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1、本章分为两节，主要介绍：本章分为两节，主要介绍：9.2 提高系统可靠性的一般方法提高系统可靠性的一般方法9.1 单片机应用系统设计过程单片机应用系统设计过程9.4 智能二线制温度变送器设计实例智能二线制温度变送器设计实例9.3 数据采集系统设计数据采集系统设计9.1 单片机应用系统设计过程单片机应用系统设计过程 一、可靠性要高一、可靠性要高 应用系统在满足使用功能的前提下，应具有较高的可靠应用系统在满足使用功能的前提下，应具有较高的可靠性。这是因为单片机系统完成的任务是系统前端信号的采性。这是因为单片机系统完成的任务是系统前端信号的采集和控制输出，一旦系统出现故障，必将造成整个生产过集和控制输
2、出，一旦系统出现故障，必将造成整个生产过程的混乱和失控，从而产生严重的后果。因此，程的混乱和失控，从而产生严重的后果。因此，对可靠性对可靠性的考虑应贯穿于单片机应用系统设计的整个过程的考虑应贯穿于单片机应用系统设计的整个过程。9 9.1.1 .1.1 系统设计的基本要求系统设计的基本要求 在设计时对系统的在设计时对系统的应用环境应用环境要进行细致地了解，认真分要进行细致地了解，认真分析可能出现的各种影响系统可靠性的因素，采取切实可行的析可能出现的各种影响系统可靠性的因素，采取切实可行的措施排除故障隐患。措施排除故障隐患。 在总体设计时应考虑系统的在总体设计时应考虑系统的故障自动检测和处理故障自
3、动检测和处理功能。功能。在系统正常运行时，定时地进行各个功能模块的自诊断，并在系统正常运行时，定时地进行各个功能模块的自诊断，并对外界的异常情况做出快速处理。对于无法解决的问题，应对外界的异常情况做出快速处理。对于无法解决的问题，应及时切换到后备装置或报警。及时切换到后备装置或报警。三、性能价格比要高三、性能价格比要高 为了使系统具有良好的市场竞争力，在提高系统功能指为了使系统具有良好的市场竞争力，在提高系统功能指标的同时，还要优化系统设计，采用硬件软化技术提高系标的同时，还要优化系统设计，采用硬件软化技术提高系统的性能价格比。统的性能价格比。二、使用和维修要方便二、使用和维修要方便 在总体设
4、计时应考虑系统的使用和维修要方便，尽量降在总体设计时应考虑系统的使用和维修要方便，尽量降低对操作人员的计算机专业知识的要求，以便于系统的广低对操作人员的计算机专业知识的要求，以便于系统的广泛使用。泛使用。 系统的控制开关不能太多，不能太复杂，操作顺序应简系统的控制开关不能太多，不能太复杂，操作顺序应简单明了，参数的输入单明了，参数的输入/输出应采用十进制，功能符号要简明输出应采用十进制，功能符号要简明直观。直观。一、确定任务一、确定任务单片机应用系统可以分为智能仪器仪表和工业测单片机应用系统可以分为智能仪器仪表和工业测控系统两大类。无论哪一类，都必须以市场需求为控系统两大类。无论哪一类，都必须
5、以市场需求为前提。所以，在系统设计前，首先要进行前提。所以，在系统设计前，首先要进行广泛的市广泛的市场调查场调查，了解该系统的市场应用概况，了解该系统的市场应用概况，分析系统当分析系统当前存在的问题前存在的问题，研究系统的市场前景研究系统的市场前景，确定系统开确定系统开发设计的目的和目标发设计的目的和目标。简单地说，就是通过调研。简单地说，就是通过调研克克服旧缺点、开发新功能服旧缺点、开发新功能。在确定了大的方向的基础上，就应该对系统的在确定了大的方向的基础上，就应该对系统的具具体实现进行规划体实现进行规划。包括应该采集的信号的种类、数。包括应该采集的信号的种类、数量、范围，输出信号的匹配和转
6、换，控制算法的选量、范围，输出信号的匹配和转换，控制算法的选择，技术指标的确定等。择，技术指标的确定等。9 9.1.2 .1.2 系统设计的步骤系统设计的步骤 二、方案设计二、方案设计（1）单片机机型和器件的选择）单片机机型和器件的选择性能特点要适合所要完成的任务，性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲置避免过多的功能闲置；性能价格比要高性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比；，以提高整个系统的性能价格比；结构原理要熟悉，以结构原理要熟悉，以缩短开发周期缩短开发周期；货源要稳定货源要稳定，有，有利于批量的增加和系统的维护利于批量的增加和系统的维护。（2）硬件与软件的功能划分）硬件与
