第七章单片机应用系统设计概述 71单片机应用系统设计概述 7.11单片机应用系统的分类 按照单片机系统扩展与系统配置的状况,单片机应用系统可分为最小系统、典型应 用系统和增强应用系统等。 1最小应用系统 最小应用系统是指能维持单片机运行的最简配置系统。这种系统结构简单、成本低 廉,常构成一些简单的控制系统,如开关状态的输入/输出控制、时序控制等 这种应用系统的硬件电路构成很简单,对于片内有 EPROM的单片机,只要配上晶 振、复位电路和电源就可以构成最小应用系统。而对于片内无 EPROM的单片机,其最 小应用系统除了配置晶振、复位电路和电源外,还需扩展程序存储器。图7-1所示是8031 的最小系统 最小应用系统的功能完全取决于单片机芯片技术水平 TALI 20p XTAL2 74ts373 2716 IHRESET ALE 图7-18c31的最小系统 2典型应用系统 典型应用系统是指单片机要完成一般工业测、控功能所必须具备的硬件结构系统。 它包括系统扩展与系统配置两部分内容。 系统扩展是指在单片机内部程序存储器(ROM/ EPROM)、数据存储器(RAM及输入 /输出(/O口等部分不能满足系统要求时,需在片外扩展的部分。扩展多少,视系统 要求而定。 系统配置是指单片机为满足应用要求所应配置的基本外部设备,如键盘、显示器等。 单片机典型应用系统如图7-2所示
- 1 - 第七章 单片机应用系统设计概述 7.1 单片机应用系统设计概述 7.1.1 单片机应用系统的分类 按照单片机系统扩展与系统配置的状况，单片机应用系统可分为最小系统、典型应 用系统和增强应用系统等。 1 最小应用系统 最小应用系统是指能维持单片机运行的最简配置系统。这种系统结构简单、成本低 廉，常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入／输出控制、时序控制等。 这种应用系统的硬件电路构成很简单，对于片内有 EPROM 的单片机，只要配上晶 振、复位电路和电源就可以构成最小应用系统。而对于片内无 EPROM 的单片机，其最 小应用系统除了配置晶振、复位电路和电源外，还需扩展程序存储器。图 7-1 所示是 8031 的最小系统。 最小应用系统的功能完全取决于单片机芯片技术水平。 2 典型应用系统 典型应用系统是指单片机要完成一般工业测、控功能所必须具备的硬件结构系统。 它包括系统扩展与系统配置两部分内容。 系统扩展是指在单片机内部程序存储器(ROM／EPROM)、数据存储器(RAM)及输入 ／输出(I／O)口等部分不能满足系统要求时，需在片外扩展的部分。扩展多少，视系统 要求而定。 系统配置是指单片机为满足应用要求所应配置的基本外部设备，如键盘、显示器等。 单片机典型应用系统如图 7-2 所示
EPRO 显示 单片机 ROM I/O扩展 图7-2典型应用系统框图 3增强应用系统 增强应用系统是指包含为了加强典型系统的人机对话、与其他设备通讯和系统测控 而增设外设与接口的系统,如图7-3所示 外设增强部分主要是外设接口,通常采用标准外部总线,如RS-232C通用串行接 口、IEEE一488仪器接口和圣特尼克( Centronic)打印机接口等。 外部设备配置的接口可以通过I/O口或扩展的I/O口构成,通常可按打印机、绘 图仪、磁带机和CRT等 口1量接只发判的数想考机有标C总口23C或计标谁接 测控增强部分主要是传感器接口与伺服驱动控制接口。它们直接与工业现场相连 是干扰进入系统的主要渠道,一般都要采取隔离措施。 测控接口一般分为输入采集与输出控制 数字量检测 先电隔腐 模拟量检测一A0D 通 型应用系统 用 干关量检测 光电隔离 外 设 干关量控制 光电隔离 伺服驱 动控制 D/A 测控增强 外设增强 图7-3增强应用系统框图 对于数字量(频率、周期、相位、计数)的采集,其输入比较简单,数字脉冲可直接 作为计数输入、测试输入、I/O口输入或作中断源输入进行事件计数、定时计数,实 现脉冲的频率、周期、相位及计数测量。对于模拟量的采集,需要通过A/D变换后才 能送总线或扩展I/O口,并要配以相应的A/D转换控制信号及地址线。对于开关量
