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1、第6章 单片机应用系统设计与开发,6.1 单片机应用系统结构与应用系统的设计内容 6.2 单片机应用系统开发过程 6.3 单片机应用系统的一般设计方法 6.4 单片机应用系统调试 6.5 MCS-51单片机应用系统设计与调试实例,6.1 单片机应用系统结构与应用系统的设计内容,6.1.1 单片机应用系统的一般硬件组成,由于单片机主要用于工业测控，其典型应用系统应包括单片机系统、用于测控目的前向传感器输入通道，后向伺服控制输出通道以及基本的人机对话通道。大型复杂的测控系统是一个多机系统，还包括机与机之间进行通信的互相通道。,图6.1 典型单片机应用系统结构,1前向通道的组成及其特点 前向通道是单
2、片机与测控对象相连的部分，是应用系统的数据采集的输入通道。 来自被控对象的现场信息有多种多样。按物理量的特征可分为模拟量和数字、开关量两种。 对于数字量(频率、周期、相位、计数)的采集，输入比较简单。它们可直接作为计数输入、测试输入、I/O口输入或中断源输入进行事件计数、定时计数，实现脉冲的频率、周期、相位及记数测量。对于开关量的采集，一般通过I/O口线或扩展I/O 口线直接输入。一般被控对象都是交变电流、交变电压、大电流系统。而单片机属于数字弱电系统，因此在数字量和开关量采集通道中，要用隔离器件进行隔离(如光电耦元器件)。,变换器：变换器是各种传感器的总称，它采集现场的各种信号，并变换成电信
3、号(电压信号或电流信号)，以满足单片机的输入要求。现场信号有各种各样，有电信号，如电压、电流、电磁量等；也有非电量信号，如温度、湿度、压力、流量、位移量等，对于不同物理量应选择相应的传感器。 隔离放大与滤波：传感器的输出信号一般是比较微弱的，不能满足单片机系统的输入要求，要经过放大处理后才能作为单片机系统的采集输入信号。还有，现场信息来自各种工业现场，夹带大量的噪音干扰信号。为提高单片机应用系统的可靠性必须隔离或削减干扰信号，这是整个系统抗干扰设计的重点部位。,采样保持器：前向通道中的采样保持器有两个作用。一是实现多路模拟信号的同时采集；二是消除A/D转换器的“孔径误差“。 一般的单片机应用系
4、统都是用一个A/D转换器分时对多路模拟信号进行转换并输入给单片机，而控制系统又要求单片机对同一时刻的现场采样值进行处理，否则将产生很大误差。用一个A/D转换器同时对多路模拟信号进行采样是由采样保持器来实现的。采样保持器在单片机的控制下，在某一个时刻可同时采样它所接一路的模拟信号的值，并能保持该瞬时值，直到下一次重新采样。,A/D转换器把一个模拟量转换成数字量总要经历一个时间过程。A/D转换器从接通模拟信号开始转换，到转换结束输出稳定的数字量，这一段时间称为孔径时间。对于一个动态模拟信号，在A/D转换器接通的孔径时间里，输入模拟信号值是不确定的，从而会引起输出的不确定性误差。在A/D转换器前加设
5、采集保持器，在孔径时间里，使模拟信号保持某一个瞬时值不变，从而可消除孔径误差。,多路开关：用多路开关实现一个A/D转换器分时对多路模拟信号进行转换。多路开关是受单片机控制的多路模拟电子开关，某一时刻需要对某路模拟信号进行转换，由单片机向多路开关发出路地址信息，使多路开关把该路模拟信号与A/D转换器接通，其它路模拟信号与A/D转换器不接通，实现有选择的转换。 A/D转换器：是前向通道中模拟系统与数字系统连接的核心部件。,综上所述，前向通道具有以下特点： (1) 与现场采集对象相连，是现场干扰进入的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位。 (2) 由于所采集的对象不同，有开关量、模拟量、数字量，