7、软件的功能划分 系统的系统的硬件和软件要作统一的规划硬件和软件要作统一的规划。因为一种功能往往是既可以。因为一种功能往往是既可以由硬件实现，又可以由软件实现。由硬件实现，又可以由软件实现。 用硬件实现用硬件实现速度比较快，可以节省速度比较快，可以节省CPU的时间，但系统的硬件接的时间，但系统的硬件接线复杂、系统成本较高。线复杂、系统成本较高。用软件实现用软件实现则较为经济，但要更多地占用则较为经济，但要更多地占用CPU的时间。所以，在的时间。所以，在CPU时间不紧张的情况下，应尽量采用软件。时间不紧张的情况下，应尽量采用软件。如果系统回路多、实时性要求强，则要考虑用硬件完成。如果系统回路多、实
8、时性要求强，则要考虑用硬件完成。三、硬件设计三、硬件设计 硬件的设计是根据总体设计要求，在选择完单片硬件的设计是根据总体设计要求，在选择完单片机机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元件，机机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元件，并设计出系统的电路原理图，经过必要的实验后完并设计出系统的电路原理图，经过必要的实验后完成工艺结构设计、电路板制作和样机的组装。主要成工艺结构设计、电路板制作和样机的组装。主要硬件设计包括：硬件设计包括：（1）单片机电路设计）单片机电路设计 （2）扩展电路设计）扩展电路设计 （3）输入）输入/输出通道设计输出通道设计（4）控制面板设计）控制面板设计四、软件设计四、
9、软件设计单片机应用系统的设计中，软件设计占有单片机应用系统的设计中，软件设计占有重要的位置。单片机应用系统的软件通常应重要的位置。单片机应用系统的软件通常应包括数据采集和处理程序、控制算法实现程包括数据采集和处理程序、控制算法实现程序、人机联系程序、数据管理程序。序、人机联系程序、数据管理程序。软件设计通常采用模块化程序设计、自顶软件设计通常采用模块化程序设计、自顶向下的程序设计方法。向下的程序设计方法。 设计开发过程设计开发过程 ：9.2 提高系统可靠性的一般方法提高系统可靠性的一般方法 9.2.1 9.2.1 电源干源干扰及其抑制及其抑制 一、交流电源干扰及其抑制一、交流电源干扰及其抑制交
10、流电源综合配置交流电源综合配置 ：二、直流电源抗干扰措施二、直流电源抗干扰措施（1）采用高质量集成稳压路单独供电）采用高质量集成稳压路单独供电 采用低纹波高质量集成稳压电路。每个稳压电路单独对采用低纹波高质量集成稳压电路。每个稳压电路单独对电压过载进行保护，因此不会因某个电路出现故障而使整电压过载进行保护，因此不会因某个电路出现故障而使整个系统遭到破坏。使供电系统的可靠性大大提高。个系统遭到破坏。使供电系统的可靠性大大提高。（2）采用直流开关电源）采用直流开关电源 直流开关电源是一种脉宽调制型电源。它甩掉了传统的直流开关电源是一种脉宽调制型电源。它甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效
11、率高、电网电压范工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高、电网电压范围宽、变化时不易输出过电压和欠电压，同时还具有较好围宽、变化时不易输出过电压和欠电压，同时还具有较好的初、次级隔离作用。的初、次级隔离作用。（3）采用）采用DCDC变换器变换器 DCDC变换器的特点是，输入电压范围大、输出电压变换器的特点是，输入电压范围大、输出电压稳定且可调整、效率高、体积小、有多种封装形式。稳定且可调整、效率高、体积小、有多种封装形式。 9.2.2 9.2.2 地地线干干扰及其抑制及其抑制 一、一点接地和多点接地的应用一、一点接地和多点接地的应用 在低频电路中，布线和元件间的寄生电感影响在低频电路中，布线和元
