硬件电路设计资料

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1、第7章 MCS-51单片机应用系统设计,主要内容： 从总体设计、硬件设计、软件设计、可靠性设计、系统调试与测试等几个方面介绍了单片机应用系统设计的方法及基本过程，并给出了典型设计实例，同时还简单介绍了C51编程方法和Keil C51开发系统。重点在于单片机应用系统开发的方法与实际应用，难点在于将单片机应用系统开发的方法应用于实际工程中，设计出最优的单片机应用系统。,7.1 概述,由于单片机具有体积小、功耗低、功能强、可靠性高、实时性强、简单易学、使用方便灵巧、易于维护和操作、性能价格比高、易于推广应用、可实现网络通信等技术特点。因此，单片机在自动化装置、智能仪表、家用电器，乃至数据采集、工业控

2、制、计算机通信、汽车电子、机器人等领域得到了日益广泛的应用。 单片机应用系统设计应当考虑其主要技术性能（速度 精度 功耗 可靠性 驱动能力等），还应当考虑功能需求，应用需求，开发条件，市场情况，可靠性需求，成本需求，尽量以软件代替硬件等。下页图描述了单片机应用系统设计的一般过程。,7.2 MCS-51单片机应用系统设计,7.2.1 总体设计 1明确设计任务 认真进行目标分析，根据应用场合、工作环境、具体用途，考虑系统的可靠性、通用性、可维护性、先进性，以及成本等，提出合理的、详尽的功能技术指标。 2器件选择 （1）单片机选择 主要从性能指标如字长、主频、寻址能力、指令系统、内部寄存器状况、存储

3、器容量、有无A/D、D/A通道、功耗、价能比等方面进行选择。对于一般的测控系统，选择8位机即能满足要求。,整理发布,（2）外围器件的选择 外围器件应符合系统的精度、速度和可靠性、功耗、抗干扰等方面的要求。应考虑功耗、电压、温度、价格、封装形式等其他方面的指标，应尽可能选择标准化、模块化、功能强、集成度高的典型电路。 3总体设计 总体设计就是根据设计任务、指标要求和给定条件，设计出符合现场条件的软、硬件方案。并进行方案优化。应划分硬件、软件任务，画出系统结构框图。要合理分配系统内部的硬件、软件资源。包括以下几个方面： （1）从系统功能需求出发设计功能模块。包括显示器、键盘、数据采集、检测、通信、

4、控制、驱动、供电方式等 （2）从系统应用需求分配元器件资源。包括定时器/计数器、中断系统、串行口、I/O接口、A/D、D/A、信号调理、时钟发生器等。 （3）从开发条件与市场情况出发选择元器件。包括仿真器、编程器、元器件、语言、程序设计的简易等。 （4）从系统可靠性需求确定系统设计工艺。包括去耦、光隔、屏蔽、印制板、低功耗、散热、传输距离/速度、节电方式、掉电保护、软件措施等。,7.2.2 硬件设计,由总体设计所给出的硬件框图所规定的硬件功能，在确定单片机类型的基础上进行硬件设计、实验。进行必要的工艺结构设计，制作出印刷电路板，组装后即完成了硬件设计。 一个单片机应用系统的硬件设计包含系统扩展

5、和系统的配置（按照系统功能要求配置外围设备）两部分。 1硬件电路设计的一般原则 （1）采用新技术，注意通用性，选择典型电路。 （2）向片上系统（SOC）方向发展。扩展接口尽可能采用PSD等器件。 （3）注重标准化、模块化。 （4）满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。 （5）工艺设计时要考虑安装、调试、维修的方便。,2硬件电路各模块设计的原则,单片机应用系统的一般结构 如下图所示。,各模块电路设计时应考虑以下几个方面： （1）存储器扩展：类型、容量、速度和接口，尽量减少芯片的数量。 （2）I/O接口的扩展：体积、价格、负载能力、功能，合适的地址译码方法。,（3）输入通道的设

