第讲：单片机应用系统设计

1、单片机应用系统设计单片机应用系统设计了解单片机应用系统的了解单片机应用系统的结构及设计过程结构及设计过程；了解单片机应用系统设计的了解单片机应用系统设计的抗干扰抗干扰设计；设计；了解了解低功耗低功耗设计技术；设计技术；掌握单片机掌握单片机睡眠睡眠技术。技术。单片机应用系统结构单片机应用系统结构单片机应用系统结构单片机应用系统结构1前向通道前向通道与现场采集对象相连，是现场干扰进入的主要通道，是整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；个系统抗干扰设计的重点部位；由于所采集的对象不同，有开关量、模拟量、频率量等，由于所采集的对象不同，有开关量、模拟量、频率量

2、等，而这些都是由安放在测量现场的传感、变换装置产生的，许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计算机输入的要求，故有大量的、形式多参量信号不能满足计算机输入的要求，故有大量的、形式多样的信号调理电路，如测量放大器、整形电路、滤波、多样的信号调理电路，如测量放大器、整形电路、滤波、F/V变换等；变换等；电路功耗小，一般没有功率驱动要求。电路功耗小，一般没有功率驱动要求。 单片机应用系统结构单片机应用系统结构2后向通道后向通道是应用系统的输出通道，大多数需要功率驱动；是应用系统的输出通道，大多数需要功率驱动；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靠近

3、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计算机系统，故后向通道的隔离对系统的可靠性影响极大；进入计算机系统，故后向通道的隔离对系统的可靠性影响极大；根据输出控制的不同要求，后向通路电路多种多样，有模拟电根据输出控制的不同要求，后向通路电路多种多样，有模拟电路、数字电路、开关电路等，有电流输出、电压输出、开关量路、数字电路、开关电路等，有电流输出、电压输出、开关量输出及数字量输出等。输出及数字量输出等。单片机应用系统结构单片机应用系统结构3人机通道人机通道由于通常的单片机应用系统大多是小规模系统，因此，应用由于通常的单片机应用系统大多是小规模系统，因此，应用系统中的人机对话通道及人

4、机对话设备的配置都是小规模的。系统中的人机对话通道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、拔盘、如微型打印机、功能键、拔盘、LED/LCD显示器等。若需要高显示器等。若需要高水平的人机对话配置，则往往将单片机应用系统通过总线与通水平的人机对话配置，则往往将单片机应用系统通过总线与通用计算机相连，共享通用计算机的外围人机对话资源。用计算机相连，共享通用计算机的外围人机对话资源。单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多数采用总线形单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多数采用总线形式，与计算机系统扩展密切相关。式，与计算机系统扩展密切相关。人机通道接口一般都是数字电路，电路结构简单

5、，可靠性好。人机通道接口一般都是数字电路，电路结构简单，可靠性好。单片机应用系统结构单片机应用系统结构4相互通道相互通道中、高档单片机大多设有串行口，为构成应用系统的相互通中、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。道提供了方便条件。单片机本身的串行口只给相互通道提供了硬件结构及基本的单片机本身的串行口只给相互通道提供了硬件结构及基本的通信工作方式，并没有提供标准的通信规程，利用单片机串行通信工作方式，并没有提供标准的通信规程，利用单片机串行口构成相互通道时，要配置较复杂的通信软件。口构成相互通道时，要配置较复杂的通信软件。很多情况下，采用扩展标准通信控制芯片来组成相

6、互通道，很多情况下，采用扩展标准通信控制芯片来组成相互通道，例如用扩展例如用扩展RS-485和和CAN等通信控制芯片来构成相互通道接等通信控制芯片来构成相互通道接口。口。相互通道接口都是数字电路系统，抗干扰能力强，但大多数相互通道接口都是数字电路系统，抗干扰能力强，但大多数都需长线传输，故要解决长线传输驱动、匹配、隔离等问题。都需长线传输，故要解决长线传输驱动、匹配、隔离等问题。硬件系统设计原则硬件系统设计原则尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规使用方法；尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规使用方法；在充分满足系统功能要求的前提下，留有余地以便于二次开发；在充分满足系统功能要求的前提下，留

