C51单片机应用系统的设计与开发.ppt

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1、第第1313章章 89C51 89C51单片机应用系统的单片机应用系统的设计与开发设计与开发13.1 89C5113.1 89C51单片机应用系统的设计的步骤单片机应用系统的设计的步骤设计一个单片机测控系统，一般可分为设计一个单片机测控系统，一般可分为四个步骤四个步骤：（1 1）需求分析，方案论证和总体设计阶段）需求分析，方案论证和总体设计阶段需求分析需求分析:被测控参数的形式（电量、非电量、模拟量、被测控参数的形式（电量、非电量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系统功数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。能、工作环境、显示、报警、

2、打印要求等。方案论证方案论证:根据要求，设计出符合现场条件的软硬件方案，根据要求，设计出符合现场条件的软硬件方案，又要使系统简单、经济、可靠，这是进行方案论证与又要使系统简单、经济、可靠，这是进行方案论证与总体设计一贯坚持的原则。总体设计一贯坚持的原则。（2 2）器件选择，电路设计制作，数据处理，软件的编制）器件选择，电路设计制作，数据处理，软件的编制阶段。阶段。（3 3）系统调试与性能测定。）系统调试与性能测定。（4 4）文件编制）文件编制13.2 13.2 应用系统的硬件设计应用系统的硬件设计为使硬件设计尽可能合理，应重点考虑以下几点。为使硬件设计尽可能合理，应重点考虑以下几点。1 1尽可

3、能采用功能强的芯片尽可能采用功能强的芯片（1 1）单片机的选型）单片机的选型。随着集成电路技术的飞速发展，单片机。随着集成电路技术的飞速发展，单片机的集成度越来越高，的集成度越来越高，许多外围部件都已集成在芯片内，许多外围部件都已集成在芯片内，有有许多单片机本身就是一个系统，这样可以省去许多外围部许多单片机本身就是一个系统，这样可以省去许多外围部件的扩展工作，使设计工作大大简化。件的扩展工作，使设计工作大大简化。例如，美国例如，美国CygnalCygnal公司的公司的C8051F020 C8051F020 8 8位单片机，位单片机，片内集成有片内集成有8 8通道通道A/DA/D、两路、两路D/

4、AD/A、两路电压比较器，内置温度传感器、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和定时器、可编程数字交叉开关和6464个通用个通用I/OI/O口、电源监口、电源监测、看门狗、多种类型的串行总线（两个测、看门狗、多种类型的串行总线（两个UARTUART、SPISPI）等。）等。（2 2）优先选用片内带有闪烁存储器优先选用片内带有闪烁存储器的产品。例如，使用的产品。例如，使用ATMELATMEL公司的公司的89C51/89C52/89C5589C51/89C52/89C55，PHILIPS PHILIPS公司的公司的89C5889C58（内有（内有32KB32KB的闪烁存储器）

5、，可省去扩展单片机程的闪烁存储器），可省去扩展单片机程序存储器的工作，减少芯片数量，缩小体积。序存储器的工作，减少芯片数量，缩小体积。（3 3）考虑考虑EPROMEPROM空间和空间和RAMRAM空间空间。目前。目前EPROMEPROM容量越来越大，容量越来越大，一般尽量选用容量大的一般尽量选用容量大的EPROMEPROM。89C5189C51内部的内部的RAMRAM单元有限，单元有限，当需增强软件数据处理功能时，往往觉得不足，这就要求当需增强软件数据处理功能时，往往觉得不足，这就要求系统配置外部系统配置外部RAMRAM，如，如62646264，6225662256芯片等。如果处理的数芯片等。

6、如果处理的数据量大，需要更大的数据存储器空间，可采用数据存储器据量大，需要更大的数据存储器空间，可采用数据存储器芯片芯片DS12887DS12887，其容量为，其容量为256KB256KB，内有锂电池保护，保存数，内有锂电池保护，保存数据可达据可达1010年以上。年以上。（4 4）对对I/OI/O端口的考虑端口的考虑。在样机研制出来进行现场试用时，。在样机研制出来进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题是不能单靠软往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题是不能单靠软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物

7、理量需要控制，就必须增加输出端。输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件设计之初就多设计出一些如果在硬件设计之初就多设计出一些I/OI/O端口，这些问题就端口，这些问题就会迎刃而解了。会迎刃而解了。（5 5）预留预留A/DA/D和和D/AD/A通道通道。和。和I/OI/O端口同样的原因，留出一些端口同样的原因，留出一些A/DA/D和和D/AD/A通道将来可能会解决大问题。通道将来可能会解决大问题。2 2以软代硬以软代硬原则上，只要软件能做到且能满足性能要求，就不用硬件。原则上，只要软件能做到且能满足性能要求，就不用硬件。硬件多了不但增加成本，而且系统故障率也会提高。以软硬件

