单击此处编辑母版标题样 式 单击此处编辑母版副标题样式 1 第13章 应用系统的 设计与调试 通常 开发一个单片机应用系统需要经过以下几个过程 系统需求调查 可行性分析 系统方案设计 系统建造 系统调试 系统方案局部修改 再调试 生成正式产品 1 系统需求调查 做好详细的系统需求调查是对研制新系统准确定位 的关键 当你建造一个新的单片机应用系统时 首先要 调查市场或用户的需求 了解用户对未来新系统的希望 和要求 通过对各种需求信息进行分析综合 得出市场 或用户是否需要新系统的结论 其次 应对国内外同类系统的状况进行调查 调查的 主要内容包括 原有系统的结构 功能以及存在的问 题 国内外同类系统的最新发展情况以及与新系统有 关的各种技术资料 同行业中哪些用户已经采用了新 的系统 它们的结构 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 作为系统可行性 分析的主要依据 显然 需求报告的准确性将左右可行 性分析的结果 2 可行性分析 可行性分析将对新系统开发研制的必要性及可实现性 给出明确的结论 根据这一结论决定系统的开发研制工 作是否进行下去 可行性分析通常从以下几个方面进行论证 市场或 用户需求 经济效益和社会效益 技术支持与开发 环境 现在的竞争力与未来的生命力 3 系统方案设计 系统方案设计是系统实现的基础 这项工作要十分仔 细 考虑周全 方案设计的主要依据是市场或用户的需 求 应用环境状况 关键技术支持 同类系统经验借鉴 及开发人员设计经验等 主要内容包括 系统结构设 计 系统功能设计 系统实现方法 4 系统建造 这一阶段的工作是将前面产生的系统方案付诸实 施 将硬件框图转化为具体电路 软件流程用程序加 以实现 设计硬件电路时 单片机的选用对电路结构 及复杂度有较大影响 一个合适的单片机将会最大限 度地降低其外围连接电路 从而简化整个系统的硬件 5 系统调试 系统调试检验所设计系统的正确与可靠 从中发现 组装问题或设计错误 这里所指的设计错误 是指设 计过程中所出现的小错误或局部错误 决不允许出现 重大错误 6 系统方案局部修改 再调试 对于系统调试中发现的问题或错误以及出现的不可 靠因素要提出有效的解决方法 然后对原方案做局部 修改 再进入调试 7 生成正式系统 或产品 作为正式系统 或产品 不仅要提供一个能正确 可靠运行的系统 或产品 而且还应提供关于该系统 或产品 的全部文档 这些文档包括系统设计方案 硬 件电原理图 软件程序清单 软 硬件功能说明 软 硬件装配说明书 系统操作手册等 在开发产品时 还要考虑到产品的外观设计 包装 运输 促销 售 后服务等商品化问题 一 单片机系统设计的基本要求 二 单片机应用系统的组成 三 应用系统的研制开发过程 四 综合设计实例 一 单片机系统设计的基本要求 1 可靠性要高 应选用可靠性高的元器件 以防止器件的损坏影响系 统的可靠运行 选用典型电路 排除电路的不稳定因素 采用必要的冗余设计或增加系统的故障自检测和自处 理功能 采取必要的抗干扰措施 以防止环境干扰 2 操作维修要方便 系统结构要规范化 模块化 系统的控制开关不能太多 不能太复杂 操作顺序简单明了 操作功能简明直观 易于查找故障和排除故障 3 性能价格比要高 优化系统设计 简化外围硬件电路 或采用硬件软化技术 提高系统的性能价格比 4 具有自我保护意识 应考虑软件具有加密功能 使固化到单片机内的用户程序 不能被非法读出或复制 9 2 2 单单片机的选选型原则则 1 单片机的系统适应性 所谓系统适应性是指能否用这个单片机完成对应用系 统的控制任务 主要考虑以下几点 是否有所需的I O端口数 是否有所需的中断源及定时器 是否有所需的外围端口部件 是否有合适的计算处理能力 是否有足够的极限性能 Q 单片机的选购 2 单片机的可开发性 u开发环境 包括汇编程序 编译 连接程序 u调试工具 包括在线仿真器 逻辑分析工具 调试监控程序 u在线BBS服务 包括实时执行 应用案例 缺陷故障报告 实 用软件 样本源码 