1、第 10章 单片机应用系统设计单片机应用系统主要由输入通道、输出通道、通信接口、人机接口等部分构成。输入通道主要完成模拟物理量到数字量的转换，输出通道则将数字量转换为能驱动外围设备的信号，通信接口是单片机与其它设备进行信息交流的桥梁，操作人员通过人机接口了解系统的状况、控制系统的行为。单片机应用系统开发一般包括需求分析、可行性分析、总体设计、软 /硬件设计、综合调试和系统装配等几部分工作。深入领会系统设计的规律及原则，严格遵循系统设计的方法步骤，是设计应用系统的基本要求。 10.1 单片机应用系统构成单片机应用系统是为完成某一特定任务而设计的用户系统。一般由单片机、输入通道、输出通道、通信接口
2、、人机对话设备等部分构成。如图 10-1所示。图 10-1典型的单片机应用系统输入通道通常包括传感器、采样保持、 A/D转换等部件。主要完成模拟物理量到数字电信号的处理。输入通道具有以下特点： 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。 采集的对象不同，信号形式多种多样，但由于不能直接满足单片机输入的要求，需要信号变换调节电路，将其转换为单片机能接受的形式。 输入通道是一个模拟、数字混合电路系统，功耗比较小，一般没有功率驱动要求。输出通道通常包括 D/A转换器、 F/V转换器、功率驱动等电路。输出通道的特点是： 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
3、率负荷易从输出通道进入单片机系统，故输出通道的隔离对系统的可靠性影响很大。 根据输出控制的不同要求，输出通道电路有多种形式，如模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流输出、电压输出、开关量输出及数字量输出等。通信接口是指单片机应用系统中的标准数字通信通道。单片机应用系统要构成多机系统、网络系统或与通用计算机通信时，必须配置有标准的 RS232、 RS422/RS485通信接口或CAN现场总线的通信接口。通信接口的特点是： 中、高档单片机大多设有串行口，为相互通讯提供方便条件。 单片机串行口通讯时，要配置完整的通信软件。 采用扩展标准通信控制芯片来组成通讯通道。 通信接口数字电路系统，
4、抗干扰能力强。人机对话通道是用于 “人 机 ”联系的主要手段。常用的人机对话外部设备有键盘、显示器、打印机等。键盘输入命令或参数，用户可对系统进行干预。显示器用来输出数据或字符，显示系统运行结果或提示信息。打印机可将数据或历史记录以定时或调用的方式打印出来，以便阅读或存档。人机对话通道的特点是：1.单片机应用系统一般是小规模系统，从而应用系统中的人机对话通道以及人机对话设备的配置也都是小规模的。（若需高水平的人机对话配置，则往往是将单片机系统通过外总线与通用计算机相连，共享通用计算机的外围人机对话设备。）2.单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多采用内总线形式，与系统扩展密切相关。3.人机通
5、道接口一般都是数字电路，电路结构简单，可靠性 好。10.2 单片机应用系统设计方法单片机应用系统设计一般包括产品需求分析、可行性分析、体系结构设计、软硬件设计、综合调试、系统安装等步骤。如图 10-2所示。图 10-2 单片机应用系统开发过程10.2.1 需求分析需求分析的主要内容：1. 原有产品的结构、功能以及存在的问题 2. 国内外同类产品的最新发展情况以及相关的技术资料3. 同类新产品的结构、功能、使用情况以及所产生的经济效益经过需求调查，整理出需求报告，作为产品可行性分析的主要依据。一般情况下，需求报告可包括：名称、功能、性能、输入、输出、成本、功耗、尺寸、重量等条款。10.2.2 可
6、行性分析可行性分析是对新产品开发研制的必要性及可实现性进行论证，根据可行性分析结果，决定产品的开发研制工作是否需要继续进行下去。可行性分析从以下方面进行论证：1.市场或用户需求2.经济效益和社会效益3.技术支持与开发环境4.现在的竞争力与未来的生命力10.2.3 体系结构设计体系结构设计就是要从宏观上描述产品的组织结构。其主要内容包括：技术路线或设计途径、采用的关键技术、系统的软硬件结构及功能分配、主要硬件的选型和加工技术、软件平台和开发语言、测试条件和测试方法、验收标准等。系统的体系结构反映了产品的综合状况，要从正确性、可行性、先进性、可用性和经济性等角度来评价系统的总体方案。总体方案确定后
7、，才能为各子系统的设计与开发提供一个指导性的文件。在体系结构设计时应注意一下问题。1.确定性能指标首先 要对用户提出的要求进行全面深入地分析，包括了解系统检测及控制对象的特性和工艺要求、控制信号的种类和数量、应用环境、抗干扰要求等等，并在此基础上进行必要的理论分析和计算。 然后 ，设计者需要进行一定的市场调研，参考国内外同类产品，对新产品的可靠性、可维护性、性能价格比进行综合考虑， 最终 确定自己产品的功能和性能指标。2.选择单片机机型目前单片机种类繁多，性能、价格差异较大，在选型时， 应从多方面考虑 ： 要借助性能良好的开发工具。 选择的单片机的性能指标是否满足要求。包括单片机是否有系统所需
