单片机应用系统的设计规范(ppt 61页).ppt

1、第七章单片机应用系统设计概要和高级语言编程，第七.1单片机应用系统设计概要单片机是一个集成电路芯片，采用超大规模技术具有数据处理能力的微处理器(CPU ) 将随机存取数据存储器(RAM )、只读程序存储器(ROM )、输入输出电路(I/O端口)、定时器计数器、串行通信端口(SCI )等电路集成在一个芯片中，构成最小且完善的计算机系统。 这些系统能够在软件的控制下，准确、快速、有效地完成程序设计者预定的任务。 由此可见，单片机具有微处理器所没有的功能，能单独完成现代工业控制所要求的智能控制功能，是单片机的最大特征. 单片机控制系统可以取代以前由复杂的电子电路和数字电路构成的控制系统，通过软件控制

2、实现智能化.实现智能化。 现在单片机控制的范畴无处不在。 例如通信产品、家电设备、智能设备仪表、过程控制和专用控制装置等，单片机的应用领域越来越广泛。7.1.1单片机应用系统的分类根据单片机系统扩展和系统配置情况，单片机应用系统可分为最小系统、典型的应用系统和强化应用系统等。 1 .最小应用系统最小应用系统是能保持单片机运行的最简单的配置系统。 该系统结构简单，成本低，多构成开关状态的输入输出控制、顺序控制等简单的控制系统。 该应用系统的硬件电路结构简单，对于芯片内有程序存储器的单片机，只需结合晶体振动、复位电路和电源，就能构成最小的应用系统。 另一方面，对于芯片内没有程序存储器的单片机，其最

3、小应用系统除了有水晶振动、复位电路和电源配置外，还需要扩展程序存储器。 图7-1显示了8031的最小系统。 最小应用系统的功能完全依赖于单片机的技术水平. AT89C51的最小系统，ADuC812是完全集成的12位数据采集系统，将高性能的自校准多通道12位ADC、双12位DAC和可编程8位微控制器(与8051兼容的指令集)组合在一个芯片上片内的8K字节闪速/电擦除存储器、640字节片内闪速/电擦除数据存储器和256字节片内数据静态存储器都由可编程8051兼容内核控制。 微控制器具有看门狗计时器、电源监视器和ADCDMA功能，为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程I/O线、支持I2C的SP

4、I和标准UART串行端口I/O等。ADuC812单片机智能转换器、ADuC812单片机智能转换器、2 .一种典型的应用系统是指单片机这包括系统扩展和系统配置。 系统扩展是指如果单片机内部的程序存储器(ROM/EPROM )、数据存储器(RAM )和输入输出(I/O )端口等部分不满足系统的要求，则需要芯片外扩展的部分。 扩展的程度取决于系统的要求。 系统配置是指单片机为了满足应用请求而应配置的基本的外部设备，例如键盘、显示器等。 3 .加强应用系统加强应用系统是指包括添加与其他设备的通信和系统测量功能以加强典型系统的交互的系统，如图7-3所示。 7.1.2单片机应用系统的构成方式，单片机应用系

5、统有三种构成方式。 1 .专用系统的扩展和配置完全基于应用系统的功能要求而设计。 因为系统硬件只是满足应用程序的要求，系统上仅安装有应用程序软件(在ROM或EPROM中固化)，所以系统具有最佳配置，能最大限度地利用系统的软件资源。 但是这个系统没有自我开发能力，所以需要开发工具的支持。 采用这种结构方式需要较强的硬件和软件开发基础。 专用系统主要用于大批量生产的仪器、设备和家电产品等方面的测量。 通常不需要很多按钮，也不需要。2、由于模块系统通常是单片机应用系统的扩展和配置，所以这些典型的配置可以通过用户的系列板(例如主板、A/D板、D/A板、A/D/A板、I/O板、预用户可以根据应用系统的要

6、求，选择适当的功能模块来组合到自己的测量系统中。 模块结构是大规模中型应用系统的发展方向，可以大幅度减少用户在硬件开发中的投入力，使硬件开发周期最短。 但是，目前我国单片机应用系统的模块化产品水平还不高，硬件和软件相关工作还不完善，有待进一步发展。 3 .单片机系统在受到通用CPU单片机(例如TP801等)的影响的同时，还考虑到各种应用目的，在国内用单片机构成单片机。 这种系统的硬件由典型的应用系统构成，具有监视程序，具有自我开发能力。 但是，单板机的固定结构形式往往不能得到应用系统的最佳配置(即，硬件和软件资源不能充分利用)，在产品批量大的情况下，软件、硬件资源的浪费很大。 但是，该系统可以