6、而这些都是由安放在测量现场的传感、变换装置产生的，许多参量信号不能满足单片机输入的要求，故有大量的、形式多样的信号变换调节电路，如测量放大器、I/F变换、A/D转换、放大、整形电路等。 (3) 前向通道是一个模拟、数字混合电路系统，其电路功耗小，一般没有功率驱动要求。,2. 后向通道的组成与特点,(1) 后向通道是应用系统的输出通道，大多数需要功率驱动。 (2) 靠近伺服驱动现场，伺服控制系统的大功率负荷易从后向通道进入单片机系统，故后向通道的隔离对系统的可靠性影响很大。 (3) 根据输出控制的不同要求，后向通道电路有多种多样，如模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流输出、电压输出
7、、开关量输出及数字量输出等。,3. 人机通道的结构及其特点,(1) 由于通常的单片机应用系统大多数是小规模系统，因此，应用系统中的人机对话通道以及人机对话设备的配置都是小规模的，如微型打印机、功能键、LED/LCD显示器等。若需高水平的人机对话配置，如通用打印机、CRT、硬盘、标准键盘等，则往往将单片机应用系统通过外总线与通用计算机相连，享用通用计算机的外围人机对话设备。 (2) 单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多采用内总线形式，与计算机系统扩展密切相关。 (3) 人机通道接口一般都是数字电路，电路结构简单，可靠性好。,4. 相互通道及其特点,(1) 中、高档单片机大多设有串行口，为构成
8、应用系统的相互通道提供了方便条件。 (2) 单片机本身的串行口只为相互通道提供了硬件结构及基本的通信方式，并没有提供标准的通信规程。故利用单片机串行口构成相互通道时，要配置比较复杂的通信软件。 (3) 在很多情况下，采用扩展标准通信控制芯片来组成相互通道。例如，用扩展8250、8251、SIO、8273、MC6850等通用通信控制芯片来构成相互通信接口。 (4) 相互通信接口都是数字电路系统，抗干扰能力强。但大多数都需远距离传输，故需要解决长线传输的驱动、匹配、隔离等问题。,6.1.2 单片机应用系统的设计内容,1) 单片机系统设计 单片机本身具备比较强大的功能，但往往不能满足一个实际应用系统
9、的功能要求，有些单片机本身就缺少一些功能部分，如MSC-51系列中的8031、8032片内无程序存储器。所以要通过系统扩展，构成一个完善的计算机系统。它是单片机应用系统中的核心部分。系统的扩展方法、内容、规模与所用的单片机系列及供应状态有关。单片机具有较强的外部扩展、通信能力，能方便地扩展至应用系统所要求的规模。单片机应用系统中，单片机系统扩展的设计内容如下：,(1) 最小系统设计：给单片机配以必要的器件构成单片机最小系统。如MSC-51系列片内有程序存储器的机型，只需在片外配上电源、复位电路、振荡电路，这样便于对单片机系统进行测试与调试。 (2) 系统扩展设计：是在单片机最小系统的基础上，再
10、配置能满足应用系统要求的一些外围功能器件。,2) 通道与接口设计 由于通道大都是通过I/O口进行配置的，与单片机本身的联系不甚紧密，故大多数接口电路都能方便地移植到其它类型的单片机应用系统中去。 3) 系统抗干扰设计 抗干扰设计要贯穿到应用系统设计的全过程。从具体方案、器件选择到电路系统设计，从硬件系统设计到软件系统设计，都要把抗干扰设计列为一项重要工作。 4) 应用软件设计 应用软件设计是根据系统功能要求，采用编程语言或高级语言进行设计。,6.2 单片机应用系统开发过程,(1) 系统需求与方案调研。 (2) 可行性分析。 (3) 系统方案设计。 (4) 系统详细设计与制作。 (5) 系统调试
11、与修改。 (6) 生产样机。 (7) 生成正式系统或产品。,图 6.3 单片机应用系统开发流程图,图 6.3 单片机应用系统开发流程图,6.2.1 系统需求与方案调研,(1) 了解国内外同类系统的开发水平、器材、设备水平、供应状态；对接收委托研制项目，还应充分了解对方技术要求、环境状况、技术水平，以确定课题的技术难度。 (2) 了解可移植的硬、软件技术。能移植的尽量移植，以防止大量低水平重复劳动。 (3) 摸清硬、软件技术难度，明确技术主攻方向。 (4) 综合考虑硬、软件分工与配合方案。单片机应用系统设计中，硬、软件工作具有密切的相关性。,6.2.2 可行性分析 可行性分析的目的是对系统开发研