- 2 - 3 增强应用系统 增强应用系统是指包含为了加强典型系统的人机对话、与其他设备通讯和系统测控 而增设外设与接口的系统，如图 7-3 所示。 外设增强部分主要是外设接口，通常采用标准外部总线，如 RS 一 232C 通用串行接 口、IEEE 一 488 仪器接口和圣特尼克(Centronic)打印机接口等。 外部设备配置的接口可以通过 I／O 口或扩展的 I／O 口构成，通常可按打印机、绘 图仪、磁带机和 CRT 等。 通信接口实现系统与外界的数据交换，常用串行标准接口 RS－232C 或并行标准接 口 I IEEE－488 等。飞利浦的某些型号单片机集成有 CAN 总线接口。 测控增强部分主要是传感器接口与伺服驱动控制接口。它们直接与工业现场相连， 是干扰进入系统的主要渠道，一般都要采取隔离措施。 测控接口一般分为输入采集与输出控制。 对于数字量(频率、周期、相位、计数)的采集，其输入比较简单，数字脉冲可直接 作为计数输入、测试输入、I／O 口输入或作中断源输入进行事件计数、定时计数，实 现脉冲的频率、周期、相位及计数测量。对于模拟量的采集，需要通过 A／D 变换后才 能送总线或扩展 I／O 口，并要配以相应的 A／D 转换控制信号及地址线。对于开关量
的采集则一般通过光电隔离输入I/O口或扩展I/O口 应用系统可根据任何一种输入条件或内部运行结果进行输出控制。开关量输出控制 有信号开关阵列、时序开关和逻辑开关等,一般是通过I/O口或扩展I/O口输出。模 拟量的输出常为伺服驱动控制,控制输出通过D/A变换后送入伺服驱动电路 7.12单片机应用系统的构成方式 单片机应用系统有三种结构方式 1专用系统 这种系统的扩展与配置完全是按照应用系统的功能要求设计的。系统硬件只需满足 应用要求,系统中只配备应用软件(固化在ROM或 EPROM中),故系统有最佳配置 系统的软应件资源能得到最充分的利用。但这种系统无自开发能力,要有开发工具的支 持。采用这种结构方式,要求有较强的软硬件开发基础。 专用系统主要用在大批量生产的仪器、设备和家用电器等方面作测控用。一般不需 要很多按键,甚至可以不要 2模块化系统 由于单片机应用系统的扩展与配置具有典型性,可把这些典型配置做成用户系列板 (比如主机板、A/D板、D/A板、A/D/A板、Ⅰ/O板、打印机接口板、通信接口 板等),供用户选择使用。用户可根据应用系统的要求,选择适当的功能模块组合成自 己的测控系统。模块化结构是大、中型应用系统的发展方向,它可以大大减少用户在硬 件开发上投入的力量,且可使硬件开发周期缩到最短。但目前我国单片机应用系统模块 化产品水平尚不高,软硬件配套工作还不完善,有待进一步发展。 3单片单板机系统 受通用CPU单板机(如TP801等)的影响,同时也考虑多种应用目的,国内有用单片 机来构成单片单板机。这种系统的硬件按典型应用系统配置,并配有监控程序,具有自 开发能力。但是,单扳机的固定结构形式常使应用系统不能获得最佳配置(即软硬件资 源不能得到充分利用),产品批量大时,软、硬件资源浪费较大。但这种系统可以减少 研制时的硬件工作量和部分软件工作量,并且具有二次开发能力,故可加速应用系统的 研制速度,缩短开发周期。 713单片机应用系统设计的基本要求 要设计一个最佳的单片机应用系统,设计者必须具备以下几方面的知识和能力。 (1)一定的硬件基础知识。