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1、第10章MCS51单片机应用系统设计,10.1 单片机应用系统结构与设计内容10.2 单片机应用系统开发过程10.3 单片机应用系统的一般设计方法,10.1.1 单片机应用系统的一般硬件组成,10.1单片机应用系统结构与设计内容,1.前向通道的组成及其特点2.后向通道的组成与特点3.人机通道的结构及其特点4.相互通道及其特点,10.1.2 单片机应用系统的设计内容,1.单片机系统设计,2.通道与接口设计,3.系统抗干扰设计,4.应用软件设计,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
2、是一个多机系统，还包括机与机之间进行通信的互相通道。,10.1.1 单片机应用系统的一般硬件组成,图10.1 典型单片机应用系统结构,通用外设,1前向通道的组成及其特点,(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。,(1)后向通道是应用系统的
3、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、开关量输出及数字量输出等。,2.后向通道的组成与特点,(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，
4、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。,3.人机通道的结构及其特点,(1)中、高档单片机大多设有串行口，为构成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MAX232、MAX485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
5、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。,4.相互通道及其特点,1.单片机系统设计,10.1.2 单片机应用系统的设计内容,(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
6、。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。,(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)系统调试与修改(6)生产样机及生成正式系统或产品,10.2 单片机应用系统开发过程,(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。
7、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。,10.2.1 系统需求与方案调研,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。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。,10.2.2 可行性分析,10.2.3 系统方案设计,系统功能设计,系统总体目标功能的确定,系统硬件、软件模块功能
8、的划分与协调关系,系统结构设计,硬件结构,软件结构,确定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,确定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，最后以结构框图或流程图描述出来。,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。,10.2.4 系统详细设计与制作,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
9、多次，最终使系统试运行成功，并达到设计要求。,10.2.5 系统调试与修改,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EPROM中，然后脱机运行(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)。,10.2.6 生成正式系统(或产品),10.3.1 确定系统的功能与性能,10.3 单片机应用系统的一般设计方法,10.3.2 确定系统基本结构,10.3.3 单片机应用系统硬、软件的设计原则,1.硬件系统设计原则,2.应用软件
10、设计的特点,10.3.4 硬件设计,10.3.5 软件设计,10.3.6 资源分配,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。,10.3.1 确定系统的功能与性能,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
11、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。,1.单片机选型,单片机性价比。(2)开发周期。,10.3.2 确定系统基本结构,2.存储空间分配,3.I/O