7、减少开发时硬件工作量和软件工作量的一部分，具有次要的开发能力，加快应用系统的开发速度，缩短开发周期，通常可以用于教育系统。 7.1.3单片机应用系统设计的基本要求，1 .对设计者的要求(1)一定的硬件基础知识。 设计者不仅使用各种单片机、存储器(EPROM、E2PROM、RAM等)和I/O接口(8255、8155、8279等)，还使用键盘、开关、检测各种输入量的传感器、控制用的执行装置(2)一定的软件设计能力。 设计者可以根据系统的要求，设计必要的程序。 例如是数据采样程序、A/D或D/A转换程序、数字转换程序、数字滤波器、比例转换程序、键盘处理程序、显示印刷程序、各种控制算法和非线性补偿程序

8、等。 (3)具有综合运用和分析能力。 设计者将单片机应用系统分为容易实现复杂设计任务的组成部分，特别是可以恰当地运用软件和硬件的权衡问题。 (4)设计者掌握生产过程的工艺性能、被测量参数的测量方法和被控制对象的运动、静态特性等。 2、单片机对应用系统的要求，1 .可靠性高是应用系统最重要的基本要求。 提高应用系统可靠性常用的几种方法： (1)采用双机器冗馀系统(2)采用分散控制系统(3)提高零件的可靠性(4)进行硬件和软件的过滤(5)提高印刷电路板的质量， 在设计电路板时必须合理布线和接地(6)供电电源采用抗干扰措施(7)对输入输出通道实施抗干扰措施。 2、自诊断功能在进行系统整体设计时，必须

9、考虑系统故障的自动检测和处理功能。 系统正常运转时，可以定期自我诊断各模块，对外部发生的异常进行迅速应对。 如果发生无法解决的情况，应该立即切换备用装置投入工作，或者迅速警告，促进人工干预。 集散控制系统中，主机除了对各子系统进行定期监视管理外，还应诊断各子系统是否正常运行，如果发现某一系统出现故障，应立即采取措施。 3、操作和修理在设计系统硬件和软件时，要考虑到操作和修理方便，尽量降低对操作者专业知识的要求，使系统的普及变得容易。 系统的操作控制开关太多，不能太复杂。 操作顺序必须简单明了. 具有一定的容许度，对输入输出应用十进制表示，功能符号简洁直观。 结构标准化、模块化，需要现场故障排除

10、。 4、性能/价格比高的单片机应用系统是否被广泛采用，重要的是是否有高性能/价格比。 硬件软化是提高系统性能/价格比的实用方法。在系统整体的设计时，必须尽可能地降低硬件成本，用软件实现能用软件实现的功能。 在不增加成本的情况下提高软件和硬件结构的通用性和可扩展性很重要。 上述四点是在设计单片机应用系统时应考虑的基本要求。 在不同的应用系统中有很多特定的要求，如精度、速度、体积、重量、监控手段等，这些都要根据具体的系统要求来决定。 7.1.4单片机应用系统的硬件设计概述，1 .应用系统的硬件设计内容单片机应用系统的硬件设计包括两大部分内容： (1)系统扩展。 通过系统的扩展，构成完美的计算机系统

11、，是单片机应用系统的核心部分。 系统的扩展方法、内容、规模与所选的单片机系列和供给状态有关。 扩展部分的设计包括内存扩展和接口扩展。 内存扩展是指EPROM、EEPROM和RAM的扩展，接口扩展是指8255、8155、8279和其他功能设备的扩展。 (2)各功能模块的设计。 例如，信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机交互功能模块、通信功能模块等根据系统的功能请求布置相应的外围设备，如A/D、D/A、键盘、显示器、打印机等。 2 .单片机应用系统硬件设计应遵循的基本原则是为了使硬件设计具有先进性、合理性，必须注意以下原则： (1)尽可能地选择典型电路，特别是符合单片机的一般使用方法这提高了设

12、计的成功率和结构的灵活性。 (2)系统的扩展和各功能模块的设计充分满足了应用系统的功能要求，留下适当的馀地进行二次开发。 (3)硬件设计必须结合应用软件方案来考虑硬件电路结构和软件方案相互影响，综合考虑的原则是软件能实现的功能尽可能用软件来实现，简化硬件电路，但系统的速度和实时性(4)当与应用系统相关联的装置必须实现性能匹配时，例如，在水晶振动的频率高的情况下，存储器的存取时间是有限的，并且选择CMOS芯片的单片机来选择其存取速度高的芯片，从而降低了功耗。 (5)电路设计时，必须充分考虑应用系统各部分的驱动能力。 驱动能力不足的话，系统的工作不可靠或不能工作。 这种不可靠，很难用一般的测试手段