8、要的 I/O口数、中断源和定时器、外围接口等资源。不能满足系统要求的单片机可通过扩展来实现系统要求。 市场货源是否充足。单片机的供货渠道要畅通，质量要有保障，而且能享受较好的售后服务。3.划分硬件和软件功能硬件和软件在某些场合具有一定的互换性，即就要正确划分硬件和软件功能。采用硬件还是软件实现，各有利弊，需要反复比较。划分的基本原则是尽可能发挥单片机以软件代替硬件的长处，能够由软件来完成的任务，就尽可能用软件来实现，这样可以简化硬件结构，降低生产成本，提高系统的可靠性。但也应考虑到以软件代替硬件功能会降低系统的运行速度，牺牲了系统的实时性。因此，软、硬件功能的划分要根据系统的要求和实际情况做合
9、理安排，全盘考虑。10.2.4 硬件设计硬件设计的任务主要包括设计系统的电路原理图、绘制印刷电路板（ PCB板）、印制板的焊接与测试。系统原理图的设计是其中最重要的一步，原理图中存在的缺陷将对整个设计产生重要影响。PCB板可在硬件原理图基础上采用 PROTEL或 ORCAD软件绘制，此过程要充分考虑元器件放置的合理性，从而使走线合理，还提高整个系统的抗干扰能力。PCB板生产出来后，经目测检查无断线或线路搭接，可进行元器件的焊接。硬件测试，对于单片机应用系统，只有在确保各个局部电路工作正常的情况下，才能结合软件统一调试，这样做能获得事半功倍的效果。硬件系统设计的原则是：(1) 尽选择典型通用的电
10、路，并符合单片机的常规用法。为硬 件系统的标准化、模块化奠定良好的基础。(2) 系统的扩展与外围设备配置应充分满足应用系统当前的功能要求，并留有适当余地，便于以后进行功能的扩充。(3) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。(4) 整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。(5) 可靠性及抗干扰设计是不可忽视的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。(6) 单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。解决的办法是增加总线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。10.2.5 软件设计软件设计的任务主要包括编程语言的选择、软件任务划分和应用程序
11、的编制。单片机的编程语言不仅有汇编语言，还有一些高级语言，常用的高级语言有 C语言、 PL/M语言、 BASIC语言。编制软件到底用哪种语言，要视具体情况而定。采用汇编语言，具有占用内存空间小，实时性强等特点，不足之处在于编程麻烦，可读性差，修改不方便。采用 C语言等高级语言具有丰富的库函数，编程简单，能使开发周期大大缩短，程序可读性强，便于修改。对于复杂的系统软件，一般采用汇编、高级语言混合编程，这样既能完成复杂运算问题，又能解决局部实时性问题。目前，软件设计都采用模块化程序设计，即把一个完整的程序划分成若干个功能相对独立的程序模块，再根据各模块的时间顺序和相互关系，将它们连接在一起构成一个
12、系统。模块化设计的优点是每个模块都可以单独设计，也可利用原有的成熟程序，这样既便于软件调试、链接，又便于移值、修改。任务划分时，还要注意合理分配硬件资源。完成了硬件原理图设计后，系统硬件资源就基本确定了。在软件总体框图完成后，还要将这些硬件资源进行合理分配，这包括片内片外程序存储器和数据存储器的存储空间、 I/O口、定时器 /计数器和中断源等。应用软件是根据系统功能设计的，应可靠地实现系统规定的功能。应用软件应该具有以下特点： 软件结构清晰、简捷、流程合理 各功能程序实现模块化 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 经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改 “痕迹 ”，实现
13、软件模块化、标准化 实现全面软件抗干扰设计，从而提高计算机应用系统的可靠性 在应用软件中设置自诊断程序，提高运行的可靠性10.2.6 综合调试综合调试指：在硬件系统测试合格后，将试验样机、开发系统和 PC机连接在一起，构成联机调试状态，完成大多数软件模块的调试。系统软件调试成功后，可利用程序写入器将程序固化到 EPROM中，然后插上单片机芯片，将应用系统脱离仿真器进行上电运行检查。由于单片机实际运行环境和仿真调试环境的差异，即使仿真调试成功，实际运行时也可能出错。这时应进行全面检查，针对出现的问题，分析修改硬件、软件或体系设计方案，直至系统运行正常为止。10.2.7 系统安装系统调试运行正常，