8、多了不但增加成本，而且系统故障率也会提高。以软带硬的实质，是以时间换空间，软件执行过程需要消耗时带硬的实质，是以时间换空间，软件执行过程需要消耗时间，因此这种代替带来的问题就是实时性下降。在实时性间，因此这种代替带来的问题就是实时性下降。在实时性要求不高的场合，以软代硬是很合算的。要求不高的场合，以软代硬是很合算的。3 3工艺设计工艺设计包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试、包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试、维修的方便。另外，硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时维修的方便。另外，硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。一并考虑进去。13.3 13.3 应用

9、系统的软件总体框架设计应用系统的软件总体框架设计 在进行应用在进行应用系统的总体设计系统的总体设计时，时，软件设计和硬件设计软件设计和硬件设计应统一考应统一考虑，虑，相互结合进行。当系统的电路设计定型后，软件的任务相互结合进行。当系统的电路设计定型后，软件的任务也就明确了。也就明确了。一般来说，一般来说，软件的功能软件的功能分为分为两大类两大类。一类是执行软件一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量、计算、，它能完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控制等；显示、打印、输出控制等；另一类是监控软件另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的，它是专门用来协调各执

10、行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度的角色。设计人员在进行关系，在系统软件中充当组织调度的角色。设计人员在进行程序设计时应从以下几个方面加以考虑：程序设计时应从以下几个方面加以考虑：（1 1）根据软件功能要求，）根据软件功能要求，将系统软件分成若干相对独立的部将系统软件分成若干相对独立的部分分，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简洁、流程，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简洁、流程合理。合理。（2 2）各功能程序）各功能程序实行模块化、子程序化。实行模块化、子程序化。既便于调试、链接，既便于调试、链接，又便于移植、修改。又便于移植、修改。（3 3）在）在编写应用软件之前，应绘制

11、出程序流程图编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。多花一些。多花一些时间来设计程序流程图，就可以节约几倍于源程序的编辑时间来设计程序流程图，就可以节约几倍于源程序的编辑和调试时间。和调试时间。（4 4）要）要合理分配系统资源，包括合理分配系统资源，包括ROMROM、RAMRAM、定时器、定时器/计数器、计数器、中断源等中断源等。其中。其中最关键的是片内最关键的是片内RAMRAM分配分配。对。对89C5189C51来讲，来讲，片内片内RAMRAM指指00H00H7FH7FH单元，这单元，这128128个字节的功能不个字节的功能不 完全相同，分配时应充分发挥其特长，做到物尽其用。完全相同，分配时应

12、充分发挥其特长，做到物尽其用。例如，在工作寄存器的例如，在工作寄存器的8 8个单元中，个单元中，R0R0和和R1R1具有指针功能，是具有指针功能，是编程的重要角色，避免作为它用；编程的重要角色，避免作为它用；20H20H2FH2FH这这1616个字节具个字节具有位寻址功能，用来存放各种标志位、逻辑变量、状态变有位寻址功能，用来存放各种标志位、逻辑变量、状态变量等；设置堆栈区时应事先估算出子程序和中断嵌套技术量等；设置堆栈区时应事先估算出子程序和中断嵌套技术及程序中栈操作指令使用情况，其大小应留有余量。及程序中栈操作指令使用情况，其大小应留有余量。若系统中扩展了若系统中扩展了RAMRAM存储器，

13、应把使用频率最高的数据缓冲器存储器，应把使用频率最高的数据缓冲器安排在片内安排在片内RAMRAM中，以提高处理速度。当中，以提高处理速度。当RAMRAM资源规划好后，资源规划好后，应列出一张详细的应列出一张详细的RAMRAM资源分配表，以备编程时查用方便。资源分配表，以备编程时查用方便。应用设计者在软件设计时，感觉比较困难的是如何进行系统应用设计者在软件设计时，感觉比较困难的是如何进行系统软件的总体框架设计。下面给出一个典型的例子，供读者软件的总体框架设计。下面给出一个典型的例子，供读者在软件设计时参考。在软件设计时参考。例例13-113-1 有一个有一个89C5189C51的应用系统，假设的