设计者不仅要掌握各种单片机、存储器(如 EPROM、 E2PROM、RAM和I/O接口(如8255、8155、8279及其它功能器件),还要掌握键盘、 开关、检测各种输入量的传感器、控制用的执行装置以及与单片机和各种仪器进行通信 的接口等。 (2)一定的软件设计能力。设计者能根据系统的要求,设计出所需要的程序。比如 数据采样程序、A/D或D/A转换程序、数码转换程序、数字滤波程序、标度变换程 序、键盘处理程序、显示及打印程序以及各种控制算法和非线性补偿程序等等 (3)有综合运用和分析的能力。设计者要能够将一个单片机应用系统的复杂设计任 务划分成许多便于实现的组成部分,尤其是对软件和硬件折衷问题能够恰当地运用。 (4)设计者还要掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法,以及被控对象的 动、静态特性等。 对单片机应用系统设计的基本要求:
- 3 - 的采集则一般通过光电隔离输入 I／O 口或扩展 I／O 口。 应用系统可根据任何一种输入条件或内部运行结果进行输出控制。开关量输出控制 有信号开关阵列、时序开关和逻辑开关等，一般是通过 I／O 口或扩展 I／O 口输出。模 拟量的输出常为伺服驱动控制，控制输出通过 D／A 变换后送入伺服驱动电路。 7.1.2 单片机应用系统的构成方式 单片机应用系统有三种结构方式。 1 专用系统 这种系统的扩展与配置完全是按照应用系统的功能要求设计的。系统硬件只需满足 应用要求，系统中只配备应用软件(固化在 ROM 或 EPROM 中)，故系统有最佳配置， 系统的软应件资源能得到最充分的利用。但这种系统无自开发能力，要有开发工具的支 持。采用这种结构方式，要求有较强的软硬件开发基础。 专用系统主要用在大批量生产的仪器、设备和家用电器等方面作测控用。一般不需 要很多按键，甚至可以不要。 2 模块化系统 由于单片机应用系统的扩展与配置具有典型性，可把这些典型配置做成用户系列板 (比如主机板、A／D 板、D／A 板、A／D／A 板、I／O 板、打印机接口板、通信接口 板等)，供用户选择使用。用户可根据应用系统的要求，选择适当的功能模块组合成自 己的测控系统。模块化结构是大、中型应用系统的发展方向，它可以大大减少用户在硬 件开发上投入的力量，且可使硬件开发周期缩到最短。但目前我国单片机应用系统模块 化产品水平尚不高，软硬件配套工作还不完善，有待进一步发展。 3 单片单板机系统 受通用 CPU 单板机(如 TP801 等)的影响，同时也考虑多种应用目的，国内有用单片 机来构成单片单板机。这种系统的硬件按典型应用系统配置，并配有监控程序，具有自 开发能力。但是，单扳机的固定结构形式常使应用系统不能获得最佳配置(即软硬件资 源不能得到充分利用)，产品批量大时，软、硬件资源浪费较大。但这种系统可以减少 研制时的硬件工作量和部分软件工作量，并且具有二次开发能力，故可加速应用系统的 研制速度，缩短开发周期。 7.1.3 单片机应用系统设计的基本要求 要设计一个最佳的单片机应用系统，设计者必须具备以下几方面的知识和能力。 (1) 一定的硬件基础知识。设计者不仅要掌握各种单片机、存储器(如 EPROM、 E2PROM、RAM)和 I／O 接口(如 8255、8155、8279 及其它功能器件)，还要掌握键盘、 开关、检测各种输入量的传感器、控制用的执行装置以及与单片机和各种仪器进行通信 的接口等。 (2) 一定的软件设计能力。设计者能根据系统的要求，设计出所需要的程序。比如 数据采样程序、A／D 或 D／A 转换程序、数码转换程序、数字滤波程序、标度变换程 序、键盘处理程序、显示及打印程序以及各种控制算法和非线性补偿程序等等。 (3) 有综合运用和分析的能力。设计者要能够将一个单片机应用系统的复杂设计任 务划分成许多便于实现的组成部分，尤其是对软件和硬件折衷问题能够恰当地运用。 (4) 设计者还要掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的 动、静态特性等。 对单片机应用系统设计的基本要求：
