第七章 单片机应用系统开发 第一节 单片机应用系统的设计过程 第二节 单片机的选型 第三节 单片机控制系统的仿真调试 第四节 常用单片机开发系统简介 第一节 单片机应用系统的设计过程 一、系统设计的基本要求 1可靠性要高 首先，在设计时应对系统的应用环境要进 行认真细致地了解，分析系统可能出现的 各种影响可靠性的因素，采用切实可行的 措施排除故障隐患。 其次，在进行总体设计时应考虑系统的故 障自动检测和处理功能。 2.操作维修要方便3.性能价格比要高 二、单片机应用系统的组成 1硬件系统的组成 (1)单片机芯片及其时钟、复位电路 (2)存储器电路 (3)接口电路 (4)外围电路 2软件系统组成 三、应用系统的研制开发过程 1可行性调研 可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可 能性 2系统总体方案设计 首先在设计前必须明确应用系统的功能和技术 要求，综合考虑系统的先进性和可靠性、可维 护性和经济效益。根据应用系统的设计目的， 在众多方案中选取性能价格比高的一种，并全 面分析整个系统的运作过程，得到硬件系统与 软件系统的合理模型结构 3硬件系统设计 (1)如何根据设计需要选择合适的单片机型号 原则上在满足应用系统技术要求的同时应尽量 使用单片模式，这不仅可以解决微型化、低功 耗的问题，而且在高频特性、电磁兼容性和系 统可靠性等方面都优于多片系统；另一个方面 还要考虑单片机芯片的兼容特性好，这主要考 虑到应用系统在使用方面具有更大的灵活性， 同时也考虑到升级换型方便；第三要考虑应用 系统易于开发和维护，因为开发手段和开发工 具的好坏会直接影响应用系统的设计特性和开 发周期，同时也会影响系统调试和将来产品的 维护 (2)如何设计存储器电路 有的单片机芯片内部无程序存储器(如： 8031)，必须考虑存储器的扩展。外接的 程序存储器一般有EPROM、EEPROM 和FLASH等，如何选取存储器芯片及其 容量，主要取决于系统的性能要求和价 格。当系统所需的存储器只用来存放程 序和不必更改的常数时，选用EPROM就 足够了 .当需要扩展的存储器芯片较多时 ，应该考虑地址译码电路的设计和总线 的驱动能力 .(3)如何设计系统中的接口电路设计外围接口电路时尽可能选择标准化 、模块化的典型电路，即对中央控制单 元、输入/输出接口、人机接口等分块进 行设计，然后采用一定的连接方式将其 组合成一个完整的系统。 (4)系统的扩展及各功能模块的设计应适当 留有余地 在满足应用系统功能要求的基础上，应 适当留有余地，以备将来修改、扩展之 需。 (5)在电路设计时，要充分考虑应用系统各 部分的驱动能力 (6)如何在应用系统中实现工程提出的可靠 性要求 单片机应用系统的可靠性是一项重要的 技术指标，通常是指在规定条件下、规 定时间内完成规定功能的能力。规定条 件包括环境条件(如温度、湿度、振动等) 和供电条件等；可靠性指标一般包括： 平均故障时间、平均故障率、连续正常 运行时间等。 根据干扰源的引入途径，应该采取以下 措施： 切断来自电源的干扰。 解决的方法是：采用交流稳压器来保证 供电的稳定性，防止电源系统的过压和 欠压；利用低通滤波器滤去高次谐波以 改善电源波形；采用隔离变压器，双层 屏蔽(初、次级屏蔽)措施来减少分布电容 ，提高系统抗共模干扰能力；在有条件 的情况下，还可采用分散独立功能块供 电和干扰抑制器等，均有利于切断来自 电源的干扰 . 切断来自传感器、各功能模块部分的干 扰 采取的措施有：模拟电路通过隔离放大 器进行隔离，数字电路通过光电耦合器 进行隔离，模拟地和数字地分开等手段 切断来自空间电磁场的干扰。