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第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发7.1 单片机应用系统的开发过程单片机应用系统的开发过程 通常，开发一个单片机应用系统需要经过以下几个过程：系统需求调查；可行性分析；系统方案设计；系统建造；系统调试；系统方案局部修改、再调试；生成正式产品。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 7. 生成正式系统(或产品) 作为正式系统(或产品)，不仅要提供一个能正确可靠运行的系统(或产品)，而且还应提供关于该系统(或产品)的全部文档。这些文档包括系统设计方案、硬件电原理图、软件程序清单、软/硬件功能说明、软/硬件装配说明书、系统操作手册等。在开发产品时，还要考虑到产品的外观设计、包装、运输、促销、售后服务等商品化问题。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发7.2 单片机应用系统设计的单片机应用系统设计的 基本原则与方法基本原则与方法 7.2.1 单片机应用系统的基本设计原则 单片机应用系统的基本设计原则是：可靠性高；性能价格比高；操作简便；设计周期短。 1.可靠性高 高可靠性是系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 通常，高可靠性可从以下5个方面进行考虑： (1)使用可靠性高的元器件； (2)严格安装硬件设备及电路； (3)采取必要的抗干扰措施，以防止环境干扰(如空间电磁辐射、强电设备启停、酸碱环境腐蚀等)、信号串扰、电源或地线干扰等影响系统的可靠性； (4)请专家和有经验的设计人员对系统的设计方案严格把关； (5)作必要的冗余设计或增加自诊断功能。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 2. 性能价格比高 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。 3.操作简便 如果所设计的产品人机交互过多，必然会给用户操作带来一定困难，也不利于最大限度地降低劳动强度。 4.设计周期短 只有缩短设计周期，才能有效地降低设计费用，充分发挥新系统的技术优势，及早占领市场并具有一定的竞争力。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 7.2.2 单片机应用系统的一般设计方法 在进行单片机应用系统方案设计时，可以下述一般设计方法作为指导。 1.确定系统功能与性能 由需求调查可以确定出单片机应用系统的设计目标，这一目标包括系统功能与性能。系统功能主要有数据采集、数据处理、输出控制等。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 2. 确定系统基本结构 单片机应用系统结构一般是以单片机为核心外部扩展相关电路的形式。确定了系统中的单片机、存储器分配及输入/输出方式就可大体确定出单片机应用系统的基本组成。 1)单片机 在系统详细方案设计时，先要确定单片机的型号。所选单片机的型号不同，组成的系统结构也就不同。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 选择单片机的原则是：有供货渠道；最适宜实现系统的功能与性能；有开发手段。以下列出较有影响的单片机型号及厂家，供选型参考。8位机MCS-51系列Intel(美国英特尔公司)SUPER8,Z8系列Zilog(美国)F8,3870系列Fairchild(美国仙童公司)68HC05,68HC11系列Motorola(美国摩托罗拉公司)第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发6500/1系列Rockwell(美国洛克威尔公司)TMS700系列TI(美国得克萨斯仪器公司)NS8070系列NS(美国国家半导体公司)CDP1800系列RCA(美国无线电公司)MN6800系列National(日本松下公司)COM87(PD7800)系列NEC(日本电气公司)HD6301，HD6305，HD63L05Hitachi(日本日立公司)AT89C系列ATMEL公司第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发16位机8096(8098)系列Intel(美国英特尔公司)MK68200系列Mostek(美国莫斯特公司)TMS-9900系列TI公司HPC1604系列NS公司PD78300系列NEC公司第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 2)存储器分配 不同的单片机具有不同的存储器组织。MCS-51单片机的程序存储器与数据存储器空间相互独立，工作寄存器与内部数据存储器共用一个存储空间，I/O端口则与外部数据存储器共用一个存储空间。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 3) I/O方式 采用不同的输入/输出方式，对于单片机应用系统的软、硬件结构有直接的影响。在单片机应用系统中，常用的I/O方式主要有： 无条件传送方式(同步传送方式)； 查询方式； 中断方式。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 3.硬件设计 单片机应用系统的硬件设计是围绕着单片机做外部功能扩展而展开的，其结构如图71所示，它主要涉及以下扩展部分的设计。 1)程序存储器 若单片机内无片内程序存储器或存储容量不够时，需外部扩展程序存储器。外部扩展的存储器通常选用EPROM或E2PROM。EPROM集成度高、价格便宜，E2PROM则编程容易。当程序量较小时，使用E2PROM较方便；当程序量较大时，采用EPROM更经济。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发图71 单片机应用系统硬件的一般结构 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 2) 数据存储器 数据存储器利用RAM构成。大多数单片机都提供了小容量的片内数据存储区，只有当片内数据存储区不够用时才扩展外部数据存储器。