12、通道划分,4.I/O方式的确定,5.软、硬件功能划分,1.单片机选型,单片机性价比。(2)开发周期。,10.3.2 确定系统基本结构,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。,3.I/O通道划分 单片机应用系统中通道的数目及类型直接决定系统结构。设计中应根据被控对象所要求的输入/输出信号的数目及类型，确定整个应用系统的通道数目及类型。,4.I/O方式的确定 采用不同的输入/输出方式，对单片机应用系统的硬、软要求是不同的。在单片机应用系统中，常用的I/O 方式主要有无条件传送方式(程序同步方式)、查询方式和中断方式。这三种方式对硬件要求和软件结构各
13、不相同，而且存在着明显的优缺点差异。在一个实际应用系统中，选择哪一种I/O方式，要根据具体的外设工作情况和应用系统的性能技术指标综合考虑。一般来说，无条件传送方式只适用于数据变化非常缓慢的外设，这种外设的数据可视为常态数据；中断方式处理器效率较高，但硬件结构稍复杂一些；而询问方式硬件价格较低，但处理器效率比较低，速度比较慢。在一般小型的应用系统中，由于速度要求不高，控制的对象也较少，此时，大多采用询问方式。,5.软、硬件功能划分 同一般的计算机系统一样，单片机应用系统的软件和硬件在逻辑上是等效的。具有相同功能的单片机应用系统，其软、硬件功能可以在很宽的范围内变化。一些硬件电路的功能可以由软件来
14、实现，反之亦然。在应用系统设计中，系统的软、硬件功能划分要根据系统的要求而定。多用硬件来实现一些功能，可以提高速度，减少存储容量和软件研制的工作量，但会增加硬件成本，降低硬件的利用率和系统的灵活性与适应性。若用软件来实现某些硬件功能可以节省硬件开支，提高灵活性和适应性，但相应速度要下降，软件设计费用和所需存储容量要增加。因此，在总体设计时，必须权衡利弊，仔细划分应用系统中的硬件和软件的功能。,1.硬件系统设计原则 一个单片机应用系统的硬件电路设计包括两部分内容：一是单片机系统扩展，即单片机内部的功能单元(如程序存储器、数据存储器、I/O、定时器/计数器、中断系统等)的容量不能满足应用系统的要求
15、时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的扩展连接电路；二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D转换器、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。,10.3.3 单片机应用系统硬、软件的设计原则,(1)尽可能选择典型通用的电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化奠定良好的基础。(2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统当前的功能要求，并留有适当余地，便于以后进行功能的扩充。(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，即尽可能地用软件代硬件，以简化硬
16、件结构，降低成本，提高可靠性。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件来得长。因此，某些功能选择以软件代硬件实现时，应综合考虑系统响应速度、实时要求等相关的技术指标。,原则:,(4)整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，例如，选用晶振频率较高时，存储器的存取时间就短，应选择允许存取速度较快的芯片；选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗产品。如果系统中相关的器件性能差异很大，系统综合性能将降低，甚至不能正常工作。(5)可靠性及抗干扰设计是硬件设计中不可忽视的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。如果设计中只注重
17、功能实现，而忽视可靠性及抗干扰设计，到头来只能是事倍功半，甚至会造成系统崩溃，前功尽弃。(6)单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。解决的办法是增加驱动能力，增强总线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。,应用系统中的应用软件是根据系统功能设计的，应可靠地实现系统的各种功能。应用系统种类繁多，应用软件各不相同，但是一个优秀的应用系统的软件应具有以下特点：(1)软件结构清晰、简捷、流程合理。(2)各功能程序实现模块化，系统化。这样，既便于调试、连接，又便于移植、修改和维护。(3)程序存储区、数据存储区规划合理，既能节约存储容量，又能给程序设计与操作带来方便。,
