单片机原理与应用第九章.ppt

第9章 单片机应用系统的设计与开发,9.1单片机系统的设计开发过程 9.2单片机系统的可靠性技术 9.3单片机系统设计开发应用举例,9.1单片机系统的设计开发过程 9.1.1单片机典型应用系统 9.1.2 单片机应用系统开发过程 9.2单片机系统的可靠性技术 9.3单片机系统设计开发应用举例,第9章单片机应用系统的设计与开发,一个完整的单片机应用系统由单片机最小应用系统、前向通道、后向通道、人机交互通道与计算机相互通道组成。,第9章单片机应用系统的设计与开发,单片机最小系统,8031最小应用系统（外扩ROM）,最小应用系统具有最简单配置的单片机系统,第9章单片机应用系统的设计与开发,8051和8751最小应用系统,第9章单片机应用系统的设计与开发,是单片机实现外部信息的输入的通道，主要是数据采集单元、信号调理单元等,前向通道,第9章单片机应用系统的设计与开发,是单片机实现外部信息的输出通道，主要有DA转换电路、输出驱动电路等。,后向通道,第9章单片机应用系统的设计与开发,为对应用系统进行干预或了解系统运行状态所设置的交互通道。主要有键盘、显示器等接口电路。,人机对话通道,第9章单片机应用系统的设计与开发,是解决计算机系统之间信息交换目的而建立的数据传输通道，主要为串行口方式。,相互通道,第9章单片机应用系统的设计与开发,9.1单片机系统的设计开发过程 9.1 单片机典型应用系统 9.2 单片机应用系统开发过程 9.2单片机系统的可靠性技术 9.3单片机系统设计开发应用举例,第9章单片机应用系统的设计与开发,对于一个实际的课题和项目，从任务的提出到系统的选型、确定、研制直至投入运行要经过一系列的过程。,第9章单片机应用系统的设计与开发,第9章单片机应用系统的设计与开发,第9章单片机应用系统的设计与开发,单片机本身无开发能力，必须借助开发工具开发应用软件。,独立型仿真结构，配备有EPROM读出/写入器、仿真插头和其它外设，通过USB接口与计算机相连。,方法1：通用型单片机开发系统,第9章单片机应用系统的设计与开发,方法2：软件模拟开发系统,基于Proteus（Keil）仿真软件的设计与开发工具,第9章单片机应用系统的设计与开发,单片机系统的可靠性设计,可靠性是指在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力。由于单片机应用系统在实际工作过程中，可能会受到各种内部和外部的干扰而发生异常状态，因此抗干扰设计是系统研制中不可忽视的一个重要内容。 单片机应用系统中应重点防止供电系统与过程通道的干扰。 1. 供电系统干扰与抑制 来自供电系统以及通过导线传输，电磁耦合等产生的电磁干扰，是单片机系统工作不稳的重要原因。 采用的抗干扰方法是: （1）加装电源低通滤波器，并采用带屏蔽层的电源变压器； （2）交流电引线尽量短，引进接口靠近变压器和低通滤波器； （3）采用分散独立功能块构成性能优良的直流稳压电路，增大输入输出滤波电容，减小电源的纹波系数等。,过程通道的干扰和抑制,过程通道是指前向接口，后向接口与主机或主机相互之间进行信息传输的路径。 （1）光电耦合器的隔离措施 采用光电耦合器可将主机与前向，后向以及其他主机部分切断电路的联系，能有效地防止干扰从过程通道进入主机。 （2）双绞线传输 在单片机实时系统的长线传输中，双绞线是较常用的一种传输线。与同轴电缆相比，双绞线虽然频带较差，但波阻抗高，抗共模噪声能力强。 在数字信号传递的长线传输中，根据传输距离不同，双绞线使用方法亦不同。 当传输距离在5m以下时，发送、接收端装负载电阻，如下图所示。,（3）长线传输的阻抗匹配 长线传输时，阻抗不匹配的传输线会产生反射，使信号失真，其危害程度与系统的工作速度及传输线的长度有关。 （4） 长线的电流传输 长线传输时，用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力。如下图 当传感器直接以010mA（420mA）电流在长线上传输，在接收端可并上500（或250）的精密电阻。将此电流转换成05V（或15V）电压，然后送入A/D转换器即可。