第8章应用系统设计和应用实例

第8章应用系统设计

和应用实例主要内容：8.1应用系统设计的原则和过程8.2单片机应用系统的抗干扰设计8.3实际应用案例重点、难点掌握应用系统设计的原则和过程掌握硬件设计的原则和方法掌握软件设计的原则和方法了解应用系统抗干扰设计

所谓单片机应用系统，就是为达到某种应用目的而设计的，以单片机为核心的专用系统。一个完整的单片机应用系统由单片机最小系统、前向通道、后向通道、人机交互通道和计算机相互通道组成。设计的原则和过程

确定任务

一个产品或项目提出之后，必须对具体用途、应用场合、工作环境等进行调研。要完成其任务，首先要确定任务目标，主要是对项目进行可行性分析，即对所研制任务的功能和技术指标详细分析、研究，明确功能的要求；然后对技术指标进行一些调查、分析和研究；最后对产品项目的先进性、可靠性、可行性以及性价比进行综合考虑；同时还要对国内外同类产品或项目的应用和开发情况予以了解。设计的原则和过程总体设计

从总体上来看，设计任务可分为硬件设计和软件设计，这两者互相结合，不可分离。从时间上来看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要作一些修改。只要技术准备充分，硬件设计的大返工是较少的。软件设计的任务贯彻始终，到中后期基本上都是软件设计任务。随着集成电路技术的飞跃发展，各种功能很强的芯片不断出现，与软件相关的硬件电路的设计就变得越来越简单，在整个项目中占的比重逐渐减轻。设计的原则和过程硬件设计

硬件设计就是在总体方案的指导下，对构成单片机片机应用系统的所有功能部分进行详细、具体的电路设计，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以验证电路的正确性，工艺结构的设计加工、印制电路板的制作及样机的组装等。尽可能采用功能强的芯片留有余地“以软代硬”总线概念输入通道和输出通道监测电路的设计工艺设计设计的原则和过程软件设计

单片机应用系统是一个整体，当系统的硬件电路设计定型后，软件的任务也就明确了。单片机系统应用软件的设计应注意以下几个方面：（1）根据软件功能要求，将软件分成若干个相对独立的部分，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简洁、流程合理。（2）功能程序实行模块化、子程序化，既便于调试、连接，又便于移植和修改。（3）对于复杂的模块和系统，应绘制出程序流程图，多花一些时间来设计程序流程图，有时可以节约几倍源程序编写、调试时间。（4）注意在程序的有关位置处写上功能注释，提高程序的可读性。设计的原则和过程软件任务分析结构和数据类型的规划资源分配模块化设计中断设计设计的原则和过程调试

调试是一个非常复杂的过程，一般情况下需要借助开发工具。通过运行软件，来观察开发的单片机应用系统（目标板）是否符合设计要求。在确保硬件电路设计正确的前提下，调试过程是一个软件反复修改的过程。设计的原则和过程程序固化和运行

软件和硬件联机调试反复运行正常后，借助开发系统的编程器，将程序固化到单片机应用系统的程序存储器EPROM或E2PROM。应用程序尚未调试好时可借用开发系统的存储器，当单片机应用系统程序调试完成以后，都要把它写入EPROM或E2PROM中，这个过程称为固化。固化完成后，用户系统即可脱离开发系统独立工作，应用系统还要到现场投入实际工作，检验其可靠性和抗干扰能力，直到完全满足要求。设计的原则和过程干扰的形式

工业环境中的干扰一般以脉冲形式进入单片机系统，渠道主要有以下三条。（1）空间干扰（场干扰）：电磁信号通过空间辐射进入系统。（2）过程通道干扰：干扰通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其他系统的相互通道进入。（3）供电系统干扰：电磁信号通过供电线路进入系统。。抗干扰设计硬件抗干扰措施

1．输入/输出通道干扰的抑制措施来源：模拟输入/输出通道、传感器、A/D转换电路等措施：隔离和滤波技术器件：隔离变压器、光电耦合器、继电器及隔离放大器等抗干扰设计光电藕合器由一个发光二极管和一个光敏三极管封装在一起构成。光电藕合器既可以完成信号的传递，又实现了信号电路与接收电路之间的电气隔离，切断了噪声从一个电路进入另一个电路的通路。硬件滤波电路常采用RC低通滤波器，将它接在一些低频信号的传送电路中，可大大削弱各类高频干扰信号。硬件抗干扰措施

