等。在硬件设计中，需要考虑系统总线的负载能力、系统扩展时的片选方式、模拟电路的速度和精度等，如需扩展存储器则尽量用一片完成，这样既降低了成本，又减小了线路板的面积，同时提高了系统的可靠性。,单片机应用系统的设计,软件设计 单片机应用系统的软件（监控程序）设计是系统设计中最基本而且工作量较大的任务。和系统机上操作系统支持下的纯软件设计不同，单片机的软件设计是在裸机的条件下进行的，而且随应用系统的不同而不同。在软件设计中一般需考虑以下几个方面： 1、根据要求确定软件的具体任务细节，然后确定合理的软件结构。一般系统软件由主程序和若干个子程序及中断服务程序组成，详细划分主程序、子程序和中断服务程序的具
4、体任务，确定各个中断的优先级。主程序是一个顺序执行的无限循环的程序，不停地顺序查询各种软件标志，以完成对事务的处理。在子程序和中断服务程序中，要考虑现场的保护和恢复以及它们和主程序之间的信息交换方法。 2、程序的结构一般常用模块化结构，即把监控程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块分别设计，以便于调试。具体设计时可采用自底向上或自顶向下的方法。 3、在进行程序设计时，先根据问题的定义描述出各个输入变量和输出变量之间的数学关系，即建立数学模型，然后绘制程序流程图，再根据流程图用汇编语言或高级语言进行具体程序的编写。 4、在程序设计完成后，利用相应的开发工具和软件进行程序的汇编（或编译），生
5、成程序的机器码。,系统的调试,1、硬件调试 单片机应用系统的软硬件调试是分不开的，通常是先排除明显的硬件故障后再和软件结合起来进行调试。常见的硬件故障有逻辑错误、元器件失效、可靠性差和电源故障等。在进行硬件调试时先进行静态调试，用万用表等工具在样机加电前根据原理图和装配图仔细检查线路，核对元器件的型号、规格和安装是否正确。然后加电检查各点电位是否正常。接下来再借助仿真器进行联机调试，分别测试扩展的RAM、I/O口、I/O设备、程序存储器以及晶振和复位电路，改正其中的错误。 2、软件调试 软件调试就是排查系统软件中的错误。常见的软件错误有程序失控、中断错误（不响应中断或循环响应中断）、输入/输出
6、错误和处理结果错误等类型。通常是把各个程序模块分别进行调试，通过后再组合到一块进行综合调试。达到预定的功能技术指标后即可将软件固化。,单片机系统的可靠性设计,1、硬件的可靠性设计 单片机应用系统可靠性设计中首先应考虑硬件设计的可靠性。第一要考虑元件的失效问题，如元件本身的缺陷和工艺问题。第二是在设计中要特别注意元器件的正确选择、使用和替换。对于电阻和电容，要考虑其标称值和误差、额定功率、频率特性及耐压值等；对于CMOS集成电路，应注意输入电压不能超过其电源电压，也不能低于0V，未用的输入端必须与电源或地端相接，而输出端则不许短路，在焊接时如用交流电烙铁则应先切断电源，利用余热进行焊接；对于TT
7、L集成电路，其电源不能超过5+0.25V，未用的门电路的输入端应并接到该片要使用的输入端上，输出端则接高电平，并注意加上适当的去耦电容等。第三是在设计中应考虑环境条件对硬件参数的影响，如温度、湿度、电源及各种干扰等。所以在设计中元器件的选择应遵循降额使用的原则，留出一定的余地。在结构中要控制工作环境的条件，如通风、除湿、除尘等，注意对噪声的抑制，必要的时候可以考虑采用冗余设计。,2、软件的可靠性设计 在单片机应用系统中，软件就是系统的监控程序。软件和硬件是密切相关的，软件错误主要来自设计上的错误。要提高软件的可靠性，必须从设计、测试和长期使用等方面来考虑。所以在设计中一定要十分认真。第一要正确
8、地使用中断。由于监控系统中中断处理是很常用的设计方法，在主程序和中断程序的安排上应考虑时间分配问题，可以采用定时中断或随机事件中断。第二要将整个系统软件根据功能划分为若干个相对独立的模块，这样便于多人分工编写和程序的调试。第三是根据现场技术指标和具体的控制精度要求选取适当的控制策略，有些测控因素关联度较大的对象，应采用多种控制策略。同一控制对象的不同调节参数可以采用不同的控制算法。但是，软件的可靠性设计没有统一的模式，应根据各个具体的硬件系统和测控对象灵活地采用不同的方法。,单片机应用系统的抗干扰设计,干扰源及干扰途径 单片机系统中的干扰有多种类型。一种是来自空间辐射的干扰。可控硅逆变电源、变