6、计：开关量（接口形式、电压等级、隔离方式、扩展接口等），模拟输入通道（信号检测、信号传输、隔离、信号处理、 A/D、扩展接口、速度、精度和价格等）。 （4）输出通道的设计：开关量（功率、控制方式等），模拟量输出通道（输出信号的形式、 D/A 、隔离方式、扩展接口等） （5）人机界面的设计：键盘、开关、拨码盘、启/停操作、复位、显示器、打印、指示、报警、扩展接口等。 （6）通信电路的设计：根据需要选择RS-232C、RS-485、红外收发等通信标准。 （7）印刷电路板的设计与制作：专业设计软件（ Protel，OrCAD等）、设计、专业化制作厂家、安装元件、调试等。,（8）负载容限：总线驱动。

7、（9）信号逻辑电平兼容性：电平兼容和转换。 （10）电源系统的配置：电源的组数、输出功率、抗干扰。 （11）抗干扰的实施：芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 7.2.3 软件设计 软件设计流程图如右图所示。可分为以下几个方面。,1总体规划 结合硬件结构，明确软件任务，确定具体实施的方法，合理分配资源。定义输入/输出、确定信息交换的方式（数据速率、数据格式、校验方法、状态信号等）、时间要求，检查与纠正错误。 2程序设计技术 软件结构实现结构化，各功能程序实行模块化、子程序化。一般有以下两种设计方法： （1）模块程序设计：优点是单个功能明确的程序模块的设计和调试比较方便，容易完

8、成，一个模块可以为多个程序所共享。其缺点是各个模块的连接有时有一定难度。 （2）自顶向下的程序设计：优点是比较符合于人们的日常思维，设计、调试和连接同时按一个线索进行，程序错误可以较早的发现。缺点是上一级的程序错误将对整个程序产生影响，一处修改可能引起对整个程序的全面修改。,3程序设计,（1）建立数学模型：描述出各输入变量和各输出变量之间的数学关系。 （2）绘制程序流程图：以简明直观的方式对任务进行描述。 （3）程序的编制：选择语数据结构、控制算法、存储空间分配，系统硬件资源的合理分配与使用，子程序的入/出口参数的设置与传递。 4软件装配 各程序模块编辑之后，需进行汇编或编译、调试，当满足设计

9、要求后，将各程序模块按照软件结构设计的要求连接起来，即为软件装配。在软件装配时，应注意软件接口。,7.2.4 可靠性设计,可靠性：通常是指在规定的条件（环境条件如温度、湿度、振动，供电条件等）下，在规定的时间内（平均无故障时间）完成规定功能的能力。 提高单片机本身的可靠性措施：降低外时钟频率，采用时钟监测电路与看门狗技术、低电压复位、EFT抗干扰技术、指令设计上的软件抗干扰等几方面。 单片机应用系统的主要干扰渠道：空间干扰、过程通道干扰、供电系统干扰。应用于工业生产过程中的单片机应用系统中，应重点防止供电系统与过程通道的干扰。,1供电系统干扰与抑制,干扰源：电源及输电线路的内阻、分布电容和电感

10、等。 抗干扰措施：采用交流稳压器、电源低通滤波器、带屏蔽层的隔离变压器、独立的（或专业的）直流稳压模块，交流引线应尽量短，主要集成芯片的电源采用去耦电路，增大输入/输出滤波电容等措施 。 2过程通道的干扰与抑制 干扰源：长线传输。单片机应用系统中，从现场信号输出的开关信号或从传感器输出的微弱模拟信号，经传输线送入单片机，信号在传输线上传输时，会产生延时、畸变、衰减及通道干扰。 抗干扰措施： （1）采用隔离技术：光电隔离、变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。典型的信号隔离是光电隔离。其优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。,（2）采用屏蔽措施：金属盒罩、金属

11、网状屏蔽线。但金属屏蔽本身必须接真正的地（保护地）。 （3）采用双绞线传输：双绞线能使各个小环路的电磁感应干抗相互抵消。其特点是波阻抗高、抗共模噪声能力强，但频带较差。 （4）采用长线传输的阻抗匹配：有四种形式，如下图所示。, 终端并联阻抗匹配：如上页图（a）所示， RP= R1/R2 ，其特点是终端阻值低，降低了高电平的抗干扰能力。 始端串联匹配：如上页图（b）所示，匹配电阻R的取值为RP与A门输出低电平的输出阻抗ROUT（约20）之差值，其特点是终端的低电平抬高，降低了低电平的抗干扰能力。 终端并联隔直流匹配：如图上页（c）所示，R=Rp，其特点是增加了对高电平的抗干扰能力。 终端接钳位二