14、应用系统，假设5 5个中断源个中断源都已用到，都已用到，应用系统的程序框架如下：应用系统的程序框架如下：ORG ORG 0000H0000H;系统程序入口系统程序入口LJMP LJMP MAINMAIN;跳向主程序入口跳向主程序入口ORG ORG 0003H0003H;外中断外中断0 0中断向量入口中断向量入口LJMP IINT0PLJMP IINT0P;跳向外中断跳向外中断0 0中断处理程中断处理程;序入口序入口IINT0PIINT0PORG ORG 000BH000BH;T0;T0中断向量入口中断向量入口LJMP IT0PLJMP IT0P;跳向跳向T0T0中断处理程序入口中断处理程序入口

15、IT0PIT0PORG ORG 0013H0013H;外中断外中断0 0中断向量入口中断向量入口LJMP IINT1P;LJMP IINT1P;跳向外中断跳向外中断1 1中断处理程序入口中断处理程序入口IINT1PIINT1PORG ORG 001BH001BH;T1;T1中断向量入口中断向量入口LJMP IT1PLJMP IT1P;跳向跳向T1T1中断处理程序入口中断处理程序入口IT1PIT1PORG ORG 0023H0023H;串行口中断向量入口串行口中断向量入口LJMP ISIOPLJMP ISIOP;跳向串行口中断处理程序入口跳向串行口中断处理程序入口ISIOPISIOPORG 00

16、40HORG 0040H;主程序入口主程序入口MAIN:MAIN:对片内各功能部件，如定时器、对片内各功能部件，如定时器、串行口、中断系统进行初始化；串行口、中断系统进行初始化；对扩展的各个对扩展的各个I/OI/O接口芯片进行初始化接口芯片进行初始化MOV SP,#60H;MOV SP,#60H;对堆栈区进行初始化对堆栈区进行初始化主程序（根据实际主程序（根据实际 处理任务编写）处理任务编写）ORG XXXXHORG XXXXH;外中断外中断0 0中断处理子程序中断处理子程序IINT0PIINT0P入口入口IINT0P:IINT0P:外中断外中断0 0中断处理子程序中断处理子程序RETIRET

17、IORG YYYYHORG YYYYH IT0P:IT0P:T0T0中断处理子程序中断处理子程序RETIRETIORG ZZZZHORG ZZZZH IINT1P:IINT1P:外中断外中断1 1中断处理子程序中断处理子程序RETIRETIORG UUUUHORG UUUUH IT1P:IT1P:T1T1中断处理子程序中断处理子程序RETIRETIORG VVVVHORG VVVVH ISIOP:ISIOP:串行口中断处理子程序串行口中断处理子程序RETIRETI上述程序框架上述程序框架仅供参考，仅供参考，5 5个中断源的中断入口个中断源的中断入口XXXXHXXXXHVVVVHVVVVH要根据

18、主程序、各中断源的中断处理程序的长度而定，不要根据主程序、各中断源的中断处理程序的长度而定，不要重叠。要重叠。13.4 89C5113.4 89C51单片机系统设计举例单片机系统设计举例首先介绍单片机应用系统设计时的地址空间分配和总线驱动首先介绍单片机应用系统设计时的地址空间分配和总线驱动问题，最后举一个应用系统设计的例子供读者参考。问题，最后举一个应用系统设计的例子供读者参考。13.4.1 13.4.1 应用系统设计中的地址空间分配与总线驱动应用系统设计中的地址空间分配与总线驱动系统往往是系统往往是多芯片系统多芯片系统，这时要遇到，这时要遇到两个问题两个问题：一是如何把：一是如何把64KB6

19、4KB程序存储器和程序存储器和64KB64KB数据存储器的空间分配给各个芯片；数据存储器的空间分配给各个芯片；二是如何实现二是如何实现89C5189C51单片机对多片芯片的驱动。单片机对多片芯片的驱动。1 1地址空间分配地址空间分配图图13-113-1是一个全地址译码的系统实例。各器件芯片所对应的是一个全地址译码的系统实例。各器件芯片所对应的地址如地址如表表13-113-1所示。所示。地址空间分配的两种方法：地址空间分配的两种方法：线选法线选法和和译码法译码法。下面通过一个。下面通过一个例子来说明如何解决这个问题。例子来说明如何解决这个问题。图图13-113-1因因62646264、27642