主要考虑 地线设计、系统的屏蔽与布局设计 对系统中用到的元器件要进行筛选，要 选择标准化以及互换性好的器件或电路 在印刷电路板设计中，要将强、弱电 路严格分开，尽量不要把它们设计在一 块印刷电路板上；电源线的走向应尽量 与数据传递方向一致；接地线应尽量加 粗，数字地和模拟地要分开，在印刷电 路板的各个关键部位应配置去耦电容。4软件系统设计 (1)根据软件功能要求，将系统软件分成若 干个相对独立的部分。 尽量使各功能程序实行模块化、子程序 化。既便于调试、链接，又便于移植、 修改。 (2)建立正确的数学模型。 (3)为提高软件设计的总体效率，在编写应 用软件之前，应绘制出程序流程图。 (4)合理分配系统资源。 合理分配系统资源包括ROM、RAM、定 时器/计数器、中断源等。其中最关键的 是片内RAM的分配。 (5)加强软件抗干扰设计，它是提高计算机 应用系统可靠性的有力措施 5系统调试 系统调试分为硬件调试和软件调试。 (1)硬件调试方法 首先进行脱机调试，即在样机加电之前，先用 万用表等工具根据硬件电路的原理图和装配图 仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的 型号、规格和安装是否符合要求。 然后联机调 试，将实验系统与单片机开发系统相连，在检 查测试系统与开发系统的电源、接地情况良好 的前提下，上电进一步测试。(2)软件调试方法 软件调试与应用程序的结构和设计方法有关。 如果采用模块化程序设计方法，则逐个模块调 好后，再进行系统程序总调试。若采用实时多 任务操作系统，一般要先逐个任务进行调试。 对于模块化结构的程序，在调试每一个 模块时，一定要符合现场环境，即符合 子程序的入口条件和出口条件。各程序 模块调试通过后，可以将关键的模块综 合起来进行整体调试。 6产品批量生产 经过严格测试确信应用系统能够满足各 种运行情况之后，就可以进行批量生产 。在测试阶段由于程序时常需要修改， 因此往往选择EPROM或EEPROM作为 程序存储器，批量生产时软件已经成熟 ，可选择价格低廉的一次性写入的存储 器(如：PROM)，以降低成本 第二节 单片机的选型 一、有哪些单片机芯片可供选择 18位单单片机的主要厂家和机型 Intel(美国英特尔)公司：MCS-48，MCS-51系列 Microsoft(美国微晶)公司：PICl6XX，PIC54CXX等 系列 Zilog(美国齐齐洛格)公司：ZS系列及SUPER 8 Fairchild(美国仙童)公司：FS系列和3870系列 Motorola(美国摩托罗罗拉)公司：6801系列和6805系 列216位单片机主要厂家和机型 16位单片机主要厂家和机种有如下几种： Intel(美国英特尔)公司：8096系列(包括 8097和8098) MOSTEK(美国莫斯特克)公司：MK68200系列 TI(美国德克萨斯仪器)公司：TMS-9900系 列 NS(美国国家半导体)公司：HPCI604系列NEC(日本电气)公司：PD78300系列 二、对单片机控制系统的适应性 从对应用系统的适应性出发，主要应考虑下列 问题： 1单片机是否含有所需的I/O接口数目 2单片机是否含有所需的外围接口部件 例如，是否包含下列I/O方式或I/O器件： RS-232C终端。 开关、继电器、键盘。 检测器：如检测温度、压力、光线、电压等。 声音报警器。 显示器，包括LED、LCD显示器。A/D或D/A转换器。 3单片机的CPU是否有合适的吞吐量 4单片机的极限性能是否能满足要求 例如，一个单片机给出的极限参数如下： 最大温度使用范围：-55+125。最大电压使用范围：2.76V。 最大电流：150mA。最大功耗：1W。 三、单片机的可购买性 1单片机是否可直接购买到 2单片机是否有足够的供应量 3单片机是否仍然在生产之中 4单片机是否在改进之中 四、单片机的可开发性 对于被选择的单片机，应考虑下列开发工 具： 汇编程序。 编译程序。调试工具。在线示范板服务BBS(Bulletin Board Service)。 