单片微机原理与应用 教学课件 ppt 作者 罗印升 2011-part_09

2019/5/25,1,“单片机原理与应用”课程,第 9 章 51系列单片机应用系统设计,2019/5/25,2,第9章 51系列单片机应用系统设计,9.1 单片机应用系统设计概述,9.2 单片机应用系统设计方法,9.3 单片机应用系统的抗干扰技术,9.4 单片机应用系统设计举例,2019/5/25,3,【基本知识点与要求】 （1）了解单片机应用系统设计的基本要求。 （2）掌握单片机 应用系统的组成 （3）掌握单片机应用系统的设计过程。（4）掌 握单片机应用系统的设计方法和抗干扰的基本技术。,【重点与难点】 单片机应用系统的设计过程；单片机应用系统的设计方法和抗干扰的基本技术。,单片机应用系统是以单片机为核心，扩展必需的外围电路、开发相应的应用软件，实现给定任务和功能的实际应用系统。本章首先概述单片机应用系统的基本结构和设计过程；其次介绍单片机应用系统的设计方法和抗干扰技术；然后结合前面介绍的方法给出单片机应用系统的例子。,第9章 51系列单片机应用系统设计,2019/5/25,4,9.1 单片机应用系统设计概述,9.1.1 单片机应用系统的结构与设计要求,单片机应用系统是软件和硬件相结合的工程系统，其设计必须围绕应用系统的功能和技术指标来进行。单片机应用系统设计包括总体设计、硬件设计、软件设计、软硬件联合调试和现场调试运行等环节。,2019/5/25,5,、,9.1 单片机应用系统设计概述,2019/5/25,6,9.1 单片机应用系统设计概述,(1) 单片机应用系统的硬件组成,单片机组成的测控系统硬件包括以下部分： 通信模块。利用串行接口，通过载波通信等通讯设备或者经过调制解调等方式和远端主机进行通信，上传终端信息，或接收受控信号。 操作控制台。包括键盘、控制按钮等，是单片机测控系统中人-机交流的桥梁，通过它操作者可以向系统发出各种控制命令，输入各种控制参数。 输入输出设备。包括光笔、打印机、显示屏、触摸屏等，主要用来进行显示和操控、打印、存储及传送数据。 模拟量输入通道。通过传感器、放大与变送器、A/D转换器、并行输入接口等将测控对象的模拟量转换为数字量。,2019/5/25,7,9.1 单片机应用系统设计概述, 模拟量输出通道。通过并行输出接口、D/A转换器、驱动电路和执行器等，将系统的数字量转换为模拟量输出。 开关量输入通道。通过开关量输入接口、光电隔离器等实现开关量的输入。 开关量输出通道。通过开关量输出接口、驱动电路、固态继电器等来实现开关量的输出。 单片机及其扩展的存储器。,2. 单片机应用系统的软件组成,应用系统中的软件一般包括系统监控程序和应用程序两部分。, 系统监控程序。是控制单片机系统按照预定操作方式顺序运行的无限循环程序。它负责组织调度各个应用程序模块，完成系统的自检、初始化、键盘扫描、显示程序、处理条件触发等。,2019/5/25,8,(1) 高可靠性。 (2) 高性价比。 (3) 实时性强。 (4) 操作、维护方便。,9.1 单片机应用系统设计概述, 应用程序。是主要完成系统各个部分功能的软件。如数据采集（包括A/D转换）、键功能处理、数字滤波程序、控制算法程序、通信程序、控制量输出程序（包括D/A转换）、中断服务程序等等。,3. 单片机应用系统的设计要求,9.1.2 单片机应用系统的设计过程,(1) 根据用户或研究课题的任务、功能要求进行功能和性能的认识与合理分析，确定合理、详尽的技术指标。 (2) 单片机应用系统的设计。包括系统基本结构的确立、主要器件选型、测控电路的选择以及软硬件功能的划分等。 (3) 单片机应用系统的硬件设计与调试。,2019/5/25,9,(4) 单片机应用系统的软件设计与调试。 (5) 单片机应用系统联合调试与试运行。 (6) 单片机应用系统现场调试运行或产品化设计。,9.2 单片机应用系统设计方法,2019/5/25,10,9.2 单片机应用系统设计方法,(1) 单片机机型的选择。