机器人资料-论文-160-单片机控制系统的设计与调试方法.pdf

摘摘 要要： 单片机控制技术应用十分广泛， 其核心技术是单片机控制系统的设计。 介绍了对单片机控制系统的构成、硬件设计、软件设计和系统调试等各环节并进 行了讨论，根据工作经验给出了调试方法。 关键词关键词：单片机；系统设计；系统调试 随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度 极高的方向发展。cpu 的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。 如 cpu 的运算位数从 4 位、8 位 到 32 位机的发展，运算速度从 8 mhz、32 mhz到 1.6 ghz。可以说是日新月异的发展着。其中单片机在控制系统中的 应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机（cpu）为核心部件，扩展一 些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。要进行单 片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次， 需要具有一定的软件设 计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第三，具有综合运 用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法， 以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。 单片机系统设计主要包括以下几个方面的内容：控制系统总体方案设计，包 括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等；选择各参数检测 元件及变送器；建立数学模型及确定控制算法；选择单片机，并决定是自行设计 还是购买成套设备；系统硬件设计 1，包括接口电路，逻辑电路及操作面板； 系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计，应用系统设计包含有 硬件设计与软件设计两部分 2；系统的调试与试验。 1 1 单片机控制系统总体方案的设计单片机控制系统总体方案的设计 确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总 体方案的好坏， 直接影响整个控制系统的性能及实施细则。 总体方案的设计主要 是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下： 根据系统的要 求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。选择 检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响 控制系统精度的重要因素之一。 选择执行机构， 执行机构是微型机控制系统的重 要组成部件之一。 执行机构的选择一方面要与控制算法匹配， 另一方面要根据被 控对象的实际情况确定。 选择输入/输出通道及外围设备。 选择时应考虑以下几 个问题：被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各 通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求； 画出整个系统原理图。 单片机控制系统中控制算法的选用一般有： (1) 直接数字控制 当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控 制。 所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式， 它表示系统输入输出及其内 部状态之间的关系。 一般多用实验的方法测出系统的特性曲线， 然后再由此曲线 确定出其数学模型。 现在经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计， 由计 算机确定出系统的数学模型，因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后， 即可选定上述某一种算法，设计数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任 务就是按此差分方程计算并输出控制量，进而实现控制。 (2) 数字化 pid 控制 由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求 出数学模型，有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常 变化，因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化 pid（比例积分微分） 控制。 在 pid 控制算法中， 以位置型和增量型 2 种 pid 为基础， 根据系统的要求， 可对 pid 控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以 满足各种不同控制系统的要求。例如串级 pid 就是人们经常采用的控制方法之 一。 所谓串级控制就是第一级数字 pid 的输出不直接用来控制执行机构，而是作 为下一级数字 pid 的输入值， 并与第二级的给定值进行比较， 其偏差作为第二级 数字 pid 的控制量。当然，也可以用多级 pid 嵌套。 2 2 单片机系统硬件设计单片机系统硬件设计 尽管单片机集成度高，内部含有 i/o 控制线，rom，ram 和定时/计数器。但 在组成单片机系统时，扩展若干接口仍是设计者必不可少的任务。扩展接口有 2 种方案，一种是购置现成的接口板，另一种是根据系统实际需要，选用适合的芯 片进行设计控制系统。就后一种而言，主要包括以下几个方面的内容。 基本系统的构成：一个独立的单片机核心系统，一般由时钟电路、地址锁存 器电路、地址译码器、存储器扩展、模拟量输入通道的扩展、模拟量输出通道的 扩展、开关量的 i/o 接口设计、键盘输入和显示电路等组成。 (1)存储器扩展 由于单片机有 4 种不同的存储器， 且程序存储器和数据存储 器是分别编址的， 所以单片机的存储器容量与同样位数的微型机相比扩大了一倍 多。扩展时，首先要注意单片机的种类；另一方面要把程序存储器和数据存储器 分开。 (2)模拟量输入通道的扩展 主要有以下 2 个问题： 一个是数据采集通道的结 构形式， 一般单片机控制系统都是多通道系统。 因此选用何种结构形式采集数据， 是进行模拟量输入通道设计首先要考虑的问题。多数系统都采用共享 a/d 和 s/h 形式。但是当被测参数为几个相关量时，则需选用多路 s/h，共享 a/d 形式。对 于那些参数比较多的分布式控制系统，可把模拟量先就地进行 a/d 转换， 然后再 送到主机中处理。对于那些被测参数相同（或相似）的多路数据采集系统，为减 少投资，可采用模拟量多路转换，共享仪用放大器、s/h 和 a/d 的所谓地电平多 路切换形式。 另外一个问题是 a/d 转发器的选择， 设计时一定要根据被控对象的 实际要求选择 a/d 转换器， 在满足系统要求的前提下， 尽量选用位数比较低 的 a/d 转换器。 (3)模拟量输出通道的扩展 模拟量输出通道是单片机控制系统与执行机构 （或控制设备） 连接的纽带和桥梁。 设计时要根据被控对象的通道数及执行机构 的类型进行选择。 对于那些可直接接受数字量的执行机构， 可由单片机直接输出 数字量，如步进电机或开关、继电器系统等。对于那些需要接收模拟量的执行机 构，则需要用 d/a 转化，即把数字量变成模拟量后，再带动执行机构。 (4)开关量的 i/o 接口设计 由于开关量只有 2 种状态“1”或“0”，所以， 每个开关量只需一位二进制数表示即可。 因为 mcs51 系列单片机设有一个专用 的布尔处理机，因而对于开关量的处理尤为方便。为了提高系统的抗干扰能力， 通常采用光电隔离器把单片机与外部设备隔开。 (5)操作面板 操作面板是人机对话的纽带，它根据具体情况，可大可小。为 了便于现场操作人员操作，单片机控制系统设计一个操作面板的要求： 操作方 便、安全可靠、并具有自保功能，即使是误操作也不会给生产带来恶果。 (6)系统速度匹配 在不影响系统总功率的前提下，时钟频率选得低一些较 好， 这样可降低系统对其他元器件工作速度的要求， 从而降低成本和提高系统的 可靠性。但系统频率选的比较高时，要设法使其他元器件与主机匹配。 (7)系统负载匹配 系统中各个器件之间的负载匹配问题，主要表现在以下几 个方面。 逻辑电路间的接口及负载：在进行系统设计时，有时需要采用 ttl 和 cm os 混合电路，由于二者要求的电平不一样，因此一定要注意电流及负载的匹配 问题。 mcs51 系列单片及负载：8031 的外部扩展功能是很强的，但是 8031 的 p0 口和 p2 口以及控制信号 ale 的负载能力都是有限的，p0 口能驱动 8 个 lsttl 电路，p2 口能驱动 4 个 lsttl 电路。硬件设计时应仔细核对 8031 的负载，使其 不超过总的负载能力的 70%。 3 3 单片机控制系统的软件设计单片机控制系统的软件设计 单片机控制系统的软件设计一般分 2 类，系统软件和应用软件设计。系统软 件的主要任务是：管理整个控制系统的全过程，比如，powerup 自诊断功能，ke y inpit 的管理功能，printer output 报表功能，display 功能等等。