第11章 单片机应用系统设计技术,单片机的应用系统由硬件和软件所组成，应用系统的硬件和软件设计各不相同，但总体设计方法和研制步骤基本相同。本章着重介绍单片机应用系统的设计方法以及一些实用技术。,11.1 单片机应用系统设计的基本原则 所谓单片机应用系统，就是为达到某种应用目的而设计的以单片机为核心的专用系统(在调试过程中通常称为目标系统)。单片机的应用系统和一般的计算机应用系统一样，也是由硬件和软件所组成。硬件指由单片机、扩展的存储器、输入输出设备、控制设备、执行部件等组成的系统；软件是各种控制程序的总称。 硬件和软件只有紧密相结合，协调一致，才能组成高性能的单片机应用系统。在系统的研制过程中，软硬件的功能总是在不断地调整，以便相互适应，相互配合，以达到最佳性能价格比。单片机应用系统的基本设计原则是：可靠性高、性能价格比高、操作简便、设计周期短。,1.可靠性高 可靠性是指系统在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。规定的条件包括环境条件(如温度、湿度、振动等)、供电条件等；规定的时间一般指平均无故障时间、连续正常运行时间等；规定的功能随单片机的应用系统不同而不同。 高可靠性是系统应用的前提，单片机应用系统的可靠性是一项最重要最基本的技术指标，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。可靠性是硬件设计时必须考虑的一个指标。 单片机应用系统在实际工作中，可能会受到各种外部和内部的干扰，使系统工作产生错误或故障，为了减少这种错误和故障，就要采取各种提高可靠性的措施，其中抗干扰措施在硬件电路设计中尤为重要。 通常，可靠性设计可从以下7个方面进行考虑：,(1) 提高元器件的可靠性。注意选用质量好的电子元器件、接插件；要进行严格的测试、筛选和老化。同时，设计的技术参数应留有余量。 (2)优化系统结构。优化的电路设计和合理的编程软件可以进一步提高系统运行的可靠性。 (3) 严格安装硬件设备及电路，提高印刷电路板和组装的质量。设计电路板时，布线及接地方法要符合要求。设计电路板一般采用电子设计自动化软件Protel99，Protel99具有强大的功能，成为电路设计不可或缺的工具，有关内容由专门课程讲解。 (4)采取必要的抗干扰措施，以防止环境干扰(如空间电磁辐射、强电设备启停、酸碱环境腐蚀等)、信号串扰、电源或地线干扰等影响系统的可靠性。,(5)作必要的冗余设计或增加自动检测与诊断功能。冗余设计是通过增加完成同一功能的备用单元或备份信息或重复操作来提高系统可靠性的一种设计方法。自动检测与诊断功能，可以通过在线的测试与诊断，及时地测试出故障区域，判定动作与功能的正常性。 (6) 电路设计时要注意电平匹配和阻抗匹配。在应用系统的电路设计时，会有很多外围电路，由于TTL电路和CMOS电路的逻辑电平有差异，CMOS电路的逻辑电平与电源有关，TTL电路的逻辑电平在电源值给定时，符合标准规范。当一个电路既有TTL集成电路器件又有CMOS集成电路器件时，若不经过电平转换，将会造成逻辑的混乱，使电路无法正常工作。因此在硬件设计时，必须选择合适的TTL和CMOS接口，以保证外围电路的逻辑电平匹配。另外设计时要充分考虑阻抗匹配，各部分间驱动能力要留有余地。,(7) 电路设计时要注意发热元器件的散热问题，特别在印制板的设计时要充分考虑， 电路散热设计是关乎可靠性的原则问题。 2. 性能价格比高 单片机具有体积小、功耗低、性能价格比高等特点。在保证性能要求和可靠性的条件下，尽量选用廉价的元器件和经济型单片机，以降低成本。 3.操作简便 如果所设计的产品人机交换过多，必然会给用户操作带来一定困难，也不利于最大限度地降低劳动强度。设计时要做到操作尽量简便。 4.设计周期短 只有缩短设计周期，才能有效地降低设计费用，充分发挥新系统的技术优势，及早占领市场并具有一定的竞争力。