20、764都是都是8KB8KB，故需要，故需要1313条低位地址线（条低位地址线（A12A12A0A0）进）进行片内寻址，低行片内寻址，低8 8位地址线位地址线A7A7A0A0经经8D8D锁存器锁存器74LS37374LS373输出，输出，图中没有画出。其他三条高位地址线图中没有画出。其他三条高位地址线A15A15A13A13经经3-83-8译码器译码器74LS13874LS138译码后作为外围芯片的片选线。图中尚剩余三条地译码后作为外围芯片的片选线。图中尚剩余三条地址选择线，可扩展三片存储器芯片或外围址选择线，可扩展三片存储器芯片或外围I/OI/O接口电路芯接口电路芯片。片。2 2总线驱动总线驱

21、动设计时，有时要扩展多片芯片，注意设计时，有时要扩展多片芯片，注意89C5189C51的的I/OI/O口驱动能力。口驱动能力。89C5189C51有有4 4个并行双向口，个并行双向口，P0P0、P1P1、P2P2、P3P3等等4 4个口都可用作输个口都可用作输出口，但其驱动能力不同，出口，但其驱动能力不同，P0P0口的驱动能力较大，每位可驱口的驱动能力较大，每位可驱动动8 8个个LSTTLLSTTL输入，当其输出高电平时，可提供输入，当其输出高电平时，可提供400400 A A的电流；的电流；当其输出低电平（当其输出低电平（0.45V0.45V）时，可提供）时，可提供3.2mA3.2mA的灌电

22、流，的灌电流，如低电平允许提高，灌电流可相应加大。如低电平允许提高，灌电流可相应加大。P1P1、P2P2、P3P3口的每一位只能驱动口的每一位只能驱动4 4个个LSTTLLSTTL，即可提供的电流只有，即可提供的电流只有P0P0口的一半。所以，任何一个口要想获得较大的驱动口的一半。所以，任何一个口要想获得较大的驱动能力，只能用低电平输出。能力，只能用低电平输出。89C5189C51通常将通常将P0P0、P2P2口用作口用作访问外部存储器，所以访问外部存储器，所以P1P1、P3P3口只能用作输入口只能用作输入/输出口。输出口。P1P1、P3P3口的驱动能力有限，在低电平输出时，一般也口的驱动能力

23、有限，在低电平输出时，一般也只能提供不到只能提供不到2mA2mA的灌电流。当应用系统规模过大时，的灌电流。当应用系统规模过大时，可能造成负载过重，致使驱动能力不够，系统不能可可能造成负载过重，致使驱动能力不够，系统不能可靠地工作，所以通常要附加总线驱动器或其他驱动电靠地工作，所以通常要附加总线驱动器或其他驱动电路。路。多芯片应用系统中首先要估计总线的负载情况，以确定是否需多芯片应用系统中首先要估计总线的负载情况，以确定是否需要对总线的驱动能力进行扩展。要对总线的驱动能力进行扩展。图图13-213-2为为89C5189C51单片机总线单片机总线驱动扩展原理图。驱动扩展原理图。地址总线和控制总线的

24、驱动器为单向驱动器，并具有三态输出地址总线和控制总线的驱动器为单向驱动器，并具有三态输出功能。驱动器有一个控制端，以控制驱动器开通或处于高阻功能。驱动器有一个控制端，以控制驱动器开通或处于高阻状态。通常，在单片机应用系统中不采用状态。通常，在单片机应用系统中不采用DMADMA功能时，地址功能时，地址总线及控制总线可一直处于开通状态，这时控制端接地即可。总线及控制总线可一直处于开通状态，这时控制端接地即可。常用的常用的单向总线驱动器单向总线驱动器为为74LS24474LS244。图图13-313-3为为74LS24474LS244引脚图和引脚图和逻辑图。逻辑图。8 8个三态驱动器分成两组，分别由

25、个三态驱动器分成两组，分别由1 1和和2 2控制。控制。2总线的驱动总线的驱动图图13-213-2图图13-313-3图图13-413-4常用的常用的双向驱动器双向驱动器为为74LS24574LS245，图图13-413-4为其引脚图和逻辑图。为其引脚图和逻辑图。图图13-513-5是是89C5189C51单片机应用系统总线驱动扩展电路。单片机应用系统总线驱动扩展电路。P0P0口的双向口的双向驱动采用驱动采用74LS24574LS245，如图，如图13-513-5（b b）所示；）所示；P2P2口的单向驱动器采口的单向驱动器采用用74LS24474LS244，如图，如图13-513-5（a a