可靠性要高 这是应用系统最重要的一个基本要求,尤其是在实时控制系统中,可靠性和实时性 是两项极为重要的指标。这是因为一旦系统出故障,将造成整个生产过程的混乱,监视 或指挥系统失灵,从而导致严重后果。因此,在系统设计过程中,对可靠性的考虑应贯 穿于每一个环节。提高系统的可靠性常用的方法有以下几种 (1)采用双机系统 即用两片单片机作为控制系统的核心控制器,以提高系统的可靠性。由于单片机价 格不高,连接方便,故常常使用双机系统。 (2)采用集散式控制系统 集散式控制系统是一种分级分布式控制方案。这种方案采用多个单片机作为前置处 理机,它们分别完成系统的某部分控制功能,系统则用一个主单片机对各个前置机进行 监督和管理。这种分散控制的系统,可使故障对整个系统的影响减至最小。当某一个前 置机出现故障时,它的影响只是局部的,而且它所担负的任务还可由主机或其它前置机 承担。如主机岀现故障,前置处理机仍可以独立地完成对被控对象的控制,这样就大大 地提高了系统的可靠性 MCS-51单片机的多机通信功能,非常适合于构成集散式控制系统。把一个控制系 统划分成多个相对独立的子系统,每一个子系统由一个8031控制。各个子系统经8031 的串行口和主机通信,接受主机的监督、管理。主机除了对各个子系统日常管理外,还 诊断各个子系统是否在正常运转,当发现某一个子系统有故障时,做出应急处理。这种 分布式控制系统在可靠性方面比集中式控制系统有明显的优点。 (3)进行软硬件滤波 在单片机应用系统的输入信号中,一般都含有种种噪声和干扰,它们主要来自被测 信号本身、传感器或外界干扰。为了提髙系统的可靠性,减少各种干扰对系统的影响 常常采用硬件去藕滤波及软件数字滤波来消除干扰的影响。常用的数字滤波方法有中值 滤波、算术平均值滤波和防脉冲干扰平均増值滤波等。 (4)提高元器件的可靠性 1.在系统硬件设计和加工时,力求在满足性能条件下元器件数量最少,尽量采用集 成电路或集成度高的芯片 2.对元器件进行严格的测试、筛选和老化,做到减额使用。经验表明,为了提高应 用系统的可靠性,电容器应在额定电压50%以下使用;电阻器应在额定功率25%以下 使用;电感和铁芯线因应在额定电压60%使用:晶体管应在额定功率20%-30%内使 用。当然,减额使用要视具体条件而定,比如继电器线因减荷则吸力小,使继电器正常 工作失灵,反而降低了可靠性。因此,减额使用要适当,还要视具体条件区别对待之 3.元器件的失效率随温度升高而增大,将元器件降温使用,其失效率可降低几倍到 几十倍 4.设计时对元器件的负载、速度等技术参数应留有一定的安全余量 (5)提高印刷电路板的质量,设计电路板时布线及接地要合理 (6)对供电电源采用抗干扰措施
- 4 - 1. 可靠性要高 这是应用系统最重要的一个基本要求，尤其是在实时控制系统中，可靠性和实时性 是两项极为重要的指标。这是因为一旦系统出故障，将造成整个生产过程的混乱，监视 或指挥系统失灵，从而导致严重后果。因此，在系统设计过程中，对可靠性的考虑应贯 穿于每一个环节。提高系统的可靠性常用的方法有以下几种： (1) 采用双机系统 即用两片单片机作为控制系统的核心控制器，以提高系统的可靠性。由于单片机价 格不高，连接方便，故常常使用双机系统。 (2) 采用集散式控制系统 集散式控制系统是一种分级分布式控制方案。这种方案采用多个单片机作为前置处 理机，它们分别完成系统的某部分控制功能，系统则用一个主单片机对各个前置机进行 监督和管理。这种分散控制的系统，可使故障对整个系统的影响减至最小。