,(2) 信号输入通道硬件设计。根据系统的输入信号多少和性能要求来设计信号调理电路，A/D转换器、多路选择开关的选择与电路设计主要由信号采集的速度、精度以及抗干扰的要求来定。开关量输入需考虑隔离和电平的兼容。,(3) 存储器与I/O接口的扩展。,(4) 总线驱动能力。,(5) 信号输出通道硬件设计。有两方面问题必须考虑，一是驱动问题；二是D/A转换器的选择。,(6) 人机交互设计。,(7) 通信接口设计。,2019/5/25,11,硬件的静态调试包括不加电和加电调试。利用万用表、逻辑分析测试仪，在不加电的情况下检查电路中各器件、引脚连接是否正确，是否有断路故障等。排除故障后，插上芯片，在加电的情况下进一步检查是否有故障。此时要注意对易受静电影响的器件考虑防静电。之后，将应用系统和仿真机联机动态调试，观察存储器和各扩展的I/O口线是否正常。直至硬件可以稳定正常工作。,9.2 单片机应用系统设计方法,4. 单片机应用系统的软件设计与调试,（1）确定软件总体结构，划分功能模块，生成软件设计文档。,（2）模块设计采用逐步细化的方法。产生各功能模块详细程序流程图。,（3）采用结构化的程序设计思想。在编程过程中，采用顺序结构、分支结构、循环结构和子程序的结构化设计思想。,2019/5/25,12,5. 单片机应用系统联合调试与试运行,软件设计完成后，就可以进行软件的调试工作。软件调试遵循先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续的原则。软件调试需要利用仿真工具在线一个模块一个模块的进行调试，最后连接起来统调。也可以通过Keil C51与Proteus联合进行全程仿真调试。需要注意的问题是经过汇编程序的“编译”，只能发现语法错误，不能解决程序逻辑上的错误！逻辑错误只能通过设计者进行仔细的软件调试和硬软件联合调试来完成。软件调试无误后就可以固化到单片机的程序存储器中，脱机运行。,9.2 单片机应用系统设计方法,通过联合调试来发现硬、软件能否按预定要求协调工作，系统运行中是否有潜在的在设计时难以预料的错误，系统的动态性能指标是否满足设计要求等等。这一步需要借助于单片机开发系统来完成。,2019/5/25,13,需要通过相应的仪器装置模拟现场设备的输入输出信号，对系统进行调试，同时模拟环境运行，以期发现隐含的错误。联合调试无误后，将程序“烧录”到单片机中在现场进行试运行，由于现场环境比实验室环境复杂、条件恶劣、干扰多，总会出现这样或那样的问题，这时需要认真分析问题来源，加以解决。,6. 单片机应用系统现场调试运行或产品化设计,只有经过现场调试后的用户系统才能保证其可靠的工作，系统经过现场调试和试运行正常后，就可以交付用户正式运行使用了。如果开发的是产品的话，则还要为大批生产做准备。将各种设计、安装、调试、元器件采购等环节流程化，以进行大批量生产。,9.2 单片机应用系统设计方法,2019/5/25,14,干扰信号主要通过电磁感应、传输通道和电源三个途径进入应用系统，对于电磁感应干扰可应用良好的“屏蔽”和正确的“接地”加以解决。下面着重从软、硬两个方面给出传输通道和电源的抗干扰技术。,1. 输入输出通道抗干扰措施 输入输出通道是单片机和外设、测控对象进行信息交换的渠道，由通道引起的干扰主要由公共地线引发。因此，必须隔开对象与输入输出通道之间的公共地线，主要措施有：,9.3 单片机应用系统的抗干扰技术,9.3.1 单片机应用系统的硬件抗干扰技术,(1) 光电耦合隔离。,(2) 双绞线传输。双绞线能使各小环路的电磁感应干扰相抵消，对电磁场干扰、共模噪声有一定的抑制效果。,2019/5/25,15,(3) 传感器后级的变送器应尽量采用电流型传输方式。由于电流型变送器比电压型变送器抗干扰能力强，所以采用电流型变送器可以提高系统的抗干扰能力。,9.3 单片机应用系统的抗干扰技术,2. 印制电路板的抗干扰设计,(1) 印制电路板大小要适中。