14、确认软、硬件设计无误，达到要求后，就可以进行安装统调。包括固化程序、电路板制作、元件线路焊接、安装、整机统调等。所谓统调，就是对整个系统的软硬件资源进行统一测试、调整，使产品能够正确稳定工作。10.3 单片机应用系统设计原则10.3.1 元器件选择在硬件电路成本允许的情况下，尽可能选择集成度高、功能强大的芯片。它使整个系统所用的元器件数目减少，缩小 PCB板面积，更重要的是减少焊接点和连线，从而大大减少故障率和受干扰的概率，使系统的可靠性大大提高。对于需要大批量生产的产品，一定要选用通用性强、供货渠道充足的元器件。整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。 选择元器件应注意：(1) 性能参数和
15、经济性。 在选择元器件时必须按照器件手册所提供的各种参数 (如工作条件、电源要求、逻辑特性等 )指标综合考虑，不能单纯追求超出系统性能要求的高速度、高精度、高性能。(2) 通用性。 在应用系统中，尽量采用通用的大规模集成电路芯片，可简化系统的设计、安装和调试，也有助于提高系统的可靠性。(3) 型号和公差。 确定元器件的型号主要取决于电路所允许元器件的公差范围。(4) 速度匹配。 单片机时钟频率一般可在一定范围内选择（如增强型 MCS-51单片机芯片可在 0 33 MHz之间任意选择）(5) 电路类型。 对于低功耗应用系统，应采用 CHMOS或 CMOS芯片，如 74HC系列、 CD4000系列
16、。10.3.2 单片机资源分配单片机资源分配应注意：(1) I/O引脚资源分配 :单片机芯片各 I/O引脚功能不完全相同，如部分引脚具有第二功能；各 I/O引脚输出电路结构不尽相同，如 8XC5X的 P0口采用漏极开路输出方式， P1 P3口采用准双向结构。(2) 程序存储器资源分配 :片内 ROM存储器用于存放程序和数据表格。按照 MCS-51单片机的复位及中断入口的规定， 002FH以前的地址单元都作为中断、复位入口地址区。(3) RAM资源分配 :RAM分为片内 RAM和片外 RAM。片外 RAM容量比较大，通常用来存放批量大的数据，如采样数据；片内RAM容量较少，尽可能重叠使用，如数据
17、暂存区与显示、打印缓冲区重叠。对于 MCS-51单片机来说，片内 RAM是指 00H 7FH单元，这 128个单元的功能并不完全相同，分配时应注意。 对于 MCS-51单片机来说，片内 RAM是指 00H 7FH单元，这128个单元的功能并不完全相同： 00 1FH： 32个字节可以作为工作寄存器组，在工作寄存器的 8个单元中， R0和 R1具有指针功能。系统上电复位时，置 PSW=00H， SP=07H，则 RS1(PSW.4)、 RS0(PSW.3)位均为 0， CPU自动选择工作寄存器组 0作为当前工作寄存器，而工作寄存器组 1为堆栈，并向工作寄存器组 2、 3延伸。20H 2FH： 1
18、6个字节具有位寻址功能，可用来存放各种软件标志、逻辑变量、位输入信息、位输出信息、状态变量、逻辑运算的中间结果等，也可改为它用。30H 7FH： 为一般通用寄存器，只能存入字节信息。通常用来存放各种参数、指针、中间结果，或用作数据缓冲区，也常将堆栈安放在片内 RAM的高端，如 60H 7FH。10.3.3 硬件系统设计（ 1） 结合软件方案考虑硬件结构。原则上，只要能用软件完成的工作就不用硬件。这种 “以软代硬 ”的方法可以减少硬件成本，提高可靠性。（ 2） 设计一个较复杂的系统时，要考虑把硬件系统设计成模块化结构。即对 CPU单元、 I/O接口、人机接口等进行分块设计，然后把各模块连接起来构
19、成一个完整的系统。在系统连接前，要把各硬件模块分别测试好，然后再连接到一起进行统调。（ 3） 尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。（ 4） 对于程序存储器，尽量选择大容量的芯片（如 2764以上的 EPROM），可以减少 EPROM的片数，使系统体积减小。（ 5） 对于数据存储器，尽量减少 RAM芯片的片数和留出充足的余量，还要考虑掉电保护的问题：可选择 EEPROM芯片来保存某些重要的数据，因为这类芯片掉电后数据不会丢失；可选择 RAM芯片，一般选用静态存储器 SRAM，而不用动态存储器 DRAM，因为单片机片内没有 DRAM所需要的刷新电路。（ 6） 对于 I/O接口，除了留出一定
20、的余量，还要考虑单片机的负载能力。如 P0口只能驱动 8个 LSTTL，其它端口只能驱动4个 LSTTL。在外接负载较多时，可以选用功耗低的 CMOS芯片或增加总线驱动器。10.3.4 印制电路板设计印制板布线密度高、焊点分布密度大，需要双面、甚至多层板才能满足电路要求。在编辑印制板时，需要遵循下列原则 ：(1) 晶振必须尽可能靠近 CPU晶振引脚，且晶振电路下方不 能走线，最好在晶振电路下方放置一个与地线相连的屏蔽层。(2) 电源、地线要求。在双面印制板上，电源线和地线应安排在不同的面上，且平行走线，从而是寄生电容起滤波作用。对于功耗较大的数字电路芯片，如 CPU、驱动器等应采用单点接地方式，即这类芯片电源、地线应单独走线，并直接接到印制板电源、地线入口处。电源线和地线宽度尽可能大一些，或采用微带走线方式。