u应用支持 包括是否存在专职的应用支持机构 是否存在 应用工程师及销售人员的支持 支持人员的学识水平如何 是 否有便利的通信工具 是否及时得到支持 3 制造商历史及可购买性 产品的性价比以及是否可靠 购买途径是否顺畅 供货量是否充足稳定 是否停产 是否在改进之中 总结 依据上述三个原则进行单片机的选型 应可以选择出最 能适用于具体应用系统的单片机 同时可以保证应用系 统具有高可靠性 高性价比 高使用寿命及可升级换代 性 Q 抗干扰技术 所谓干扰 一般是指有用信号以外的噪声 在信号输入 传输和输出过程中出现的一些有害的电气变化现象 这些变 化迫使信号的传输值 指示值或输出值出现误差 出现假像 干扰对电路的影响 轻则降低信号的质量 影响系统的稳 定性 重则破坏电路的正常功能 造成逻辑关系混乱 控制 失灵 供电系统及过程通道的抗干扰措施 在印制电路板设计中体现的抗干扰措施 软件陷阱及看门狗电路 1 供电系统及过程通道的抗干扰措施 供电系统的干扰 电源开关的通断 电机和大的用电设备的启停会使供电电网发生波动 受这些 因素的影响 电网上常常出现几百伏 甚至几千伏的尖峰脉冲干扰 这就会使 同一电网供电的单片机控制系统无法正常运行 这种干扰是危害最严重也是最 广泛的一种干扰形式 抗干扰措施 单片机输入电源与强电设备动力电源分开 采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器 交流进线端加低通滤波器 可滤掉高频干扰 安装时外壳要加屏蔽并使其良好 接地 滤波器的输入 输出引线必须相互隔离 以防止感应和辐射耦合 直流 输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波 对于功率不大的小型或微型计算机系统 为了抑制电网电压起伏的影响 可设 置交流稳压器 采用独立功能块单独供电 并用集成稳压块实现两级稳压 尽量提高接口器件的电源电压 提高接口的抗干扰能力 例如用光耦合器输出 端驱动直流继电器 选用直流24V继电器比6V继电器效果好 过程通道的干扰 过程通道是系统输入 输出以及单片机之间进行信息传输的路径 由于输 入输出对象与单片机之间的连接线长 容易串入干扰 必须采用隔离技术 双绞线传输 阻抗匹配等措施抑制 在开关量输入时 采集某一状态信号时 可多次重复采集 直到连续两 次或多次采集结果完全一致时才可视为有效 在开关量输出时 重复输出同一数据 只要有可能 重复周期应尽量短 外部设备接收到一个被干扰的错误信息后 还来不及作出有效的反映 一个正确的输出信息又到来 就可以及时地防止错误动作的产生 空间电磁波的干扰 单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术 北京航空航天大学出版社 王 幸之 王雷 钟爱琴 王闪 2 在印制电路板设计中体现的抗干扰措施 印制电路板大小要适中 噪声元件与非噪声元件要离得远一些 易产生噪声的器件 小电流电路 大电流电路等应尽量远离计算机逻 辑电路 如有可能 应另做电路板 I O驱动器件 功率放大器件尽量靠近印制电路板的边缘 靠近引出 接插件 器件的布置上也应考虑到散热 最好把ROM RAM 时钟发生器等发热较多的器件布置在印制板的偏上 方部位 当印制板竖直安装时 或易通风散热的地方 正确处理电源线 根据印制线路板电流的大小 尽量加粗电源线宽度 减少环路电阻 同时 使电源线 地线的走向和数据传递的方向一致 电源线和地 线最好分别设计在不同的版面上 以防杂物引起短路 正确处理地线 3 软件陷阱及看门狗电路 u所谓软件陷阱 是指一些可以使混乱的程序恢复正常运行 或使 跑飞 的程序恢复到初始状态的 系列指令 uNOP NOP LJMP ERP u适 用 范 围 双字节指令和3字节指令之后 0003H 0030H地址未使用的中断区 跳转指令及子程序调用和返回指令之后 程序段之间的未用区域 数据表格及散转表格的最后 每隔一些指令 一般为十几条指令 后 软件陷阱 当未使用的中断因干扰而开放时 在对应的中断服务 