电子系统设计与创新能力的培养课件.ppt

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1、电子创新实践 电子系统设计导论什么是系统？由部件组成，能实现较复杂的功能（不是一个单一的电路，要有输入、输出和其他控制电路）（只能实现单一功能的通常不算系统）电子系统范畴p消费类电子消费类电子p计算机类计算机类p通信电子通信电子p汽车电子汽车电子p工业电子工业电子p军用电子军用电子消费类产品消费类产品主板显卡和网卡七彩虹显卡TP-Link网卡通信电子产品车载GPS和悍马汽车电子燃油喷射控制器数控钻床和汽车生产线 舰船和战斗机手机电路超级芯片数码彩电主板电子系统可能的组成框图车载导航系统的框图数据采集系统框图模拟系统与数字系统p模数混合系统模数混合系统（绝大多数系统绝大多数系统）如如空调控制器、

2、电视机、测量仪器、空调控制器、电视机、测量仪器、工业控制器、手机电路工业控制器、手机电路 p纯粹的模拟系统纯粹的模拟系统-如简单的如简单的放大器放大器p纯粹的数字系统纯粹的数字系统-如如电子钟电子钟电子系统设计方法自顶向下系统设计的方法自顶向下自底向上自顶向下与自底向上相结合何谓顶？何谓底？底最基本的元、器件，甚至是版图顶系统的功能系统的结构自顶至底有：系统子系统部件（功能模块）单元电路元、器件版图（IC）系统子系统子系统功能模块功能模块功能模块功能模块单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路 元、器件 版图自顶向下自上而下法的优点尽量运用概念（抽象）描述、分析设计对象

3、，不过早地考虑具体的电路、元器件和工艺抓住主要矛盾，不纠缠在具体细节上，控制设计的复杂性 系统子系统子系统功能模块功能模块功能模块功能模块单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路 元、器件 版图自底向上部件设计在先，设计系统时将受这些部件的限制，影响：系统性 易读性 可靠性 可维护性自底向上的缺点自底向上的优点在系统的组装和调试过程中有效可利用前人的设计成果 系统子系统子系统功能模块功能模块功能模块功能模块单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路 元、器件 版图以功能模块为基础的自上而下的设计方法自上而下法的要领从顶层到底层 从概括到展开 从粗略

4、到精细电子系统设计的步骤调查研究方案论证单元设计组装调测总结报告调查研究明确设计要求弄清设计方法了解设计关键做什么？系统的功能 输入和输出做到何种程度？性能技术指标 注意分析每一个细节，尽量考虑得周到、完善调查研究明确设计要求弄清设计方法了解设计关键有那些可使用的设计方法相同产品 同类产品 同原理产品 其他可借鉴的方法 比较各种方法的 先进性 性价比 可行性 器材人才时间产品效益与开发时间的关系上市延迟上市延迟销售顶峰销售顶峰电子系统设计的步骤调查研究方案论证单元设计组装调测总结报告调查研究明确设计要求弄清设计方法了解设计关键 决定指标的关键 难点 工作量大（重点）起点：系统级行为描述设计用户

5、需求 系统技术规范 功能描述方案论证系统级行为描述设计系统的外部特性系统的外部特性 主要功能主要功能 输入和输出输入和输出 那些端口那些端口 输入（输出）信号输入（输出）信号 特征特征 来源（去向）来源（去向）对系统的要求对系统的要求初步方案面板图下一步：系统级的结构描述与设计系统设计规范与功能 子系统之间的组合方案论证系统的内部特性 基本原理 基本框图 子系统 各子系统之间的接口要求 基本控制流程系统级行为描述设计基本框图基本流程图系统的内部特性 基本原理 基本框图 子系统 各子系统之间的接口要求 基本控制流程系统级行为描述设计系统的实现技术 用数字技术，还是模拟技术实现？模拟技术优点：通常

6、所使用的器件量较小缺点：对器件的依赖性较大 调试较困难 与计算机配合不如数字技术方便数字技术优点：对器件的依赖性较小 调试较容易 与计算机配合方便 LSI与可编程器件的使用不能！高频小信号大功率主体为数字技术质量靠模拟技术千万不可忽略、放弃模拟技术软件实现方法：单片机（计算机）DSP（数字信号处理）嵌入式系统软件离不开硬件支持第三步：系统级的物理描述与设计组成系统的各抽象的子系统 各具体的子系统（IP）提出具体的要求并转入 下一层设计方案论证Intellecture Property 知识产权下一层：子系统级行为描述设计对子系统的需求 子系统技术规范 功能描述方案论证下一步：子系统级的结构描述