26、）所示。）所示。图图13-513-513.4.2 89C5113.4.2 89C51的最小系统的最小系统89C5189C51内部有内部有4KB4KB闪烁存储器，芯片本身就是一个最小系统。在闪烁存储器，芯片本身就是一个最小系统。在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用此种方能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用此种方案。用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。在用案。用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。在用89C5189C51单单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如复位电路即可，如图图13-613-6所示。本

27、最小应用系统只能用作所示。本最小应用系统只能用作一些小型的数字量的测控单元。一些小型的数字量的测控单元。图图13-613-613.4.3 13.4.3 应用设计举例应用设计举例-水温控制系统的设计水温控制系统的设计水温控制是经常遇到的过程控制。下面介绍以水温控制是经常遇到的过程控制。下面介绍以89C5189C51为核心的为核心的水温控制系统的设计。本系统采用水温控制系统的设计。本系统采用3 3位位LEDLED显示器显示水温度，显示器显示水温度，温度控制采用改进的温度控制采用改进的PIDPID数字控制算法。数字控制算法。具有如下具有如下基本功能基本功能：（1 1）温度控制的设定范围为）温度控制的

28、设定范围为 25-50 25-50，最小分辨率为，最小分辨率为0.10.1。（2 2）偏差）偏差0.60.6，静态误差，静态误差0.40.4。（3 3）实时显示当前的温度值。）实时显示当前的温度值。（4 4）命令按键）命令按键5 5个个:复位键复位键,功能转换键功能转换键,加加1 1键键,减减1 1键。键。1.1.硬件电路设计硬件电路设计硬件电路从功能模块上来划分有：硬件电路从功能模块上来划分有：主机电路主机电路数据采集电路数据采集电路键盘、显示电路键盘、显示电路控制执行电路控制执行电路（1 1）硬件功能结构框图）硬件功能结构框图硬件功能结构框图如硬件功能结构框图如图图13-713-7所示。所

29、示。图图13-713-7（2 2）数据采集电路的设计）数据采集电路的设计主机采用主机采用89C5189C51，系统时钟采用，系统时钟采用12MHz12MHz，内部含有，内部含有4K4K字节的字节的闪烁存储器。无须外扩程序存储器。闪烁存储器。无须外扩程序存储器。数据采集电路主要由温度传感器、数据采集电路主要由温度传感器、A/DA/D转换器、放大电路等转换器、放大电路等组成，见组成，见图图13-813-8。图图13-813-8（3 3）控制执行电路的设计）控制执行电路的设计由单片机的输出来控制风扇或电炉。设计中要采用光电耦由单片机的输出来控制风扇或电炉。设计中要采用光电耦合器进行强电和弱电的隔离，

30、但还要考虑到输出信号要对可合器进行强电和弱电的隔离，但还要考虑到输出信号要对可控硅进行触发，以便接通风扇或电炉电路，所以可控硅选用控硅进行触发，以便接通风扇或电炉电路，所以可控硅选用了既有光电隔离又有触发功能的了既有光电隔离又有触发功能的MC3041MC3041。其中使用。其中使用P1.0P1.0控制控制电炉电路，电炉电路，P1.1P1.1控制风扇电路，如控制风扇电路，如图图13-913-9所示。所示。图图13-913-9（4）键盘与显示器电路的设计）键盘与显示器电路的设计 键盘共有键盘共有4个键，采用软件查询和外部中断相结合的方法来个键，采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，当某个键按下

31、时，低电平有效。设计，当某个键按下时，低电平有效。4个键个键K1K4的功能定的功能定义如表义如表13-2所示。所示。按键按键键名键名功能功能K1K1复位键复位键使系统复位使系统复位K2K2功能转换键功能转换键 按键按下，按键按下，L1L1亮，显示温度设定亮，显示温度设定值，按键松开，值，按键松开，L1L1不亮，显示当不亮，显示当前的温度值前的温度值K3K3加加1 1键键设定的温度值加设定的温度值加1 1K4K4减减1 1键键设定的温度值减设定的温度值减1 1表表13-2 413-2 4个键个键K1K1-K4K4的定义的定义 按键按键K2K2与与 INT0*(P3.2)INT0*(P3.2)相连

32、，采用外部中断方式，且优相连，采用外部中断方式，且优先级定为高优先级。先级定为高优先级。K3K3和和K4K4分别与分别与P1.7P1.7和和P1.6P1.6相连，采用软相连，采用软件查询方式，件查询方式，K1K1为复位键，与为复位键，与RCRC构成复位电路。构成复位电路。显示电路部分利用串行口来实现显示电路部分利用串行口来实现3 3位位LEDLED的共阳静态显示，的共阳静态显示，显示内容为温度的十位、个位以及小数点后的一位。利用串显示内容为温度的十位、个位以及小数点后的一位。利用串行口实现行口实现LEDLED的共阳静态显示的工作原理及软件编程请见的共阳静态显示的工作原理及软件编程请见9.5.2