18、2.应用软件设计的特点,(4)运行状态实现标志化管理。各个功能程序运行状态、运行结果以及运行需求都设置状态标志以便查询，程序的转移、运行、控制都可通过状态标志条件来控制。(5)经过调试修改后的程序应进行规范化。规范化的程序便于交流、借鉴，也为今后的软件模块化、标准化打下基础。(6)实现全面软件抗干扰设计。软件抗干扰是计算机应用系统提高可靠性的有力措施。(7)为了提高运行的可靠性，在应用软件中设置自诊断程序，在系统运行前先运行自诊断程序，用以检查系统各特征参数是否正常。,1)程序存储器2)数据存储器3)I/O接口4)译码电路5)总线驱动器6)抗干扰电路,10.3.4 硬件设计,若单片机内无片内程
19、序存储器或存储容量不够时，需外部扩展程序存储器。外部扩展的存储器通常选用EPROM或 EEPROM。EPROM集成度高、价格便宜，EEPROM则编程容易。当程序量较小时，使用EEPROM较方便；当程序量较大时，采用EPROM更经济。,1)程序存储器,数据存储器利用RAM构成。大多数单片机都提供了小容量的片内数据存储区，只有当片内数据存储区不够用时才扩展外部数据存储器。存储器的设计原则是：在存储容量满足要求的前提下，尽可能减少存储芯片的数量。建议使用大容量的存储芯片以减少存储器芯片数目，但应避免盲目地扩大存储器容量。,2)数据存储器,由于外设多种多样，使得单片机与外设之间的接口电路也各不相同。因
20、此，I/O接口常常是单片机应用系统中设计最复杂也是最困难的部分之一。I/O接口大致可归类为并行接口、串行接口、模拟采集通道(接口)、模拟输出通道(接口)等。目前有些单片机已将上述各接口集成在单片机内部，使I/O接口的设计大大简化。系统设计时，可以选择含有所需接口的单片机。,3)I/O接口,当需要外部扩展电路时，就需要设计译码电路。译码电路要尽可能简单，这就要求存储空间分配合理，译码方式选择得当。考虑到修改方便与保密性强，译码电路除了可以使用常规的门电路、译码器实现外，还可以利用只读存储器与可编程门阵列来实现。,4)译码电路,如果单片机外部扩展的器件较多，负载过重，就要考虑设计总线驱动器。比如，
21、MCS-51单片机的P0口负载能力为8个TTL芯片，P2口负载能力为4个TTL芯片，如果P0、P2实际连接的芯片数目超出上述定额，就必须在P0、P2口增加总线驱动器来提高它们的驱动能力。P0口应使用双向数据总线驱动器(如74LS245)，P2口可使用单向总线驱动器(如74LS244)。,5)总线驱动器,针对可能出现的各种干扰，应设计抗干扰电路。在单片机应用系统中，一个不可缺少的抗干扰电路就是抗电源干扰电路。最简单的实现方法是在系统弱电部分(以单片机为核心)的电源入口对地跨接1个大电容(100 F左右)与一个小电容(0.1 F 左右)，在系统内部芯片的电源端对地跨接1个小电容(0.01 0.1
22、F)。另外，可以采用隔离放大器、光电隔离器件抗共地干扰，采用差分放大器抗共模干扰,采用平滑滤波器抗白噪声干扰，采用屏蔽手段抗辐射干扰等等。,6)抗干扰电路,整个单片机应用系统是一个整体。在进行应用系统总体设计时，软件设计和硬件设计应统一考虑，相结合进行。当系统的硬件电路设计定型后，软件的任务也就明确了。一个应用系统中的软件一般是由系统的监控程序和应用程序两部分构成的。其中，应用程序是用来完成诸如测量、计算、显示、打印、输出控制等各种实质性功能的软件；系统监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运行的程序，它负责组织调度各应用程序模块，完成系统自检、初始化、处理键盘命令、处理接口命令、处理条件触发
23、和显示等功能。,10.3.5 软件设计,系统软件设计时，应根据系统软件功能要求，将系统软件分成若干个相对独立的部分，并根据它们之间的联系和时间上的关系，设计出合理的软件总体结构。通常在编制程序前，先根据系统输入和输出变量建立起正确的数学模型，然后画出程序流程框图。要求流程框图结构清晰、简捷、合理。画流程框图时还要对系统资源作具体的分配和说明。编制程序时一般采用自顶向下的程序设计技术，先设计监控程序再设计各应用程序模块。各功能程序应模块化，子程序化，这样不仅便于调试、连接，还便于修改和移植。,1ROM/EPROM资源的分配 ROM/EPROM用于存放程序和数据表格。按照MCS-51单片机的复位及
24、中断入口的规定，002FH以前的地址单元格作为中断、复位入口地址区。在这些单元格中一般都设置了转移指令，用于转移到相应的中断服务程序或复位启动程序。当程序存储器中存放的功能程序及子程序数量较多时，应尽可能为它们设置入口地址表。一般的常数、表格集中设置在表格区。二次开发扩展区尽可能放在高位地址区。,10.3.6 资源分配,2RAM资源分配 RAM分为片内RAM 和片外RAM。片外RAM的容量比较大，通常用来存放批量大的数据，如采样结果数据；片内RAM容量较少，应尽量重叠使用，比如数据暂存区与显示、打印缓冲区重叠。对于MCS-51单片机来说，片内RAM是指00H7FH单元，这128个单元的功能并不完全相同，分配时应注意发挥各自的特点，做到物尽其用。,作 业,利用所学单片机知识完成一个单片机应用系统的设计报告。系统任务自选，要求详细叙述系统功能，及操作使用说明。设计系统要求含有键盘输入、显示及二种以上外围接口芯片（至少含有一种可编程接口芯片），画出硬件电路图；注明外围芯片的地址；注明所用可编程接口芯片的工作方式，写出相应的控制字；画出软件框图。注明参考资料的来源。,