,11.2 单片机应用系统设计的一般过程 单片机的应用领域极为广泛，不同领域技术要求各不相同，用单片机组成应用系统时，涉及的实际问题不同，要求也各不相同，组成的方案也会千差万别，很难有一个固定的模式适应一切问题，但考虑问题的基本方法和设计过程大体相似。单片机应用系统的研制开发过程就是从提出任务到正式投入运行的过程，包括确定任务、总体设计、硬件设计、软件设件、在线仿真调试、程序固化等几个阶段。下面把几个阶段所完成的工作分叙如下。 11.2.1确定任务 在设计单片机应用系统前必须明确应用系统的功能和技术指标。首先要对应用对象的工作过程进行深入调查分析和细致研究，明确单片机系统所要完成的任务、控制对象的状况及所要达到的技术指标，例如功能要求、信号的种类和数量、应用的环境等等，然后再综合考虑系统的先进性、可靠性、可维护性以及成本、经济效益等，拟订出合理可行的技术性能指标，以达到最高的性能价格比。,11.2.2总体设计 在对应用系统进行总体设计时，应根据应用系统提出的各项技术性能指标，对单片机系统各部分的构成进行一个总体的构想，论证拟订出性价比最高的一套方案。总体方案设计中主要考虑系统构成、控制算法的确定、机型和外围器件的选择，划分软、硬件的任务等几个方面。 1. 系统构成 确定整个单片机系统的组成部分，例如显示、键盘、输入通道、输出通道、打印、通信等。 2. 单片机机型的选择 首先，应根据任务的繁杂程度和技术指标要求（例如可靠性、精度和速度）选择机型。机型选择的出发点及依据，可根据市场情况，挑选成熟、稳定、货源充足的机型产品。同时还应根据应用系统的要求考虑所选的单片机应具有较高的性能价格比。所选机型性能应符合系统总体要求，且留有余地，以备后期更新。 另一方面为提高效率，缩短研制周期，最好选用最熟悉的机种和器件。采用性能优良的单片机开发工具也能加快系统的研制过程。,在目前情况下，MCS-51系列单片机规格齐全，开发装置完善，是一个理想的首选机型；AT89系列单片机带有1KB8KBFLASHROM，速度和价格也比较理想，并且与MCS-51系列单片机完全兼容，也是目前理想的首选机型。选择大容量AT89系列单片机基本上可以不用扩展程序存储器和数据存储器。 3. 外围器件选择 应用系统除单片机以外，系统通常还有执行器件、传感器、模拟电路、输入输出接口电路、存储器等器件和设备。选定机型后，还要选择系统中用到的外围元器件，这些部件的选择应满足系统的精度、速度和可靠性等方面的要求。整个系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配，例如，选用晶振频率较高时，存储器的存取时间就短，应选择存取速度较快的芯片；选择CMOS型单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗产品。如果系统中相关器件性能差异很大，则系统的综合性能将降低，甚至不能正常工作。,4 . 软硬件功能划分 在总体方案设计过程中，对软件和硬件进行分工是一个首要的环节。软、硬件所承担的任务明确之后，则可以分别确定出软、硬件各自的功能及实现的方案。系统硬件和软件的设计是紧密联系在一起的，在某些场合硬件和软件具有一定的互换性。原则上，能够由软件来完成的任务就尽可能用软件来实现，以降低硬件成本，简化硬件结构，提高可靠性，但是它可能会降低系统的工作速度。若为了提高工作速度、精度、减少软件研制的工作量、提高可靠性也可采用硬件来完成。总之硬软件两者是相辅相成的，可根据实际应用情况来合理选择。 同时，总体设计还要求大致规定各接口电路的地址、软件的结构和功能、上下位机的通信协议、程序的驻留区域及工作缓冲区、系统的加密方案等。总体方案一旦确定，系统的大致规模及软件的基本框架就确定了。 11.2.3硬件设计,硬件设计就是在总体方案的指导下，对构成单片机应用系统的所有功能部分进行详细具体的电路设计，设计出各部分硬件电路原理图，搭建具体电路进行实验检测(例如面包板电路)。硬件设计时，应考虑留有充分余量，电路设计力求正确无误，因为在系统调试中不易修改硬件结构。