12、件间的寄生电感影响不大，因而常采用一点接地，以减少地线造成的不大，因而常采用一点接地，以减少地线造成的地环路。在高频电路中，布线和元件间的寄生电地环路。在高频电路中，布线和元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线间的耦合，影响比感及分布电容将造成各接地线间的耦合，影响比较突出，此时应采用多点接地。较突出，此时应采用多点接地。 通常，频率小于通常，频率小于1MHz时，采用一点接地；频率时，采用一点接地；频率高于高于10MHz时，采用多点接地；频率处于时，采用多点接地；频率处于1至至10MHz时，若采用一点接地，其地线长度不应超时，若采用一点接地，其地线长度不应超过波长的二十分之一。否则，应采用多
13、点接地。过波长的二十分之一。否则，应采用多点接地。 二、数字地与模拟地的连接原则二、数字地与模拟地的连接原则 数字地是指数字地是指TTL或或CMOS芯片、芯片、I/O接口电路芯接口电路芯片、片、CPU芯片等数字逻辑电路的接地端，以及芯片等数字逻辑电路的接地端，以及A/D、D/A转换器的数字地。模拟地是指放大器、采样保转换器的数字地。模拟地是指放大器、采样保持器和持器和A/D、D/A中模拟信号的接地端。在单片机中模拟信号的接地端。在单片机系统中，数字地和模拟地应分别接地。即使是一系统中，数字地和模拟地应分别接地。即使是一个芯片上有两种地也要分别接地，然后在一点处个芯片上有两种地也要分别接地，然后
14、在一点处把两种地连接起来，否则，数字回路通过模拟电把两种地连接起来，否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影响。生影响。 三、印刷电路板的地线分布原则三、印刷电路板的地线分布原则（1）TTL、CMOS器件的接地线要呈辐射器件的接地线要呈辐射网状，避免环形；网状，避免环形；（2）板上地线的宽度要根据通过的电流大）板上地线的宽度要根据通过的电流大小而定，最好不小于小而定，最好不小于3mm。在可能的情况。在可能的情况下，地线尽量加宽；下，地线尽量加宽；（3）旁路电容的地线不要太长；）旁路电容的地线不要太长；（4）功率地通过电流信
15、号较大，地线应较）功率地通过电流信号较大，地线应较宽，必须与小信号地分开。宽，必须与小信号地分开。四、信号电缆屏蔽层的接地四、信号电缆屏蔽层的接地信号电缆可以采用双绞线和多芯线，又有屏信号电缆可以采用双绞线和多芯线，又有屏蔽和无屏蔽两种情况。双绞线具有抑制电磁蔽和无屏蔽两种情况。双绞线具有抑制电磁干扰的作用，屏蔽线具有抑制静电感应干扰干扰的作用，屏蔽线具有抑制静电感应干扰的作用。的作用。对于屏蔽线，屏蔽层最佳的接地点是在信号对于屏蔽线，屏蔽层最佳的接地点是在信号源侧（一点接地）。源侧（一点接地）。一、使用微处理器监控电路一、使用微处理器监控电路芯片具有如下功能：芯片具有如下功能：上电复位；上电
16、复位；监控电压变化；监控电压变化；Watchdog功能；功能；片使能；片使能；备份电池切换开关等。备份电池切换开关等。 典型产品如美国典型产品如美国MAXIM公司推出的，公司推出的，MAX703MAX709/813L，MAX791等等 。9.2.3 9.2.3 其它提高系其它提高系统可靠性的方法可靠性的方法 二、软件抗干扰措施二、软件抗干扰措施 （1）输入）输入/输出抗干扰输出抗干扰 对于开关量的输入，在软件上可以采取多次（至少两次）对于开关量的输入，在软件上可以采取多次（至少两次）读入的方法，几次读入经比较无误后，再行确认。开关读入的方法，几次读入经比较无误后，再行确认。开关量输出时，可以对
17、输出量进行回读，经比较确认无误后量输出时，可以对输出量进行回读，经比较确认无误后再输出。对于按钮及开关，要用软件延时的办法避免机再输出。对于按钮及开关，要用软件延时的办法避免机械抖动造成的误读。械抖动造成的误读。在条件控制中，对于条件控制的一次采样、处理、控制在条件控制中，对于条件控制的一次采样、处理、控制输出，应改为循环地采样、处理、控制输出。避免偶然输出，应改为循环地采样、处理、控制输出。避免偶然性的干扰造成的误输出。性的干扰造成的误输出。对于可能酿成重大事故的输出，要注意设置人工干预措对于可能酿成重大事故的输出，要注意设置人工干预措施。施。 （2）避免系统）避免系统“死机死机”的方的方法