7、与设计子系统设计规范与功能 功能模块（部件）之间的组合方案论证第三步：子系统级的物理描述与设计组成子系统的各抽象的模块 选择具体的功能模块或 对模块提出具体的要求并 转入下一层设计方案论证没有现成模块可用的特殊模块关键模块、关键元件及相互接口以模块为单位的详细框图下一层：部件级行为描述设计对部件（模块）的需求 部件的技术规范 功能描述方案论证下一步：部件级的结构描述与设计部件设计规范与功能 单元电路之间的组合方案论证第三步：部件级的物理描述与设计抽象的单元电路 选用具体的单元电路 方案论证电子系统设计的步骤调查研究方案论证单元设计组装调测总结报告单元电路设计尽量选用高性能、控制简单、集成度高的

8、、应用广泛的新产品（竞赛例外）学会查手册和网上查询，懂得什么是关键指标，如何选择代用品会买东西 船舶、赛格电子 电子系统设计的步骤调查研究方案论证单元设计组装调测总结报告组装调测自底向上法合理布局 电磁兼容问题方便调测 留有测试点分段装调 自底向上法逻辑模拟测试设计 测试系统，计量原理组装调测电子系统设计的步骤调查研究方案论证单元设计组装调测总结报告总结报告重要性 技术总结 汇报交流 生产文件 评价依据总结报告内容 设计思想 设计过程 设计结果 改进设想总结报告要求 概念准确 数据完整 条理清晰 突出创新注意：创新实践的题目一定要具有可实现性，尽量运用自己掌握的知识来实现题目自拟，方向是电子系

9、统设计方面的内容。设计实例：数字设计实例：数字定时器定时器1.1 1.1 功能要求功能要求1.2 1.2 整体方案调研整体方案调研1.3 1.3 整体方案论证整体方案论证1.4 1.4 硬件电路设计硬件电路设计1.5 1.5 程序设计程序设计1.1 1.1 功能要求功能要求1.1 1.1 功能要求功能要求我们以一个具有一定实用价值而功能又比我们以一个具有一定实用价值而功能又比较简单的数字定时器做系统设计入门的实较简单的数字定时器做系统设计入门的实例。该定时器有如下技术要求：例。该定时器有如下技术要求：（1 1 1 1）定时时间的设置范围为）定时时间的设置范围为）定时时间的设置范围为）定时时间的

10、设置范围为199199199199分，开机上电分，开机上电分，开机上电分，开机上电后的隐含值为后的隐含值为后的隐含值为后的隐含值为10101010分。分。分。分。（2 2 2 2）使用）使用）使用）使用0.50.50.50.5英寸红色英寸红色英寸红色英寸红色LEDLEDLEDLED数码管显示时间。数码管显示时间。数码管显示时间。数码管显示时间。功能要求功能要求（3 3 3 3）定时时间可以用按键或其它方式输入。）定时时间可以用按键或其它方式输入。）定时时间可以用按键或其它方式输入。）定时时间可以用按键或其它方式输入。（4 4 4 4）定时器控制一个）定时器控制一个）定时器控制一个）定时器控制一

11、个220V1A220V1A220V1A220V1A的用电设备，上的用电设备，上的用电设备，上的用电设备，上电时不允许用电设备瞬间通电。电时不允许用电设备瞬间通电。电时不允许用电设备瞬间通电。电时不允许用电设备瞬间通电。（5 5 5 5）定时时间设定后，启动计时，用电设备通）定时时间设定后，启动计时，用电设备通）定时时间设定后，启动计时，用电设备通）定时时间设定后，启动计时，用电设备通电，同时显示器逐分倒计时。其间，分个位数电，同时显示器逐分倒计时。其间，分个位数电，同时显示器逐分倒计时。其间，分个位数电，同时显示器逐分倒计时。其间，分个位数码管的小数点每秒闪亮一次。码管的小数点每秒闪亮一次。码

12、管的小数点每秒闪亮一次。码管的小数点每秒闪亮一次。功能要求功能要求（6 6）计时到）计时到0 0分时，切断用电设备电源。分时，切断用电设备电源。（7 7）计时误差：）计时误差：100100分误差分误差 0.5mAIF0.5mAIF0.5mAIF0.5mA已可明亮显示。已可明亮显示。已可明亮显示。已可明亮显示。若若若若V V V VF=1.5VF=1.5VF=1.5VF=1.5V，每笔段的限流电阻为，每笔段的限流电阻为，每笔段的限流电阻为，每笔段的限流电阻为2k2k2k2k，则，则，则，则LEDLEDLEDLED点点点点亮时每笔段亮时每笔段亮时每笔段亮时每笔段IF1.75mAIF1.75mAIF

