第7章单片机应用系统设计与开发

第7章单片机应用系统设计与开发7.1单片机应用系统的开发过程7.2单片机应用系统设计的基本原则与方法7.3单片机应用系统的一般结构7.4单片机应用系统的调试7.5单片机应用系统举例——数字压力表的设计第7章单片机应用系统设计与开发第7章单片机应用系统设计与开发7.1单片机应用系统的开发过程通常，开发一个单片机应用系统需要经过以下几个过程：·系统可行性分析；·系统需求分析；·系统方案设计；·系统构建；·系统调试与测试；·固化程序与电路，形成正式系统（或产品）。第7章单片机应用系统设计与开发1.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：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。第7章单片机应用系统设计与开发2.系统需求调查做好详细的系统需求分析是对研制新系统准确定位的关键。当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。第7章单片机应用系统设计与开发其次，应对国内外同类系统的状况进行调研。调研的主要内容包括：①原有系统的结构、功能以及存在的问题；②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；③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。最后，经过对现状、用户、技术需求的详细分析总结，，整理出详尽具体的系统需求分析报告，作为下一步系统设计的主要依据。显然，需求分析报告的准确性将影响系统的成败。第7章单片机应用系统设计与开发3.系统方案设计单片机应用系统的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。为完成系统功能，方案设计主要内容包括：①系统结构硬件设计；②系统软件与算法设计；③界面和可靠性设计等。第7章单片机应用系统设计与开发4.系统构建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，软件流程及算法用程序加以实现。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。第7章单片机应用系统设计与开发5.系统调试与测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.固化程序与电路，形成正式系统（或产品）开发、测试完系统后，要对单片机程序进行固化，对单片机系统硬件电路进行完善。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。第7章单片机应用系统设计与开发7.2单片机应用系统设计的基本原则与方法7.2.1单片机应用系统的基本设计原则单片机应用系统的基本设计原则是：①可靠性高；②性能价格比高；③操作简便；④设计周期短。1.可靠性高高可靠性是系统应用的前提，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。第7章单片机应用系统设计与开发通常，高可靠性可从以下5个方面进行考虑：(1)使用可靠性高的元器件；(2)严格安装硬件设备及电路；(3)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；(4)请专家和有经验的设计人员对系统的设计方案严格把关；(5)作必要的冗余设计或增加自诊断功能。第7章单片机应用系统设计与开发2.性能价格比高单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。3.操作简便如果所设计的产品人机交互过多，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。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。第7章单片机应用系统设计与开发7.2.2单片机应用系统的一般设计方法在进行单片机应用系统方案设计时，可以下述一般设计方法作为指导。1.确定系统功能与性能由需求分析可以确定出单片机应用系统的设计目标，这一目标包括系统功能与性能。系统功能主要有数据采集、数据处理、输出控制等。第7章单片机应用系统设计与开发2.确定系统基本结构单片机应用系统结构一般是以单片机为核心外部扩展相关电路的形式。确定了系统中的单片机、存储器分配及输入/输出方式就可大体确定出单片机应用系统的基本组成。1)单片机在系统详细方案设计时，先要确定单片机的型号。所选单片机的型号不同，组成的系统结构也就不同。第7章单片机应用系统设计与开发选择单片机的原则是：·有供货渠道；·最适宜实现系统的功能与性能；·有开发手段，且性价比较高。。以下列出较有影响的单片机型号及厂家，供选型参考。·8位机MCS-51系列Intel(美国英特尔公司)SUPER8,Z8系列Zilog(美国)F8,3870系列Fairchild(美国仙童公司)68HC05,68HC11系列Motorola(美国摩托罗拉公司)第7章单片机应用系统设计与开发6500/1系列Rockwell(美国洛克威尔公司)TMS700系列TI(美国得克萨斯仪器公司)NS8070系列NS(美国国家半导体公司)CDP1800系列RCA(美国无线电公司)MN6800系列National(日本松下公司)μCOM87(μPD7800)系列NEC(日本电气公司)HD6301，HD6305，HD63L05Hitachi(日本日立公司)AT89C系列ATMEL公司第7章单片机应用系统设计与开发·16位机8096(8098)系列Intel(美国英特尔公司)MK68200系列Mostek(美国莫斯特公司)TMS-9900系列TI公司HPC1604系列NS公司μPD78300系列NEC公司第7章单片机应用系统设计与开发2)存储器分配不同的单片机具有不同的存储器组织。