当某一个前 置机出现故障时，它的影响只是局部的，而且它所担负的任务还可由主机或其它前置机 承担。如主机出现故障，前置处理机仍可以独立地完成对被控对象的控制，这样就大大 地提高了系统的可靠性。 MCS-51 单片机的多机通信功能，非常适合于构成集散式控制系统。把一个控制系 统划分成多个相对独立的子系统，每一个子系统由一个 8031 控制。各个子系统经 8031 的串行口和主机通信，接受主机的监督、管理。主机除了对各个子系统日常管理外，还 诊断各个子系统是否在正常运转，当发现某一个子系统有故障时，做出应急处理。这种 分布式控制系统在可靠性方面比集中式控制系统有明显的优点。 (3) 进行软硬件滤波 在单片机应用系统的输入信号中，一般都含有种种噪声和干扰，它们主要来自被测 信号本身、传感器或外界干扰。为了提高系统的可靠性，减少各种干扰对系统的影响， 常常采用硬件去藕滤波及软件数字滤波来消除干扰的影响。常用的数字滤波方法有中值 滤波、算术平均值滤波和防脉冲干扰平均增值滤波等。 (4) 提高元器件的可靠性 1. 在系统硬件设计和加工时，力求在满足性能条件下元器件数量最少，尽量采用集 成电路或集成度高的芯片； 2. 对元器件进行严格的测试、筛选和老化，做到减额使用。经验表明，为了提高应 用系统的可靠性，电容器应在额定电压 50％以下使用；电阻器应在额定功率 25％以下 使用；电感和铁芯线因应在额定电压 60％使用；晶体管应在额定功率 20％一 30％内使 用。当然，减额使用要视具体条件而定，比如继电器线因减荷则吸力小，使继电器正常 工作失灵，反而降低了可靠性。因此，减额使用要适当，还要视具体条件区别对待之； 3. 元器件的失效率随温度升高而增大，将元器件降温使用，其失效率可降低几倍到 几十倍； 4. 设计时对元器件的负载、速度等技术参数应留有一定的安全余量。 (5) 提高印刷电路板的质量，设计电路板时布线及接地要合理 (6) 对供电电源采用抗干扰措施
①采用带屏蔽层的电源变压器;②加电源低通滤波器。 (⑦)输入输出通道采取抗干扰措施 ①采用光电隔离电路,这对数字量和开关量的输入输出效果很好 ②采用双绞线,能有效地抗共模干扰。 2.自诊断功能要强 在进行系统整体设计时,一定要考虑系统的故障自动检测和处理的功能。当系统正 常运行时,定时对各模块进行自诊断,并对外界出现的异常情况作出快速应变处理。对 于出现无法解决的情况,应能及时切换后备装置投入工作,或及时报警,以提醒人工干 预。对于集散控制系统,主机除了对各子系统的例行监督管理外,还要诊断各子系统是 否在正常运转,当发现某个系统有故障时,应立即进行处理。 3.操作和维修要方便 在系统的硬件和软件设计时,应考虑操作和维修方便,尽量降低对操作人员的专业 知识的要求,以便于系统的推广。系统的控制面板上开关不能太多、太复杂,操作顺序 应简单明了,输入输出应用十进制表示,功能符号简明直观。结构应规范化、模块化, 并配有现场故障诊断程序。 4.性能/价格比高 个单片机应用系统能否被广泛地采用,关键在于是否有很高的性能/价格比。硬件 软化是提高系统性能/价格比的实用方法。 在系统总体设计时,应尽可能减少硬件成本,能用软件实现的功能尽量用软件实现 在不增加成本的基础上,提高软件和硬件结构的通用性和可扩充性是十分重要的。 上述四点是设计单片机应用系统时应考虑的基本要求。对不同的应用系统还有许多 特定的要求,如精度、速度、体积、重量及监视手段等,这些均须根据具体系统的要求 而定。 7.14单片机应用系统硬件设计 1.应用系统硬件设计内容 个单片机应用系统的硬件设计包括两大部分内容 (1)系统扩展。通过系统扩展,构成一个完善的计算机系统,它是单片机应用系统 中的核心部分。系统的扩展方法、内容、规模与所选用的单片机系列,以及供应状态有 关。