13、1.75mAIF1.75mA，动态扫描时每个笔段的，动态扫描时每个笔段的，动态扫描时每个笔段的，动态扫描时每个笔段的平均电流约为平均电流约为平均电流约为平均电流约为0.875mA0.875mA0.875mA0.875mA，满足亮度要求。考虑到，满足亮度要求。考虑到，满足亮度要求。考虑到，满足亮度要求。考虑到MCUMCUMCUMCU口线的口线的口线的口线的IOHIOHIOHIOH较小，限流电阻应接为上拉形式。较小，限流电阻应接为上拉形式。较小，限流电阻应接为上拉形式。较小，限流电阻应接为上拉形式。八段笔划直接由八段笔划直接由八段笔划直接由八段笔划直接由P1P1P1P1口驱动。被点亮口驱动。被点亮

14、口驱动。被点亮口驱动。被点亮LEDLEDLEDLED数码管的最数码管的最数码管的最数码管的最大电流为大电流为大电流为大电流为8 8 8 81.75=14mA1.75=14mA1.75=14mA1.75=14mA，利用，利用，利用，利用P3.0P3.0P3.0P3.0、P3.1P3.1P3.1P3.1的的的的IOLIOLIOLIOL是是是是可以承受的。可以承受的。可以承受的。可以承受的。硬件电路设计硬件电路设计按键共设两个：功能切换键按键共设两个：功能切换键按键共设两个：功能切换键按键共设两个：功能切换键“S S S S”，和加键，和加键，和加键，和加键“+”。分别接至。分别接至。分别接至。分别

15、接至INT0INT0INT0INT0（P3.2P3.2P3.2P3.2）和）和）和）和INT1INT1INT1INT1（P3.3P3.3P3.3P3.3）。）。）。）。设计的功能为：上电后，定时器处于等待时间设设计的功能为：上电后，定时器处于等待时间设设计的功能为：上电后，定时器处于等待时间设设计的功能为：上电后，定时器处于等待时间设置状态，隐含时间置状态，隐含时间置状态，隐含时间置状态，隐含时间10101010分。按下分。按下分。按下分。按下“S S S S”键，分个位键，分个位键，分个位键，分个位LEDLEDLEDLED闪烁。按闪烁。按闪烁。按闪烁。按“+”键，可设置分个位值。设好后，键，

16、可设置分个位值。设好后，键，可设置分个位值。设好后，键，可设置分个位值。设好后，再按再按再按再按“S S S S”键，分个位键，分个位键，分个位键，分个位LEDLEDLEDLED停止闪烁，分十位停止闪烁，分十位停止闪烁，分十位停止闪烁，分十位LEDLEDLEDLED开开开开始闪烁，再按一次始闪烁，再按一次始闪烁，再按一次始闪烁，再按一次“S S S S”键，分十位键，分十位键，分十位键，分十位LEDLEDLEDLED停止闪烁，停止闪烁，停止闪烁，停止闪烁，定时器启动，设置的时间值存储，并开始倒计数。定时器启动，设置的时间值存储，并开始倒计数。定时器启动，设置的时间值存储，并开始倒计数。定时器启

17、动，设置的时间值存储，并开始倒计数。两只两只两只两只10k10k10k10k的上拉电阻，保证键按下低电平有效，的上拉电阻，保证键按下低电平有效，的上拉电阻，保证键按下低电平有效，的上拉电阻，保证键按下低电平有效，相应的硬件电路如相应的硬件电路如相应的硬件电路如相应的硬件电路如图图图图1.31.31.31.3所示。所示。所示。所示。硬件电路设计硬件电路设计数字定时器硬件电路数字定时器硬件电路 硬件电路设计硬件电路设计考考考考虑虑虑虑到到到到上上上上电电电电过过过过程程程程中中中中不不不不允允允允许许许许用用用用电电电电设设设设备备备备瞬瞬瞬瞬间间间间动动动动作作作作，强强强强电执行部件应为低电平

18、驱动，它由电执行部件应为低电平驱动，它由电执行部件应为低电平驱动，它由电执行部件应为低电平驱动，它由P3.4P3.4P3.4P3.4完成。完成。完成。完成。强强强强电电电电执执执执行行行行部部部部件件件件选选选选用用用用价价价价格格格格低低低低的的的的小小小小型型型型电电电电磁磁磁磁继继继继电电电电器器器器，而而而而不不不不用用用用性性性性能能能能虽虽虽虽好好好好，但但但但价价价价格格格格较较较较高高高高的的的的SSRSSRSSRSSR。根根根根据据据据负负负负载载载载以以以以及及及及+12V+12V+12V+12V供供供供电电电电的的的的情情情情况况况况可可可可选选选选用用用用JQX-14F

19、12VJQX-14F12VJQX-14F12VJQX-14F12V的的的的电电电电磁磁磁磁继继继继电电电电器器器器（特特特特性性性性见见见见表表表表2.6.12.6.12.6.12.6.1）。其其其其电电电电气气气气寿寿寿寿命命命命达达达达101010105 5 5 5次次次次，应应应应能能能能满足用电设备的要求。相应的驱动电路如满足用电设备的要求。相应的驱动电路如满足用电设备的要求。相应的驱动电路如满足用电设备的要求。相应的驱动电路如图图图图3 3 3 3所示。所示。所示。所示。AT89C2051AT89C2051AT89C2051AT89C2051采用简单的采用简单的采用简单的采用简单的R