7、有余地以便于二次开发；硬件结构设计应与软件设计方案一并考虑；硬件结构设计应与软件设计方案一并考虑；整个系统相关器件要力求性能匹配；整个系统相关器件要力求性能匹配；硬件上要有可靠性与抗干扰设计；硬件上要有可靠性与抗干扰设计；充分考虑单片机的带载驱动能力。充分考虑单片机的带载驱动能力。单片机应用系统设计原则单片机应用系统设计原则 软件系统设计原则软件系统设计原则软件结构清晰、简洁、流程合理。软件结构清晰、简洁、流程合理。各功能程序模块化。各功能程序模块化。程序存储区、数据存储区规划合理。程序存储区、数据存储区规划合理。运行状态实现标志化管理。运行状态实现标志化管理。经过调试修改后的程序应进行规范化

8、，除去修改经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改“痕迹痕迹”。实现全面软件抗干扰设计。实现全面软件抗干扰设计。自诊断程序，检查系统各特征状态参数是否正常。自诊断程序，检查系统各特征状态参数是否正常。单片机应用系统设计原则单片机应用系统设计原则 1系统需求与方案调研系统需求与方案调研 了解国内外同类系统的开发水平、器材、设备水平、供应状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。状况、技术水平，以确定课题的技术难度。了解可移植的硬、软件技术

9、。能移植的尽量移植，以防止大了解可移植的硬、软件技术。能移植的尽量移植，以防止大量低水平重复劳动。量低水平重复劳动。了解硬、软件技术难度，明确技术主攻方向。了解硬、软件技术难度，明确技术主攻方向。综合考虑硬、软件分工与配合方案。综合考虑硬、软件分工与配合方案。单片机应用系统开发过程单片机应用系统开发过程 2可行性分析可行性分析市场或用户的需求情况。市场或用户的需求情况。 经济效益和社会效益。经济效益和社会效益。 技术支持与开发环境。技术支持与开发环境。现在的竞争力与未来的生命力。现在的竞争力与未来的生命力。单片机应用系统开发过程单片机应用系统开发过程 3系统功能设计系统功能设计系统总体目标功能

10、的确定及系统硬、软件模块功能的划分与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。协调关系。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。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。图或流程图描述出来。单片机应用系统开

11、发过程单片机应用系统开发过程 4系统详细设计与制作系统详细设计与制作5系统调试与修改系统调试与修改调试与修改的过程可能要反复多次。调试与修改的过程可能要反复多次。 6生成正式系统或产品生成正式系统或产品加上外壳、面板，再配上完整的文档资料。加上外壳、面板，再配上完整的文档资料。单片机应用系统开发过程单片机应用系统开发过程 单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术软件抗干扰软件抗干扰 数字滤波数字滤波:当噪声干扰进入单片机应用系统并叠加在被检测信号上时，会造成数据采集的误差。为保证采集数据的精度，可采用硬件滤波，也可采用软件滤波。比如，对采样值进行多次采样，取平均值，或直接采用IIR

12、滤波器等。 软件陷阱软件陷阱:在非程序区采取拦截措施，当PC失控进入非程序区时，使程序进入陷阱，通常使程序返回初始状态。例如用LJMP 0000H填满非程序区。单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术良好的接良好的接地地方式方式 数字地和模拟地 噪声地:有大功率电气设备(如继电器、电动机等) 屏蔽地:仪器机壳 地线应分开布置，并在一点上和电源地相连。 每单元电路宜采用一个接地点 地线应尽量加粗，以减少地线的阻抗。单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术通道隔离技术通道隔离技术 输入、输出通道中，普遍采用了通道隔离技术。 隔离器件:主要有隔离放大器、隔离变压器、纵向扼流圈

13、和光电耦合器等，其中应用最多的是光电耦合器。 光电耦合器的种类很多，有直流输出的，如晶体管输出型、达林顿管输出型、施密特触发的输出型。也有交流输出的，如单(双)向可控硅输出型、过零触发双向可控硅型。单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术模拟信号采集 脉冲信号输入单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术看门狗（看门狗（Watch Dog TimerWatch Dog Timer） 看门狗定时器，实质上是一个监视定时器，它的定时时间是固定不变的，一旦定时时间到，产生中断或溢出脉冲，使系统复位。 在正常运行时，如果在小于定