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。建议使用大容量的存储芯片以减少存储器芯片数目，但应避免盲目地扩大存储容量。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 3) I/O接口 由于外设多种多样，使得单片机与外设之间的接口电路也各不相同。因此，I/O接口常常是单片机应用系统中设计最复杂也是最困难的部分之一。 4)译码电路 当需要外部扩展电路时，就需要设计译码电路。译码电路要尽可能简单，这就要求存储器空间分配合理，译码方式选择得当。 5)总线驱动器 如果单片机外部扩展的器件较多，负载过重，就要考虑设计总线驱动器。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 6) 抗干扰电路 针对可能出现的各种干扰，应设计抗干扰电路。在单片机应用系统中，一个不可缺少的抗干扰电路就是抗电源干扰电路。最简单的实现方法是在系统弱电部分(以单片机为核心)的电源入口处对地跨接1个大电容(100f左右)与1个小电容(01f左右)，在系统内部各芯片的电源端对地跨接1个小电容(001f0.1f)。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 4.软件设计 软件是单片机应用系统中的一个重要组成部分。一般计算机应用系统的软件包括系统软件和用户软件，而单片机应用系统中的软件只有用户软件，即应用系统软件。软件设计的关键是确定软件应完成的任务及选择相应的软件结构。 1)任务确定 根据系统软、硬件的功能分工，确定出软件应完成什么功能。作为实现控制功能的软件应明确控制对象、控制信号及控制时序；作为实现处理功能的软件应明确输入是什么、要做什么样的处理(即处理算法)、产生何种输出。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 2) 软件结构设计 软件结构设计与程序设计技术密切相关。程序设计技术则提供了程序设计的基本方法。在单片机应用系统中，最常用的程序设计方法是模块程序设计。模块程序设计具有结构清晰、功能明确、设计简便、程序模块可共享、便于功能扩展及便于程序维护等特点。为了编制模块程序，先要将软件功能划分为若干子功能模块，然后确定出各模块的输入、输出及相互间的联系。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发图72 单片机应用系统软件的一般结构 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发7.3 单片机应用系统的一般结构单片机应用系统的一般结构 1.单机结构 单机结构是指在单片机应用系统中只有1个单片机。这种结构是目前单片机应用系统采用最多的一种结构，它适用于小规模的单片机应用系统。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 典型的单机结构框图见图71与图72。前面所叙述的单片机应用系统的设计方法是针对单机结构而言的。 单机结构的优点是设计简单、系统紧凑，对于小规模应用系统具有最佳的性能/价格比。 但在大规模应用系统中，由于单机结构难以实现多任务处理及高速度运行，因而无法满足系统功能与性能的要求。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 2. 多机结构 多机结构是指在单片机应用系统中有多个单片机同时工作。这种结构是面向大规模单片机应用系统的。由于拓扑结构不同，多机结构又分为多级多机分散控制结构与局部网络结构，其中多级多机分散控制结构在目前应用较为广泛。 多级多机分散控制结构的典型代表是两级多机分散控制系统。它的拓扑结构如图73所示。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发图73 两级多机分散控制系统结构第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发图74 多端口共享存储器互连结构 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 多端口存储器互连结构如图74所示。主机系统与单片机系统都可以对共享存储器进行读写操作，这样，主机系统的信息与单片机系统的信息可以通过共享存储器加以交换，实现其通信目的。为了防止数据冲突，对共享存储器应作如下处理： 给共享存储器每个端口规定不同的优先级，防止数据竞争。 对共享存储器进行分区，使得每个单片机系统与主机系统间交换的数据仅在它们拥有的固定存储区上存储，防止数据串扰。多端口存储器结构的优点是可以大大加快系统间的通信速度，不足之处是多于两个端口的存储器芯片目前尚属少见，这给设计带来了一定的难度。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发7.4 单片机应用系统的调试单片机应用系统的调试 单片机应用系统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。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 最好能在方案设计阶段就考虑系统调试问题，如采取什么调试方法、使用何种调试仪器等，以便在系统方案设计时将必要的调试方法综合进软、硬件设计中，或提早做好调试准备工作。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发图75 系统调试的一般过程 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 7.4.1 单片机应用系统调试工具 在单片机应用系统调试中，最常用的调试工具有以下几种。 1.单片机开发系统 单片机开发系统(又称仿真器)的主要作用是：系统硬件电路的诊断与检查；程序的输入与修改；硬件电路、程序的运行与调试；程序在EPROM中的固化。由于单片机本身不具有调试及输入程序的能力，因此单片机开发系统成为开发单片机应用系统不可缺少的工具。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 2 万用表 万用表主要用于测量硬件电路的通断、两点间阻值、测试点处稳定电流或电压值及其他静态工作状态。例如，当给某个集成芯片的输入端施加稳定输入时，可用万用表来测试其输出，通过测试值与预期值的比较，就可大致判定该芯片的工作是否正常。