12、制的必要性及可行性作出明确的判定结论。根据这一结论决定系统的开发研制工作是否进行下去。 可行性分析通常从以下几个方面进行论证： (1) 市场或用户的需求情况。 (2) 经济效益和社会效益。 (3) 技术支持与开发环境。 (4) 现在的竞争力与未来的生命力。,6.2.3 系统方案设计 系统功能设计包括系统总体目标功能的确定及系统硬、软件模块功能的划分与协调关系。 系统结构设计是根据系统硬、软件功能的划分及其协调关系，确定系统硬件结构和软件结构。系统硬件结构设计的主要内容包括单片机系统扩展方案和外围设备的配置及其接口电路方案，最后要以逻辑框图形式描述出来。系统软件结构设计主要完成的任务是确定出系统
13、软件功能模块的划分及各功能模块的程序实现的技术方法，最后以结构框图或流程图描述出来。,6.2.4 系统详细设计与制作 系统详细设计与制作就是将前面的系统方案付诸实施，将硬件框图转化成具体电路，并制作成电路板，软件框图或流程图用程序加以实现。,6.2.5 系统调试与修改 系统调试是检测所设计系统的正确性与可靠性。单片机应用系统设计是一个相当复杂的劳动过程，在设计、制作中，难免存在一些局部性问题或错误。系统调试中可发现存在的问题和错误，应及时地进行修改。调试与修改的过程可能要反复多次，最终使系统试运行成功，并达到设计要求。,6.2.6 生成正式系统(或产品) 系统硬、软件调试通过后，把链接调试完毕
14、的系统软件固化在EPROM中，然后脱机(脱离开发系统)运行。如果脱机运行正常，再在真实环境或模拟真实环境下运行，经反复运行正常，开发过程即告结束。这时的系统只能作为样机系统，给样机系统加上外壳、面板，再配上完整的文档资料，就可生成正式的系统(或产品)。,6.3 单片机应用系统的一般设计方法,6.3.1 确定系统的功能与性能,系统功能主要有数据采集、数据处理、输出控制等。每一个功能又可细分为若干个子功能。比如数据采集可分为模拟信号采样与数字信号采样。模拟信号采样与数字信号采样在硬件支持与软件控制上是有明显差异的。数据处理可分为预处理、功能性处理、抗干扰等子功能，而功能性处理还可以继续划分为各种信
15、号处理等。输出控制按控制对象不同可分为各种控制功能，如继电器控制、D/A转换控制、数码管显示控制等。,系统性能主要由精度、速度、功耗、体积、重量、价格、可靠性的技术指标来衡量。系统研制前，要根据需求调查结果给出上述各指标的定额。一旦这些指标被确定下来，整个系统将在这些指标限定下进行设计。系统的速度、体积、重量、价格、可靠性等指标会左右系统软、硬件的功能的划分。系统功能尽可能用硬件完成，这样可提高系统的工作速度，但系统的体积、重量、功耗、硬件成本都相应地增大，而且还增加了硬件所带来的不可靠因素。用软件功能尽可能地代替硬件功能，可使系统体积、重量、功耗、硬件成本降低，并可提高硬件系统的可靠性，但是
16、可能会降低系统的工作速度。因此，在进行系统功能的软、硬件划分时，一定要依据系统性能指标综合考虑。,6.3.2 确定系统基本结构,1. 单片机选型,单片机性价比。 (2) 开发周期。,在选择单片机芯片时，一般选择内部不含ROM的芯片比较合适，如8031，通过外部扩展EPROM和RAM即可构成系统，这样不需专门的设备即可固化应用程序。但是当设计的应用系统批量比较大时，则可选择带ROM、EPROM、OTPROM或EEPROM等的单片机，这样可使系统更加简单。通常的做法是在软件开发过程中采用EPROM型芯片，而最终产品采用OTPROM型芯片(一次性可编程EPROM芯片)，这样可以提高产品的性能价格比。,2. 存储空间分配 存储空间分配既影响单片机应用系统硬件结构，也影响软件的设计及系统调试。 不同的单片机具有不同的存储空间分布。MCS-51单片机的程序存储器与数据存储器空间相互独立，工作寄存器、特殊功能寄存器与内部数据存储器共享一个存储空间，I/O端口则与外部数据存储器共享一个空间。8098单片机的片内RAM程序存储区、数据存储区、I/O端口全部使用同一个存储空间。总的来说，大多数单片机