20、CRCRCRC复位电路。复位电路。复位电路。复位电路。硬件电路设计硬件电路设计MCUMCU时钟频率直接影响指令执行速度与芯片时钟频率直接影响指令执行速度与芯片的功耗。本课题对执行速度并不要求快，的功耗。本课题对执行速度并不要求快，而且希频率低一点可降低功耗，故选为而且希频率低一点可降低功耗，故选为6MHz6MHz，由于机器周期为时钟频率的，由于机器周期为时钟频率的1/121/12，即即2 2s s，为整数值，定时器中断时间亦为，为整数值，定时器中断时间亦为2 2s s的整数倍，对计时精度有利，何况的整数倍，对计时精度有利，何况6MHz6MHz的石英晶振为长线器件，价格较低。的石英晶振为长线器件

21、，价格较低。硬件电路设计硬件电路设计+12V+12V供电由供电由78057805降至降至+5V+5V供系统使用。按供系统使用。按LEDLED所有笔段全亮，所需电流约所有笔段全亮，所需电流约12.5mA12.5mA。JQXJQX14F14F通电时线圈耗电约通电时线圈耗电约45mA45mA，AT89C2051 5VAT89C2051 5V供电时工作电流约供电时工作电流约12.5mA12.5mA，电路总电流约电路总电流约70mA70mA。78057805压降为压降为7V7V，管耗为，管耗为0.49W0.49W。其热阻。其热阻/W/W，即使不加散热片，其相对环境温度的温，即使不加散热片，其相对环境温度

22、的温升约升约2222。即使在。即使在+50+50环境温度下，结温环境温度下，结温才才7272。1.5 1.5 程序设计程序设计 1 1确定整体的程序结构确定整体的程序结构 硬硬件件电电路路采采用用的的动动态态扫扫描描方方式式，编编程程序序时时要要不不停停地地扫扫描描它它。由由于于只只有有两两位位LEDLED数数码码管管，若若扫扫描描频频率率选选为为50Hz50Hz，则则每每个个数数码码管管点点亮亮的时间为的时间为10ms10ms。程序设计程序设计（1 1 1 1）最常用的程序结构）最常用的程序结构）最常用的程序结构）最常用的程序结构 图图图图4 4 4 4为设计人员最喜欢采用的主为设计人员最喜

23、欢采用的主为设计人员最喜欢采用的主为设计人员最喜欢采用的主程序流程图。主程序执行它初程序流程图。主程序执行它初程序流程图。主程序执行它初程序流程图。主程序执行它初值化以后，即进入循环的显示值化以后，即进入循环的显示值化以后，即进入循环的显示值化以后，即进入循环的显示扫描程序。其它所有的功能模扫描程序。其它所有的功能模扫描程序。其它所有的功能模扫描程序。其它所有的功能模块，如设置命令、设置时间的块，如设置命令、设置时间的块，如设置命令、设置时间的块，如设置命令、设置时间的输入、计时等统统以中断的方输入、计时等统统以中断的方输入、计时等统统以中断的方输入、计时等统统以中断的方式切入。如果初值化以后

24、只是式切入。如果初值化以后只是式切入。如果初值化以后只是式切入。如果初值化以后只是一个简单的循环等待，这种方一个简单的循环等待，这种方一个简单的循环等待，这种方一个简单的循环等待，这种方式从可靠性和程序编写上都是式从可靠性和程序编写上都是式从可靠性和程序编写上都是式从可靠性和程序编写上都是很可取的。很可取的。很可取的。很可取的。程序设计程序设计但是本设计中的两个按键，由于本身固有但是本设计中的两个按键，由于本身固有的抖动特性（如欧姆龙公司的抖动特性（如欧姆龙公司B3F-4055B3F-4055按键按键开关的抖动时间开关的抖动时间10ms10ms），一般均采用软件），一般均采用软件去抖，即查觉按

25、键动作后，先软件延时去抖，即查觉按键动作后，先软件延时20ms20ms，躲过抖动时间再接着处理按键相应，躲过抖动时间再接着处理按键相应的功能。的功能。在软件延迟的时间里，显示扫描被打断，在软件延迟的时间里，显示扫描被打断，会导致显示闪动的不良现象。会导致显示闪动的不良现象。程序设计程序设计（2 2）RTOSRTOS多任务实时操作系统（多任务实时操作系统（多任务实时操作系统（多任务实时操作系统（RTOSRTOSRTOSRTOS，如，如，如，如 C/OS-C/OS-C/OS-C/OS-）可）可）可）可以很好的解决这一并行请求的矛盾。然而这似以很好的解决这一并行请求的矛盾。然而这似以很好的解决这一并

