单片机应用系统.ppt

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1、单片机应用系统单片机应用系统 10.1 单片机应用系统构成单片机应用系统构成 单片机应用系统是为完成某一特定任务而设计的用单片机应用系统是为完成某一特定任务而设计的用户系统。一般由单片机、输入通道、输出通道、通信接户系统。一般由单片机、输入通道、输出通道、通信接口、人机对话设备等部分构成。如图口、人机对话设备等部分构成。如图10-1所示。所示。图图10-1典型的单片机应用系统典型的单片机应用系统 输入通道通常包括输入通道通常包括传感器、采样保持、传感器、采样保持、A/D转换转换等部件。等部件。主要完成模拟物理量到数字电信号的处理。主要完成模拟物理量到数字电信号的处理。输入通道具有以下输入通道具

2、有以下特点特点：是现场干扰进入的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重是现场干扰进入的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位。点部位。采集的对象不同，信号形式多种多样，但由于不能直接满采集的对象不同，信号形式多种多样，但由于不能直接满足单片机输入的要求，需要信号变换调节电路，将其转换足单片机输入的要求，需要信号变换调节电路，将其转换为单片机能接受的形式。为单片机能接受的形式。输入通道是一个模拟、数字混合电路系统，功耗比较小，输入通道是一个模拟、数字混合电路系统，功耗比较小，一般没有功率驱动要求。一般没有功率驱动要求。输出通道通常包括输出通道通常包括D/A转换器、转换器、F/V转换器、功率驱动转换

3、器、功率驱动等电等电路。路。输出通道的输出通道的特点特点是：是：输出通道大多数需要功率驱动。输出通道大多数需要功率驱动。靠近伺服驱动现场，伺服控制系统的大功率负荷易从输出靠近伺服驱动现场，伺服控制系统的大功率负荷易从输出通道进入单片机系统，故输出通道的隔离对系统的可靠性通道进入单片机系统，故输出通道的隔离对系统的可靠性影响很大。影响很大。根据输出控制的不同要求，输出通道电路有多种形式，如根据输出控制的不同要求，输出通道电路有多种形式，如模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流输出、电压输出、开关量输出及数字量输出等。输出、电压输出、开

4、关量输出及数字量输出等。通信接口是指单片机应用系统中的标准数字通信通道。单通信接口是指单片机应用系统中的标准数字通信通道。单片机应用系统要构成多机系统、网络系统或与通用计算机通片机应用系统要构成多机系统、网络系统或与通用计算机通信时，必须配置有标准的信时，必须配置有标准的RS232、RS422/RS485通信接口或通信接口或CAN现场总线的通信接口。现场总线的通信接口。通信接口的通信接口的特点特点是：是：中、高档单片机大多设有串行口，为相互通讯提供方便条中、高档单片机大多设有串行口，为相互通讯提供方便条件。件。单片机串行口通讯时，要配置完整的通信软件。单片机串行口通讯时，要配置完整的通信软件。

5、采用扩展标准通信控制芯片来组成通讯通道。采用扩展标准通信控制芯片来组成通讯通道。通信接口数字电路系统，抗干扰能力强。通信接口数字电路系统，抗干扰能力强。人机对话通道是用于人机对话通道是用于“人人机机”联系的主要手段。常用的人联系的主要手段。常用的人机对话外部设备有机对话外部设备有键盘、显示器、打印机键盘、显示器、打印机等。等。键盘输入命令或参数，用户可对系统进行干预。键盘输入命令或参数，用户可对系统进行干预。显示器用来输出数据或字符，显示系统运行结果或提示显示器用来输出数据或字符，显示系统运行结果或提示信息。信息。打印机可将数据或历史记录以定时或调用的方式打印出打印机可将数据或历史记录以定时或

6、调用的方式打印出来，以便阅读或存档。来，以便阅读或存档。人机对话通道的人机对话通道的特点特点是：是：1.单片机应用系统一般是小规模系统，从而应用系统中的人单片机应用系统一般是小规模系统，从而应用系统中的人机对话通道以及人机对话设备的配置也都是小规模的。机对话通道以及人机对话设备的配置也都是小规模的。（若需高水平的人机对话配置，则往往是将单片机系统通（若需高水平的人机对话配置，则往往是将单片机系统通过外总线与通用计算机相连，共享通用计算机的外围人机过外总线与通用计算机相连，共享通用计算机的外围人机对话设备。）对话设备。）2.单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多采用内总线单片机应用系统中，人机