,印刷电路板及电路的抗干扰设计,印制电路板是单片机系统中器件、信号线、电源线等高度密集的一个综合体，设计得好坏对抗干扰能力影响很大，所以印制电路板设计决不单是器件、线路的简单布局安排，还必须符合抗干扰的设计原则。通常应采取如下的抗干扰措施。 （1）地线设计 单片机系统中地线结构一般有系统地、数字地、模拟地和屏蔽地（机壳地）等。在实时控制系统中，接地是抑制干扰的重要办法，如能将接地和屏蔽正确结合起来使用可以解决大部分干扰问题。 正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz时，它的布线和器件的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而屏蔽线采用一点接地。当信号频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，采用就近多点接地法。当工作频率在110MHz之间时，如果用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则宜采用多点接地。, 数字、模拟电路应分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，要分开与电源端的地线相连，并要尽量加大线性电路的接地面积。 接地线应尽量加粗。若接地用线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使定时信号不稳，抗噪声性能变差。因此应将地线加粗，使他们能通过三倍于印制电路板上的允许电流。如有可能，接地用线应在23mm以上。 接地线应构成闭合环路。只用数字电路组成的印制电路板接地时，根据经验，将接地电路做成闭环路大多能明显地提高抗噪声的能力。其原因时：一块印制电路上有很多的集成电路。尤其是有耗电多的元件时，因受到地线粗细的限制，地线产生电位差，引起抗噪声能力下降，若结成环路，则其差值将缩小。,（2）去耦电容配置 在印制电路板的各个关键部位配置去藕电容应视为电路板设计的一项常规做法。 电源输入端跨接10100F的电解电容器 原则上每个集成电路芯片都应安置一个0.01F的陶瓷电容器；亦可每410个芯片安置一个110F的限噪声用电容器钽电容器。这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz20MHz范围内抗阻小于1，且漏电流很小（0.5A以下）。 对抗噪声能力弱，关断时电流变化大的器件和ROM、RAM存储器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去藕电容。,（3）印制电路板尺寸与器件布置 印制电路板大小要适宜，过大时，印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；过小时，则散热不好，同时易受邻近线的干扰。 在器件布置时，若将相互有关的器件尽量靠近些，能获得较好的抗噪声效果。如时钟发生器，晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要互相靠近布置。 易产生噪声的器件，小电流电路，大电流电路等应尽量远离计算机的逻辑电路，如有可能，应另置于一个电路板上。这一点十分重要。,软件的可靠性设计,当系统受到干扰侵害，致使PC值改变，造成程序运行失常，导致程序的PC值指向操作数，将操作数作为指令执行； 或PC值超出应用程序区，将非程序区中的随机数作为指令执行。 这些情况，都将造成程序的无序运行，最后由偶然巧合进入死循环. 当数据区及工作寄存器中数据被破坏，程序盲目地运行，将随机数作为指令运行结果，不可避免地会盲目执行一些存储器读写命令，而造成其内部数据的破坏。 例如MCS51单片机，当PC超出芯片地址范围（当系统扩展小于64k），CPU获得一些虚假数据FFH，相当于执行“MOV R7，A”指令，进而造成工作寄存器R7的内容变化。,对于程序运行失常的软件对策 主要是发现失常状态后及时引导系统恢复原始状态。 设置监视跟踪定时器 使用定时中断来监视程序运行状态。 