26、行请求的矛盾。然而这似以很好的解决这一并行请求的矛盾。然而这似乎乎乎乎“杀鸡用牛刀杀鸡用牛刀杀鸡用牛刀杀鸡用牛刀”。况且。况且。况且。况且89C205189C205189C205189C2051的程序存储器的程序存储器的程序存储器的程序存储器容量也有限。容量也有限。容量也有限。容量也有限。程序设计程序设计（3 3）以系统时钟为核心的程序结构）以系统时钟为核心的程序结构我们统计一下本设计要使用的几个时间量：我们统计一下本设计要使用的几个时间量：我们统计一下本设计要使用的几个时间量：我们统计一下本设计要使用的几个时间量：10ms10ms10ms10ms每个数码管显示时间；每个数码管显示时间；每个数

27、码管显示时间；每个数码管显示时间；20ms20ms20ms20ms按键去抖按键去抖按键去抖按键去抖时间；时间；时间；时间；0.5s0.5s0.5s0.5s分个位分个位分个位分个位LEDLEDLEDLED小数点亮小数点亮小数点亮小数点亮/灭时间；灭时间；灭时间；灭时间；1s1s1s1s计时的单位时间。计时的单位时间。计时的单位时间。计时的单位时间。程序设计程序设计选择其最短的时间选择其最短的时间选择其最短的时间选择其最短的时间10ms10ms10ms10ms做系统时钟基准。即利用做系统时钟基准。即利用做系统时钟基准。即利用做系统时钟基准。即利用MCUMCUMCUMCU的定时器每的定时器每的定时器

28、每的定时器每10ms10ms10ms10ms中断一次。然后确定每个时钟中断一次。然后确定每个时钟中断一次。然后确定每个时钟中断一次。然后确定每个时钟需完成的任务：需完成的任务：需完成的任务：需完成的任务：轮流点亮轮流点亮轮流点亮轮流点亮LEDLEDLEDLED一次；一次；一次；一次；判有无键按下，若有键按下激活一个标志，并记录判有无键按下，若有键按下激活一个标志，并记录判有无键按下，若有键按下激活一个标志，并记录判有无键按下，若有键按下激活一个标志，并记录键按下的时间；键按下的时间；键按下的时间；键按下的时间；检查键标志，并检查是否已到去抖时间（检查键标志，并检查是否已到去抖时间（检查键标志，

29、并检查是否已到去抖时间（检查键标志，并检查是否已到去抖时间（20ms20ms20ms20ms，二，二，二，二个系统时钟时间），若已到则判定哪个键按下并做相个系统时钟时间），若已到则判定哪个键按下并做相个系统时钟时间），若已到则判定哪个键按下并做相个系统时钟时间），若已到则判定哪个键按下并做相应处理。因为每个时钟均访问应处理。因为每个时钟均访问应处理。因为每个时钟均访问应处理。因为每个时钟均访问LEDLEDLEDLED一次，动态驱动得以一次，动态驱动得以一次，动态驱动得以一次，动态驱动得以保证。而进行键功能处理，有保证。而进行键功能处理，有保证。而进行键功能处理，有保证。而进行键功能处理，有10

30、ms10ms10ms10ms的时间足矣！的时间足矣！的时间足矣！的时间足矣！程序设计程序设计至于至于0.5s0.5s和和1s1s时钟事件处理可以由计另一时钟事件处理可以由计另一时时钟来完成，它承担每时时钟来完成，它承担每0.5s0.5s设置位设置位LEDLED闪闪烁和烁和1s1s计时信号产生的任务，分为二个计计时信号产生的任务，分为二个计时器可以使程序编写起来更容易一些。时器可以使程序编写起来更容易一些。程序设计程序设计2 2 2 2资源分配资源分配资源分配资源分配（1 1 1 1）硬件资源分配）硬件资源分配）硬件资源分配）硬件资源分配功能键功能键功能键功能键KSKSKSKS，边沿触发；，边沿

31、触发；，边沿触发；，边沿触发；加键加键加键加键KADKADKADKAD，边沿触发，边沿触发，边沿触发，边沿触发P1.0P1.7 P1.0P1.7 P1.0P1.7 P1.0P1.7 LEDLEDLEDLED段码输出，高电平有效段码输出，高电平有效段码输出，高电平有效段码输出，高电平有效P3.0 P3.0 P3.0 P3.0 LEDLEDLEDLED数码管分十位阴极，低电平有效，数码管分十位阴极，低电平有效，数码管分十位阴极，低电平有效，数码管分十位阴极，低电平有效，K1K1K1K1P3.1 P3.1 P3.1 P3.1 LEDLEDLEDLED数码管分十位阴极，低电平有效，数码管分十位阴极，低

