第9章 单片机应用系统开发技术

单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术1第9章单片机应用系统开发技术总体要求：●了解单片机的开发系统及开发工具●掌握单片机应用系统软、硬件设计的基本方法●了解单片机应用系统抗干扰设计的基本方法●理解单片机应用系统调试的基本方法●了解应用实例软、硬件设计过程单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术2学习重点：●单片机应用系统的设计原则与过程目前，MCS-51系列单片机以其独特优越的性能和低廉的价格，在工业实时控制、智能化仪表、数据采集、计算机通信等各个领域得到了极为广泛的应用。本章将结合单片机的特点，从应用角度出发，对单片机应用系统的设计、开发工具和应用实例作进一步的分析和讨论。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术9.1单片机的开发系统及开发工具9.2单片机应用系统的设计原则与过程9.3单片机应用系统的抗干扰设计9.4单片机应用系统实例3单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术49.1单片机的开发系统及开发工具9.1.1单片机的开发系统1.概述单片机应用系统建立以后，电路正确与否，程序是否有误，怎样将程序装入机器等，这都必须借助单片机开发系统装置来完成。单片机开发系统是单片机编程调试的必需工具。单片机开发系统和一般通用计算机系统相比，在硬件上增加了目标系统的在线仿真器、编程器等部件，所提供的软件除有类似一般计算机系统的简单的操作系统之外，还增加了目标系统的汇编和调试程序等。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术5⑴在线仿真功能在线仿真器简称ICE（InCircuitEmulator），是由一系列硬件组成的单片机开发装置。①仿真功能在线仿真时，开发系统应能将在线仿真器中的单片机完整地出借给目标系统，不占用目标系统单片机的任何资源。②模拟功能在开发目标系统的过程中，单片机的开发系统允许用户使用它内部的RAM存储器和I/O来替代目标系统中的ROM程序存储器、RAM数据存储器和I/O，使用户在目标系统样机还未完全配置好以前，便可以借用开发系统提供的资源进行软件的开发。2.单片机开发系统的功能单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术6⑵调试功能开发系统的调试功能应包含以下几个方面：①运行控制功能开发系统应能使用户有效地控制目标程序的运行，以便检查程序运行的结果，对存在的硬件故障和软件错误进行修改。至少应具有下列运行模式：a)单步运行：从任意的程序地址开始执行一条指令后停止运行。b)断点运行：允许用户任意设置断点，从规定地址开始运行后，遇到符合条件的断点后停止运行。c)连续运行：从指定地址开始，连续地、全速地运行目标程序。d)起停控制：允许用户根据需要启动或停止运行目标程序。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术7②对目标系统状态的读出、修改功能当CPU停止执行目标系统的程序后，允许用户方便地读出或修改目标系统所有资源的状态，以便检查程序运行的结果。可供用户读出、修改的目标系统资源应包括：a)程序存储器(开发系统中的仿真ROM或目标机中的ROM)；b)单片机片内资源(工作寄存器、特殊功能寄存器、I/O口、RAM及位存储单元)；c)系统中扩展的RAM和I／O口。③跟踪功能单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术8⑶辅助设计功能单片机开发系统的辅助设计功能体现在以下几个方面：①程序编辑②程序设计语言③其他软件功能⑷程序固化功能当单片机应用系统程序调试完成后，需要把目标程序写入目标机的ROM中，这个过程称为程序固化。固化时需要有适当的编程电压和硬软件条件，开发系统应具有这种功能。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术93.开发系统的分类目前国内用于MCS-51系列单片机的开发系统很多，大致可分为以下四种：（1）通用型单片机开发系统（2）实用型开发系统（3）通用机开发系统（4）模拟开发系统单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术109.1.2单片机应用系统的开发工具1.开发工具概述一个单片机应用系统经过预研，总体设计、硬件设计、软件设计、制版、元器件安装后，在系统程序存储器中写入编制好的应用程序，系统即可运行。但一次性成功几乎是不可能的，多少会出现一些硬件或软件上的错误，需通过调试来发现和改正错误。然而单片机应用系统本身并无自开发能力，仅靠万用表、示波器等常规工具显然是不够的，通常要借助于一个特殊的计算机系统来完成，这个特殊的计算机系统称为单片机开发系统或单片机开发机（仿真器）。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术112．开发工具的主要作用单片机开发系统与一般的通用计算机系统相比，在硬件上增加了目标系统在线仿真器、编程器，所提供的软件除计算机系统一般的操作系统外，还增加了汇编、反汇编和调试程序等。其主要作用是：①对系统硬件电路诊断、检查；②应用程序的输入和修改；③程序调试、单步运行、设置断点运行，各寄存器状态查询；④将程序固化到ROM中去。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术129.2单片机应用系统的设计原则与过程9.2.1单片机应用系统的设计原则通常我们要求单片机系统应具有可靠性高、性价比高、操作维护方便和设计周期短等特点，下面我们将对这几点作详细讨论。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术131．高可靠性①使用可靠性高的元器件，以防止器件的损坏影响系统的可靠运行。②对供电电源采用抗干扰措施。③采用双机系统。④设计电路板时布线和接地要合理，严格安装硬件设备及电路。⑤输入输出通道抗干扰措施。⑥进行软硬件滤波。⑦采用必要的冗余设计或增加系统自诊断功能。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术142．高性能价格比单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。因此，在设计时，除了保持高性能外，简化外围硬件电路，在系统性能和速度许可的范围内，尽可能用软件程序取代硬件功能电路，以降低系统的制造成本。3．