单片机控制系统的设计与调试方法..docx

摘 要：单片机掌握技术应用格外广泛，其核心技术是单片机掌握系统的设计。介绍了对单片机掌握系统的构成、硬件设计、软件设计和系统调试等各环节并进展了争论，依据工作阅历给出了调试方法。关键词 随着材料科学、工艺技术、计算机技术的进展与进步，电路系统向着集成度极高的方向进展。CPU 的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、有用性进展。如 CPU 的运算位数从 4 位、8 位 到 32 位机的进展，运算速度从 8 MHz、计，32 MHz到 1.6 GHz。可以说是日月异的进展着。其中单片机在掌握系统中的应用是越来越普遍了。单片机掌握系统是以单片机CPU为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业掌握机，主要用于工业过程掌握。要进展单片机系统设计首先必需具有肯定的硬件根底学问；其次，需要具有肯定的软件设计力量，能够依据系统的要求，敏捷地设计出所需要的程序；第三，具有综合运用学问的力量。最终，还必需把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，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。包括系统的要求、掌握方案的选择，以及工艺参数的测量范围等；选择各参数检测元件及变送器；建立数学模型及确定掌握算法；选择单片机，并打算是自行设计还是购置成套设备；系统硬件设计1，包括接口电路，规律电路及操作面板； 系统软件设计，包括治理、监控程序以及应用程序的设计，应用系统设计包含有硬件设计与软件设计两局部21 单片机掌握系统总体方案的设计总体方案的好坏，直接影响整个掌握系统的性能及实施细则。总体方案的设计主要是依据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下：依据系统的要求，首先确定出系统是承受开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。选择检测元件，在确定总体方案时，必需首先选择好被测参数的测量元件，它是影响掌握系统精度的重要因素之一。选择执行机构，执行机构是微型机掌握系统的重要组成部件之一。执行机构的选择一方面要与掌握算法匹配，另一方面要依据被控对象的实际状况确定。 选择输入/输出通道及外围设备。选择时应考虑以下几个问题：被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作； 各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求； 画出整个系统原理图。(1) 直接数字掌握 当被控对象的数学模型能够确定时，可承受直接数字掌握。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般多用试验的方法测出系统的特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型。现在常常承受的方法是计算机仿真及计算机关心设计，由计算机确定出系统的数学模型，因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后， 即可选定上述某一种算法，设计数字掌握器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算并输出掌握量，进而实现掌握。(2) 数字化 PID 掌握 由于被控对象是简单的，因此并非全部的系统均可求出数学模型，有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，很多参数常常变化，因此很难进展直接数字掌握。此时最好选用数字化 PID比例积分微分 掌握。在 PID 掌握算法中，以位置型和增量型 2 种 PID 为根底，依据系统的要求， 可对 PID 掌握进展必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的掌握系统，以满足各种不同掌握系统的要求。