【正文】 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 第六章 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)由于體積小，使用靈活，成本低，易于產(chǎn)品化，抗干擾能力強(qiáng)，可在各種惡劣的環(huán)境下可靠工作等優(yōu)點(diǎn)，常用于： 工業(yè)測(cè)控、智能儀器儀表、智能產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)外設(shè) 等方面。 其典型應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)包括 單片機(jī)系統(tǒng) 、前向 傳感器輸入 通道，后向 伺服控制輸出 通道以及基本的 人機(jī)對(duì)話(huà) 通道。對(duì)多機(jī)系統(tǒng)還包括 單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與 PC機(jī) 之間進(jìn)行通信的互相通道。 概述 p189 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 圖 典型單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 二、前向通道的組成及其特點(diǎn) 前向通道是單片機(jī)與測(cè)控對(duì)象相連的部分，是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的輸入通道。 來(lái)自被控對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)信息有多種多樣。按物理量的特征可分為 模擬量和數(shù)字量 （開(kāi)關(guān)量）兩種。 對(duì)于數(shù)字量 (頻率、周期、相位、脈沖 )的采集，輸入比較簡(jiǎn)單。它們可直接作為計(jì)數(shù)輸入、測(cè)試輸入、 I/O口輸入或中斷源輸入進(jìn)行事件計(jì)數(shù)、定時(shí)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)脈沖的頻率、周期、相位及記數(shù)測(cè)量。對(duì)于開(kāi)關(guān)量的采集，可通過(guò) I/O口線或擴(kuò)展 I/O 口線直接輸入。對(duì)于被控對(duì)象，一般是交變電流、交變電壓、大電流、高電壓系統(tǒng)，而單片機(jī)屬于數(shù)字弱電系統(tǒng)，因此在數(shù)字量和開(kāi)關(guān)量采集通道中，要用隔離器件進(jìn)行 隔離 (如光電耦元器件等 )。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 模擬信號(hào)采集的前向通道組成 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 變換器 ：變換器是各種傳感器的總稱(chēng)，它采集現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)，并變換成電信號(hào) (電壓信號(hào)或電流信號(hào) )，以滿(mǎn)足單片機(jī)的輸入要求?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)有各種各樣，有電信號(hào)，如電壓、電流、電磁量等；也有非電量信號(hào)，如溫度、濕度、壓力、流量、位移量等，對(duì)于不同物理量應(yīng)選擇相應(yīng)的傳感器。 隔離放大與濾波 ：傳感器的輸出信號(hào)一般是比較微弱的，不能滿(mǎn)足單片機(jī)系統(tǒng)的輸入要求，要經(jīng)過(guò)放大處理后才能作為單片機(jī)系統(tǒng)的采集輸入信號(hào)。還有，現(xiàn)場(chǎng)信息來(lái)自各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，夾帶大量的噪音干擾信號(hào)。為提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性必須隔離或削減干擾信號(hào)，這是整個(gè)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部位。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 采樣保持器 ：前向通道中的采樣保持器有兩個(gè)作用。一是實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)的同時(shí)采集；二是消除 A/D轉(zhuǎn)換器的 孔徑誤差 。 一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都是用一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器分時(shí)對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸入給單片機(jī)，而控制系統(tǒng)又要求單片機(jī)對(duì)同一時(shí)刻的現(xiàn)場(chǎng)采樣值進(jìn)行處理，否則將產(chǎn)生很大誤差。用一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器同時(shí)對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣是由采樣保持器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采樣保持器在單片機(jī)的控制下，在某一個(gè)時(shí)刻可同時(shí)采樣它所接一路的模擬信號(hào)的值，并能保持該瞬時(shí)值，直到下一次重新采樣。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 A/D轉(zhuǎn)換器把一個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量總要經(jīng)歷一個(gè)時(shí)間過(guò)程。 A/D轉(zhuǎn)換器從接通模擬信號(hào)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，這一段時(shí)間稱(chēng)為 孔徑時(shí)間 。對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)，在 A/D轉(zhuǎn)換器接通的孔徑時(shí)間里，輸入模擬信號(hào)值是不確定的，從而會(huì)引起輸出的不確定性誤差。在 A/D轉(zhuǎn)換器前加設(shè)采集保持器，在孔徑時(shí)間里，使模擬信號(hào)保持某一個(gè)瞬時(shí)值不變，從而可消除 孔徑誤差 。