微型计算机硬件结构

1、微型计算机硬件结构——常见的微机外形2、硬件系统——构成微机的实体和装置3、软件系统——微机系统所使用的各种程序的总称4、软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统，两者是相辅相成、缺一不可的。5、单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机——单片机实质上就是一个芯片二、单片机种类1单片机的发展经历了由4位机到8位机,再到16位机的发展过程◆生产厂商：美国微芯片公司:PIC16C××系列、PIC17C××系列、PIC1400系列，美国英特尔公司的MCS-48和MCS-51系列，美国摩托罗拉公司的MC68HC05系列和MC68HC11系列，美国齐洛格公司的Z8系列，日本电气公司的μPD78××系列，美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的F8（3870）系列等1）组成：均有CPU(进行运算、控制)；RAM(数据存储器)；I/O口(串口、并口等)；ROM(程序存储器)等。区别：PC机：上述部件以芯片形式安装在主板上。单片机：上述部件被集成到单芯片中。PC还包括：键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、音箱、打印机、扫描仪…等外设。单片机：只是一片集成电路。（……100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。（2）功能区别：PC机：擅长于数据运算、采集、处理、存储、传输；单片机：控制（或受控于）外设。单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备/系统中，使其达到智能化的效果。三.单片机的特点体积小，重量轻电源单一，功耗低功能强，价格低运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高可以嵌入到机电、电气、电子产品中——嵌入式应用系统第二章四：单片机内部功能部件有哪些及作用1单片机应用系统:由硬件系统和软件系统组成硬件是应用系统的基础软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可2单片机内部功能部件作用中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。输入、输出串行口：一个全双工串行口。通讯用。中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ。为CPU提供时钟的。驱动单片机进行工作。其他：AD,DA显示等3单片机内部功能部件作用-时钟振荡电路单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。MCS-51单片机内部具有一个时钟振荡电路，只需要外接振荡器，即可为各部分提供时钟信号。典型的时钟电路——在电路中，电容通常取30pF，晶振的取值通常为：1MHz-33MHz（不同型号的单片机的上限频率可能有差别）。4复位电路复位电路的作用:（1）上电时保证系统元件从初始状态开始，处于一个固定的状态（2）人工能够参与复位（3）系统受到干扰后，运行异常，自动复位。5中断功能1）中断是指由于某种随机事件的发生，计算机暂停现行程序的运行，转去执行另一程序，以处理发生的事件，处理完毕后又自动返回原来的程序继续运行。2）将能引起中断的事件称为中断源。3）CPU现行运行的程序称为主程序。4）处理随机事件的程序称为中断服务子程序。中断技术的优点分时操作1XTAL1XTAL2C1C2晶振8051至内部时钟电路+C122uFR11KGND+5VVccRST/VPDVssMCS-51+C122uFR11KGND+5VVccRST/VPDVssMCS-51R2200RSTMCS-51R2R1﹠MAX813LPFIMRRESETWDOWDI稳压电源P1.0——CPU可以同多个外设“同时”工作实时处理——CPU及时处理随机事件故障处理——电源掉电、存储出错、运算溢出6单片机应用系统组成单片机应用系统:由硬件系统和软件系统组成硬件是应用系统的基础软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可单片机应用系统设计内容与设计思路7单片机应用系统设计内容与设计思路内容：1）单片机主系统设计-硬件（单片机主系统设计；接口电路及外设设计(包括抗干扰设计）包括：选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。单片机内容的功能单元如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。--系统开展按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、模拟量/数字量的转换器等，设计合适的接口电路。原则：1尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。2应充分满足应用系统的功能要求，并留有余地。3硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但应注意，系统运行速度,实时性.4系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。5必须进行可靠性及抗干扰设计.包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。6单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力）2)接口电路及外设设计(包括抗干扰设计）-硬件3)应用软件设计(包括抗干扰设计）（内容：建立数学模型；编程序。（1）应对被控对象的物理过程和计算任务进行全面分析，并从中提炼出数学表达式，即建立数学模型。（2）数学模型的形式是多样的，可以是一系列数学表达式，可以是数学推理和判断，也可以是运行状态的模拟。