MCS-51单片机的程序存储器与数据存储器空间相互独立，工作寄存器与内部数据存储器共用一个存储空间，I/O端口则与外部数据存储器共用一个存储空间。第7章单片机应用系统设计与开发3)I/O方式采用不同的输入/输出方式，对于单片机应用系统的软、硬件结构有直接的影响。在单片机应用系统中，常用的I/O方式主要有：·无条件传送方式(同步传送方式)；·查询方式；·中断方式。第7章单片机应用系统设计与开发3.硬件设计单片机应用系统的硬件设计是围绕着单片机做外部功能扩展而展开的，其结构如图7―1所示，它主要涉及以下扩展部分的设计。1)程序存储器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或E2PROM。EPROM集成度高、价格便宜，E2PROM则编程容易。当程序量较小时，使用E2PROM较方便；当程序量较大时，采用EPROM更经济。目前还有采用Flash存储器的，将会更加方便。第7章单片机应用系统设计与开发图7―1单片机应用系统硬件的一般结构第7章单片机应用系统设计与开发2)数据存储器数据存储器利用RAM构成。大多数单片机都提供了小容量的片内数据存储区，只有当片内数据存储区不够用时才扩展外部数据存储器。存储器的设计原则是：在存储容量满足的前提下，尽可能减少存储芯片的数量。建议使用大容量的存储芯片以减少存储器芯片数目，但应避免盲目地扩大存储容量。第7章单片机应用系统设计与开发3)I/O接口由于外设多种多样，使得单片机与外设之间的接口电路也各不相同。因此，I/O接口常常是单片机应用系统中设计最复杂也是最困难的部分之一。4)译码电路当需要外部扩展电路时，就需要设计译码电路。译码电路要尽可能简单，这就要求存储器空间分配合理，译码方式选择得当。5)总线驱动器如果单片机外部扩展的器件较多，负载过重，就要考虑设计总线驱动器。第7章单片机应用系统设计与开发6)抗干扰电路针对可能出现的各种干扰，应设计抗干扰电路。在单片机应用系统中，一个不可缺少的抗干扰电路就是抗电源干扰电路。最简单的实现方法是在系统弱电部分(以单片机为核心)的电源入口处对地跨接1个大电容(100μf左右)与1个小电容(01μf左右)，在系统内部各芯片的电源端对地跨接1个小电容(001μf~0.1μf)。第7章单片机应用系统设计与开发4.软件设计软件是单片机应用系统中的一个重要组成部分。一般计算机应用系统的软件包括系统软件和用户软件，而单片机应用系统中的软件只有用户软件，即应用系统软件。软件设计的关键是确定软件应完成的任务及选择相应的软件结构。1)任务确定根据系统软、硬件的功能分工，确定出软件应完成什么功能。作为实现控制功能的软件应明确控制对象、控制信号及控制时序；作为实现处理功能的软件应明确输入是什么、要做什么样的处理(即处理算法)、产生何种输出。第7章单片机应用系统设计与开发2)软件结构设计软件结构设计与程序设计技术密切相关。程序设计技术则提供了程序设计的基本方法。在单片机应用系统中，最常用的程序设计方法是模块程序设计。模块程序设计具有结构清晰、功能明确、设计简便、程序模块可共享、便于功能扩展及便于程序维护等特点。为了编制模块程序，先要将软件功能划分为若干子功能模块，然后确定出各模块的输入、输出及相互间的联系。第7章单片机应用系统设计与开发图7―2单片机应用系统软件的一般结构第7章单片机应用系统设计与开发7.3单片机应用系统的一般结构1.单机结构单机结构是指在单片机应用系统中只有1个单片机。这种结构是目前单片机应用系统采用最多的一种结构，它适用于小规模的单片机应用系统。第7章单片机应用系统设计与开发典型的单机软硬件结构框图如图7-1与图7-2所示。前面所叙述的单片机应用系统的设计方法是针对单机结构而言的。单机结构的优点是设计简单、系统紧凑，对于小规模应用系统具有最佳的性能/价格比。但在大规模应用系统中，由于单机结构难以实现多任务处理及高速度运行，因而无法满足系统功能与性能的要求。第7章单片机应用系统设计与开发2.多机结构多机结构是指在单片机应用系统中有多个单片机同时工作。这种结构是面向大规模单片机应用系统的。由于拓扑结构不同，多机结构又分为多级多机分散控制结构与局部网络结构，其中多级多机分步式控制结构在目前应用较为广泛。多级多机分步式控制结构的典型代表是两级多机分步式控制系统。它的拓扑结构如图7－3所示。第7章单片机应用系统设计与开发图7―3两级多机分散控制系统结构第7章单片机应用系统设计与开发如果单片机允许外部扩展数据存储器，则可以采取多端口共享存储器结构实现主机系统与单片机系统的通信。这也是目前采用较多的一种方法。多端口存储器互连结构如图7－4所示。主机系统与单片机系统都可以对共享存储器进行读写操作，这样，主机系统的信息与单片机系统的信息可以通过共享存储器加以交换，实现其通信目的。为了防止数据冲突，对共享存储器应作如下处理：·给共享存储器每个端口规定不同的优先级，防止数据竞争。·对共享存储器进行分区，使得每个单片机系统与主机系统间交换的数据仅在它们拥有的固定存储区上存储，防止数据串扰。第7章单片机应用系统设计与开发图7―4多端口共享存储器互连结构第7章单片机应用系统设计与开发7.4单片机应用系统的调试单片机应用系统调试是系统开发的重要环节。当完成了单片机应用系统的硬件、软件设计和硬件组装后，便可进入单片机应用系统调试阶段。系统调试的目的是要查出用户系统中硬件设计与软件设计中存在的错误及可能出现的不协调问题，以便修改设计，最终使用户系统能正确可靠地工作。第7章单片机应用系统设计与开发最好能在方案设计阶段就考虑系统调试问题，如采取什么调试方法、使用何种调试仪器等，以便在系统方案设计时将必要的调试方法综合进