例如串级 PID 就是人们常常承受的掌握方法之一。PID 的输出不直接用来掌握执行机构，而是作为下一级数字 PID 的输入值，并与其次级的给定值进展比较，其偏差作为其次级数字 PID 的掌握量。固然，也可以用多级 PID 2 单片机系统硬件设计I/O 掌握线，ROM，RAM 和定时/计数器。但在组成单片机系统时，扩展假设干接口仍是设计者必不行少的任务。扩展接口有2 种方案，一种是购置现成的接口板，另一种是依据系统实际需要，选用适合的芯片进展设计掌握系统。就后一种而言，主要包括以下几个方面的内容。存器电路、地址译码器、存储器扩展、模拟量输入通道的扩展、模拟量输出通道的扩展、开关量的 I/O 接口设计、键盘输入和显示电路等组成。(1) 存储器扩展 由于单片机有 4 种不同的存储器，且程序存储器和数据存储器是分别编址的，所以单片机的存储器容量与同样位数的微型机相比扩大了一倍多。扩展时，首先要留意单片机的种类；另一方面要把程序存储器和数据存储器分开。A/D(2) 模拟量输入通道的扩展 主要有以下 2 个问题：一个是数据采集通道的构造形式，一般单片机掌握系统都是多通道系统。因此选用何种构造形式采集数据，是进展模拟量输入通道设计首先要考虑的问题。多数系统都承受共享 A/D 和 S/H 形式。但是当被测参数为几个相关量时，则需选用多路S/H，共享A/D 形式。对于那些参数比较多的分布式掌握系统，可把模拟量先就地进展 A/D 转换， 然后再送到主机中处理。对于那些被测参数一样或相像的多路数据采集系统， 为削减投资，可承受模拟量多路转换，共享仪用放大器、S/H 和 A/D 的所谓地电平多路切换形式。另外一个问题是 A/D 转发器的选择，设计时肯定要依据被控对较低的 A/D 转换器。(3) 模拟量输出通道的扩展 模拟量输出通道是单片机掌握系统与执行机构或掌握设备连接的纽带和桥梁。设计时要依据被控对象的通道数及执行机构的类型进展选择。对于那些可直接承受数字量的执行机构，可由单片机直接输出数字量，如步进电机或开关、继电器系统等。对于那些需要接收模拟量的执行机构，则需要用 D/A 转化，即把数字量变成模拟量后，再带动执行机构。(4) 开关量的 I/O 接口设计 由于开关量只有 2 种状态“1”或“0”，所以， 每个开关量只需一位二进制数表示即可。由于 MCS51 系列单片机设有一个专用的布尔处理机，因而对于开关量的处理尤为便利。为了提高系统的抗干扰力量， 通常承受光电隔离器把单片机与外部设备隔开。(5) 操作面板 操作面板是人机对话的纽带，它依据具体状况，可大可小。为了便于现场操作人员操作，单片机掌握系统设计一个操作面板的要求： 操作便利、安全牢靠、并具有自保功能，即使是误操作也不会给生产带来恶果。(6) 系统速度匹配 在不影响系统总功率的前提下，时钟频率选得低一些较好，这样可降低系统对其他元器件工作速度的要求，从而降低本钱和提高系统的牢靠性。但系统频率选的比较高时，要设法使其他元器件与主机匹配。(7) 系统负载匹配 系统中各个器件之间的负载匹配问题，主要表现在以下几个方面。规律电路间的接口及负载：在进展系统设计时，有时需要承受 TTL 和 C MOS 混合电路，由于二者要求的电平不一样，因此肯定要留意电流及负载的匹配 MCS51 系列单片及负载：8031 的外部扩展功能是很强的，但是 8031 的 P0 口和 P2 口以及掌握信号 ALE 的负载力量都是有限的，P0 口能驱动 8 个 LS TTL 电路，P2 口能驱动 4 个 LSTTL 电路。硬件设计时应认真核对 8031 的负载， 使其不超过总的负载力量的 70%。3 单片机掌握系统的软件设计2 类，系统软件和应用软件设计。系统软件的主要任务是：治理整个掌握系统的全过程，比方，POWERUP 自诊断功能， KEY INPIT 的治理功能，PRINTER OUTPUT 报表功能，DISPLAY 功能等等。是掌握系统的核心程序，也称之为 MONITER 监控治理程序其作用类似PC 机的DOS 系统。软件设计的几个方面如下：(1) 牢靠性设计为保证系统软件的牢靠性，通常设计一个自诊断程序，定时对系统进展诊断。在牢靠性要求较高的场合，可以设计看门狗电路，也可以设计(2) 软件设计与硬件设计的统一性在单片机系统设计中，通常一个同样的功能，通过硬件和软件都可以实现，确定那些由硬件完成，那些由软件完成，这就是软件、硬件的折衷问题。