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 多路開(kāi)關(guān) ：用多路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器分時(shí)對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。多路開(kāi)關(guān)是受單片機(jī)控制的多路模擬電子開(kāi)關(guān)，某一時(shí)刻需要對(duì)某路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)向多路開(kāi)關(guān)發(fā)出路地址信息，使多路開(kāi)關(guān)把該路模擬信號(hào)與 A/D轉(zhuǎn)換器接通，其它路模擬信號(hào)與 A/D轉(zhuǎn)換器不接通，實(shí)現(xiàn)有選擇的轉(zhuǎn)換。 A/D轉(zhuǎn)換器 ：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，是前向通道中模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)連接的核心部件。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 綜上所述，前向通道具有以下 特點(diǎn) ： (1) 與現(xiàn)場(chǎng)采集對(duì)象相連，是現(xiàn)場(chǎng)干擾進(jìn)入的主要通道，是整個(gè)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部位。 (2) 由于所采集的對(duì)象不同，有模擬量和數(shù)字量 (開(kāi)關(guān)量 )，而這些都是由安放在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的傳感、變換裝置產(chǎn)生的，許多參量信號(hào)不能滿(mǎn)足單片機(jī)輸入的要求，故有大量的、形式多樣的信號(hào)變換調(diào)節(jié)電路，如測(cè)量放大器、 I/F變換、 A/D轉(zhuǎn)換、放大、整形電路等。 (3) 前向通道是一個(gè)模擬、數(shù)字混合電路系統(tǒng)，其電路功耗小，一般沒(méi)有功率驅(qū)動(dòng)要求。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 三、后向通道的組成與特點(diǎn) (1) 后向通道是應(yīng)用系統(tǒng)的輸出通道，大多數(shù)需要 功率驅(qū)動(dòng) 。 (2) 靠近伺服驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，伺服控制系統(tǒng)的大功率負(fù)荷易從后向通道進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，故后向通道的隔離對(duì)系統(tǒng)的可靠性影響很大。 (3) 根據(jù)輸出控制的不同要求，后向通道電路有多種多樣，如模擬電路、數(shù)字電路、開(kāi)關(guān)電路等，輸出信號(hào)形式有電流輸出、電壓輸出、開(kāi)關(guān)量輸出及數(shù)字量輸出等。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 四、人機(jī)通道的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn) (1) 由于通常的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)大多數(shù)是小規(guī)模系統(tǒng)，因此，應(yīng)用系統(tǒng)中的人機(jī)對(duì)話(huà)通道以及 人機(jī)對(duì)話(huà)設(shè)備 的配置都是小規(guī)模的，如 微型打印機(jī)、功能鍵、 LED/LCD顯示器 等。若需高水平的人機(jī)對(duì)話(huà)配置，如通用打印機(jī)、 CRT、硬盤(pán)、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)等，則往往將單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)外總線與 PC機(jī)相連，享用 PC計(jì)算機(jī)的外圍人機(jī)對(duì)話(huà)設(shè)備。 (2) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，人機(jī)對(duì)話(huà)通道及接口大多采用內(nèi)總線形式，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展密切相關(guān)。 (3) 人機(jī)通道接口一般都是數(shù)字電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 五、相互通道及其特點(diǎn) (1) 在單片機(jī)中大多設(shè)有 串行口 ，為構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)的相互通道提供了方便條件。 (2) 單片機(jī)本身的串行口只為相互通道提供了硬件結(jié)構(gòu)及基本的通信方式，并沒(méi)有提供標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)程。故利用單片機(jī)串行口構(gòu)成相互通道時(shí)，要通過(guò)相應(yīng)的 通信軟件 。 (3) 在很多情況下，采用 擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)通信控制芯片 來(lái)組成相互通道。例如，用擴(kuò)展 8250、 8251等通用通信控制芯片來(lái)構(gòu)成相互通信接口。 (4) 相互通信接口都是數(shù)字電路系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)。但大多數(shù)都需遠(yuǎn)距離傳輸，故需要 解決長(zhǎng)線傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)、匹配、隔離等問(wèn)題 。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 單片機(jī)控制系統(tǒng)與調(diào)試的一般原則 一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，由于控制對(duì)象的不同，其硬件和軟件有很大的差異，但 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和主要步驟是基本相同 的。 設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，一般需要做以下幾個(gè)方面的考慮： １、確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)：功能、指標(biāo)等。 ２、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)： 一般包括：①單片機(jī)的選擇； ②軟、硬件的分工。 ３、系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)： ①系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)： 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 傳感器 放大器 傳感器 放大器 。 多 路 轉(zhuǎn) 換 器 A/D MSC51 單片機(jī) 打印機(jī) 顯示器 鍵 盤(pán) D/A 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 ②軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件是 根據(jù)系統(tǒng)功能要求來(lái)設(shè)計(jì) 的，應(yīng)可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。一個(gè)系統(tǒng)的工作程序?qū)嶋H上就是該系統(tǒng)的監(jiān)控程序。其設(shè)計(jì)步驟如下： A、選擇程序語(yǔ)言：常用匯編語(yǔ)言、 C語(yǔ)言等； B、畫(huà)出程序流程圖：要求框圖結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)潔、合 理；使編制的各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化、子程序化 以及各模塊之間的參數(shù)傳遞關(guān)系。 C、匯編連接調(diào)試。 二、系統(tǒng)調(diào)試 軟、硬件設(shè)計(jì)好后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。 １、硬件調(diào)試 ：分為靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 靜態(tài)調(diào)試 ：主要用來(lái)檢查電路制作的正確性，包括 PCB板； 動(dòng)態(tài)調(diào)試 ：需在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上進(jìn)行，用各診斷程序進(jìn)行檢查；一般方法是 由近及遠(yuǎn)、由分到合 。 (邏輯狀態(tài)、時(shí)序變化等的測(cè)試。 ) ２、軟件調(diào)試 ：一般方法是 先獨(dú)立后聯(lián)機(jī)，先分塊后組合、先單步后連續(xù)。 先進(jìn)行各模塊軟件調(diào)試，再進(jìn)行聯(lián)調(diào)。 3. 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)主要解決以下問(wèn)題： (1) 軟、硬件能否按預(yù)定要求配合工作？如果不能，那么問(wèn)題出在哪里？如何解決？ 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 (2) 系統(tǒng)運(yùn)行中是否有潛在的設(shè)計(jì)時(shí)難以預(yù)料的錯(cuò)誤？如：硬件延時(shí)過(guò)長(zhǎng)造成工作時(shí)序不符合要求，布線不合理造成有信號(hào)串?dāng)_等。 (3) 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) (包括精度、速度參數(shù) )是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求？ 待一切都正常后，即可將程序固化到 EPROM中，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，考驗(yàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)是否工作正常、可靠，性能是否達(dá)到要求。如某些指標(biāo)達(dá)不到要求，應(yīng)進(jìn)行軟、硬件的修改，直到滿(mǎn)足要求。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 一般情況下，通過(guò)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后，用戶(hù)系統(tǒng)就可以按照設(shè)計(jì)目標(biāo)正常工作了。但由于用戶(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境較為復(fù)雜 (如環(huán)境干擾較為嚴(yán)重、工作現(xiàn)場(chǎng)有腐蝕性氣體等 )，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工作之前，環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響無(wú)法預(yù)料，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，找出相應(yīng)的解決方法；另外，有些用戶(hù)系統(tǒng)的調(diào)試是在用模擬設(shè)備代替實(shí)際監(jiān)測(cè)、控制對(duì)象的情況下進(jìn)行的，這就更有必要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，以檢驗(yàn)用戶(hù)系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境中工作的正確性。（包括儀器的例行實(shí)驗(yàn)） 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 圖6.4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 傳感器接口電路 p192 概述 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，常常需要通過(guò)傳感器將 非電量轉(zhuǎn)換成電量 。（電壓、電流和脈沖等），再傳給單片機(jī)分析處理。 傳感器的種類(lèi)繁多，一般有： 壓力傳感器 ：主要用于各種壓力的測(cè)量。如：靜壓、動(dòng)壓、絕對(duì)壓力、真空壓力、負(fù)壓及壓差的測(cè)量。 溫度傳感器 ：主要用于各種溫度的測(cè)量。按不同溫度范圍劃分為：熱敏電阻、熱電偶以及各種半導(dǎo)體溫度傳感器。 振動(dòng)傳感器 ：包括測(cè)量振幅、速度、加速度等各種振動(dòng)和沖擊的傳感器。 光電傳感器 ：可用于照度、轉(zhuǎn)速等的測(cè)量。 貴州大學(xué)電子科學(xué)系 對(duì)于傳感器，有時(shí)可以將傳感器的工作原理加上它的使用范圍作為傳感器的名稱(chēng)來(lái)分類(lèi)，如