硬件设计的主要任务是根据总体设计要求，以及在所选机型的基础上，确定系统扩展所要用的存储器、IO电路、AD、D/A转换电路以及有关外围电路等，然后设计出系统的电路原理图。 1. 程序存储器的设计 通常尽可能选择满足系统程序容量要求的机型，而不再进行程序存储器的扩展。若单片机内无片内程序存储器或存储容量不够时，需外部扩展程序存储器。 外部扩展的存储器通常选用EPROM和EEPROM两种芯片， EPROM集成度高、价格便宜，EEPROM则编程容易。从它们的价格和性能特点上考虑，对于大批量生产的已成熟的应用系统宜选用EPROM；当程序量较小时，使用EEPROM较方便。EPROM芯片的容量不同其价格相差并不大，一般宜选用速度高、容量较大的芯片，这样可使译码电路简单，且为软件扩展留有一定的余地（编程空间宽裕）。 实际设计中，要尽量避免用小容量的芯片组合扩充成大容量的存储器，常选用的EPROM芯片，有2764（8 KB）、27128（16 KB）、27256（32 KB）等。,2.数据存储器和输入输出接口的设计 各个系统对于数据存储器的容量要求差别比较大。若要求的容量不大可以选用多功能的扩展芯片，如含有RAM的IO 口扩展芯片8155（带有256 KB静态RAM）或8255等；若要求较大容量的RAM，原则上应选用芯片容量较大的芯片以减少RAM芯片数量，从而简化硬件线路，使译码电路简单。常选用的RAM芯片有6116（2 KB）、6264（8 KB）或62256（32 KB）。 I/O接口大致可归类为并行接口、串行接口、模拟采集通道(接口)、模拟输出通道(接口)等。应尽可能选择集成了所需接口的单片机，以简化I/O口设计，提高系统可靠性。 在选择IO接口电路时应从体积、价格、功能、负载等几个方面来考虑。标准的可编程接口电路8255、8155接口简单、使用方便、口线多、对总线负载小，是经常被选用的IO接口芯片。但对于某些口线要求很少，且仅需要简单的输入或输出功能的应用系统，则可用不可编程的TTL电路或CMOS电路，这样可提高口线的利用率，且驱动能力较大。总之应根据应用系统总的输入输出要求来合理选择接口电路。,对于AD、DA电路芯片的选择原则应根据系统对它的速度、精度和价格要求而确定。除此之外还应考虑和系统的连接是否方便，例如，与系统中的传感器、放大器相匹配问题。 3.地址译码电路的设计 地址译码电路的设计，应考虑充分利用存储空间和简化硬件逻辑等方面的问题，通常采用全地址译码法、部分译码和线选法相结合的办法。MCS-51系统有充分的存储空间，包括64 KB程序存储器和64 KB数据存储器，在一般的控制应用系统中，主要是考虑简化硬件逻辑。当存储器和I/O芯片较多时，为了简化硬件线路，同时还要使所用到的存储器空间地址连续，可选用专用译码器74S138或74LS139等。 4. 总线驱动器的设计 MCS-5l系列单片机扩展功能比较强，但扩展总线负载能力有限。例如，P0口能驱动8个TTL电路，P1P3口只能驱动3个TTL电路。如果满载，会降低系统的抗干扰能力，在实际应用中，这些端口的负载不应超过总负载能力的70% ，以保证留有一定的余量。在外接负载较多的情况下，如果负载是MOS芯片，因负载消耗电流很小，所以影响不大。如果驱动较多的TTL电路则会满载或超载。,若所扩展的电路负载超过总线负载能力时，系统便不能可靠地工作。此情况下必须在总线上加驱动器。总线驱动器不仅能提高端口总线的驱动能力，而且可提高系统抗干扰性。常用的总线驱动器有双向8路三态缓冲器74LS245、单向8路三态缓冲器74LS244等，数据总线宜采用74LS245作为总线驱动器，地址和控制总线可采用74LS244作为单向总线驱动器。 5.模拟量输入和模拟量输出电路的设计 单片机被大量地应用于工业测控系统中，而在这些系统中，经常要对一些现场物理量进行测量或者将其采集下来进行信号处理之后再反过来去控制被测对象或相关设备。在这种情况下，应用系统的硬件设计就应包括与此有关的外围电路，例如键盘接口电路、显示器、打印机驱动电路等外围电路。对这些外围电路要进