33、9.5.2小节的有关内容。小节的有关内容。2.软件设计软件设计模块化设计，模块化设计，三大模块三大模块:主程序模块、功能实现模块和运算控主程序模块、功能实现模块和运算控制模块制模块。(1)主程序模块主程序模块主程序流程如主程序流程如图图13-1013-10所示。所示。在主程序中首先给定在主程序中首先给定PIDPID算法的参数值，然后通过循环显示当算法的参数值，然后通过循环显示当前温度，以等待中断，并且使键盘外部中断为高优先级，以便前温度，以等待中断，并且使键盘外部中断为高优先级，以便使主程序程序能实时响应键盘处理。使主程序程序能实时响应键盘处理。设定定时器设定定时器T0T0为为5s5s定时，无

34、键按下时，应每隔定时，无键按下时，应每隔5s5s响应一次，响应一次，以用来采集温度传感器并经以用来采集温度传感器并经A/DA/D转换的温度信号。转换的温度信号。设置定时器设置定时器T1T1为嵌套在为嵌套在T0T0之中的定时中断，初值由之中的定时中断，初值由PIDPID算法子算法子程序提供，以用来执行对电炉或风扇的控制。程序提供，以用来执行对电炉或风扇的控制。图图13-1013-10(2)(2)功能实现模块功能实现模块 T1T1中断子程序中断子程序 键盘中断子程序键盘中断子程序 T0T0中断子程序中断子程序(3)(3)运算控制模块运算控制模块 标度变换子程序标度变换子程序 PIDPID算法子程序

35、算法子程序13.5 13.5 软件抗干扰设计软件抗干扰设计单片机系统在噪声环境下运行，除了前面介绍的各种抗干扰的单片机系统在噪声环境下运行，除了前面介绍的各种抗干扰的措施外，还可采用软件来增强系统的抗干扰能力。本节介绍措施外，还可采用软件来增强系统的抗干扰能力。本节介绍几种常用软件抗干扰的方法。几种常用软件抗干扰的方法。13.5.1 13.5.1 软件滤波软件滤波对于实时数据采集系统，为了消除传感器通道中的干扰信号，对于实时数据采集系统，为了消除传感器通道中的干扰信号，硬件上，常采用模拟滤波器对信号实现频率滤波。硬件上，常采用模拟滤波器对信号实现频率滤波。同样，同样，采用软件也可以完成硬件模拟

36、滤波器类似的功能采用软件也可以完成硬件模拟滤波器类似的功能，这就，这就是数字滤波。是数字滤波。1.1.算术平均滤波法算术平均滤波法对一点数据连续取对一点数据连续取n n个值进行采样，然后算术平均。这种方法个值进行采样，然后算术平均。这种方法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这样信号的这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。这种滤波法当这种滤波法当n n值较大时，信号的平滑度高，但是灵敏度低；值较大时，信号的平滑度高，但是灵敏度低；当当n n值较小时，平滑度低，但灵敏度高。值较

37、小时，平滑度低，但灵敏度高。应视具体情况选取应视具体情况选取n n，以使既节约时间，以使既节约时间，又滤波效果好。又滤波效果好。对于一般流量测量，通常取对于一般流量测量，通常取n=12n=12；若为压力，则取；若为压力，则取n=4n=4。一般。一般情况下情况下n=3n=35 5次平均即可。次平均即可。2.2.滑动平均滤波法滑动平均滤波法上面介绍的算术平均滤波法，每计算一次数据需要测量上面介绍的算术平均滤波法，每计算一次数据需要测量N N次。次。对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制系统，对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制系统，上述方法无法使用。下面介绍一种上述方法无法使

38、用。下面介绍一种只需测量一次，就能得到只需测量一次，就能得到当前算术平均值的方法当前算术平均值的方法-滑动平均滤波法滑动平均滤波法。滑动平均滤波法是把滑动平均滤波法是把n n个采样值看成一个队列，队列的长度为个采样值看成一个队列，队列的长度为n n，每进行一次采样，就把采样值放入队尾，而扔掉原来队首，每进行一次采样，就把采样值放入队尾，而扔掉原来队首的一个采样值，这样在队列中始终有的一个采样值，这样在队列中始终有n n个个“最新最新”采样值。采样值。对队列中的对队列中的n n个采样值进行平均，就可以得到新的滤波值。个采样值进行平均，就可以得到新的滤波值。滑动平均滤波法对周期性干扰有良好的抑制作