7、对话通道及接口大多采用内总线形式，与系统扩展密切相关。形式，与系统扩展密切相关。3.人机通道接口一般都是数字电路，电路结构简单，可靠性人机通道接口一般都是数字电路，电路结构简单，可靠性 好。好。10.2 单片机应用系统设计方法单片机应用系统设计方法 单片机应用系统设计一般包括单片机应用系统设计一般包括产品需求分产品需求分析、析、可行性分析、可行性分析、体系结构设计、体系结构设计、软硬件设软硬件设计、计、综合调试、综合调试、系统安装系统安装等步骤。如图等步骤。如图10-2所示。所示。图图10-2 单单片片机机应应用用系系统统开开发发过过程程 10.2.1 需求分析需求分析 需求分析的主要内容：需

8、求分析的主要内容：1.原有产品的结构、功能以及存在的问题原有产品的结构、功能以及存在的问题 2.国内外同类产品的最新发展情况以及相关的技术资料国内外同类产品的最新发展情况以及相关的技术资料 3.同类新产品的结构、功能、使用情况以及所产生的经同类新产品的结构、功能、使用情况以及所产生的经济效益济效益 经过需求调查，整理出需求报告，作为产品可行性经过需求调查，整理出需求报告，作为产品可行性分析的主要依据。一般情况下，需求报告可包括：名称、分析的主要依据。一般情况下，需求报告可包括：名称、功能、性能、输入、输出、成本、功耗、尺寸、重量等功能、性能、输入、输出、成本、功耗、尺寸、重量等条款。条款。10

9、.2.2 可行性分析可行性分析 可行性分析是对新产品开发研制的必要性及可实可行性分析是对新产品开发研制的必要性及可实现性进行论证，根据可行性分析结果，决定产品的开现性进行论证，根据可行性分析结果，决定产品的开发研制工作是否需要继续进行下去。发研制工作是否需要继续进行下去。可行性分析从以下方面进行论证：可行性分析从以下方面进行论证：1.市场或用户需求市场或用户需求 2.经济效益和社会效益经济效益和社会效益 3.技术支持与开发环境技术支持与开发环境 4.现在的竞争力与未来的生命力现在的竞争力与未来的生命力10.2.3 体系结构设计体系结构设计 体系结构设计就是要从宏观上描述产品的组织结构。其主体系

10、结构设计就是要从宏观上描述产品的组织结构。其主要内容包括：要内容包括：技术路线或设计途径、采用的关键技术、系统技术路线或设计途径、采用的关键技术、系统的软硬件结构及功能分配、主要硬件的选型和加工技术、软的软硬件结构及功能分配、主要硬件的选型和加工技术、软件平台和开发语言、测试条件和测试方法、验收标准件平台和开发语言、测试条件和测试方法、验收标准等。等。系统的体系结构反映了产品的综合状况，要从正确性、可系统的体系结构反映了产品的综合状况，要从正确性、可行性、先进性、可用性和经济性等角度来评价系统的总体方行性、先进性、可用性和经济性等角度来评价系统的总体方案。总体方案确定后，才能为各子系统的设计与

11、开发提供一案。总体方案确定后，才能为各子系统的设计与开发提供一个指导性的文件。在体系结构设计时应注意以下问题：个指导性的文件。在体系结构设计时应注意以下问题：1.确定性能指标确定性能指标 首先首先要对用户提出的要求进行全面深入地分析，包括了要对用户提出的要求进行全面深入地分析，包括了解系统检测及控制对象的特性和工艺要求、控制信号的种解系统检测及控制对象的特性和工艺要求、控制信号的种类和数量、应用环境、抗干扰要求等等，并在此基础上进类和数量、应用环境、抗干扰要求等等，并在此基础上进行必要的理论分析和计算。行必要的理论分析和计算。然后然后，设计者需要进行一定的，设计者需要进行一定的市场调研，参考国

12、内外同类产品，对新产品的可靠性、可市场调研，参考国内外同类产品，对新产品的可靠性、可维护性、性能价格比进行综合考虑，维护性、性能价格比进行综合考虑，最终最终确定自己产品的确定自己产品的功能和性能指标。功能和性能指标。2.选择单片机机型选择单片机机型 目前单片机种类繁多，性能、价格差异较大，在目前单片机种类繁多，性能、价格差异较大，在选型时，选型时，应从多方面考虑应从多方面考虑：要借助性能良好的开发工具。要借助性能良好的开发工具。选择的单片机的性能指标是否满足要求。包括单片机选择的单片机的性能指标是否满足要求。包括单片机是否有系统所需要的是否有系统所需要的I/O口数、中断源和定时器、外围口数、中

