硬件电路设计

1、第七章：MCS-51应用系统设计。主要内容：从总体设计、硬件设计、软件设计、可靠性设计、系统调试和测试等方面介绍了应用系统的设计方法和基本流程，并给出了典型设计实例。同时，简要介绍了C51编程方法和Keil C51开发系统。重点在于单片机应用系统的开发方法和实际应用，难点在于将单片机应用系统的开发方法应用到实际工程中，设计出最优的单片机应用系统。7.1概述，由于单片机具有体积小、功耗低、功能强、可靠性高、实时性强、易学易用、使用方便智能、易于维护和操作、性价比高、易于推广应用、并能实现网络通信的技术特点。因此，单片机已经广泛应用于自动化设备、智能仪器、家用电器，甚至数据采集、工业控制、计算机通

2、信、汽车电子、机器人等领域。单片机应用系统的设计应考虑其主要技术性能(速度、精度、功耗、可靠性、驱动能力等)。)，还应考虑功能要求、应用要求、开发条件、市场条件、可靠性要求和成本要求，并尝试用软件代替硬件。下一页的图描述了设计单片机应用系统的一般过程。7.2 MCS-51应用系统设计，7.2.1总体设计1。确定设计任务，认真分析目标，根据应用场合、工作环境和具体用途，考虑系统的可靠性、通用性、可维护性、先进性和成本，提出合理、详细的功能技术指标。2.器件选择(1)单片机的选择主要包括字长、主频、寻址能力、指令系统、内部寄存器状态、存储容量、有无模数和数模通道、功耗、性价比等性能指标。对于一般的

3、测控系统，8位机可以满足要求。(2)外围设备的选择外围设备应满足系统精度、速度和可靠性、功耗和抗干扰的要求。应考虑功耗、电压、温度、价格、封装形式等其他指标，尽可能选择标准化、模块化、功能强、集成度高的典型电路。3.总体设计总体设计是根据设计任务、指标要求和给定条件设计软硬件方案。优化方案。应划分硬件和软件任务，并绘制系统结构框图。有必要合理分配系统内的硬件和软件资源。包括以下几个方面：(1)根据系统功能需求设计功能模块。包括显示器、键盘、数据采集、检测、通信、控制、驱动、电源等。(2)从系统应用需求中分配组件资源。包括定时器/计数器、中断系统、串口、输入/输出接口、模数转换器、数模转换器、信

4、号调理、时钟发生器等。(3)从开发条件和市场条件中选择组件。包括模拟器、程序员、组件、语言、编程的简单性等。(4)根据系统可靠性要求确定系统设计过程。包括去耦、光隔离、屏蔽、印刷电路板、低功耗、散热、传输距离/速度、省电模式、掉电保护、软件措施等。7.2.2硬件设计、总体设计中给出的硬件框图所规定的硬件功能以及硬件设计和实验是在确定单片机类型的基础上进行的。进行必要的工艺结构设计，制作印刷电路板，组装后完成硬件设计。单片机应用系统的硬件设计包括两部分：系统扩展和系统配置(根据系统功能要求配置外围设备)。1.硬件电路设计的一般原则(1)采用新技术，注重通用性，选择典型电路。(2)向片上系统发展。

5、扩展接口使用PSD和其他设备作为muc2.硬件电路各模块的设计原理和单片机应用系统的总体结构如下图所示。在每个模块的电路设计中应考虑以下几个方面：(1)内存扩展：类型、容量、速度和接口，以尽量减少芯片数量。(2)扩展输入输出接口：容量、价格、负载能力、功能和合适的地址解码方法。(3)输入通道设计：开关值(接口形式、电压等级、隔离方式、扩展接口等)。)，模拟输入通道(信号检测、信号传输、隔离、信号处理、模数转换、扩展接口、速度、精度和价格等。)。(4)输出通道设计：开关值(功率、控制方式等)。)，模拟输出通道(输出信号形式、数模转换、隔离模式、扩展接口等。(5)人机界面设计：键盘、开关、拨号盘、

6、启动/停止操作、复位、显示、打印、指示、报警、扩展界面等。(6)通信电路设计：选择RS-232C、RS-485、红外收发器等通信标准。(7)印刷电路板的设计和制造：专业设计软件(Protel、OrCAD等)。)，设计、专业制造商、组件安装、调试等。(8)负载容差：总线驱动。(9)信号逻辑电平兼容性：电平兼容性和转换。(10)供电系统配置：供电组数、输出功率和抗干扰。(11)抗干扰实现：芯片和器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。7.2.3软件设计软件设计流程如图所示。它可以分为以下几个方面。总体规划结合硬件结构，定义软件任务，确定具体实施方法，合理分配资源。定义输入/输出，确定信息交

