单片机原理-单片机应用系统设计与开发课件.pptx

71 单片机应用系统的开发过程单片机应用系统的开发过程 单片机应用系统由硬件和软件两部分组成。硬件是指单片机单片机应用系统由硬件和软件两部分组成。硬件是指单片机CPU、扩、扩展存储器、输入展存储器、输入/输出接口电路及设备等组成的电路系统；软件包括监控程输出接口电路及设备等组成的电路系统；软件包括监控程序和各种应用程序。硬件和软件只有密切配合、协调一致，才能组成一个序和各种应用程序。硬件和软件只有密切配合、协调一致，才能组成一个高性能的单片机应用系统。高性能的单片机应用系统。 单片机应用系统的开发过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿单片机应用系统的开发过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试、可靠性实验和产品化等几个阶段，但各阶段不是绝对分开的，有真调试、可靠性实验和产品化等几个阶段，但各阶段不是绝对分开的，有时还是交叉进行的。时还是交叉进行的。 下图描述了单片机应用系统开发的一般过程。下图描述了单片机应用系统开发的一般过程。7.1.1 总体设计1.理解系统功能和技术指标2.选择单片机的类型 一般来说，在选择单片机类型时，主要综合考虑以下几个问题： 1) 货源充足、稳定。所选单片机芯片在国内元器件市场上货源要稳定、充足，且有成熟的开发设备。 2) 性价比要高。在保证性能指标的情况下，所用芯片价格要尽可能低，使系统有较高的性价比。 3) 研制周期。在研制任务重、时间紧的情况下，应考虑采用自己比较熟悉的系列，这样就可以较快地进行系统设计。最好选择用户广泛、技术成熟、性能稳定且自己熟悉的系列、型号。3.关键器件的选择4.软硬件功能划分712 硬件设计1. 元器件选择原则 选择元器件的基本原则是选择那些满足性能指标、可靠性高、经济性好的元器件。选择元器件时应考虑以下因素： 1) 性能参数和经济性。在选择元器件时必须按照器件手册所提供的各种参数(如工作条件、电源要求、逻辑特性等)指标综合考虑，但不能单纯追求超出系统性能要求的高速、高精度、高性能。 2) 通用性。在应用系统中，尽量采用通用的大规模集成电路芯片，这样可大大简化系统的设计、安装和调试，也有助于提高系统的可靠性。 3) 型号和公差。 4) 与系统速度匹配。单片机时钟频率一般可在一定范围内选择(如增强型MCS-51单片机芯片可在0-33MHz之间任意选择)，在不影响系统性能的前提下，时钟频率选低些好，这样可降低系统内其他元器件的速度要求，从而降低成本和提高系统的可靠性。 5) 电路类型。对于低功耗应用系统，必须采用CHMOS或CMOS芯片，如74HC系列、CD4000系列；而一般系统可使用TTL数字集成电路芯片。2. 系统构成方式选择 目前用户在构成单片机应用系统时，有以下三种方式可供选择。 1)专用系统 2)模块化系统 3)单片单板机系统3. 系统硬件电路设计原则 一般在系统硬件电路设计时应遵循以下原则： 1) 尽可能选择标准化、模块化的典型电路，且符合单片机应用系统的常规用法。 2) 系统配置及扩展标准必须充分满足系统的功能要求，并留有余地，以利于系统的二次开发。 3) 硬件结构应结合应用程序设计一并考虑。软件能实现的功能尽可能由软件来完成，以简化硬件结构。 4) 系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。 5) 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。 6) 可靠性及抗干扰设计是硬件系统不可缺少的一部分 7) TTL电路未用引脚的处理 8) 工艺设计4. 印制电路板设计 在编辑印制板时，需要遵循下列原则： 1) 晶振必须尽可能靠近CPU晶振引脚，且晶振电路下方不能走线，最好在晶振电路下方放置一个与地线相连的屏蔽层。 2) 电源、地线要求。在双面印制板上，电源线和地线应安排在不同的面上，且平行走线，这样寄生电容将起滤波作用。对于功耗较大的数字电路芯片，如CPU、驱动器等应采用单点接地方式，即这类芯片电源、地线应单独走线，并直接接到印制板电源、地线入口处。电源线和地线宽度尽可能大一些，或采用微带走线方式。 3) 模拟信号和数字信号不能共地，即采用单点接地方式。 4) 在中低频应用系统(晶振频率小于20MHz)中，走线转角450；在高频系统中，必要时可选择圆角模式。尽量避免使用900转角。 5) 对于输入信号线，走线尽可能短，必要时在信号线两侧放置地线屏蔽，防止可能出现的干扰；不同信号线避免平行走线，上下两面的信号线最好交叉走线，相互干扰可减到最小。 6) 为降低系统功耗，对于未用TTL电路单元必须按如下方式处理： (1)在印制板设计时，最容易忽略未用单元电路输入端的处理(因为原理图中没有给出)。尽管它不影响电路的功能，但却增加系统的功耗，尤其是当系统靠电池供电时，应更应该注意不用单元引脚的连接。 (2)为了降低功耗，未用与非门(包括反相器)单元电路的输入端必须有一个接地(其他可以悬空)，使输出端为高电平，即必须使输出管截止；未用或非门单元电路的所有输入端均需接地，总之，必须尽量使输出为高电平，输出管截止，减少电源的功耗 。 (3)只有未用与门、或门单元电路的输入端可以悬空，即不必理会。但在干扰严重的系统中，最好将未用与门、或门所有输入端连接在一起，并通过2.0-4.7K电阻接电源Vcc。 7.1.3 资源分配1. I/O引脚资源分配2. 程序存储器资源分配3. RAM资源分配7.2 单片机开发工具及选择7.2.1 仿真器 1.仿真器种类 单片机仿真器也称为单片机仿真开发器，是单片机开发的重要工具，种类很多。根据使用的仿真技术，可将仿真器分为HOOKS仿真器和Bondout仿真器两大类。2仿真器的选择7.2.2 其他工具 1. 逻辑笔 2. 万用表(数字或指针式) 3. 通用编程器 4IC插座7.3 系统可靠性设计 可靠性是单片机应用系统的重要指标之一，单片机应用系统的可靠性通常是指在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。 7.3.1 硬件可靠性设计 在单片机应用系统硬件设计时，常采用的一些可靠性措施有： 1提高元器件的可靠性 2冗余与容错设计 3采用抗干扰措施7.3.2 系统自诊断技术 自诊断又称“自检”，是通过软硬件配合来实现对系统故障的自动检测，它有上电自检、定时自检和键控自检三种形式。通过自检可以及时发现系统问题，防止系统病态运行，从而增强了系统的可信度。 1. CPU诊断 1) 片内RAM诊断 2) 定时器及中断诊断 2. ROM诊断3. 外部RAM诊断4. AD、D/A转换通道的诊断和校正5. 数字IO通道诊断7.3.3 系统抗干扰性能1单片机应用系统中的主要干扰源2. 硬件抗干扰措施1) 输入/输出通道干扰的抑制措施2) 供电系统干扰的抑制措施3) 电磁场干扰的抑制措施4) 减小CPU芯片工作时形成的电磁辐射3软件抗干扰技术1) 指令冗余2) 软件“看门拘”3) 软件陷阱74 单片机应用系统的调试方法741 开发系统简介应用系统的软硬件设计不可能一次成功，软硬件需要通过调试来发现错误并加以改正。由于单片机没有自开发能力，软硬件的调试均离不开开发系统，借助开发系统才能对用户系统的硬件电路和应用软件进行诊断、调试、修改。因此，开发系统性能的好坏将直接影响调试工作的进度。一般来讲，开发系统应具有以下最基本的功能： (1) 用户样机硬件电路的诊断和检查； (2) 用户样机程序的输入和修改； (3) 用户应用程序的运行、调试、排错、状态查询等功能： (4) 将用户应用程序固化到EPROM芯片中。以上是开发系统应具备的基本功能，对于一个完善的开发系统还应具备以下更强的功能： (1)有较全的软件开发工具。最好配有高级语言(PL/M、c51等)，用户可用高级语言编写应用软件，由开发系统编译连接生成目标文件、可执行文件。同时要配备交叉汇编软件，将用户用汇编语言编制的应用软件生成可执行的目标文件。还应具有丰富的子程序库供用户选择调用。 (2)尽可能少地占用用户单片机的任何资源，包括8031内部RAM、I/O口、中断源等。 (3)能为用户提供足够的仿真RAM空间作为用户的程序存储器，并为用户提供足够的RAM空间作为用户的数据存储器使用。 (4)可以单步、断点、全速断点、连续方式运行仿真RAM或样机EPROM内的用户程序。 (5)为了方便模块化软件调试，还应具有软件转储、程序文本打印功能。 1调试工具 硬件调试前要准备以下调试工具： (1) 单片机开发系统。 (2) 万用表。 (3) 逻辑笔。 (4) 函数信号发生器。 (5) 逻辑分析仪。 (6) 示波器。 7.4.2 应用系统硬件的调试方法2.调试过程 1)静态调试 第一步为目测 第二步为用万用表测试 第三步为加电检查 第四步为联机检查 2)动态调试 动态调试即为联机仿真调试。它是在应用系统工作的情况下发现和排除应用系统硬件逻辑性错误的一种检查方法。 7.4.3 应用系统软件的调试方法1先分块独立，后组合联机2先单步，后连续7.4.4 应用系统的现场综合调试 硬件和软件经调试完后，对用户系统要进行现场实验运行，检查软硬件是否按预期的要求工作，各项技术指标是否达到设计要求。一般而言，系统经过软硬件调试之后均可以正常工作。但在某些情况下，由于应用系统运行的环境较为复杂，尤其在干扰较严重的场合下，在系统进行实际运行之前无法预料，只能通过现场运行来发现问题，以找出相应的解决办法。或者虽然已经在系统设计时采取了软硬件抗干扰措施，但效果如何，还需通过在现场运行才能得到验证。习题参考答案7-1 简述单片机应用系统开发步骤。答：单片机应用系统的开发过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试、可靠性实验和产品化等几个阶段，但各阶段不是绝对分开的，有时还是交叉进行的。7-2 简述单片机应用系统开发、维护所需工具及各自的用途。答：仿真器、逻辑笔、万用表(数字或指针式)、通用编程器、IC插座。7-3 单片机应用系统的干扰源主要有哪些?列举常用的软件、硬件抗干扰措施。答：详见7.3.3节7-4 什么是软件陷阱?简述硬件看门狗和软件看门狗条件下，软件陷阱指令的异同。答：软件陷阱，就是一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的指令。7-5 如何迅速判别MCS-51CPU是否工作?答：用万用表测试单片机的输出是否和理论情况一致。