13、断源和定时器、外围接口等资源。不能满足系统要求的单片机可通过扩展接口等资源。不能满足系统要求的单片机可通过扩展来实现系统要求。来实现系统要求。市场货源是否充足。单片机的供货渠道要畅通，质量市场货源是否充足。单片机的供货渠道要畅通，质量要有保障，而且能享受较好的售后服务。要有保障，而且能享受较好的售后服务。3.划分硬件和软件功能划分硬件和软件功能 硬件和软件在某些场合具有一定的互换性，即就要硬件和软件在某些场合具有一定的互换性，即就要正确划分硬件和软件功能。采用硬件还是软件实现，各正确划分硬件和软件功能。采用硬件还是软件实现，各有利弊，需要反复比较。划分的基本原则是尽可能发挥有利弊，需要反复比较

14、。划分的基本原则是尽可能发挥单片机以软件代替硬件的长处，能够由软件来完成的任单片机以软件代替硬件的长处，能够由软件来完成的任务，就尽可能用软件来实现，这样可以简化硬件结构，务，就尽可能用软件来实现，这样可以简化硬件结构，降低生产成本，提高系统的可靠性。但也应考虑到以软降低生产成本，提高系统的可靠性。但也应考虑到以软件代替硬件功能会降低系统的运行速度，牺牲了系统的件代替硬件功能会降低系统的运行速度，牺牲了系统的实时性。因此，软、硬件功能的划分要根据系统的要求实时性。因此，软、硬件功能的划分要根据系统的要求和实际情况做合理安排，全盘考虑。和实际情况做合理安排，全盘考虑。10.2.4 硬件设计硬件设

15、计 硬件设计的任务主要包括设计系统的硬件设计的任务主要包括设计系统的电路原理图电路原理图、绘制绘制印刷电路板（印刷电路板（PCB板）板）、印制板的焊接与测试印制板的焊接与测试。系统原理图的设计是其中最重要的一步，原理图中存在系统原理图的设计是其中最重要的一步，原理图中存在的缺陷将对整个设计产生重要影响。的缺陷将对整个设计产生重要影响。PCB板可在硬件原理图基础上采用板可在硬件原理图基础上采用PROTEL或或ORCAD软件绘制，此过程要充分考虑元器件放置的合理性，从而使软件绘制，此过程要充分考虑元器件放置的合理性，从而使走线合理，还提高整个系统的抗干扰能力。走线合理，还提高整个系统的抗干扰能力。

16、PCB板生产出来后，经目测检查无断线或线路搭接，可板生产出来后，经目测检查无断线或线路搭接，可进行元器件的焊接。进行元器件的焊接。硬件测试，对于单片机应用系统，只有在确保各个局部硬件测试，对于单片机应用系统，只有在确保各个局部电路工作正常的情况下，才能结合软件统一调试，这样做能电路工作正常的情况下，才能结合软件统一调试，这样做能获得事半功倍的效果。获得事半功倍的效果。硬件系统设计的硬件系统设计的原则原则是：是：(1)尽选择典型通用的电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统尽选择典型通用的电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化奠定良好的基础。的标准化、模块化奠定良好的基础。(2

17、)系统的扩展与外围设备配置应充分满足应用系统当前的功能要求，系统的扩展与外围设备配置应充分满足应用系统当前的功能要求，并留有适当余地，便于以后进行功能的扩充。并留有适当余地，便于以后进行功能的扩充。(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。(4)整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。(5)可靠性及抗干扰设计是不可忽视的一部分，它包括芯片、器件选可靠性及抗干扰设计是不可忽视的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。(6)单片机外围电路较多时，必须

18、考虑其驱动能力。驱动能力不足时，单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。解决的办法是增加总线驱动器或者减少芯片功系统工作不可靠。解决的办法是增加总线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。耗，降低总线负载。10.2.5 软件设计软件设计 软件设计的任务主要包括软件设计的任务主要包括编程语言的选择编程语言的选择、软件任务划软件任务划分分和和应用程序的编制应用程序的编制。单片机的编程语言不仅有汇编语言，还有一些高级语言，单片机的编程语言不仅有汇编语言，还有一些高级语言，常用的高级语言有常用的高级语言有C语言、语言、PL/M语言、语言、BASIC语言。语言。编制软件到