7、换模式(数据速率、数据格式、验证方法、状态信号等。)，时间要求，检查并纠正错误。2.编程技术软件结构是结构化的，每个功能程序都是模块化和子功能化的。一般有以下两种设计方法：(1)模块编程：优点是一个功能明确的程序模块的设计和调试既方便又容易完成，一个模块可以被多个程序共享。它的缺点是有时很难连接每个模块。(2)自顶向下编程：其优点是更符合人们的日常思维，同时根据一条线索进行设计、调试和连接，从而更早发现程序错误。缺点是下一个更高层次的程序错误将影响整个程序，并且修改可能导致整个程序的全面修改。编程(1)建立数学模型：描述每个输入变量和每个输出变量之间的数学关系。(2)绘制程序流程图：以简洁直观

8、的方式描述任务。(3)编程：选择语言数据结构、控制算法、存储空间分配、系统硬件资源的合理分配和使用、子程序输入/输出参数的设置和传输。4.软件组装的各个程序模块编辑完成后，需要进行组装、编译和调试。当满足设计要求时，程序模块按照软件结构设计的要求进行连接，即软件组装。组装软件时，请注意软件界面。7.2.4可靠性设计，可靠性：通常指在特定条件下(如温度、湿度、振动和供电条件等环境条件)在特定时间内(平均故障间隔时间)完成特定功能的能力。)。提高单片机可靠性的措施包括降低外部时钟频率、采用时钟监控电路和看门狗技术、低电压复位、EFT抗干扰技术、指令设计软件抗干扰等。单片机应用系统的主要干扰通道有空

9、间干扰、过程通道干扰和电源系统干扰。在工业生产中使用的单片机应用系统中，应防止电源系统与过程通道之间的干扰。1.电源系统的干扰和抑制，干扰源：电源和输电线路的内阻、分布电容和电感等。抗干扰措施：交流稳压器、功率低通滤波器、带屏蔽层的隔离变压器、独立(或专业)DC稳压模块、交流引线应尽可能短，主集成芯片电源应采用去耦电路，并应增加输入/输出滤波器电容。2.工艺通道的干扰及抑制干扰源：长线传输。在单片机应用系统中，现场信号输出的开关信号或传感器输出的微弱模拟信号通过传输线传送给单片机。当信号在传输线路上传输时，会产生延迟、失真、衰减和信道干扰。抗干扰措施：(1)采用隔离技术：光电隔离、变压器隔离、

10、继电器隔离和接线隔离。典型的信号隔离是光电隔离。其优点是可以有效地抑制尖峰和各种噪声，从而大大提高处理通道的信噪比。(2)采取屏蔽措施：金属盒盖和金属网屏蔽线。但是金属屏蔽本身必须连接到真实接地(保护接地)。(3)双绞线传输：双绞线可以使每个小回路的电磁感应干扰相互抵消。它的特点是波阻抗高，抗共模噪声能力强，但频带差。(4)采用长线传输的阻抗匹配：有四种形式，如下图所示。端子并联阻抗匹配：如上一页图(a)所示，RP=R1/R2，其特点是端子电阻低，高抗干扰能力降低。开头的串联匹配：如上一页图(b)所示，匹配电阻R的值是在A门输出的低电平时，RP与输出阻抗ROUT(约20)之差，其特征是端子的低

11、电平上升，这降低了低电平时的抗干扰能力。并联终端的DC隔离匹配：如上一页(c)所示，R=Rp，其特点是抗干扰能力提高到高水平。端子连接箝位二极管的匹配：如上一页(d)所示，使用二极管d将b门输入端的低电平箝位在0.3V以下.其特点是减少波的反射和振荡，提高动态抗干扰能力。注：当进行长线传输时，用电流传输代替电压传输可以获得更好的抗干扰能力。3。其他硬件抗干扰措施，(1)施密特电路整形可用于信号整形。(2)处理组件的空闲输入端。组件空闲输入端的处理方法如下图所示。其中，图(a)所示的方法最简单，但它增加了前门的负担。图(b)所示的方法适用于慢速和多干扰情况。图(c)使用印刷电路板上的冗余反相器，