14、时时间间隔内对其进行刷新(即重置定时器，称为喂狗)，定时器处于不断的重新定时过程，就不会产生中断或溢出脉冲。 程序因干扰而跑飞时，因没能执行正常的程序而不能在小于定时时间内对其刷新。当定时时间到，定时器产生中断，在中断程序中使其返回到起始程序，或利用溢出产生的脉冲控制单片机复位。单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术在ATMEL公司的AT89S51/52系列单片机中设有看门狗定时器。AT89S51/52内的看门狗定时器是一个14位的计数器，每过16384个机器周期看门狗定时器溢出，产生一个正脉冲并加到复位引脚上，使系统复位。使用看门狗功能，需初始化看门狗寄存器WDTRST(地址为

15、A6H)，对其写入1EH，再写入E1H，即激活看门狗。在正常执行程序时，必须在小于16383个机器周期内进行喂狗。喂狗时，还是对看门狗寄存器WDTRST依次写入1EH和E1H。单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术WDTRST EQU A6H ORG 0000H LJMP MAIN : :MAIN: MOV WDTRST,#1EH ;激活看门狗激活看门狗 MOV WDTRST, #0E1H;LOOP: : : MOV WDTRST, #1EH ;喂狗指令喂狗指令 MOV WDTRST , #0E1H; LJMP LOOP 单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术sfr

16、 WDTRST=0 xA6； int main(void ) WDTRST=0 x1E; /激活看门狗激活看门狗 WDTRST=0 xE1; while(1) : : WDTRST=0 x1E; /喂狗指令喂狗指令 WDTRST=0 xE1; 单片机应用系统的抗干扰技术单片机应用系统的抗干扰技术注意事项注意事项 AT89S51/52单片机的看门狗必须由程序激活后才开始工作。 看门狗使用的是单片机的晶振，在晶振停振的时候看门狗也无效。 AT89S51/52单片机只有14位计数器。在16383个机器周期内必须至少喂狗一次，而且这个时间是固定的，无法更改。当晶振为12MHz时每16个毫秒以内需喂狗一

17、次。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计延长电池的寿命。降低电磁干扰及电磁辐射。静态功耗：当电路的状态没有进行翻转时，电路的功耗等于电路的电压与流过的电流的乘积。动态功耗：电路翻转时产生的功耗，由于电路翻转时存在跳变沿，在电路的翻转瞬间，电流比较大，存在较大的动态功耗。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的硬件低功耗设计单片机应用系统的硬件低功耗设计1 1选择低功耗的选择低功耗的器件器件 优先选用CMOS。其不用的输入端不要悬空，因为悬空的输入端可能存在的感应信号造成高低电平的转换，转换器件的功耗很大，尽量采用输出为高的原则。 时选用低功耗的处理器

18、； 选择低功耗的通信收发器、低功耗的外围电路。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计2 2选用低功耗的选用低功耗的电路形式电路形式及及工作方式工作方式 尽量使用集成度高的器件，减少电路中使用的元件的个数。 具有电源管理单元的SOPC级单片机。 单片机的工作频率，不仅影响单片机最小系统的功耗，也直接影响着整机功耗，应在满足最低频率的情况下，选择最小的工作频率。 影响工作频率不能进一步降低的因素有：串行通信速率、测量频率、实时运算时间和外部电路时序要求。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计3 3外围外围数字器件数字器件的选择及设计原理的选择及设计原理 尽量选择CMOS

19、器件4000系列或者74HC系列。 尽量减少器件输出端低电平输出时间。低电平输出时，器件功耗远远大于高电平输出时的功耗，设计电路时要仔细分析各器件的低电平输出时间，比如对RD*、WR*等大部分为高电平的信号，在设计电路时尽量不要使他们做“非”的运算，否则这个非门的输出端就会产生一个较长时间的低电平，该非门的整体功耗就会大大增加。 多余的或门、与门在输入端接成高电平，使输出为高电平；多余的“非”系列门，输入端接成低电平，使输出高电平。 在可靠性允许的情况下，尽量加大上拉电阻的阻值。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计4 4外围外围模拟器件模拟器件的选择及设计原则的选择及设计原则

