单片机原理及应用设计 教学课件 作者 白林峰 李国厚 主编 孔晓红 副主编第8章 单片机应用系统设计.ppt

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1、第8章单片机应用系统设计单片机主要用于计算机外设、实时控制、仪器仪表、通信和家用电器等各个领域，是计算机技术和电子技术的综合性应用，在不同的应用场合的技术要求各不相同，因此设计方法和研制的步骤不完全一样。本章主要针对大多数应用环境来阐述单片机应用系统的一般开发过程和方法，并就应用系统的可靠性设计和故障诊断等内容进行讨论。一、单片机应用系统设计的一般过程单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件是指MCU、存储器、I/O接口和外设等物理器件的有机组合，软件是指系统监控程序的总称。在开发的过程中，它们的设计不能完全分开，二者需要互相配合、不

2、断调整才能组成高性能的应用系统。下面分别简要予以讨论。1.总体设计2.硬件设计硬件设计的任务是根据总体要求，在所选的MCU和各个元器件型号的基础上设计出系统的电路原理图，做一些必要的部件实验，以及工艺结构的设计加工，印刷电路板的设计制作和样机的组装等。3.软件设计在软件设计中一般需考虑以下几个方面：（1）根据要求确定软件的具体任务细节，然后确定合理的软件结构。（2）程序的结构一般常用模块化结构，即把监控程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块分别设计，以便于调试。（3）在进行程序设计时，先根据问题的定义描述出各个输入变量和输出

3、变量之间的数学关系，即建立数学模型，然后绘制程序流程图，再根据流程图用汇编语言或高级语言进行具体程序的编写。在程序设计完成后，利用相应的开发工具和汇编软件进行程序的汇编（或编译），生成程序的机器码。二、单片机开发系统在前面的章节中已经逐步地讨论了单片机系统的硬件和软件设计，但采用这些知识设计的应用系统可能无法正常工作，其原因主要有以下几个方面：（1）要将汇编语言或高级语言的源程序转化为单片机能够识别的机器代码，并写入到程序存储器芯片中。（2）在源程序中使用的许多符号地址或以符号的形式给出的数据要赋予特定的数据。（3）不能确定硬件系

4、统是否工作正常。（4）无法确定软件系统是否完善。（一）单片机开发系统的组成与分类1.单片机开发系统的组成单片机开发系统也是一种计算机系统，是专门用来开发单片机应用系统的一种工具，通常由一台PC机，一台通用仿真器和一个编程器组成，其组成如图8-1所示。PC机仿真器应用系统编程器2.单片机开发系统的分类实际单片机开发系统的结构和特点各不相同，目前主要有以下几种形式：（1）单板开发机系统（2）高级开发系统（3）模拟开发系统（二）单片机开发系统的功能1.编辑、汇编或编译程序的功能2.查错功能3.仿真功能三、单片机应用系统的调试与故障诊

5、断（一）系统的调试1.硬件调试2.软件调试（二）系统的故障诊断单片机应用系统在设计完成投入使用后，不可避免地会出一些问题。能否快速地使系统从故障状态恢复正常工作，是系统故障诊断要讨论的核心问题。1.搜索故障区（1）同类比较法。（2）分段检查法。（3）隔离压缩法。（4）故障跟踪法。（5）直接检查法。（6）振动查找法。2.系统级故障诊断在单片机系统的电气连接没有问题的条件下，可以进一步利用程序存储器中固化的系统自检程序对系统进行预定的几项检查。四、单片机系统的可靠性设计单片机应用主要是针对工业控制和智能化仪器仪表，所以系统的可靠性是最

6、基本而又最重要的技术指标。（一）系统的可靠性设计单片机系统的可靠性设计包括硬件和软件两个方面。下面分别简要加以介绍。（1）硬件的可靠性设计（2）软件的可靠性设计（二）单片机应用系统的抗干扰设计在单片机应用系统中，影响系统正常工作的主要因素是来自系统内部和外部的各种干扰。（1）干扰源及干扰途径（2）硬件抗干扰措施根据干扰的产生及传输特点，在硬件上可以采取以下措施：(1）硬件屏蔽。(2）光电隔离。(3）电源滤波。(4）电源去耦。(5）在满足要求的前提下尽量用较低的时钟频率和低频的器件。(6）合理布置元件在线路板上的位置，把模拟电路、高

7、速数字电路和产生噪声的功率驱动部分合理地分开，各部件之间的引线尽量短，对各种输入/输出线分类打把，以减少寄生电容的干扰。(7）系统中芯片的未用端不要悬空，应根据实际情况接到电源端、地端或已用端。(8）尽量不用IC插座，而将集成电路直接焊接在电路板上。（三）软件抗干扰措施在软件设计中，可以采取适当的处理来提高系统的可靠性，以保证当系统受到干扰时仍能正常地工作。通常可以采取以下一些措施：（1）在程序中插入空操作指令实现指令冗余。（2）对未用的中断向量进行处理。（3）采用超时判断克服程序的死锁。（4）采用软件陷阱。（5）采用看门狗。（6

8、）采用数字滤波.为了提高数据采集的可靠性，减小虚假信息的影响，可以采用数字滤波的方法，如程序判断滤波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、一阶滞后滤波等。①程序判断滤波适用于对采样信号因受到随机干扰或传感器不稳定而引起的失真进行滤波。②