12、将其输入端接地，并使其输出端控制工作门的未用输入端。(3)机械触点、接触器和晶闸管的噪声抑制(1)操作过程中，开关、按钮和继电器触点应进行去抖处理。当接触器和继电器用于输入/输出通道时，噪声抑制器应并联在线圈两端，放电二极管应安装在继电器线圈上。阻容抑制电路并联在可控硅两端，可以降低可控硅产生的噪声。(4)印刷电路板设计中的抗干扰：印刷电路板的层数应合理选择，尺寸应适中，布局和分区应合理，相关部件应尽量靠近放置。印刷线路的布局应尽可能的短和宽，环圈的面积应最小化，以减少感应噪声。电线的布局应该是均匀的，并且是分开的平行线，以便获得具有均匀波阻抗的传输路径。应尽可能减少过孔的数量。应在印刷电路板

13、的所有关键部分提供去耦电容。为了严格区分强电路和弱电路，尽量不要把它们设计在印刷电路板上。电源线的方向应尽可能与数据传输方向一致，电源线和地线应尽可能厚，以降低阻抗。(5)接地线的设计接地线结构包括保护接地，此外，还应提高元器件的可靠性，注意电路之间的电平匹配，总线驱动能力应满足要求，单片机的空闲端应接地或连接电源，或定义为输出。为防止雷击，室外采用单片机系统，或从室外到室内架空电力线和信号线，常用的防雷装置有：气体放电管、瞬态电压抑制器等。4.软件抗干扰设计。常见的软件抗干扰技术包括软件陷阱、时间冗余、指令冗余、空间冗余、容错技术、设置特征标记和软件数字滤波等。(1)软件数字滤波用于实时数据

14、采集系统的抗干扰。常用的方法有：算术平均法：对一个点数据连续采样多次(3 5次是可以接受的)，取平均值作为该点的采样结果。该方法可以减少随机干扰对采集结果的影响。比较舍入法：连续对每个采样点进行多次采样，根据采样数据的变化规律，确定权衡方法消除偏差数据。例如，“三选二”，即每个采样点连续采样三次，取相同的数据两次作为采样结果。中值法：从一个采样点连续采集多个信号，比较这些采样值，取中值作为该点的采样结果。一阶递归数字滤波方法：RC低通滤波算法由软件完成。公式为yn=qxn (1-q) yn-1，其中：Q 数字滤波时间常数；第n次采样期间的Xn滤波器输入；Yn-1第(n-1)次采样时的滤波器输出

15、。第n次采样时的Yn滤波器输出。注：选择的方法必须根据信号变化规律确定。(2)开关控制系统的软件抗干扰可采取软件冗余、设置当前输出状态寄存器单元、设置自检程序等软件抗干扰措施。5.异常程序运行的软件对策：当系统受到干扰时，程序计数器的PC值发生变化，导致程序无序运行，甚至进入无限循环。异常程序运行的软件对策：发现异常状态后，及时引导系统恢复原状。可采用以下方法：(1)程序看门狗定时器(WDT)技术：程序看门狗定时器(也称为“看门狗”)的功能是通过不断监测程序每个周期的运行事件是否超过正常状态所需的时间来判断程序是否进入“无限循环”，并对进入“无限循环”的程序进行复位。“看门狗”技术：可以通过硬

16、件、软件或软硬件结合来实现。硬件“看门狗”能很好地解决主程序陷入无限循环的故障，但严重的干扰有时会导致中断和关机故障，使系统无法定期“喂狗”，无法检测到该故障，硬件“看门狗”电路出现故障。89S51看门狗功能的使用方法与ATMEL 89S 51系列中的89C51相同。指令兼容性。十六进制程序可以直接使用，无需任何转换。与89C51相比，89S51只增加了一个看门狗功能。89S51的其他功能可以在89C51的数据中找到。看门狗的具体使用方法如下：在程序初始化时，01EH被写入看门狗寄存器(WDTRST地址为0A6H)，然后0E1H被写入。看门狗可以被激活。组织0000 Ljmp开始于： Mov 0A6H，# 01EH先发送1E Mov 0A6H，# 0E1H撤离E1；在程序初始化期间激活看门狗。 ，用于： Mov 0A6H，# 01EH先发送1E Mov 0A6H，# 0E1H撤离E1；养狗指导.注释LJMP。89S51看门狗在开始工作前必须由程序激活。因此，有必要确保中央处理器具有可靠的上电复位。否则，看门狗不会工作。2.看门狗使用中央处理器的晶体振荡器。当晶体振荡器停止振动时，看门狗也无效。3.89s51只有一个14位计数器。这只狗必须在16383个机器周期中至少喂食一次。这个时间是固定的，不能改变。当晶体振荡器为