18、法 除了采用硬件除了采用硬件Watchdog外，还可以设立软外，还可以设立软件陷阱防止系统失控。办法是在未用到的中断矢件陷阱防止系统失控。办法是在未用到的中断矢量区及其它未使用的量区及其它未使用的EPROM区设置如下指令：区设置如下指令： NOP NOP LJMP 0000H9.3 数据采集系数据采集系统设计9.3.1 模拟输入通道的组成模拟输入通道的组成模拟输入通道的一般构成模拟输入通道的一般构成 ：9.3.2 设计示例设计示例一、设计要求一、设计要求 被测温度范围是被测温度范围是0500，被测点为，被测点为4个。要求测量个。要求测量的温度分辨率为的温度分辨率为0.5，每，每2秒测量一次。秒
19、测量一次。 二、器件选择二、器件选择 传感器选用镍铬传感器选用镍铬-镍硅热电偶，分度号为镍硅热电偶，分度号为K（旧分度号（旧分度号为为EU-2）。当温度为）。当温度为500时热电动势为时热电动势为20.64 mV。 满量程为满量程为500，对于，对于0.5的分辨要求，的分辨要求，A/D转换器转换器要具有要具有0.5/5001/1000的分辨能力。选用的分辨能力。选用5G14433。 采用放大器将热电偶输出的采用放大器将热电偶输出的20.64 mV的信号放大。的信号放大。 采用差动多路转换器采用差动多路转换器CD4052以提高放大器的抑制共以提高放大器的抑制共模干扰的能力。模干扰的能力。三、硬件
20、电路三、硬件电路四、软件流程四、软件流程9.4 智能二线制温度变送器设计实例智能二线制温度变送器设计实例 9.4.1 智能温度变送器简介智能温度变送器简介 结构框图结构框图 ：9.4.2 硬件设计硬件设计 一、电源管理模块一、电源管理模块二、信号处理模块二、信号处理模块三、数据运算模块三、数据运算模块四、四、V/I变换模块变换模块五、系统功耗五、系统功耗 电源管理部分，主要器件电源管理部分，主要器件MAX1615的静态电的静态电流为流为80A、MAX619的静态电流为的静态电流为100A；信号；信号处理部分主要器件处理部分主要器件X9c104和和X9c504的静态电流的静态电流各为各为500A
21、、TLC27L2的静态电流为的静态电流为120A；数；数据运算部分主要器件据运算部分主要器件C8051F007的静态电流近似的静态电流近似为为1mA；V/I转换部分主要器件转换部分主要器件TLE2021的静态的静态电流为电流为230A、ICL7660的静态电流近似为的静态电流近似为200A；其他部分散件的静态电流大约为；其他部分散件的静态电流大约为500A。总体静态电流IA为3.73mA，小于4mA 。 AD_Change（）（） AXM0CF=0x00； ADCS2=1； ADCS1=0； ADCS0=0；/A/D转换时钟周期为转换时钟周期为16个系统时钟周期个系统时钟周期 AMPGN2=0
22、；AMPGN1=1；AMPGN0=0；/增益为增益为4 ADM0SL=0x00；/选择选择A/D通道通道0 ADCEN=1； for（i=0；i=js1 & ad_counter61）break； 思考题及习题思考题及习题1、单片机应用系统的设计有那些要求？、单片机应用系统的设计有那些要求？2、单片机应用系统的设计有那些步骤？、单片机应用系统的设计有那些步骤？3、提高单片机应用系统的可靠性有那些措施？、提高单片机应用系统的可靠性有那些措施？4、数据采集系统的模拟通道有那些环节，各环节的功能是、数据采集系统的模拟通道有那些环节，各环节的功能是什么？什么？5、什么情况下可以不用采样保持器？、什么情况下可以不用采样保持器？6、模拟信号的放大应注意哪些问题？、模拟信号的放大应注意哪些问题？7、多路模拟开关的选择要注意什么？、多路模拟开关的选择要注意什么？8、与、与80C51兼容的单片机主流产品有哪些？各有何特点？兼容的单片机主流产品有哪些？各有何特点？9、单片机汇编语言与、单片机汇编语言与C51语言在单片机应用系统的开发上语言在单片机应用系统的开发上有何特点？有何特点？