例如：在测量系统中从模拟输入通道得到的温度、流量、压力等现场信息与该信号对应的实际值往往存在非线性关系，需要进行非线性补偿。非线性补偿常用方法有：查表法、插值法、曲线拟合等。）主系统设计内容a.单片机选型；b.MSC-51系列片内有程序存储器的机型，只需在片外配上电源、复位电路、振荡电路，这样便于对单片机系统进行测试与调试。c.配置能满足应用系统要求的一些外围功能器件。思路：步骤：总体设计阶段、硬件设计、软件设计及系统调试和维护硬件设计:选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。软件设计:软件流程设计、编程和调试。系统调试与性能测定：硬件软件联调与优化。文件编制:设计思想及设计方案论证、硬件电路图及元器件清单、软件流程图及程序清单、调试记录、性能测定及现场试用报告、使用说明等。（1）总体设计：需求分析，方案论证。（2）需求分析:被测控参数的形式（电量、非电量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。单片机应用系统单片机＋接口电路及外部设备等＋软件硬件（3）方案论证:根据要求设计出符合现场条件的软硬件方案，又要使系统简单、经济、可靠，这是进行方案论证与总体设计一贯坚持的原则。8标度变换及其程序设计（1）概念：各种被测量不仅量纲不同，其数值变化范围也相差很大。为了便于数据采集，各信号对应的传感器均将他们要处理成与A/D转换器输入特性相匹配的电压信号（如0～5V）送至计算机。即：无论何种量纲信号，计算机通过A/D得到的数字信号是一样的，不是实际数值。为了使显示、记录、打印等结果能反映被测量的实际数值，就必须对A/D转换后的数字信号进行变换。这种测量结果的数字变换就是标度变换（2）线性仪表的标度变换对于具有线性特性的仪表，其标度变换可用如下公式表示Am为测量上限；Nm为上限所对应的数字量；A0为测量下限；N0为下限所对应的数字量。AX为实际测量值；NX为实际测量值所对应的数字量程序设计：标度变换需要进行加、减、乘、除算术运算。为了实现上述运算，可以设计一个专用的标度变换子程序，需要时调用这一子程序即可。变换运算中所需常数可由程序到存储器中约定单元提取。例如约定A0、Am、A0、Nm分别存放在以符号ALOWER、AUPPER、NLOWER、NOPPER表示的内存单元中，和分别存放在符号SAMP、DATA表示的单元中.（3）非线性测量的标度变换1)分段拟合法序(分段线性化)在（xi，xi＋1）之间(段)，其对应的线性逼近值为：实现线性插值的步骤如下：①将校准曲线进行分段，选取各插值基点。②确定各插值点值，计算值，拟合直线段的斜率值，全部按一定规律存放在存储器中编程:(1)根据测量结果，确定Nx所在区间（Ni，Ni＋1），取得该段斜率ki，插值基点值Yi。9数字滤波：（1）：1）算术平均滤波程序——对目标参数进行连续采样，然后去掉最大值和最小值；最后，求取算术平均值作为有效采样值，该算法适用于抑制随机干扰。即：将顺序m次采样值相加，取其算术平均值作为一次采样真值，即:2）m取决于平滑度、速度和灵敏度，因为随m值的增大，平滑度可提高，但速度降低，灵敏度降低。采样次数m太小则效果不明显，滤除脉冲干扰的效果不好。还应注意，若取m=2n，则除法运算转成二进制数的逻辑右移，可提高处理速度。（2）中值滤波程序——中值滤波就是对某一被测量连续采样n次（一般为奇数次），然后将n个采样数据进行排序，而取中间值作为本次采样真值。此滤波程序对消除脉冲性质的干扰影响比较有效。如果时间允许，可在排序后将最大和最小的n个数去掉，再求剩余数据的算术平均值。0000()XXmmNNAAAANN11niiyXm（3）低通数字滤波器模型：在模拟滤波技术中，RC低通滤波器是最常用的，尤其是如下图所示的一阶RC低通滤波器。b=1-aPID算法-增量数字PID控制输出信号量式中E(n)为当前测量值y(n)与设定值r的偏差；E(n-1)为前次偏差；E(n-2)为前次的前次偏差。第三章备赛“挑战杯”的几个问题（一）选题：（1）要根据科研、生产、教学、生活等各方面社会需要（2）要结合本校的具体条件和特点（3）要考虑《挑战杯》的特点：先进性、科学性、现实意义（4）要掌握较多的信息（5）课题一般不宜过大，但必须有创新。但也不要过小。（6）若选国家项目的子项，则应把研究范围划清（7）同一个学校申报作品不要集中在某一个学科领域，避免自相竞争（8）涉及几个学科领域时，按学术方向或发明点来填写（二）填写作品申报书注意事项：1）仔细阅读《挑战杯》竞赛章程、评审规则和《作品申报书》说明（2）个人作品：1）申报者需承担申报项目60％以上的研究工作2）合作者不超过二人，且均为学生3）合作者学历不高于申报者4）鉴定书、专利证书、发表作品署名均需第一作者（3）集体作品RCx(t)y(t)20lgG1/RC-20ω1nnnyaxby)()1()(nUnUnU))]2()1(2)(()()1()([)1()()(nEnEnETTnETTnEnEKnununUdip)]()()([nETTnETTnEKdip)()(nyrnE))2()1(())1()(()(nEnEnEnEnE)1()()(nEnEnE1）合作者超过二人2）合作者虽不超过二人，但无法区分第一作者（4）正确填报作品类别及学科领域1）科技发明制作A、B类区别2）涉及几个学科领域时，按学术方向或发明点、关键创新点来填写（5）手工填写时，文字要清楚、端正（三）科技发明制作研究报告的撰写：（1）申报科技发明时制作类作品必须附有研究报告（2）研究报告一般要有摘要、研究目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标、作品的科学和先进性、作品的设计、制作、试验、作品的适用范围和应用前景预测、参考文献等内容。（3）研究报告需附有相关曲线、试验数据、原理结构图、实物外观图（照片）等，也可附以鉴定证书，应用证明和专利证。（4）研究报告应层次分明、条理清楚、文句简明、流畅。摘要写作规范1）摘要是对“论文的内容不加注释和评论的简短陈述”。是一篇具有独立性和完整性的短文。2）常采用无人称语句或第三人称。注意：摘要不分段,不列举例证,不描述研究过程,不做自我评价。