操作维护方便操作方便表现在操作简单、直观形象和便于操作，应从普通人的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利用系统的推广。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术154．设计周期短系统设计周期是衡量一个产品有无效益的一个主要依据，只有缩短设计周期，才能有效地降低设计成本，充分发挥新系统的技术优势，及早地占领市场并具有一定的竞争力。9.2.2单片机应用系统的设计过程1．系统总体设计系统总体设计是单片机系统设计的前提，合理的总体设计是系统成败的关键。总体设计关键在于对系统功能和性能的认识和合理分析，系统单片机及关键芯片的选型，系统基本结构的确立和软、硬件功能的划分。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术16图9-1单片机系统研制过程框图单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术172．硬件设计硬件和软件是单片机控制系统的两个重要方面，硬件是基础，软件是关键，但两者又是可以相互转化的。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。⑴设计硬件原理图⑵程序存储器⑶数据存储器和I/O接口数据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RAM芯片，以减少存储器芯片数目，使译码电路简单，但应避免盲目地扩大存储容量。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术18⑷地址译码电路⑸总线驱动能力⑹系统速度匹配⑺抗干扰措施另外，可以采用隔离放大器、光电耦合器件抗除输入/输出设备与系统之间的地线干扰；采用差分放大器抗除共模干扰；采用平滑滤波器抗除噪声干扰；采用屏蔽手段抗除辐射干扰等。最后，应注意在系统硬件设计时，要尽可能充分地利用单片机的片内资源，使自己设计的电路向标准化、模块化方向靠拢。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术193．软件设计软件是单片机应用系统中的一个重要组成部，图9-2给出了软件设计的流程图。单片机应用系统的软件设计是研制过程中任务最繁重的一项工作，难度也比较大。对于某些较复杂的应用系统，不仅要使用汇编语言来编程，有时还要使用高级语言。⑴软件方案设计⑵建立数学模型⑶软件程序流程图设计⑷编制程序⑸软件检查单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术20图9-2软件设计流程图单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术214．系统调试单片机应用系统的总体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。系统调试包括硬件调试、软件调试和软、硬件联调。根据调试环境不同，系统调试又分为模拟调试与现场调试。系统调试的一般过程如图9-3。各种调试所起的作用是不同的，它们所处的时间段也不一样，不过它们的目的都是为了查出用户系统中存在的错误或缺陷。在调试过程中要不断调整、修改系统的硬件和软件，直到其正确为止。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术22图9-3系统调试的一般过程单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术23⑴单片机应用系统调试工具在单片机应用系统的调试过程中，常用的调试工具有以下几种。①单片机开发系统②万用表③逻辑笔④逻辑脉冲发生器与模拟信号发生器⑤示波器⑥逻辑分析仪⑵单片机应用系统的一般调试方法单片机应用系统的一般调试方法有。①硬件调试：a)静态调试b)动态调试单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术24②软件调试：a)先独立后联机b)先分块后组合c)先单步后连续③系统联调：a)软、硬件能否按预定要求配合工作b)系统运行中是否有潜在的设计时难以预料的错误c)系统的动态性能指标（包括精度、速度参数）是否满足设计要求。④现场调试现场调试对用户系统的调试来说是最后必需的一个过程，只有经过现场调试的用户系统才能保证其可靠地工作。现场调试仍需利用开发系统来完成，其调试方法与前述类似。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术259.3单片机应用系统的抗干扰设计9.3.1硬件抗干扰设计由于各应用系统所处的环境不同，面临的干扰源也不同，相应采取的抗干扰措施也不尽相同。在单片机应用系统的设计中，硬件抗干扰措施主要从下面几个方面考虑。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术261．电源的干扰及抗干扰措施对于单片机应用系统来说，最严重的干扰来源于电源。由于任何电源及辅电线都存在内阻、分布电容和电感等，正是这些因素引发了电源的噪声干扰。一般解决的方法是：(1)采用交流稳压电源保证供电的稳定性，防止电源的过电压和欠电压。(2)利用低通滤波器滤除高次谐波，改善电源波形。(3)采用隔离变压器，并使其一次侧、二次侧之间均采用屏蔽层隔离，以减少其分布电容，提高抗共模干扰能力。(4)采用分散独立功能块供电，以减少公共阻抗的相互耦合以及公共电源的相互耦合。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术272．输入输出通道干扰及抗干扰措施(1)输入输出通道是单片机与外设、被控对象进行信息交换的渠道。由输入输出通道引起的干扰主要由公共地线引发，其次是受到静电噪声和电磁波干扰。常用的方法有：(2)摸拟电路通过隔离放大器隔离，数字电路通过光电耦合器隔离。模拟接地和数字接地严格分开，隔离器输入回路和输出回路的电源分别供电。(3)用双绞线作长线传输线能有效地抑制共模噪声及电磁场干扰，并应对传输线进行阻抗匹配，以免产生反射，使信号失真。(4)传感器后级的变送器应尽量采用电流型传输方式，因电流型比电压型抗干扰能力要高。单片机原理及应用第9章单片机应用系统开发技术283.电磁场干扰及抗干扰措施(1)对干扰源进行电磁屏蔽（如变压器、继电器等）。(2)对整个系统进行电磁屏蔽，传输线采用屏蔽线。4．印制电路板及电路的抗干扰措施(1)将强、弱电路严格分开，尽量不要把它们设计在一块印制电路扳上。(2)电源线的走向应尽量与数据传输方向一致。(3)电源的地线应尽量加粗。(4)在大规模集成电路芯片的供电端都应加高频滤波电容，在各个供电接点上还应