是控制系 统的核心程序，也称之为 moniter 监控管理程序其作用类似 pc 机的 dos 系统。 软件设计的几个方面如下： (1)可靠性设计为保证系统软件的可靠性，通常设计一个自诊断程序，定时 对系统进行诊断。在可靠性要求较高的场合，可以设计看门狗电路，也可以设计 软件陷阱，防止程序跑飞。 (2)软件设计与硬件设计的统一性在单片机系统设计中，通常一个同样的功 能，通过硬件和软件都可以实现，确定那些由硬件完成，那些由软件完成，这就 是软件、硬件的折衷问题。一般来说，在系统可能的情况下，尽量采用软件，因 为这样可以节省经费。若系统要求实时性比较强，则可采用硬件。 (3)应用软件的特点 实时性： 由于工业过程控制系统是实时控制系统， 所以对应用软件的执行 速度都有一定的要求， 即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进行控制、 计 算和处理。换言之，要求整个应用软件必须在一个采样周期内处理完毕。所以一 般都采用汇编语言编写应用软件。但是，对于那些计算工作量比较大的系统，也 可以采用高级语言和汇编语言混合使用的办法，即数据采集、判断、及控制输出 程序用汇编语言， 而对于那些较为复杂的计算可采用高级语言。 为了提高系统的 实时性，对于那些需要随机间断处理的任务，通常采用中断系统来完成。 通用性：在应用程序设计中，为了节省内存和具有较强的适应能力，通 常要求程序有一定的灵活性和通用性。为此，可以采用模块结构，尽量将共用的 程序编写成子程序，如算术和逻辑运算程序、a/d、d/a 转换程序、延时程序、p id 运算程序、数字滤波程序、标度变换程序、报警程序等。 (4)软件开发步骤软件开发大体包括：划分功能模块及安排程序结构； 画出各 程序模块详细流程图； 选择合适的语言编写程序； 将各个模块连接成一个完整的 程序。 4 4 单片机控制系统的调试单片机控制系统的调试 (1)硬件调试 根据设计的原理电路做好实验样机，便进入硬件调试阶段。 调试工作的主要任务是排除样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。 脱机检查：用万能表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查机中各器件的电 源及各引脚的连接是否正确， 检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等 故障。有时为保护芯片，先对各管座的电位（或电源）进行检查，确定其无误后 再插入芯片检查。 仿真调试：暂时排除目标板的 cpu 和 eprom，将样机接上仿真机的 40 芯 仿真插头进行调试， 调试各部分接口电路是否满足设计要求。 这部分工作是一种 经验性很强的工作，一般来说，设计制作的样机不可能一次性完好，总是需要调 试的。 通常的方法是， 先编调试软件， 逐一检查调试硬件电路系统设计的准确性。 其次是调试 monitor 程序，只有 monitoer 程序正常工作才可以进行下面的应用 软件调试。 硬件电路调试的一般顺序是： 检查 cpu 的时钟电路。通过测试 ale 信号，如没有 ale 信号，则判断是晶 体或 cpu 故障，这称之为“心脏”检查。 检查 abus/dbus 的分时复用功能的地址锁存是否正常。 检查 i/o 地址分配器。 一般是由部分译码或全译码电路构成， 如是部分译 码设计，则排除地址重叠故障。 对扩展的 ram、rom 进行检查调试。一般先后写入 55h、aah，再读出比较， 以此判断是否正常。因为这样 ram、rom 的各位均写入过0、1代码。 用户级 i/o 设备调试。如面板、显示、打印、报警等等。 (2）软件调试 软件调试根据开发的设备情况可以有以下方法： 交*汇编：用 ibm pc/xt 机对 mcs51 系列单片机程序进行交*汇编时， 可借助 ibm pc/xt 机的行编辑和屏幕编辑功能，将源程序按规定的格式输入到 p c 机，生成 mcs51 hex 目标代码和 list 文件。 用汇编语言：现在有些单片 std 工业控制机或者开发系统，可直接使用 汇编语言，借助 crt 进行汇编语言调试。 手工汇编：这种方法是最原始，但又是一种最简捷的调试方法，且不必 增加调试设备。 这种方法的实质就是对照 mcs51 指令编码表， 将源程序指令逐 条地译成机器码，然后输入到 ram 重新进行调试。在进行手工汇编时，要特别注 意转移指令、调用指令、查表指令。必须准确无误地计算出操作码、转移地址和 相对偏移量，以免出错。 以上 3 种方法调试完成以后，即可通过 eprom 写入器，将目标代码写入 epr om 中，并将其插至机器的相