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1、微控制器应用系统设计,智能电量计,电力载波通信,智能仪表,1.1 单片机应用系统的基本结构,1.1.1 单片机应用系统的硬件组成,二.单片机应用系统设计,1.1.2 单片机应用系统开发的基本过程,一系统需求与方案调研,系统需求与方案调研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。通过查找资料，分析研究，解决以下问题：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
2、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。,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。,二可行性分析,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。系统功能设计是根据系统硬件、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
3、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，最后以结构框图或流程图描述出来。,三系统功能设计,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。,四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的必要过程。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。系统调试可发现存在的问题和错误，以便及时地进行修改。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
4、。,五系统调试与修改,系统硬件、软件调试通过后，就可以把调试完毕的软件固化在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。,六生成正式系统或产品,1.2 单片机应用系统的硬件设计,1.2.1 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三个部分内容：一是单片机芯片的选择，二是单片机系统扩展，三是系统配置。,一、单片机芯片的选择,二、单片机系统扩展,单片机系统扩展是指单片机内部的功能单元(如程序存储器、数据存储器、I/O口、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时，必须在片外进行扩展，
5、这时应选择适当的芯片，设计相应的扩展连接电路；系统配置是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，设计相应的接口电路。,三、系统扩展和配置设计遵循的原则,系统扩展和配置设计遵循的原则：（1）尽可能选择典型通用的电路，并符合单片机的常规用法。（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。（4）整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。（5）可靠性及抗干扰设计是硬件设计中不可忽视的一部分。（6）单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。,1.2.2 硬
6、件设计,一程序存储器,二数据存储器,三I/O接口,四译码电路,五总线驱动器,六抗干扰电路,1.3 单片机应用系统的软件设计,一个应用系统中的软件一般是由系统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、处理条件触发和显示等功能。,软件设计时，应根据系统软件功能要求，将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，设计出软件的总体结构，画出程序流程框图。画流程框图时还要对系统
7、资源作具体的分配和说明。根据系统特点和用户的了解情况选择编程语言，现在一般用汇编语言和C语言。汇编语言编写程序对硬件操作很方便，编写的程序代码短，以前单片机应用系统软件主要用汇编语言编写；C语言功能丰富，表达能力强，使用灵活方便，应用面广，目标程序效率高，可移植性好，现在单片机应用系统开发很多都用C语言来进行开发和设计。,1.3.1 软件设计的特点,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。（
8、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来控制。,（5）经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改“痕迹”。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。,1.3.2 资源分配,一程序存储器ROM/EPROM资源的分配,在这些资源分配中，定时/计数器、中断、串行口等分配比较容易，这里介绍程序
9、存储器和数据存储器的分配。,程序存储器ROM/EPROM用于存放程序和数据表格。按照MCS-51单片机的复位及中断入口的规定，002FH以前的地址单元作为中断、复位入口地址区。在这些单元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，扩展部分尽可能放在高位地址区。,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
10、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。,二数据RAM资源分配,1.3.3 单片机应用系统开发工具,一个单片机应用系统经过总体设计，完成硬件开发和软件设计，就进行硬件安装。硬件安装好后，把编制好的程序写入存储器中，调试好后系统就可以运行了。但用户设计的应用系统本身并不具备自开发的能力，不能够写入程序和调试程序，这必须借助于单片机开发系统才能完成这些工作。单片机开发系统是能够模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程和结果，从而能对现场进行模仿的仿真开发系统。通过它能很方便的对硬件电路进行诊断和调试，得到正确的