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 3.逻辑笔 逻辑笔可以测试数字电路中测试点的电平状态(高或低)及脉冲信号的有无。假如要检测单片机扩展总线上连接的某译码器是否有译码信号输出，可编写一循环程序使译码器对一特定译码状态不断进行译码。 4.逻辑脉冲发生器与模拟信号发生器 逻辑脉冲发生器能够产生不同宽度、幅度及频率的脉冲信号，它可作为数字电路的输入源。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 5.示波器 示波器可以测量电平、模拟信号波形及频率，还可以同时观察两个或多个信号的波形及它们之间的相位差(双踪或多踪示波器)。它既可以对静态信号进行测试，也可以对动态信号进行测试，而且测试准确性好。它是任何电子系统调试维修的一种必备工具。 6. 逻辑分析仪 逻辑分析仪能够以单通道或多通道实时获取与触发事件相关的逻辑信号，可保存显示触发事件前后所获取的信号，供操作者随时观察，并作为软、硬件分析的依据，以便快速有效地查出软、硬件中的错误。逻辑分析仪主要用于动态调试中信号的捕获。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 7.4.2 单片机应用系统的一般调试方法 1.硬件调试 硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器(万用表、示波器等)，通过执行开发系统有关命令或运行适当的测试程序(也可以是与硬件有关的部分用户程序段)，检查用户系统硬件中存在的故障。 硬件调试可分静态调试与动态调试两步进行。 1)静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检查。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 2) 动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件间连接逻辑错误等的一种硬件检查。由于单片机应用系统的硬件动态调试是在开发系统的支持下完成的，故又称为联机仿真或联机调试。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 2. 软件调试 软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。软件调试的一般方法是先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续。 1) 先独立后联机 2) 先分块后组合 3) 先单步后连续第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 3. 系统联调 系统联调是指让用户系统的软件在其硬件上实际运行，进行软、硬件联合调试，从中发现硬件故障或软、硬件设计错误。这是对用户系统检验的重要一关。 系统联调主要解决以下问题： (1)软、硬件能否按预定要求配合工作，如果不能，那么问题出在哪里?如何解决? (2)系统运行中是否有潜在的设计时难以预料的错误，如硬件延时过长造成工作时序不符合要求、布线不合理造成有信号串扰等。第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 (3)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 一般情况下，通过系统联调后，用户系统就可以按照设计目标正常工作了。但在某些情况下，由于用户系统运行的环境较为复杂(如环境干扰较为严重、工作现场有腐蚀性气体等)，在实际现场工作之前，环境对系统的影响无法预料，只能通过现场运行调试来发现问题，找出相应的解决办法；或者虽然已经在系统设计时考虑到抗环境干扰的对策，但是否行之有效，还必须通过用户系统在实际现场的运行来加以验证。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发7.5 MCS-51单片机应用系统设计与单片机应用系统设计与调试实例调试实例 电话留言机电话留言机 1.可行性分析 从当时国内电话机的发展状况来看，电话留言机在市场上品种很少，进口的电话留言机价格较贵，不能被一般电话用户接受，而国内对电话留言机已有较大的需求，因此，研制电话留言机势在必行。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 2.系统设计 为了提出正确的设计方案，首先要对电话机内部电路作详细的分析，找出单片机系统与电话机的连接接口，为整个方案制订打下良好的基础。在选择单片机时，首选8031的理由是： (1) 价格便宜，有开发环境； (2)采用语音芯片T6668后，语音处理功能全部由T6668完成，系统控制功能简单； (3)不需要单片机提供大量的程序、数据存储区，也不需要单片机提供特殊功能服务。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 语音芯片采用T6668的理由是： (1)价格便宜，操作简单； (2)有很强的语音采集、压缩、存储、回放功能，且所有功能由硬件自动完成，简化了语音的繁琐处理； (3)能保证良好的语音质量。 如果在方案论证过程中能掌握电话留言机的三大核心：电话、单片机、语音处理芯片，该系统设计也就不成问题。系统的硬件框图见图76。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发图76 电话留言机硬件框图第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发 3.系统调试 因为电话留言机采用8031作为控制核心，所以调试工作可以在SICE开发系统上进行。 首先进行硬件调试。硬件调试一般包括对扩展数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、I/O口与I/O设备、译码电路、晶振与复位电路等的测试。RAM测试常采用写入读出加比较的方法检测；ROM测试常采用累加和的方法检测；I/O测试通过观测输入与输出数据来完成；译码器通过运行循环检测程序来检验；观察晶振、复位电路能否产生所需信号以确定其工作是否正常。 第第7章章 单片机应用系统设计与开发单片机应用系统设计与开发图77 电话留言机软件流程图 52 结束语结束语