20、单电源、低电压供电。 优化电路参数。 在负载电阻一定的情况下，降低电源电压可以大幅度降低负载电流。 旁路、滤波电容选择漏电流小的电容。 在满足抗干扰条件的情况下，尽量将放大的电路的输入阻抗做大。 低功耗集成运算放大器LM324，单电源电压工作范围为5V30V，当电源电压为15V时，功耗约为220mW；当电源电压为10V时，功耗约为90mW；当电源电压为5V时，功耗约为15mW。 选择低功耗LM324，不能使用普通的稳压管提供A/D的基准，因为普通稳压管最小的稳压电流一般大于2mA，应该使用微电流稳压器件，比如MAX公司的产品。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计5 5分区分区/

21、 /分时供电分时供电技术技术 将部分电路的电源从主电源中分割出来。利用“开关”控制电源供电单元，关闭休眠部分的电源，仅保留工作部分的电源。 需要注意的是，被分割的电路部分在上电以后，一般需要经过一段时间才能保证电源电压的稳定，因此，需要提前上电，同时在软件时序上，需要留出足够的时间裕量。 27C64，将CE*脚固定接地，EPROM一直被选中，功耗较大（1.8mA）， 将高位地址线利用线选方式直接接到CE*上，EPROM操作时，才会选中EPROM（1.0mA）。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计6 6降低持续工作电流降低持续工作电流 在一些系统中，尽量使系统在状态转换时消耗电流

22、，在维持工作时期不消耗电流。 例如IC卡水表、煤气表、静态电能表等，在打开和关闭开关时给相应的机构上电，开关的开和关状态通过机械机构或磁场机制保持开关的状态，而不通过电流保持，可以进一步降低电能的消耗。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的软件低功耗设计单片机应用系统的软件低功耗设计1 1编译低功耗优化技术编译低功耗优化技术 对于实现同样的功能，不同的软件算法消耗的时间不同、使用的指令不同，因而消耗的功率不同。 目前的软件编译优化方式有多种，如基于代码长度优化，基于执行时间优化等。基于功耗的优化方法目前很少，仍处于研究中。 如果利用汇编语言开发系统（如对于小型的嵌

23、入式系统开发），可以有意识地选择消耗时间短的指令和设计消耗功率小的算法，降低系统的功耗。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计2 2硬件软化与软件硬化硬件软化与软件硬化 通常硬件电路一定消耗功率，基于此，可以减少系统的硬件电路，把数据处理功能用软件实现，如许多仪表中用到的对数放大电路、抗干扰电路，测量系统中用软件滤波代替硬件滤波器等。 需要考虑，软件处理需要时间，处理器也需要消耗功率，特别是处理大量的数据的时候，需要高性能的处理器，可能会消耗大量的功率。因此，系统中某一功能用软件实现还是硬件实现，需要综合计算设计。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计3 3采用快速

24、算法采用快速算法 数字信号处理中的运算，采用如FFT和快速卷积等，可以大量节省运算时间，从而减少功耗； 在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数作近似，也是减少功耗的一种方法。4 4通信中采用快速通信速率通信中采用快速通信速率 提高通信速率，通信时间缩短。通信完成，通信电路进入低功耗状态； 发送、接收采用外部中断处理方式，而不采用查询方式。5 5数据采集系统中降低采集速率数据采集系统中降低采集速率 模数转换时功耗较大，过大的采样速率不仅功耗大，而且为了传输处理大量的冗余数据，也会额外消耗CPU的时间和功耗。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计6 6利用单片机的休眠与唤醒功能

25、降低单片机系统功耗利用单片机的休眠与唤醒功能降低单片机系统功耗 尽量减少CPU的全速运行时间以降低系统的功耗，使CPU较长地处于空闲方式或掉电方式是软件设计降低系统功耗的关键。 在开机时靠中断唤醒CPU，让它尽量在短时间内完成对信息或数据的处理，然后就进入空闲或掉电方式 在关机状态下让它完全进入低功耗工作方式，用定时中断、外部中断或系统复位将它唤醒。 这种设计软件的方法是所谓的事件驱动的程序设计方法。单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计7延时程序设计尽量使用硬件定