一般来说，在系统可能的状况下，尽量承受软件，(3) 应用软件的特点实时性：由于工业过程掌握系统是实时掌握系统，所以对应用软件的执行速度都有肯定的要求，即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进展控 制、计算和处理。换言之，要求整个应用软件必需在一个采样周期内处理完毕。所以一般都承受汇编语言编写应用软件。但是，对于那些计算工作量比较大的系统，也可以承受高级语言和汇编语言混合使用的方法，即数据采集、推断、及控制输出程序用汇编语言，而对于那些较为简单的计算可承受高级语言。为了提高系统的实时性，对于那些需要随机连续处理的任务，通常承受中断系统来完成。通用性：在应用程序设计中，为了节约内存和具有较强的适应力量，通常要求程序有肯定的敏捷性和通用性。为此，可以承受模块构造，尽量将共用的程序编写成子程序，如算术和规律运算程序、A/D、D/A 转换程序、延时程序、P ID(4) 软件开发步骤软件开发大体包括：划分功能模块及安排程序构造；画出各程序模块具体流程图；选择适宜的语言编写程序；将各个模块连接成一个完4 单片机掌握系统的调试(1) 硬件调试 依据设计的原理电路做好试验样机，便进入硬件调试阶段。调试工作的主要任务是排解样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。脱机检查：用万能表或规律测试笔逐步依据规律图检查机中各器件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和掌握总线是否有短路等故障。有时为保护芯片，先对各管座的电位或电源进展检查，确定其无误后再插入芯片检查。仿真调试：临时排解目标板的 CPU 和 EPROM，将样机接上仿真机的 40 芯仿真插头进展调试，调试各局部接口电路是否满足设计要求。这局部工作是一种阅历性很强的工作，一般来说，设计制作的样机不行能一次性完好，总是需要调试的。通常的方法是，先编调试软件，逐一检查调试硬件电路系统设计的准确性。其次是调试 MONITOR 程序，只有 MONITOER 程序正常工作才可以进展下面的应用软件调试。 检查 CPU 的时钟电路。通过测试 ALE 信号，如没有 ALE 信号，则推断是晶体或 CPU 检查 ABUS/DBUS 检查 I/O 地址安排器。一般是由局部译码或全译码电路构成，如是局部译码设计， 对扩展的 RAM、ROM 进展检查调试。一般先后写入 55H、AAH，再读出比较，以此推断是否正常。由于这样RAM、ROM 的各位均写入过0、1代码。 用户级 I/O 设备调试。如面板、显示、打印、报警等等。(2软件调试 软件调试依据开发的设备状况可以有以下方法：交*汇编：用 IBM PC/XT 机对 MCS51 系列单片机程序进展交*汇编时， 可借助 IBM PC/XT 机的行编辑和屏幕编辑功能，将源程序按规定的格式输入到 P C 机，生成 MCS51 HEX 目标代码和 LIST 文件。用汇编语言：现在有些单片STD 工业掌握机或者开发系统，可直接使用汇编语言，借助 CRT 进展汇编语言调试。手工汇编：这种方法是最原始，但又是一种最简捷的调试方法，且不必增加调试设备。这种方法的实质就是比照 MCS51 指令编码表，将源程序指令逐条地译成机器码，然后输入到 RAM 重进展调试。在进展手工汇编时，要特别留意转移指令、调用指令、查表指令。必需准确无误地计算出操作码、转移地址和相对偏移量，以免出错。3 种方法调试完成以后，即可通过 EPROM 写入器，将目标代码写入 EP ROM 中，并将其插至机器的相应插座上，系统便可投入运行。(3硬件、软件仿真调试 经过硬件、软件单独调试后，即可进入硬件、软件联合仿真调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。试验室调试工作完成以后，即可组装成机器，移至现场进展运行和进一步调试， 并依据运行及调试中的问题反复进展修改。5 结论对工程技术人员来说，抓住系统的原理构成、软件设计、硬件设计以及系统调试方法的要点是格外必要的。依据工作阅历，前面表达的系统调试方法将会有助于从事这方面工作的技术人员及本专业的学习者。