11、结果。,目前国内使用的通用单片机的仿真开发系统很多，南京伟福实业有限公司的伟福系列仿真器、广州周立功公司51仿真器、新华龙公司提供的Cygnal 51单片机仿真器（JTAG接口仿真器）。它们都具有对用户程序进行输入、编辑、汇编和调试的功能。此外，有些还具备在线仿真功能，能够直接将程序固化到EEPROM中。一般都支持汇编语言编程，有的可以通过开发软件，支持C语言编程。例如可通过Keil C51软件来编写C语言源程序，编译连接生成目标文件、可执行文件，仿真、调试、生成代码并下载到应用系统中。,微控制器应用系统抗干扰设计,1.干扰源及干扰途径 单片机系统中的干扰有多种类型。一种是来自空间辐射的干扰。
12、可控硅逆变电源、变频调速器、发射机等特殊设备在工作时会产生很强的干扰，在这种环境中单片机系统难以正常运行；另一种是来自电源的干扰。各种开关的通断、火花干扰、大电机启停等现象在工业现场很常见，这些来自交流电源的干扰对单片机系统的正常运行危害极大；还有一种就是来自信号通道的干扰。在实际的应用系统中，测控信号的输入/输出是必不可少的。在工业现场中，这些I/O信号线、控制线有时长达几百米，不可避免地会把干扰引入到系统中。如果受控对象是强干扰源，如可控硅、电焊机等，则单片机系统根本就无法运行。,2、硬件抗干扰措施 根据干扰的产生及传输特点，在硬件上可以采取以下措施：（1）硬件屏蔽。将系统安装在对电磁辐射
13、干扰具有屏蔽作用的金属机箱中，并进行正确接地，可以有效地抑制强电设备产生的空间辐射干扰。（2）光电隔离。对于开关量信号用光电耦合器隔离以后再进行输入/输出，对于模拟量信号可选用光电隔离器或变压器隔离后再进行输入/输出，并使用双绞线或屏蔽线进行信号传输，这样就可以有效地克服信号传输通道带来的干扰。（3）电源滤波。对于来自电源的干扰，可采用低通滤波器以及带有屏蔽层的电源变压器来进行抑制。,（4）电源去耦;对于系统中每一片集成电路，在电源和地之间都加上去耦电容，既是本芯片的蓄能电容，还能抑制高频噪声。（5）在满足要求的前提下尽量用较低的时钟频率和低频的器件。（6）合理布置元件在线路板上的位置，把模拟
14、电路、高速数字电路和产生噪声的功率驱动部分合理地分开，各部件之间的引线尽量短，对各种输入/输出线分类打把，以减少寄生电容的干扰。（7）系统中芯片的未用端不要悬空，应根据实际情况接到电源端、地端或已用端。（8）尽量不用IC插座，而将集成电路直接焊接在电路板上。,（9）对噪声敏感的线不要与大电流，高速开关线平行。（10）石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。（11）弱信号电路，低频电路周围不要形成电流环路。（12）任何信号都不要形成环路，如不可避免，让环路区尽量小。（13）每个集成电路一个去耦电容。每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。（14）用大容量的钽电容或聚酷电容而不用电解电容
15、作电路充放电储能电容。使用管状电容时，外壳要接地。（15）元件引脚尽量短，去耦电容引脚尽量短。（16）时钟线垂直于I/O线比平行I/O线干扰小，时钟元件引脚远离I/O电缆。（17）对A/D类器件，数字部分与模拟部分宁可统一下也不要交叉。,（18）可用串一个电阻的办法，降低控制电路上下沿跳变速率。（19）尽量为继电器等提供某种形式的阻尼。（20）使用满足系统要求的最低频率时钟。（21）时钟产生器尽量靠近到用该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接地。（22）用地线将时钟区圈起来，时钟线尽量短。（23）I/O驱动电路尽量靠近印刷板边，让其尽快离开印刷板。对进入印制板的信号要加滤波，从高噪声区来的信号也
16、要加滤波，同时用串终端电阻的办法，减小信号反射。,（24）闲置不用的门电路输入端不要悬空，闲置不用的运放正输入端接地，负输入端接输出端。（25）印制板尽量使用45折线而不用90折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合。（26）印制板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件要距离再远一些。（27）单面板和双面板用单点接电源和单点接地、电源线、地线尽量粗，经济是能承受的话用多层板以减小电源，地的容生电感。（28）时钟、总线、片选信号要远离I/O线和接插件。,3、软件抗干扰措施（1）在程序中插入空操作指令实现指令冗余。系统在工作时容易因干扰而使PC指向程序存储器的非代码区，从而导致“死机”。为此
17、可以在程序中插入一些单字节的空操作指令NOP，失控的程序遇到该指令后得到调整而转入正常。（2）对未用的中断向量进行处理。在程序中对未用的中断都编写出相应的错误处理程序，若因干扰触发了这些中断，则执行完简单的出错处理程序后可以正常返回。（3）采用超时判断克服程序的死锁。在系统的数据采集部分，如A/D转换结果采用查询方式读取，若因干扰使A/D转换结束标志无效，程序就会进入死循环。针对类似情况，可在程序中采用超时判断，若系统在一定的时间内采不到有效的标志，就自动放弃本次采样，从而避免程序死锁的发生。,（4）采用软件陷阱。当程序因干扰而“跑飞”时，可在非程序区设置陷阱，强迫PC进入一个指定的地址，执行
18、一段专门对死机进行处理的程序，使系统恢复正常。软件陷阱可安排在未使用的中断区和未使用的大片ROM空间，可由以下三条指令构成：NOPNOPLJMP ERR,（5）采用看门狗。当程序“跑飞”而前述方法又没有捕捉到时，可以用看门狗来恢复系统的正常运行。具体设计时可以用软件实现，也可以用专用的看门狗芯片如MAX693、X25045等来实现。软件方法利是用单片机中未用的定时器进行定时，在主程序每一次循环的特定时刻刷新定时器的时间常数，若定时器因系统死机而得不到刷新，就会产生溢出而引起中断，在其中断服务程序中进行出错处理后转入正常运行。看门狗芯片也相当于定时器，系统在每一次循环中用一根口线使芯片复位，若芯
19、片因系统异常而得不到复位，其接到MCU复位端的溢出信号就能使系统恢复正常运行。,（6）采用数字滤波。为了提高数据采集的可靠性，减小虚假信息的影响，可以采用数字滤波的方法，如程序判断滤波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、一阶滞后滤波等。也可以对数据进行非线性补偿和误差修正，提高数据精度。,单片机应用系统的器件知识,器件查询的第一方案：网络,（1）电源芯片;78XX、LM1117、HT7551、ICL7660（2）电压基准源：MC1403、REF10、AD584（3）电阻：金属电阻、炭阻、绕线电阻、数字电阻X9C104。（4）电容：陶瓷电容、钽电容、电解电容、聚紫烯电容。（5）AD转换器：逐次比较式、双积分式、V/F、-（6）功率驱动：ULN2803、MOC光耦、固态继电器、TIP127（7）运放：OP07、LM358、LM324、LF411、OPA548、TL082、TL072（8）模拟开关：CD4051、CD4052、CD4053、CD4066（9）锁相环：CD4046(10)集成光电探测器：OPT101,作业：列表说明这次课程给出的所有的器件的功能，要求打印表格，用手填写空格部分、全班统一表格、按照字母顺序填写；,
