《单片机原理及应用》课件第7章.ppt

1、第第7章单片机应用系统设计与开发章单片机应用系统设计与开发7.1 单片机应用系统结构与应用系统的设计内容单片机应用系统结构与应用系统的设计内容7.2 单片机应用系统开发过程单片机应用系统开发过程7.3 单片机应用系统的一般设计方法单片机应用系统的一般设计方法7.4 单片机应用系统调试单片机应用系统调试7.5 51单片机应用系统设计与调试实例单片机应用系统设计与调试实例习题七习题七前面我们介绍了单片机的基本结构、功能及其扩展和基本外围设备的接口技术。从单片机应用系统设计的角度看,这些内容仅使我们掌握了单片机的供应状态,或者说,使我们掌握了单片机所提供的软、硬件资源,以及怎样合理地使用这些资源。这

2、为单片机应用系统设计奠定了基础。除此之外,一个实际的单片机应用系统还需多种配置及其接口连接。单片机应用系统设计会涉及到更为复杂的内容和问题,如将会涉及到多种类型的电路结构(模拟电路、伺服驱动电路、抗干扰隔离电路等)。7.1单片机应用系统结构与单片机应用系统结构与应用系统的设计内容应用系统的设计内容从系统的角度来看,单片机应用系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。硬件系统是指单片机及扩展的存储器、外围设备及其接口电路等。软件系统包括监控程序和各种应用程序。7.1.1单片机应用系统的一般硬件组成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,因而其典型应用系统应包括单片机系统,用于测控目

3、的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相互通道。图7.1是一个典型单片机应用系统的结构框图。图 7.1典型单片机应用系统结构1.前向通道的组成及特点前向通道的组成及特点前向通道是单片机与测控对象相连的部分,是应用系统的数据采集输入通道。来自被控对象的现场信息是各种各样的,按物理量的特征可分为模拟和数字量、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、相位及计数测量。对于开关量的采

4、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)。模拟量输入通道的结构比较复杂,一般包括变换器、隔离放大器、滤波器、采样保持器、多路电子开关、A/D转换器及其接口电路,如图7.2所示。图 7.2模拟信号采集通道结构图 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;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

5、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,否则将产生很大的误差。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过一段时间。A/D转换器从接通模拟信号开始转换到转换结束，将输出稳定的

6、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转换器前加设采样保持器,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

7、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,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后向通道的组成与特点后向通道是应用系统的伺服驱动通道。作用于控制对象的控制信号通常有两种:一种是开关量控制信号,另一种是模拟控制信号。开关量控制信号的后向通道比较简

8、单,只需采用隔离器件进行隔离及电平转换。模拟控制信号的后向通道需要进行D/A转换、隔离放大、功率驱动等处理。后向通道具有以下特点:(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、开关量输出及数字量输出等。3.人机通道的结构及其特点人机通道的结构及其特点 单片机应用系统中的人机通道是用户为了对应用系统进行干预(如启动、参数设置等)以及了解应用系统运行状态所

9、设置的对话通道,主要有键盘、显示器、打印机等通道接口。人机通道具有以下特点:(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、拨码盘、LED/LCD显示器等。(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.相互通道及其特点相互通道及其特点单片机应用系统中的相互通道是解决计算机系统间相互通信的接口。在较大规模的多机测控系统中,就需要设计相互通道接口。相互通道设计中需考虑的问题如下:(1)中、高档单片机大多设

10、有串行口,为构成应用系统的相互通道提供了方便。(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。7.1.2单片机应用系统的设计内容单片机应用系统的设计内容 单片机应用系统设计包含硬件设计与软件设计两部分。硬件设计又包括

11、单片机系统扩展和配置。具体的设计内容包括: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来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

12、扩展设计:在单片机最小系统的基础上,再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,因此大多数接口电路都能方便地移植到其他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,采用汇编语言或高级语言进行设计。7.2单片机应用系统开发过程单片机应用系统开发过程通常,开发一个单片机应用系统所经历的过程如图7.3所示。1.系统需求与方案调研系统需

13、求与方案调研在确定开发课题后,首先需进行系统需求与方案调研。本部分工作的目的是通过市场或用户了解用户对拟开发应用系统的设计目标和技术指标要求。图 7.3单片机应用系统开发流程2.可行性分析可行性分析可行性分析的目的是对系统开发研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。市场或用户需求加上良好的经济与社会效益是单片机应用系统开发研制应具备的必要条件,而根据调查结果确定的实现目标是整个开发工作的核心。然而,所设计的单片机应用系统能否达到预期的目标,与设计人员的技术水平和开发环境(包括资金)密切相关。如果没有足够的技术储备与良好的开发环境支持,就难以设计出

14、高水平的单片机应用系统。为使设计的系统具有较强的竞争力与生命力,则应对系统的功能、技术先进性、操作是否简便、安全可靠性、价格等方面进行仔细研究,精心设计。由于单片机技术发展非常快,因此,在设计单片机应用系统时,要有一定的超前意识,及时掌握单片机新技术,在条件允许的情况下,尽可能地利用最新的单片机技术来研制其应用系统,以保证所设计的系统在未来一段时间内仍有生命力。通过上述论证形成可行性报告,在系统具有可行性的情况下制定出开发计划,同时进入系统方案设计阶段。3.系统方案设计系统方案设计系统方案设计主要依据市场或用户的需求、应用系统环境状况、关键技术支持等,设计系统功能、系统结构及其实现方法。系统功

15、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,来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,最后用结构框图或流程图描述出来。本阶段的工作是为整个应用系统的实现建立一个框架,即建立系统的逻辑模型,是系统实现的基础。因此,这项工作必须放眼全局,仔细、周密地考虑。4.系统详细设计与制作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

16、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；将软件框图或流程图用程序加以实现。5.系统调试与修改系统调试与修改系统调试用于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过程,在设计、制作中,难免存在一些局部性问题或错误。通过系统调试,可发现设计系统中存在的问题和错误,并及时修改。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.生成正式系统生成正式系统(或产品或产品)系统硬、软件调试通过后,把链接调试完毕的系统软件固化在ROM或存储在Flash存储器中,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)。7.3单片机应用系统的一般设计方法单片机应用系统的一般设计方法在单片机应用系统开发过程中,我们只介绍了每一个开发阶段的主要任务,而在每个阶段还有许多更详细的设计内容。本节主要介绍有关详细设计的一般性指导方法。7.3.1确定系统的功能与性能确定系统的功能与性能由需