单机片原理及实用技术第8章单片机应用系统设计

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1、第8章单片机应用系统设计8.1系统设计内容8.2系统开发过程8.3系统设计方法8.4系统调试8.5SPCE061A系统设计举例8.1系统设计内容8.1.1系统硬件组成单片机的典型应用系统应包括单片机(CPU)模块、用于检测信号的传感器输入模块、控制输出模块以及基本的人机对话模块等。对于单机系统不能满足要求时，应采用多机系统，即包含多个单片机系统及机与机之间的通信模块。一个单片机应用系统框图如图8.1所示。1.输入模块输入模块是单片机与测控对象连接的部分，是系统数据采集的输入通道。通常，来自测控对象的现场信息是多种多样的，

2、按物理量的特征可分为模拟量和数字量两种。数字量输入：对于数字量的采集，输入比较简单，只需进行光电隔离，可直接作为计数输入。模拟量输入：模拟量输入通道比较复杂，一般包括传感器、隔离放大器、滤波、采样保持器、多路电子开关、A/D转换器及其接口电路等。传感器：用来采集现场的各种信号，并将其变换成电信号，以满足单片机的输入要求。现场信号有各种各样，有电信号(如电压、电流、电磁量等)，也有非电量信号(如温度、湿度、压力、流量、位移量等)，对于不同物理量应选择相应的传感器。这一部分也是计算机专业学生的一个薄弱环节，要成为系统设计师、

3、总工程师，就必须从全局出发，对系统涉及到的各个领域都十分清楚。在此提出来，请读者注意拓宽自己的知识面。隔离放大与滤波：一般情况下传感器的输出信号比较微弱，不能满足系统的要求，要经过放大处理后才能作为输入信号。另外，信息来自各种工业生产现场，存在大量的工业噪音干扰。为了提高系统的可靠性，必须采取隔离措施，滤掉干扰，这是整个系统抗干扰设计的重点部位。多路电子开关：用多路电子开关实现一个A／D转换器对多路模拟信号进行转换，是受单片机控制的多路模拟电子开关，某一时刻需要对某路模拟信号进行转换，由单片机向多路电子开关发出路地址信息

4、，把该路模拟信号与A/D转换器接通，其它模拟信号与A/D转换器隔离，从而实现用一个A/D转换器对多路信号的转换。综上所述，输入模块具有以下特点：(1)与现场采集对象相连，是现场干扰进入系统的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位。(2)由于所采集的对象不同，有模拟量、数字量，而这些信号都是由现场的传感器产生的，信号不能满足要求，故必须有信号处理电路，如测量放大器、I/F变换、A/D转换、放大、整形电路等。(3)输入模块是一个模拟电路和数字电路混合系统，电路功耗低，信号功率小。2．输出模块输出模块的特点如下：(1)输出模

5、块是应用系统的输出通道，通常需要信号锁定和功率驱动。(2)驱动现场，控制系统的大功率负荷易从该通道进入单片机系统，干扰系统正常工作，因此，输出信号的隔离对系统的可靠性影响很大。系统设计时必须十分重视。(3)根据控制对象的不同要求，电路有多种多样，有模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流信号输出、电压信号输出、开关量输出及数字量输出等，视具体系统的实际情况而定。3．人机对话模块人机对话模块是单片机应用系统中人机之间信息交流的主要通道，是用户为了对应用系统进行干预(如启动、参数设置等)以及了解应用系统运行状态所设

6、置的对话通道。主要有键盘、显示器、打印机等接口。人机对话模块有以下特点：(1)由于常用的单片机系统大多数是小规模嵌入式系统，因此，系统中人机对话设备的配置都较小，如微型打印机、功能键、LED／LCD显示器等。若需高水平的人机对话配置，如通用打印机、CRT、硬盘、标准键盘等，则往往将单片机系统通过外部总线与PC机相连享用PC机的外围设备。(2)单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多采用内总线形式，与系统扩展密切相关。(3)人机对话模块接口一般都采用数字电路，结构简单，可靠性较高。4．通信模块单片机系统中的通信模块是解决计

7、算机系统间相互通信的接口。在较大规模的多机测控系统中，还需要设计相互通信接口。通信模块设计中须考虑如下问题：(1)单片机具有异步串行通信口，很容易实现串行通信。(2)单片机本身的串行口为系统通信提供了硬件支持，并没有提供标准的通信规约。因此，利用单片机串行口构成系统时，要有相应的通信规约并配置相关的通信软件。(3)通信接口采用数字通信，抗干扰能力强。8.1.2系统设计内容1.硬件设计(1)最小系统设计是给单片机配以必要的外围器件构成单片机最小系统。如片内有程序存储器的机型89C51、87C51、凌阳SPCE061A等，只

8、需在片外设置电源、复位电路和时钟源便构成了最小系统，可实现一些基本功能。(2)系统扩展设计是在单片机最小系统基础上，配置能满足应用系统要求的外围器件。(3)接口电路设计是根据应用系统的性质与任务，设计相应的输入隔离放大器和输出驱动电路。(4)通信模块设计即通信模块通常采用单片机本身提供的串行通信接口，实现与其它设备、