32、电平有效，数码管分十位阴极，低电平有效，数码管分十位阴极，低电平有效，K2K2K2K2P3.4 P3.4 P3.4 P3.4 继电器驱动输出，低电平输出有效，继电器驱动输出，低电平输出有效，继电器驱动输出，低电平输出有效，继电器驱动输出，低电平输出有效，J J J JT0T0T0T0 16 16 16 16位计时器，系统时钟，位计时器，系统时钟，位计时器，系统时钟，位计时器，系统时钟，10ms10ms10ms10ms中断一次中断一次中断一次中断一次T1T1T1T1 16 16 16 16位计时器，计时时钟，位计时器，计时时钟，位计时器，计时时钟，位计时器，计时时钟，0.1ms0.1ms0.1m

33、s0.1ms中断一次中断一次中断一次中断一次程序设计程序设计（2 2 2 2）寄存器资源分配）寄存器资源分配）寄存器资源分配）寄存器资源分配（3 3 3 3）标志位资源分配与功能）标志位资源分配与功能）标志位资源分配与功能）标志位资源分配与功能以上两项请直接参阅程序清单以上两项请直接参阅程序清单以上两项请直接参阅程序清单以上两项请直接参阅程序清单程序设计程序设计3 3 3 3程序流程图程序流程图程序流程图程序流程图 图图图图5 5 5 5为主程序流程图。为主程序流程图。为主程序流程图。为主程序流程图。具体程序设计略具体程序设计略程序设计程序设计4 4容错设计容错设计允允许许错错误误存存在在，并

34、并能能防防止止它它对对系系统统正正常常工作的破坏，称为工作的破坏，称为“容错容错”。人人为为操操作作失失误误是是造造成成系系统统工工作作失失败败的的最最重重要要的的因因素素。世世界界上上许许多多次次严严重重的的事事故故，如如切切尔尔诺诺贝贝利利核核洩洩漏漏，就就是是错错误误操操作作造造成的。成的。程序设计程序设计4 4容错设计容错设计一一一一个个个个没没没没有有有有考考考考虑虑虑虑容容容容错错错错的的的的设设设设计计计计，包包包包括括括括一一一一个个个个程程程程序序序序，不不不不能能能能算算算算一一一一个完美的设计。个完美的设计。个完美的设计。个完美的设计。上上上上述述述述数数数数字字字字定定

35、定定时时时时器器器器程程程程序序序序就就就就至至至至少少少少没没没没有有有有考考考考虑虑虑虑二二二二种种种种人人人人-机机机机交交交交互互互互易产生的错误：易产生的错误：易产生的错误：易产生的错误：（1 1 1 1）上上上上电电电电后后后后，显显显显示示示示10101010分分分分隐隐隐隐含含含含时时时时间间间间。正正正正常常常常操操操操作作作作应应应应当当当当是是是是：不不不不设设设设新新新新时时时时间间间间；或或或或者者者者先先先先按按按按功功功功能能能能键键键键，设设设设分分分分个个个个位位位位。再再再再按按按按功功功功能能能能键键键键，设设设设分分分分十十十十位位位位。再再再再按按按按

36、一一一一次次次次功功功功能能能能键键键键正正正正常常常常倒倒倒倒计计计计时时时时。但但但但是是是是如如如如果果果果上上上上电电电电后后后后直直直直接接接接按加键，则分个位将动作，这将导致功能键动作次数紊乱。按加键，则分个位将动作，这将导致功能键动作次数紊乱。按加键，则分个位将动作，这将导致功能键动作次数紊乱。按加键，则分个位将动作，这将导致功能键动作次数紊乱。（2 2 2 2）倒倒倒倒计计计计时时时时开开开开始始始始后后后后，如如如如果果果果按按按按任任任任何何何何一一一一键键键键，也也也也将将将将出出出出现现现现非非非非正正正正常常常常情情情情况。况。况。况。程序设计程序设计4 4容错设计容

37、错设计对对对对于于于于第第第第一一一一种种种种情情情情况况况况，可可可可以以以以在在在在系系系系统统统统时时时时钟钟钟钟程程程程序序序序检检检检测测测测到到到到“+”键键键键时时时时，先先先先判判判判别别别别一一一一下下下下功功功功能能能能键键键键次次次次数数数数是是是是否否否否为为为为零零零零，若若若若是是是是则则则则不不不不做做做做加加加加法法法法而而而而直直直直接接接接退退退退出出出出，见见见见下下下下面面面面所所所所列程序。列程序。列程序。列程序。对对对对于于于于第第第第二二二二种种种种情情情情况况况况，可可可可以以以以在在在在开开开开始始始始计计计计时时时时后后后后关关关关闭闭闭闭外