39、用，平滑度高，滑动平均滤波法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差抑制作用差，不易不易消除由于脉冲干扰引起的采样值的偏差。消除由于脉冲干扰引起的采样值的偏差。因此它因此它不适用于脉不适用于脉冲干扰比较严重的场合冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统。，而适用于高频振荡系统。通常观察不同通常观察不同N N值下滑动平均的输出响应来值下滑动平均的输出响应来选取选取N N值值，以便，以便既少既少占有时间，又能达到最好滤波效果占有时间，又能达到最好滤波效果，其，其工程经验值工程经验值为：为：参数参数 温度温度 压力压

40、力 流量流量 液面液面n n值值 1 14 4 12 44 4 12 41212 3.3.中位值滤波法中位值滤波法本方法就是对某一被测参数接连采样本方法就是对某一被测参数接连采样n n次（一般次（一般n n取奇数），取奇数），然后然后把把n n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。中位值滤波能中位值滤波能有效地克服因偶然因素引起的波动干扰有效地克服因偶然因素引起的波动干扰。对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法能收到良对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法能收到良好的滤波效果好的滤波效果。但对。但对流量、速度等快速变化的参数一般流量、速度等快速

41、变化的参数一般不宜采用中位值滤波法不宜采用中位值滤波法。中中位位值值滤滤波波程程序序设设计计的的实实质质是是，首首先先把把n n个个采采样样值值从从小小到到大大或或从从大大到到小小进进行行排排序序，然然后后再再取取中中间间值值。n n个个数数据据按按大大小小“冒冒泡泡法法”（排排序序程程序序设设计计见见第第4 4章章）进进行行比比较较，直直到到最最大大数数沉沉底底为为止止。然然后后再再重重新新进进行行比比较较，把把次次大大值值放放到到n-1n-1位，依此类推，则可将位，依此类推，则可将n n个数从小到大顺序排列。个数从小到大顺序排列。4.4.去极值平均值滤波法去极值平均值滤波法前面介绍的算术平

42、均与滑动平均滤波法，在前面介绍的算术平均与滑动平均滤波法，在脉冲干扰比较严重脉冲干扰比较严重的场合，则干扰将会的场合，则干扰将会“平均平均”到结果中去到结果中去，故上述两种平均，故上述两种平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的误差。这时可采用去极值法不易消除由于脉冲干扰而引起的误差。这时可采用去极值平均值滤波法。值平均值滤波法。去极值平均滤波法的思想：去极值平均滤波法的思想：连续采样连续采样n n次后累加求和，同时找出次后累加求和，同时找出其中的最大值与最小值，再其中的最大值与最小值，再从累加和中减去最大值和最小值，从累加和中减去最大值和最小值，按按n-2n-2个采样值求平均，个采样值求平均，即

43、可得到有效采样值。即可得到有效采样值。类似于类似于体育比赛中体育比赛中的去掉最高、最低分，再求平均分的评分办的去掉最高、最低分，再求平均分的评分办法。法。（2 2）打印机接口）打印机接口为使平均滤波算法简单，为使平均滤波算法简单，n-2n-2应为应为2 2，4 4，6 6，8 8或或1616，故，故n n常取常取4 4，6 6，8 8，1010或或1818。具体做法有两种具体做法有两种：对于快变参数，先连续采：对于快变参数，先连续采样样n n次，然后再处理，但要在次，然后再处理，但要在RAMRAM中开辟出中开辟出n n个数据的暂存区；个数据的暂存区；对于慢变参数，可一边采样，一边处理，而不必在

44、对于慢变参数，可一边采样，一边处理，而不必在RAMRAM中开辟中开辟数据暂存区。实践中，为了加快测量速度，一般数据暂存区。实践中，为了加快测量速度，一般n n取取4 4。（3 3）A/DA/D与与D/AD/A转换器与单片机的接口转换器与单片机的接口 指令冗余及软件陷阱指令冗余及软件陷阱单片机系统由于干扰而使运行程序发生混乱、导致程序乱飞单片机系统由于干扰而使运行程序发生混乱、导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施，如或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施，如指令冗指令冗余、软件陷阱余、软件陷阱等。等。1.1.指令冗余指令冗余CPUCPU取指令是先取操作码，再取操作码数。当单片机