9、频调速器、发射机等特殊设备在工作时会产生很强的干扰，在这种环境中单片机系统难以正常运行；另一种是来自电源的干扰。各种开关的通断、火花干扰、大电机启停等现象在工业现场很常见，这些来自交流电源的干扰对单片机系统的正常运行危害极大；还有一种就是来自信号通道的干扰。在实际的应用系统中，测控信号的输入/输出是必不可少的。在工业现场中，这些I/O信号线、控制线有时长达几百米，不可避免地会把干扰引入到系统中。如果受控对象是强干扰源，如可控硅、电焊机等，则单片机系统根本就无法运行。,2、硬件抗干扰措施 根据干扰的产生及传输特点，在硬件上可以采取以下措施： （1）硬件屏蔽。将系统安装在对电磁辐射干扰具有屏蔽作用
10、的金属机箱中，并进行正确接地，可以有效地抑制强电设备产生的空间辐射干扰。 （2）光电隔离。对于开关量信号用光电耦合器隔离以后再进行输入/输出，对于模拟量信号可选用光电隔离器或变压器隔离后再进行输入/输出，并使用双绞线或屏蔽线进行信号传输，这样就可以有效地克服信号传输通道带来的干扰。 （3）电源滤波。对于来自电源的干扰，可采用低通滤波器以及带有屏蔽层的电源变压器来进行抑制。 （4）电源去耦。对于系统中每一片集成电路，在电源和地之间都加上去耦电容，既是本芯片的蓄能电容，还能抑制高频噪声。 （5）在满足要求的前提下尽量用较低的时钟频率和低频的器件。 （6）合理布置元件在线路板上的位置，把模拟电路、高
11、速数字电路和产生噪声的功率驱动部分合理地分开，各部件之间的引线尽量短，对各种输入/输出线分类打把，以减少寄生电容的干扰。 （7）系统中芯片的未用端不要悬空，应根据实际情况接到电源端、地端或已用端。 （8）尽量不用IC插座，而将集成电路直接焊接在电路板上。,3、软件抗干扰措施 （1）在程序中插入空操作指令实现指令冗余。系统在工作时容易因干扰而使PC指向程序存储器的非代码区，从而导致“死机”。为此可以在程序中插入一些单字节的空操作指令NOP，失控的程序遇到该指令后得到调整而转入正常。 （2）对未用的中断向量进行处理。在程序中对未用的中断都编写出相应的错误处理程序，若因干扰触发了这些中断，则执行完简
12、单的出错处理程序后可以正常返回。 （3）采用超时判断克服程序的死锁。在系统的数据采集部分，如A/D转换结果采用查询方式读取，若因干扰使A/D转换结束标志无效，程序就会进入死循环。针对类似情况，可在程序中采用超时判断，若系统在一定的时间内采不到有效的标志，就自动放弃本次采样，从而避免程序死锁的发生。 （4）采用软件陷阱。当程序因干扰而“跑飞”时，可在非程序区设置陷阱，强迫PC进入一个指定的地址，执行一段专门对死机进行处理的程序，使系统恢复正常。软件陷阱可安排在未使用的中断区和未使用的大片ROM空间，可由以下三条指令构成：,NOP NOP LJMP ERR （5）采用看门狗。当程序“跑飞”而前述方
13、法又没有捕捉到时，可以用看门狗来恢复系统的正常运行。具体设计时可以用软件实现，也可以用专用的看门狗芯片如MAX693、X25045等来实现。软件方法利是用单片机中未用的定时器进行定时，在主程序每一次循环的特定时刻刷新定时器的时间常数，若定时器因系统死机而得不到刷新，就会产生溢出而引起中断，在其中断服务程序中进行出错处理后转入正常运行。看门狗芯片也相当于定时器，系统在每一次循环中用一根口线使芯片复位，若芯片因系统异常而得不到复位，其接到MCU复位端的溢出信号就能使系统恢复正常运行。 （6）采用数字滤波。为了提高数据采集的可靠性，减小虚假信息的影响，可以采用数字滤波的方法，如程序判断滤波、中值滤波
14、、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、一阶滞后滤波等。也可以对数据进行非线性补偿和误差修正，提高数据精度。,单片机系统的故障诊断,（1）同类比较法。 （2）分段检查法。 （3）隔离压缩法。 （4）故障跟踪法。 （5）振动加固法。 （6）拉偏检测法。 （7）直接查找法。,系统级故障诊断,在单片机系统的电气连接没有问题的条件下，可以进一步利用程序存储器中固化的系统自检程序对系统进行预定的几项检查。对系统故障进行检查时，一个十分有效的办法是利用系统本身的自检功能，包括指令系统自检、数据存储器自检、程序存储器自检、I/O接口自检、传感器装置自检、调节机构自检等。自检手段不仅可用自检软件，而且还可以配置一定的自检硬件电路来实现系统自检。尤其是对于控制系统的末级部分，利用硬件手段效果更好。,单片机应用系统举例,火灾报警控制系统 步进电机的控制,