定时器的定时事件稍大于主程序正常运行一个循环的时间，而在主程序运行过程中执行一次定时器时间常数刷新操作。 这样，只要程序正常运行，定时器不会出现定时中断；而当程序失常，不能刷新定时器时间常数而导致定时中断时，利用定时中断服务程序将系统复位。 设置软件陷阱 当PC失效时，则可用“LJMP #0000H”和“NOP”指令，在非程序区反复用“02000002000002H”填满。 这样，不论PC失控后指向哪一字节，最后都能导致程序返回到复位状态。,控制状态失常的软件对策 在大量的开关量控制系统中，例如PLC，人们关注的问题是能否确保正常的控制状态。如果干扰进入系统，会影响各种控制条件造成控制输出失误，或直接影响输出信号造成控制失误。为了确保系统安全，可采取下述软件抗干扰措施： 软件冗余：对于条件控制系统，对控制条件的一次采样，处理控制输出改为循环地采样，处理控制输出。这种方法对于惯性较大的控制系统，具有良好抗偶然因素的干扰作用。 设置当前输出状态寄存单元：当干扰侵入输出通道，造成输出状态破坏时，系统能及时查询寄存单元的输出状态信息，及时纠正输出状态。 设置自检程序：在处理器内的特定部件或某些内存单位设置状态标志，在开机后，运行中不断循环测试，以保证系统中信息存储、传输、运算的高可靠性。,9.1单片机系统的设计开发过程 9.2单片机系统的可靠性技术 9.3单片机系统设计开发应用举例,第9章单片机应用系统的设计与开发,智能仪器是一种依靠嵌入式计算机技术发展的新型电子测控单元，其基本功能是根据传感器的实时信号和仪器设定的目标参数进行测量与控制。,一种典型智能仪器形式,第9章单片机应用系统的设计与开发,智能仪器结构： 仪器面板(机箱)+线路板+接线端子。,第9章单片机应用系统的设计与开发,仪器面板：46位数码管显示器、35只薄膜按键和若干只LED状态指示灯组成。 智能仪器通常都不采用09数字按键方案，而是通过【增大】和【减小】两只功能键，与【设置/切换】和【确认】等键配合，实现对智能仪器内置参数的设定与输出控制功能。,第9章单片机应用系统的设计与开发,本例的总体设计目标： 实现1路电压信号实时测量/显示/报警输出功能。 输入信号电压：05VDC AD转换分辨率：8bit 显示信息：1位参数字符+3位十进制采样值。 控制参数：下限报警值（L）和上限报警值（H）。 基本功能：当采样值大于H时，高位报警； 当采样值小于L时，低位报警； 当采样值介于L和H之间时，无报警。,第9章单片机应用系统的设计与开发,参数设置与按键控制功能： 0#进入或退出参数设置状态键。可先后调出H和L两个参数当前值；当一轮循环完成后可退出参数设置状态； 1#参数设置确认键。可保存当前参数值，并转入等待下一参数确认状态；当两个参数都轮回后可退出参数设置状态； 2#和3#增、减键，可对当前参数值加减10计算，并更新显示；若结果值超出0-255范围后可自动循环处理。 要求：只有压下并随后抬起某键时才能认定为按键过程有效（防止连击）；只有在参数设置状态下才对1-3#键的动作有响应；在按键未抬起或在参数设置状态未退出期间不能影响对数据采集和控制过程并行结构。,第9章单片机应用系统的设计与开发,动态显示器 六联共阴极数码管，段码通过锁存器74LS245驱动后接于P0口，位码则由反相器74LS04驱动后接于P1.0P1.5口。,硬件设计部分,第9章单片机应用系统的设计与开发,AD转换器 采用逐次比较方式的芯片ADC0809，其并行数据输出端直接连接于P2口，四个控制端CLOCK、START、EOC和OE分别接于P3.2P3.5。,第9章单片机应用系统的设计与开发,串口键盘 四只按键通过串行输入并行输出移位寄存器74LS164与单片机接口。,第9章单片机应用系统的设计与开发,LED驱动电路,LED驱动电路,负载模拟电路,第9章单片机应用系统的设计与开发,程序由两个主要的功能模块组成控制模块（control.c）和菜单模块（menu.c）。 控制模块建立在A/D转换和LED显示的基础上，菜单模块建立在按键检测和LED显示的基础上，而按键检测又建立在串口输出的基础上。,软件设计部分,第9章单片机应用系统的设计与开发