38、外外外部部部部中中中中断断断断，而而而而在在在在计计计计时时时时结结结结束束束束后后后后再再再再重重重重新新新新允允允允许许许许外外外外部部部部中中中中断。断。断。断。程序设计程序设计5 5软件的简单抗干扰措施软件的简单抗干扰措施（1 1 1 1）指令冗余）指令冗余）指令冗余）指令冗余现现现现以以以以CK0CK0CK0CK0程程程程序序序序中中中中的的的的含含含含有有有有冗冗冗冗余余余余指指指指令令令令的的的的几几几几个个个个语语语语句句句句为为为为例例例例简简简简单单单单说说说说明明明明一一一一下下下下它它它它的的的的抗抗抗抗干干干干扰扰扰扰原原原原理理理理。语语语语句句句句如如如如下下下下

39、：（具具具具体程序见程序清单）体程序见程序清单）体程序见程序清单）体程序见程序清单）程序设计程序设计（1 1）指令冗余）指令冗余程序正常运行时，程序计数器（程序正常运行时，程序计数器（程序正常运行时，程序计数器（程序正常运行时，程序计数器（PCPCPCPC）指针在执）指针在执）指针在执）指针在执行行行行JMP MPROJMP MPROJMP MPROJMP MPRO语句时指向语句时指向语句时指向语句时指向095H095H095H095H，这条指令对应的，这条指令对应的，这条指令对应的，这条指令对应的机器码为机器码为机器码为机器码为80H80H80H80H，25H25H25H25H。前者是指令码

40、，后者为相。前者是指令码，后者为相。前者是指令码，后者为相。前者是指令码，后者为相对跳转地址，即执行此指令后程序指针应跳转对跳转地址，即执行此指令后程序指针应跳转对跳转地址，即执行此指令后程序指针应跳转对跳转地址，即执行此指令后程序指针应跳转到到到到25H25H25H25H加下条指令的加下条指令的加下条指令的加下条指令的PCPCPCPC值，即跳至值，即跳至值，即跳至值，即跳至OBCHOBCHOBCHOBCH。后面的。后面的。后面的。后面的三条空操作冗余指令对程序运行毫无影响。三条空操作冗余指令对程序运行毫无影响。三条空操作冗余指令对程序运行毫无影响。三条空操作冗余指令对程序运行毫无影响。程序设

41、计程序设计（1 1）指令冗余）指令冗余倘若程序计数器的值受到了外界干扰，指向倘若程序计数器的值受到了外界干扰，指向倘若程序计数器的值受到了外界干扰，指向倘若程序计数器的值受到了外界干扰，指向25H25H25H25H（如虚线所示），如果不加冗余指令，则（如虚线所示），如果不加冗余指令，则（如虚线所示），如果不加冗余指令，则（如虚线所示），如果不加冗余指令，则25H25H25H25H被当做指令码，将执行被当做指令码，将执行被当做指令码，将执行被当做指令码，将执行ADD A,data addrADD A,data addrADD A,data addrADD A,data addr，即执行累加器即执

42、行累加器即执行累加器即执行累加器ACCACCACCACC加一个数据地址为紧跟其后的加一个数据地址为紧跟其后的加一个数据地址为紧跟其后的加一个数据地址为紧跟其后的20H20H20H20H。下一条指令，由于。下一条指令，由于。下一条指令，由于。下一条指令，由于PCPCPCPC指向指向指向指向B2HB2HB2HB2H，将执行，将执行，将执行，将执行CPL CPL CPL CPL bit addrbit addrbit addrbit addr，即对，即对，即对，即对18H18H18H18H这个位地址了反。可见程序这个位地址了反。可见程序这个位地址了反。可见程序这个位地址了反。可见程序被完全破坏。被完

43、全破坏。被完全破坏。被完全破坏。程序设计程序设计（1 1）指令冗余）指令冗余如如果果干干扰扰后后指指针针仍仍是是指指向向25H25H，但但下下面面有有三三条条NOPNOP指指令令，程程序序执执行行的的是是ADD ADD A A，00H00H，累累加加器器的的值值会会改改变变。但但PCPC下下一一个个指指向向的的二二个个NOPNOP，再再下下一一个个指指向向的的将将是是正正常常的的JB JB KSKS，RCKORCKO语语言言。至至少少减减少少了了程程序序被被破破坏坏的的程程度度，能接着恢复正常运行。能接着恢复正常运行。冗余指令冗余指令NOPNOP通常加在通常加在2 2字节或字节或3 3字节指令

44、的字节指令的后面。后面。程序设计程序设计5 5软件的简单抗干扰措施软件的简单抗干扰措施（2 2 2 2）软件陷阱）软件陷阱）软件陷阱）软件陷阱程序的长度总是小于程序存储器的容量，本课题中程序的长度总是小于程序存储器的容量，本课题中程序的长度总是小于程序存储器的容量，本课题中程序的长度总是小于程序存储器的容量，本课题中程序长度为程序长度为程序长度为程序长度为170H170H170H170H（368 Byte368 Byte368 Byte368 Byte），而），而），而），而89C205189C205189C205189C2051内部内部内部内部Flash memoryFlash memory