13、确定。 因此，必须重视这个问题。 (6)可靠性和系统抗干扰设计应贯穿应用系统设计的全过程，包括芯片、设备选择、去噪滤波、印刷电路板布线、信道隔离等。 (7)在设计时尽可能掌握最新器件和最新技术，用于设计。 电子技术发展迅速，各种新器件层出不穷，各种实用新技术日新月异，只有不断跟踪其发展动态，才能使设计系统具有先进的综合性能。 7.1.5应用系统的软件设计，1 .应用系统软件的功能系统的应用软件是根据系统的功能要求设计的，软件设计如何，决定了系统整体的效率和系统性能的优劣。 通常，软件的功能可以分为两类： (1)软件可以运行以完成各种实质功能。 测量、计算、显示、打印、输出控制等。 (2)监视软

14、件用于调整各执行模块和操作者的关系，起到组织调度的作用。 2、应用系统软件的设计原则，不同的应用系统的功能差异很大，程序制作者的风格不同，所以应用软件的设计因系统而异，因人而异。 但是，优秀的系统软件有共同的特征和规则。 在进行程序设计时，必须注意(1)按照软件功能的要求，将软件分解为几个比较独立的任务，根据这些任务的联系和时间关系，设计合理的软件结构。(2)培养结构化程序的设计风格，各功能程序执行模块化、子程序化。 这容易调试、链接，也容易移植和修改。 (3)建立和选择正确的数学模型和算法。 根据功能要求，记述各输入变量和输出变量的数学关系，这是数学模型的构筑。 在单片机应用系统中，数学模型

15、的准确度是决定系统性能好坏的因素。 数学模型因系统的功能而异。 例如，在测量系统中，从模拟输入通道获得的温度、流量、压力等的现场信息与与该信号对应的实际值经常具有非线性关系，需要线性的处理。 为了减轻或消除人为干扰信号的影响，经常使用诸如算术平均法、中值滤波法等数字滤波法以提高系统的精度。 (4)制作程序的流程图。 这不仅是编程的重要组成部分，也是决定成功的重要部分，设计者决不能忽视这个步骤。 (5)必须合理分配系统资源。 注意ROM、RAM、计时器/计数器、中断源等，并且特别是片上RAM的分布。 7.251系列单片机高级语言C51程序设计的基础，7.2.1C语言的特点(1)语言简洁，易于使用

16、，灵活的c语言规模小，关键词只有32个，9种控制语句。 书写形式比较自由，表达方法简洁，可以用几种简单的方法构建相当复杂的句型和程序结构。 (2)移植性最好在不同机器上80%的代码相同。 (3)表现力强，方式灵活。 具有丰富的数据结构类型和运算符。 使用c语言提供的运算符可以配置各种表达式，以各种方式获取表达式的值，从而提高了用户在编程时的灵活性。 (4)结构化程序设计成为可能。 c语言是结构化的编程语言，程序的逻辑结构由顺序、选择、循环三个基本结构构成。 容易采用自上而下的、阶段性精炼的结构化编程技术。 用c语言编写的程序具有容易理解和维护的优点。 (5)可以进行模块化编程。 c语言以函数为

17、程序设计的基本单位，编译器提供编程者调用的库，用户也能自己写出所需的函数，各个函数相当于程序模块，因此c语言能够简单地进行模块设计。 很多人同时进行集体开发很方便。 (6)可以直接操作计算机硬件。 c语言有直接访问计算机物理地址的能力，C51编译器可以直接操作51单片机的内部特殊功能寄存器和I/O端口，可以直接访问芯片存储器，还可以进行位操作。 (7)所生成的目标代码质量高。 汇编程序的目标代码效率最高，对于同样的问题，c语言只低汇编程序的1020%左右。 与汇编语言相比，C51编程的优点，常用的C51开发环境KeilC51，7.2.2C51扩展为c语言，1 .标识符和关键字c语言的识别符表示

18、源程序中某个对象的名称，这些对象是标识符必须由字符串、数字和下划线组成，开头必须是字符或下划线。 C51编译器中规定的标签长度为255，但仅前32个有效。 c语言对大小写很敏感。 关键字是固定名称和特定意义的特殊标识符，也称为保留词。 PS、PS、PS等。 C51编译器除了ANSIC标准的关键字外，还扩展了13个以下关键字。2 .变量的数据类型，(1)char字符类型用于存储单字节数据，有符号和无符号，默认为带符号的signedchar，- 128127，0255。 (2)int整数型signedint和unsignedint。 默认为带符号，长度为2字节，范围为- 3276832767，065535 (3)长整数signedlong和unsignedlong。 默认值为带符号，长度为4字节，范围为- 21474836