程序中设置软件陷阱 就能及时捕捉到错误的中断 未使用的中断区 ORG 0000H START LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT0 PRG 转中断服务子程序 NOP 抗干扰处理 NOP LJMP ERR 转错误处理子程序 ORG 000BH LJMP T0 PRG 转T0中断服务子程序 NOP 抗干扰处理 NOP LJMP ERR 转错误处理子程序 单片机系统中使用的EPROM很少能够全部用完 这些 非程序区可用0000020030或020030填满 假设ERP安排在 0030开始的地方 当程序 跑飞 进入此区后 便会迅 速自动入轨 未使用的EPROM空间 单片机系统寻址空间为64K 如果系统仅选用了一片2764 其地址空间为8K 那 么还有56K地址空间闲置 当程序 跑飞 到这些空间时 读入数据将为FFH 这是 MOV R7 A 指令的机器码 此代码的执行将修改R7中的内容 因此 可采用图所 示电路来避免 图中74LS08为四二与门 当PC落入2000H FFFFH这段闲置空间时 定 有为高电平 当执行取指令操作时 为低电平 从而引起中断 在中断服务程序中设 置软件陷阱可将 跑飞 的程序迅速拉入正轨 非EPROM芯片空间 由于程序是采用模块化的设计方法 因此 程序也是以 模块方式运行的 此时可以将陷阱指令组分散放置在用户程序 各模块之间空余的单元里 一般每1K字节有几个陷阱就够了 在正常程序中不执行这些陷阱指令 保证用户程序正常 运行 但当程序 跑飞 时 一旦落入这些陷阱区 马上就可 将 跑飞 的程序拉到正确轨道 运行程序区 设用户主程序运行区间为add1 add2 且定时器T0产生 10ms定时中断 当程序 跑飞 落入add1 add2以外的区间 此时又发生了定时中断 则可在中断服务程序中判定中断断点 地址addx是否在add1 add2之间 若不在则说明发生了程序 跑飞 应使程序返回到复位入口地址0000H 使跑飞程序纳 入正轨 中断服务程序区 看门狗 程序运行监视系统又称 看门狗 WATCHDOG 看门狗 可以用硬件电路实现 也可采用软件技术通过 内部定时 计数器实现 目前 大多数单片机片内都集成有 程序运行监视系统 在MAX706内部有一个定时器 它独立工作于单片机之外 若单片机 正常工作 每隔一段时间就通过P1 1向 看门狗 输出一个脉冲 使 看门狗 电路复位 看门狗 从0开始重新计数 但当单片机由于干 扰等原因不能正常向 看门狗 电路输出复位脉冲时 如果 看门狗 的定时时间已到 MAX706的端就会输出一个脉冲给单片机 使单片机复 位 使其从故障状态恢复正常 硬件 看门狗 软件 看门狗 基本思路是 在主程序中对定时器T0中断服务程序进行监视 在定时 器T1中断服务程序中对主程序进行监视 定时器T0中断监视定时器T1 中断 对T0设定一定的定时时间 当产生定时中断的时候对一个变量进行赋 值 而这个变量在主程序运行的开始已经有了一个初值 在这里我们 要设定的定时值要小于主程序的运行时间 这样在主程序的尾部对变 量的值进行判断 如果值发生了预期的变化 就说明T0中断正常 如 果没有发生变化则使程序复位 对于T1我们用来监控主程序的运行 我们给T1设定一定的定时时间 在主程序中对其进行复位 如果不能在一定的时间里对其进行复位 T1 的定时中断就会使单片机复位 在这里T1的定时时间要设的大于 主程序的运行时间 给主程序留有一定的的裕量 而T1的中断正常与否我们再由T0定时中断子程序来监视 任何单片机应用系统都由硬件和软件两大部分组成 1 硬件组成 硬件由单片机 存储器 若干I O接口及外围设备等组成 二 单片机应用系统的组成 整个系统的核心部件 能 运行程序和处理数据 用于存储单片机程序 程序存储器 及数 据 数据存储器 I O接口 是单片机与外部被控对象的信 息交换通道 包括以下几部分 数字量 频率 脉冲等 I O接口 开关量 继电器开关 无触点开关 电 磁阀等 I O接口 模拟量I O接