12、极管匹配：如图上页（d）所示，利用二极管D把B门输入端低电平钳位在0.3V以下。其特点是减少波的反射和振荡，提高动态抗干扰能力。 注意：长线传输时，用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力。,3其他硬件抗干扰措施,（1）对信号整形 可采用斯密特电路整形。 （2）组件空闲输入端的处理 组件空闲输入端的处理方法如下图所示。其中，图（a）所示的方法最简单，但增加了前级门的负担。图（b）所示的方法适用于慢速、多干扰的场合。图（c）利用印刷电路板上多余的反相器，让其输入端接地，使其输出去控制工作门不用的输入端。,（3）机械触点，接触器、可控硅的噪声抑制 开关、按钮、继电器触点等在操作时应采取去抖处

13、理。 在输入/输出通道中使用接触器、继电器时，应在线圈两端并接噪声抑制器，继电器线圈处要加装放电二极管。 可控硅两端并接RC抑制电路，可减小可控硅产生的噪声。 （4）印刷电路板（PCB）设计中的抗干扰问题 合理选择PCB板的层数，大小要适中，布局、分区应合理，把相互有关的元件尽量放得靠近一些。印刷导线的布设应尽量短而宽，尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。导线的布局应当是均匀的、分开的平行直线，以得到一条具有均匀波阻抗的传输通路。应尽可能地减少过孔的数量。在PCB板的各个关键部位应配置去耦电容。要将强、弱电路严格分开，尽量不要把它们设计在一块印刷电路板上。电源线的走向应尽量与数据传递方向一致

14、，电源线、地线应尽量加粗，以减小阻抗。,（5）地线设计 地线结构大致有保护地、系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地、模拟地等。 在设计时，数字地和模拟地要分开，分别与电源端地线相连；屏蔽线根据工作频率可采用单点接地或多点接地；保护地的接地是指接大地。不能把接地线与动力线的零线混淆。 此外，应提高元器件的可靠性，注意各电路之间的电平匹配，总线驱动能力要符合要求，单片机的空闲端要接地或接电源，或者定义成输出。室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线，要防止雷击，常用的防雷击器件有：气体放电管，TVS（瞬态电压抑制器）等。,4软件的抗干扰设计,常用的软件抗干扰技术有软件陷阱、时间冗余、指

15、令冗余、空间冗余、容错技术、设置特征标志和软件数字滤波等 （1）实时数据采集系统的软件抗干扰 采用软件数字滤波。常用的方法有以下几种： 算术平均值法：对一点数据连续采样多次（可取35次），以平均值作为该点的采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。 比较舍取法：对每个采样点连续采样几次，根据所采样数据的变化规律，确定取舍办法来剔除偏差数据。例如，“采三取二”，即对每个采样点连续采样三次，取两次相同数据作为采样结果。 中值法：对一个采样点连续采集多个信号，并对这些采样值进行比较，取中值作为该点的采样结果。, 一阶递推数字滤波法：利用软件完成RC低通滤波器的算法。 其公式为：Yn=

16、QXn+（1Q）Yn1 其中：Q 数字滤波器时间常数； Xn第n次采样时的滤波器的输入； Yn1第n1次采样时的滤波器的输出。 Yn第n次采样时的滤波器的输出。 注意：选取何种方法必须根据信号的变化规律予以确定。 （2）开关量控制系统的软件抗干扰 可采取软件冗余、设置当前输出状态寄存单元、设置自检程序等软件抗干扰措施。,5程序运行失常的软件对策,程序运行失常：当系统受到干扰侵害，致使程序计数器PC值改变，造成程序的无序运行，甚至进入死循环。 程序运行失常的软件对策：发现失常状态后，及时引导系统恢复原始状态。可采用以下方法： （1）程序监视定时器（Watchdag，WDT）技术 程序监视定时器（也称为“看门狗” ）的作用：通过不断监视程序每周期的运行事件是否超过正常状态下所需要的时间，从而判断程序是否进入了“死循环”，并对进入“死循环”的程序作出系统复位处理。 “看门狗”技术：可由硬件、软件或软硬结合实现。 硬件“看门狗”可以很好地