不同系列的单片机,内部结构、外部总线特征均不相同。扩展部分设计包括存储器 扩展和接口扩展。存储器的扩展指 EPROM、 EEPROM和RAM的扩展,接口扩展是指 8255、8155、8279以及其它功能器件的扩展。关于系统扩展,在此不做专门论述 (2)各功能模块的设计。如信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能 模块、通讯功能模块等,根据系统功能要求配置相应的AD、D/A、键盘、显示器、打 印机等外围设备。 2单片机应用系统硬件设计应遵循的基本原则 为使硬件设计具有先进性、合理性,应注意以下一些原则: (1)尽可能选择典型电路,尤其是要优先选用符合单片杋常规用法的标准化、模块 化的典型申路。这样可提高设计的成功率和结构的灵活性。 (2)系统的扩展及各功能模块的设计应充分淸足应用系统的功能要求,并留有适当
- 5 - ①采用带屏蔽层的电源变压器； ②加电源低通滤波器。 (7) 输入输出通道采取抗干扰措施 ①采用光电隔离电路，这对数字量和开关量的输入输出效果很好； ②采用双绞线，能有效地抗共模干扰。 2．自诊断功能要强 在进行系统整体设计时，一定要考虑系统的故障自动检测和处理的功能。当系统正 常运行时，定时对各模块进行自诊断，并对外界出现的异常情况作出快速应变处理。对 于出现无法解决的情况，应能及时切换后备装置投入工作，或及时报警，以提醒人工干 预。对于集散控制系统，主机除了对各子系统的例行监督管理外，还要诊断各子系统是 否在正常运转，当发现某个系统有故障时，应立即进行处理。 3．操作和维修要方便 在系统的硬件和软件设计时，应考虑操作和维修方便，尽量降低对操作人员的专业 知识的要求，以便于系统的推广。系统的控制面板上开关不能太多、太复杂，操作顺序 应简单明了，输入输出应用十进制表示，功能符号简明直观。结构应规范化、模块化， 并配有现场故障诊断程序。 4．性能／价格比高 一个单片机应用系统能否被广泛地采用，关键在于是否有很高的性能/价格比。硬件 软化是提高系统性能/价格比的实用方法。 在系统总体设计时，应尽可能减少硬件成本，能用软件实现的功能尽量用软件实现。 在不增加成本的基础上，提高软件和硬件结构的通用性和可扩充性是十分重要的。 上述四点是设计单片机应用系统时应考虑的基本要求。对不同的应用系统还有许多 特定的要求，如精度、速度、体积、重量及监视手段等，这些均须根据具体系统的要求 而定。 7.1.4 单片机应用系统硬件设计 1．应用系统硬件设计内容 一个单片机应用系统的硬件设计包括两大部分内容： (1) 系统扩展。通过系统扩展，构成一个完善的计算机系统，它是单片机应用系统 中的核心部分。系统的扩展方法、内容、规模与所选用的单片机系列，以及供应状态有 关。不同系列的单片机，内部结构、外部总线特征均不相同。扩展部分设计包括存储器 扩展和接口扩展。存储器的扩展指 EPROM、EEPROM 和 RAM 的扩展，接口扩展是指 8255、8155、8279 以及其它功能器件的扩展。关于系统扩展，在此不做专门论述。 (2) 各功能模块的设计。如信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能 模块、通讯功能模块等，根据系统功能要求配置相应的 A/D、D/A、键盘、显示器、打 印机等外围设备。 2 单片机应用系统硬件设计应遵循的基本原则 为使硬件设计具有先进性、合理性，应注意以下一些原则： (1) 尽可能选择典型电路，尤其是要优先选用符合单片机常规用法的标准化、模块 化的典型电路。这样可提高设计的成功率和结构的灵活性。 (2) 系统的扩展及各功能模块的设计应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当