45、系统受干取指令是先取操作码，再取操作码数。当单片机系统受干扰出现错误时，程序便脱离正常轨道扰出现错误时，程序便脱离正常轨道“乱飞乱飞”。当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将误将操作数当作操作码，操作数当作操作码，程序有可能出错。程序有可能出错。若乱飞到三字节指令，出错机率更大。在关键的地方人为地插若乱飞到三字节指令，出错机率更大。在关键的地方人为地插入一些单字节指令或将有效单字节指令重写称为入一些单字节指令或将有效单字节指令重写称为指令冗余指令冗余。指令冗余指令冗余无疑会降低系统的效率，通常是在双字节指令和三字无疑会降低系统的效率

46、，通常是在双字节指令和三字节指令后节指令后插入插入两个字节以上两个字节以上“NOP”“NOP”指令指令，可保护其后的指可保护其后的指令不被拆散令不被拆散。因此，常在一些。因此，常在一些对程序流向起决定作用的指令对程序流向起决定作用的指令之前插入两条之前插入两条NOPNOP指令，指令，此类指令有：此类指令有：RETRET、RETIRETI、ACALLACALL、LCALLLCALL、SJMPSJMP、AJMPAJMP、LJMPLJMP、JZJZ、JNZJNZ、JCJC、JNCJNC、JBJB、JNBJNB、JBCJBC、CJNECJNE、DJNZDJNZ等，等，以保证乱飞的程序迅速纳入正轨。以保

47、证乱飞的程序迅速纳入正轨。在在某些对系统工作状态至关重要的指令，该措施可以某些对系统工作状态至关重要的指令，该措施可以减少程序减少程序乱飞的次数乱飞的次数，使其很快纳入程序轨道使其很快纳入程序轨道。但这但这并不能保证在失控期间不干坏事，并不能保证在失控期间不干坏事，更不能保证程序纳入正更不能保证程序纳入正常轨道后就太平无事了。程序的运行事实上已经偏离了正常常轨道后就太平无事了。程序的运行事实上已经偏离了正常顺序，有可能做着它现在不该做的事情。顺序，有可能做着它现在不该做的事情。解决这个问题还必须采用解决这个问题还必须采用软件容错技术软件容错技术（限于篇幅，本书不作（限于篇幅，本书不作介绍），使

48、系统的误动作减少，并消灭重大误动作。介绍），使系统的误动作减少，并消灭重大误动作。2.2.软件陷阱软件陷阱就是就是一条引导指令一条引导指令，强行将乱飞的程序引向一个指定的地址，强行将乱飞的程序引向一个指定的地址，在在那里那里有一段专门对程序出错进行处理有一段专门对程序出错进行处理的的程程序序。如如果果我我们们把把这这段段程程序序的的入入口口标标号号称称为为ERRERR的的话话，软软件件陷陷阱阱即即为为一一条条LJMP LJMP ERRERR指指令令。为为加加强强其其捕捕捉捉效效果果，一一般般还还在它前面加两条在它前面加两条NOPNOP指令。指令。NOPNOPNOPNOPLJMP ERRLJMP

49、 ERR软件陷阱一般安排在下列软件陷阱一般安排在下列4 4种地方：种地方：（1 1）未使用的中断向量区：）未使用的中断向量区：0003H-002FH0003H-002FH当干扰使未使用的中断开放，并激活这些中断时，就当干扰使未使用的中断开放，并激活这些中断时，就会进一步会进一步引起混乱。如果在这些地方布上陷阱，就能及时捕捉到错误引起混乱。如果在这些地方布上陷阱，就能及时捕捉到错误中断。中断。例如：系统共使用三个中断：例如：系统共使用三个中断：INT0*INT0*、T0T0、T1T1，它们的中断子，它们的中断子程序分别为程序分别为PGINT0PGINT0、PGT0PGT0、PGT1PGT1，建议

50、按如下方式来设置中，建议按如下方式来设置中断向量区：断向量区：ORG 0000HORG 0000H0000 START0000 START：LJMP MAINLJMP MAIN ；跳向主程序入口；跳向主程序入口0003 0003 LJMP PGINT0LJMP PGINT0 ；外中断；外中断0 0中断入口中断入口00060006NOP NOP；冗余和陷阱；冗余和陷阱0007 0007 NOPNOP 0008 0008 LJMP ERR LJMP ERR 000B000B LJMP PGT0LJMP PGT0 ；T0T0中断正常入口中断正常入口0016 0016 NOP NOP；冗余和陷阱；冗余