应用支持。 五、单片机制造商历史 对于单片机制造商，主要应考虑如下几点 ： 胜任单片机设计的实证。 生产的优点和可靠性。 按时供货情况。 多年的营销情况。财务报告。 六、其他对于单片机选型方面的建议 1性能价格比就目前来说，MCS-51型系列单片 机性能价格比较高，一般情况下，能完全满足 一般工业实时控制、智能化仪表、数据采集系 统要求，且价格低廉 . 2 尽量选用设计人员熟悉的机型。 3能满足应用要求就行，不要盲目追求高性能 。 4对其他各种不熟悉的芯片的特点、最好能通 过一些综述文章给以了解 5所选择的芯片在国内要有成熟的开发系统和 稳定的供货来源。 第三节 单片机控制系统的仿真调试 一、单片机开发系统1开发和开发系统 对于一个单片机控制系统(或称为目标系统)，从提 出任务到设计、调试，最后投入运行，这一过程 称为开发。从元件级上设计的单片机应用系统， 由于自身不具备调试功能，即无法验证所设计的 硬件和软件的正确性，因此必须借助于其他工具 才能完成调试工作。这种工具称为单片机开发系 统。 2单片机开发系统的功能 单片机开发系统主要有4个方面的功能：在线 仿真、调试、辅助设计和固化程序。 (1)在线仿真功能 仿真功能具体地体现在以下几个方面： CPU仿真功能在线仿真时，开发系统应能将在 线仿真器中的CPU硬件资源完整地出借给目标 系统，不占用目标系统的任何资源，使目标系 统在联机仿真和脱机运行时的环境(工作程序、 使用的资源和地址空间)完全一致，实现完全的 一致性的仿真。模拟功能在开发目标系统的过程中，开发系统 允许用户使用它内部的RAM存储器和I/O接口 ，来替代目标系统中的ROM程序存储器、 RAM数据存储器以及I/O接口，使用户在目标 系统样机还未完全配置好以前，便可以借用开 发系统提供的资源进行软件的开发。 (2)开发系统的调试功能(即对目标系统软硬件的 排错功能) 运行控制功能： 单步运行： 断点运行: 连续运行 : 启停控制： 对目标系统状态的读出/修改功能。 跟踪功能。 (3)辅助设计功能 程序设计语言应用系统的语言有汇编语 言和高级语言 程序的输入和编辑是利用开发系统提供 的屏幕编辑软件进行的 (4)固化程序功能 3单片机开发系统的类型 二、硬件调试 1静态测试:在样机加电之前，首先要进行静态 测试，主要内容有： (1)检查线路 (2)核对元器件 (3)检查电源系统 (4)外围电路调试 2联机调试 (1)测试扩展RAM(数据存储器) (2)测试I/O接口和I/O设备 (3)试验晶振电路和复位电路 (4)测试A/D和D/A转换器 (5)试验显示、打印、报警等电路 三、软件调试 1程序的编辑、汇编(或编译) 2程序调试 四、综合调试 在系统综合调试中要注意以下几点： 对于有电气控制负载(如加热元件、电动 机等)的系统，应先试验空载。 要试验系统的各项功能，避免遗漏。仔 细调整有关软件或硬件，使检测和控制 达到要求的精度。 当主电路投切电气负载时，注意观察微 机是否有受干扰的现象。 综合调试时，仿真器采用全速断点或连 续运行方式，在综合调试的最后阶段应 使用用户样机中的晶振 系统要连续运行相当时间，以考验硬件 部分的稳定性。 有些系统的实际工作环境是在生产现场 ，在实验室作调试时某些部分只能进行 模拟，这样的系统必须到生产现场最终 完成综合调试工作。 第四节 常用单片机开发系统简介 一、伟福E2000系列仿真器 1硬件特点 通用仿真器：配置不同的仿真头，可以仿 真各种各样116位单片机。 仿真CPU外置：直接位于用户板上方，提高 仿真频率及降低噪声。 逻辑分析仪：40通道，每通道32K深度， 20M采样频率。 跟踪器： 32K深度，最高跟踪速度高达 50ns。 波形发生器：8通道，每通道32K深度， 20M频率。 逻辑笔：测量高、低电平，可以对脉冲 频率进行计数