2．供电系统干扰的抑制措施来源：电源系统措施：对交流电源进行滤波和屏蔽配置去耦电容采用高质量的开关稳压电源抗干扰设计在220V进线处，设置一个低通滤波器，它对50Hz的市电影响很小，但对频率较高的干扰波具有很强的抑制力。低通滤披器可以吸收大部分电网中的“毛刺”。去耦电容应直接跨接在芯片的源和地之间，数字电路每一个主要芯片应配置一个去耦电容，以便随时充放电。去耦电容一般选用1000pF～0.01F的磁片电容。硬件抗干扰措施

3．电磁场干扰的抑制措施来源：空间干扰措施：屏蔽、接地、降频抗干扰设计用金属外壳将整机或部分元器件包围起来，再将金属外壳接地，就能起到屏蔽的作用。印制电路板中的地线应接成网状，在低频的情况下，地线不要形成回路，特别是环绕外周的环路；在高频情况下，印制电路板多采用大面积地线直接与机壳相连，以形成多点接地方式。硬件抗干扰措施

4．模拟地和数字地的分离抗干扰设计在电路板设计时，接地线最好应根据电路通路逐渐加宽，并且不要小于3mm，强信号地线和弱信号地线要分开。为避免模拟信号与数字信号间的相互串扰，在模拟、数字混合的单片机系统中，将模拟部分和数字部分的地信号分离为模拟地和数字地，模拟和数字部分各自构成独立回路，与此同时，模拟地和数字地通过一点接地，这样，既可以保证模拟和数字部分具有相同的地电位参考平面，又使得地线电流不会流到其他功能单元的回路中，避免各个单元的相互干扰。硬件抗干扰措施

5．采用硬件“看门狗”电路抗干扰设计工作原理是系统在运行过程中，每隔一段固定的时间给“看门狗”一个信号表示系统运行正常。如果超过这一时间没有给出信号，则表示系统失灵。为防止掉电、飞程序、死机等系统完全失灵的情况给系统造成重大损失，并让系统能够自动恢复正常运行，必须对系统运行进行监控。完成系统运行监控功能的电路称为“看门狗”电路。硬件抗干扰措施

5．采用硬件“看门狗”电路抗干扰设计软件抗干扰措施

1．数据采集的可靠性抗干扰设计对于模拟量的输入可以对一点数据连续采样多次，计算其平均值，以其平均值作为采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。对于开关量的输入，为了确保信息准确无误，在不影响实时性的前提下，可采取多次读入的方法（至少读两次），认为无误后（如两次读入结果相同）再行输入。对于一些通过测试命令返回的测量结果，可以通过设置“时间窗”来减少干扰。软件抗干扰措施

2．输出通道的可靠性抗干扰设计由于单片机的I/O口很容易受到外部信号的干扰，输出口的状态也可能因此而改变。在程序中周期性地添加输出端口刷新指令，可以降低干扰对输出口状态的影响。在条件控制中，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。采取在应用程序中每隔一段时间（如几个ms）发出一次输出命令，不断地开或关的措施来避免执行错误。软件抗干扰措施

3．开机自检抗干扰设计检测RAM。检查RAM读/写是否正常，实际操作是向RAM单元写“00H”，读出也应为“00H”，再向其写“FFH”，读出也应为“FFH”。检查其他外围器件。单片机应用系统有许多外围器件，有些需要进行自检，比如显示部分（液晶或数码管）等。软件抗干扰措施

4．

CPU抗干扰措施抗干扰设计干扰作用到单片机本身时（通过干扰三总线等），程序计数器PC的值可能被改变，因此会破坏程序的正常运行，被干扰后的PC值是随机的，这将导致程序飞出，即程序偏离正常的执行顺序。PC值可能指向操作数，将操作数当作指令码执行，并由此顺序执行下去；PC值也可能超出应用程序区，将未使用的EPROM区中的随机数当作指令码执行。这两种情况都将使程序执行一系列不受控的指令进入死循环，造成所谓“死机”。软件抗干扰措施