45、Flash memoryFlash memory的容量为的容量为的容量为的容量为2kB2kB2kB2kB（800H800H800H800H），有大片的内存），有大片的内存），有大片的内存），有大片的内存的的的的FFHFFHFFHFFH剩余区。剩余区。剩余区。剩余区。FFHFFHFFHFFH为为为为MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51内核的指令代码内核的指令代码内核的指令代码内核的指令代码MOV AMOV AMOV AMOV A，R7R7R7R7。在剩余区里可以安排若干跳转到初值化地址的。在剩余区里可以安排若干跳转到初值化地址的。在剩余区里可以安排若干跳转到初值化地址的。在剩余区里可

46、以安排若干跳转到初值化地址的指令，以便程序跳飞时能被这些陷阱所捕获，还原指令，以便程序跳飞时能被这些陷阱所捕获，还原指令，以便程序跳飞时能被这些陷阱所捕获，还原指令，以便程序跳飞时能被这些陷阱所捕获，还原到初值化或其它程序，请参看程序清单。到初值化或其它程序，请参看程序清单。到初值化或其它程序，请参看程序清单。到初值化或其它程序，请参看程序清单。程序设计程序设计5 5软软件件的的简简单单抗抗干干扰扰措施措施（3 3 3 3）监视定时器）监视定时器）监视定时器）监视定时器监监监监视视视视定定定定时时时时器器器器（Watch Watch Watch Watch Dog Dog Dog Dog Ti

47、mer-WDTTimer-WDTTimer-WDTTimer-WDT）俗俗俗俗称称称称“看看看看门门门门狗狗狗狗”，是是是是一一一一种种种种最最最最常常常常用用用用的的的的很很很很有有有有效效效效的的的的抗抗抗抗干干干干扰扰扰扰方方方方法法法法。它它它它的的的的工工工工作作作作原原原原理理理理可可可可以以以以用用用用图图图图1.101.101.101.10来说明。来说明。来说明。来说明。程序设计程序设计监监监监视视视视定定定定时时时时器器器器是是是是一一一一个个个个时时时时间间间间计计计计数数数数器器器器，复复复复位位位位以以以以后后后后，每每每每隔隔隔隔一一一一个个个个固固固固定定定定的的的

48、的时时时时间间间间t t t tWDTWDTWDTWDT由由由由Q Q Q Q端端端端发发发发生生生生一一一一个个个个进进进进位位位位脉脉脉脉冲冲冲冲，迫迫迫迫使使使使MCUMCUMCUMCU复复复复位位位位。MCUMCUMCUMCU在在在在程程程程序序序序正正正正常常常常运运运运行行行行时时时时，启启启启动动动动WDTWDTWDTWDT，并并并并每每每每隔隔隔隔ttttWDTWDTWDTWDT的的的的时时时时间间间间通通通通过过过过I/OI/OI/OI/O口口口口向向向向WDTWDTWDTWDT发发发发送送送送复复复复位位位位信信信信号号号号，所所所所以以以以WDTWDTWDTWDT永永永永

49、远远远远没没没没有有有有强强强强迫迫迫迫MCUMCUMCUMCU复复复复位位位位的的的的可可可可能能能能。当当当当程程程程序序序序受受受受到到到到干干干干扰扰扰扰，“跑跑跑跑飞飞飞飞”以以以以后后后后，程程程程序序序序不不不不能能能能正正正正常常常常的的的的向向向向WDTWDTWDTWDT发发发发送送送送，于于于于是是是是在在在在跑跑跑跑飞飞飞飞t t t tWDTWDTWDTWDT时时时时间间间间以以以以后后后后，MCUMCUMCUMCU复复复复位位位位，程程程程序序序序又又又又纳纳纳纳入入入入正正正正常常常常运运运运行。行。行。行。WDTWDTWDTWDT可可可可以以以以用用用用外外外外部

50、部部部器器器器件件件件自自自自行行行行设设设设计计计计，也也也也可可可可以以以以使使使使用用用用具具具具有有有有WDTWDTWDTWDT功功功功能能能能的的的的ICICICIC，如如如如X5045X5045X5045X5045。现现现现在在在在已已已已经经经经有有有有不不不不少少少少MCUMCUMCUMCU内内内内部部部部已已已已带带带带有有有有WDTWDTWDTWDT，只需程序控制其运行即可。，只需程序控制其运行即可。，只需程序控制其运行即可。，只需程序控制其运行即可。对低端产品的本设计而言还没有必要使用对低端产品的本设计而言还没有必要使用对低端产品的本设计而言还没有必要使用对低端产品的本设