过大时，印刷线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也高；过小，散热不好，且易受干扰。尽量使用多层印制板，保证良好的接地网，减少地电位差。,(2) 器件布置要合理。把相关的器件就近放置，易产生噪声的电路应尽量远离主机电路，发热量大的器件应考虑散热问题，I/O驱动器件尽量靠近印制板边上放置。闲置的lC芯片引脚不要悬空，元器件引脚避免相互平行，以减少寄生耦合。如有可能，尽量使用贴片元件。,2019/5/25,16,(3) 布线时注意的问题。电路之间的连线应尽量短，容易受干扰的信号线要重点保护，不要与产生干扰或传递干扰的线路长距离平行布线；交直流电路要分开；对双面布线的印制电路板，应使两面线条垂直交叉，以减少磁场耦合效应。,(4) 合理接地。交流地与信号地不能共用，以减少电源对信号的干扰；数字地、模拟地分开设计，在电源端两种地线一点相连；对于多级电路，设计时要考虑各级动态电流，注意接地阻抗相互耦合的影响，工作频率低于1MHz时采用一点接地，工作频率较高时采取多点接地，接地线应尽量粗。,(5) 加去耦电容。加去耦电容是印制电路板设计的一项常用技术。在电源输入端跨接10100F的电解电容或钽电容，在每块集成电路芯片的电源线上跨接一个0.01F的陶瓷电容器。以过滤电源的干扰。,9.3 单片机应用系统的抗干扰技术,2019/5/25,17,3. 供电系统抗干扰措施 (1) 使用交流稳压器，可防止电网过电压、欠电压干扰，保证供电的稳定性。 (2) 采用隔离变压器，初次级用屏蔽层隔离，减少其间分布电容，提高共模抗干扰能力。 (3) 采用低通滤波器可滤去干扰中的高次谐波。 (4) 整个系统采用分立式供电方式，分别对各部分进行供电。 (5) 采用开关电源并提供足够的功率余量。,(6) 强、弱电路严格分开。如果单片机应用系统含有强电电路，那么强、弱电路不要设计在一块电路板上。,9.3 单片机应用系统的抗干扰技术,9.3.2 单片机应用系统的软件抗干扰技术,2019/5/25,18,程序在执行过程中，CPU受到干扰后可能会将一些操作数当作指令码来执行，不能按正常状态执行程序，引起程序混乱，这就是通常所谓的程序“跑飞”或“走飞”。,9.3 单片机应用系统的抗干扰技术,1. 在程序中插入空操作指令(指令冗余)的抗干扰措施,在软件设计时，应多采用单字节指令，并在一些关键地方插入NOP指令。如在长度为双字节、三字节指令后面插入2条NOP指令。另外，在一些对程序流向起决定性作用的指令之前插入两条NOP指令(如RET，RETI，ACALL，LCALL，SJMP，AJMP，LJMP，JZ，JNZ，JC，JNC，JB，JNB，JBC，CJNE，DJNZ) 以保证“跑飞”的程序能快速恢复正常。,2. 采用“软件陷阱”抗干扰措施,CPU受干扰，程序“跑飞”到非程序区，此时指令冗余无能为力，可在非程序区设置拦截措施，使程序进人“陷阱”，强迫引导程序进入一个指定的地址，执行一段专门对程序出错进行处理的程序。,2019/5/25,19,(3) 程序区。程序区由一串串执行指令构成，当程序执行到LJMP，SJMP，AJMP，RET等无条件转移类指令时，PC的值应发生正常的跳变，此时程序不可能继续往下顺序执行。若在这些指令后设置软件陷阱，就可拦截弹飞到这里的程序，而又不影响正常执行的流程。,NOP NOP LJMP ERR,9.3 单片机应用系统的抗干扰技术,(1) 未使用的中断区。当干扰使未使用的中断开放并激活这些中断时，就会引起程序混乱。,(2) 未使用的大片程序空间。,2019/5/25,20,9.3 单片机应用系统的抗干扰技术,(4) 数据表格区。为了不破坏表格的连续性，可在数据表格区的尾部设置软件陷阱。软件陷阱安排在正常程序执行不到的地方，不影响程序执行的效率，在程序存储器容量允许的条件下，多设置软件陷阱有利而无害。,3. 数据采集的抗干扰措施,对实时测控系统或者数据采集系统来说，除采