4．

CPU抗干扰措施抗干扰设计（1）睡眠抗干扰CMOS型的MCS-51系列单片机具有睡眠状态，此时只有定时/计数系统和中断系统处于工作状态。这时CPU对系统三总线上出现的干扰不会做出任何反应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度。采用这种安排之后，大多数CPU可以有50%以上的时间用于睡眠，从而使CPU受到随机干扰的威胁大大降低，同时降低了CPU的功耗。软件抗干扰措施

4．

CPU抗干扰措施抗干扰设计（2）指令冗余要尽快将程序纳入正轨（执行真正的指令系列），MCS-51系统中所有指令都不超过3字节，而且有很多单字节指令。当程序跑飞到某一条单字节指令上时，便自动纳入正轨。当程序跑飞到某一双字节或三字节指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错。因此，在关键的地方人为地插入一些单字节指令（NOP），或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余。在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NOP指令，以保证跑飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。此类指令有RET、RETI、LCALL、LJMP、JZ、CJNE等。在某些对系统工作状态至关重要的指令（如“SETBEA”等）前也可插入两条NOP指令，以保证被正确执行。软件抗干扰措施

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CPU抗干扰措施抗干扰设计（3）软件陷阱指令冗余使跑飞的程序重新回到用户指令是有条件的，首先跑飞的程序必须落到程序区，其次必须执行到冗余指令。当跑飞的程序落到非程序区（如EPROM中未使用的空间、程序中的数据表格区）或形成一个死循环时，需要采取的措施就是设立软件陷阱。所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向对程序出错进行处理的程序。如果把这段程序的入口标号称为ERR，软件陷阱即为一条“LJMPERR”指令。NOPNOPLJMPERR软件抗干扰措施

4．

CPU抗干扰措施抗干扰设计软件陷阱一般安排在下列区域中：①未使用的中断向量区。当干扰使未使用的中断开放，并激活这些中断时，就会进一步引起混乱。如果在这些地方布上陷阱，就能及时捕捉到错误中断。②未使用的大片ROM空间。现在使用EPROM都很少将其全部用完。对于剩余的大片未编程的ROM空间，一般均维持原状FFH。FFH对于指令系统，是一条单字节指令（MOVR7，A），只要每隔一段设置一个陷阱，程序跑飞到这一区域后，就一定能捕捉到跑飞的程序。软件抗干扰措施

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CPU抗干扰措施抗干扰设计（4）软件看门狗如果“跑飞”的程序落到一个临时构成的死循环中，冗余指令和软件陷阱都将无能为力，这时可采取WATCHDOG（俗称“看门狗”）措施。“看门狗”功能可以由专门的硬件电路来完成，也可以由软件程序和定时器来实现。如果采用定时器方法，定时器的溢出中断设定为高级中断，系统中的其他中断可设为低级中断。定时器的定时时间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，当程序陷入死循环后，将不能刷新定时器时间常数而导致定时器中断，定时器中断可直接转向出错处理程序实际应用案例汽车驾驶操纵信号灯单片机控制系统汽车在驾驶时有左转弯、右转弯、刹车、紧急开关、停靠等操作。在左转弯或右转弯时，通过转弯操作杆应使左转开关或右转开关合上，从而使左头灯、仪表板左转弯灯、左尾灯或右头灯、仪表板右转弯灯、右尾灯闪烁；合紧急开关时要求前面述及的6个信号灯全都闪烁；汽车刹车时，2个尾灯点亮；若正当转弯时刹车，则转弯时原应闪烁的信号灯仍应闪烁。以上闪烁，都是频率为1Hz的低频闪烁，在汽车停靠而停靠开关合上时，左头灯、右头灯、左尾灯、右尾灯按频率为30Hz的高频闪烁。实际应用案例汽车驾驶操纵信号灯单片机控制系统驾驶操作输出信号仪表板左转弯灯仪表板右转弯灯左头灯右头灯左尾灯右尾灯左转弯（合上左转开关）闪烁－闪烁－闪烁－右转弯（合上右转开关）－闪烁－闪烁－闪烁合紧急开关闪烁闪烁闪烁闪烁闪烁闪烁刹车（合上刹车开关）－－－－亮亮左转弯时刹车闪烁－闪烁－闪烁亮右转弯时刹车－闪烁－闪烁亮闪烁刹车，并合紧急开关闪烁闪烁闪烁闪烁亮亮左转弯时刹车