19、底用哪种语言，要视具体情况而定。采用汇编制软件到底用哪种语言，要视具体情况而定。采用汇编语言，具有占用内存空间小，实时性强等特点，不足之编语言，具有占用内存空间小，实时性强等特点，不足之处在于编程麻烦，可读性差，修改不方便。采用处在于编程麻烦，可读性差，修改不方便。采用C语言等高语言等高级语言具有丰富的库函数，编程简单，能使开发周期大大级语言具有丰富的库函数，编程简单，能使开发周期大大缩短，程序可读性强，便于修改。缩短，程序可读性强，便于修改。对于复杂的系统软件，一般采用汇编、高级语言混合编对于复杂的系统软件，一般采用汇编、高级语言混合编程，这样既能完成复杂运算问题，又能解决局部实时性问程，这

20、样既能完成复杂运算问题，又能解决局部实时性问题。题。目前，软件设计都采用目前，软件设计都采用模块化程序设计模块化程序设计，即把一个完整，即把一个完整的程序划分成若干个功能相对独立的程序模块，再根据各的程序划分成若干个功能相对独立的程序模块，再根据各模块的时间顺序和相互关系，将它们连接在一起构成一个模块的时间顺序和相互关系，将它们连接在一起构成一个系统。系统。模块化设计的优点是每个模块都可以单独设计，也可利模块化设计的优点是每个模块都可以单独设计，也可利用原有的成熟程序，这样既便于软件调试、链接，又便于用原有的成熟程序，这样既便于软件调试、链接，又便于移值、修改。任务划分时，还要注意合理分配硬件

21、资源。移值、修改。任务划分时，还要注意合理分配硬件资源。完成了硬件原理图设计后，系统硬件资源就基本确定了。完成了硬件原理图设计后，系统硬件资源就基本确定了。在软件总体框图完成后，还要将这些硬件资源进行合理分在软件总体框图完成后，还要将这些硬件资源进行合理分配，这包括片内片外程序存储器和数据存储器的存储空间、配，这包括片内片外程序存储器和数据存储器的存储空间、I/O口、定时器口、定时器/计数器和中断源等。计数器和中断源等。应用软件是根据系统功能设计的，应可靠地实现系统规应用软件是根据系统功能设计的，应可靠地实现系统规定的功能。定的功能。应用软件应该具有以下应用软件应该具有以下特点特点：软件结构清

22、晰、简捷、流程合理软件结构清晰、简捷、流程合理各功能程序实现模块化各功能程序实现模块化程序存储区、数据存储区规划合理程序存储区、数据存储区规划合理运行状态实现标志化管理运行状态实现标志化管理经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改“痕迹痕迹”，实现软件模块化、标准化实现软件模块化、标准化实现全面软件抗干扰设计，从而提高计算机应用系统的可实现全面软件抗干扰设计，从而提高计算机应用系统的可靠性靠性在应用软件中设置自诊断程序，提高运行的可靠性在应用软件中设置自诊断程序，提高运行的可靠性10.2.6 综合调试综合调试 综合调试指：在综合调试指：在硬件系统测试

23、合格后硬件系统测试合格后，将，将试验样机、开试验样机、开发系统和发系统和PC机连接在一起机连接在一起，构成联机调试状态，完成大多，构成联机调试状态，完成大多数软件模块的调试。系统软件调试成功后，可利用程序写数软件模块的调试。系统软件调试成功后，可利用程序写入器将程序固化到入器将程序固化到EPROM中，然后插上单片机芯片，将应中，然后插上单片机芯片，将应用系统脱离仿真器进行上电运行检查。用系统脱离仿真器进行上电运行检查。由于单片机实际运行环境和仿真调试环境的差异，即使由于单片机实际运行环境和仿真调试环境的差异，即使仿真调试成功，实际运行时也可能出错。这时应进行全面仿真调试成功，实际运行时也可能出

24、错。这时应进行全面检查，针对出现的问题，分析修改硬件、软件或体系设计检查，针对出现的问题，分析修改硬件、软件或体系设计方案，直至系统运行正常为止。方案，直至系统运行正常为止。10.2.7 系统安装系统安装 系统调试运行正常，确认软、硬件设计无误，达到要系统调试运行正常，确认软、硬件设计无误，达到要求后，就可以进行安装统调。包括固化程序、电路板制作、求后，就可以进行安装统调。包括固化程序、电路板制作、元件线路焊接、安装、整机统调等。元件线路焊接、安装、整机统调等。所谓所谓统调统调，就是对整个系统的软硬件资源进行统一测，就是对整个系统的软硬件资源进行统一测试、调整，使产品能够正确稳定工作。试、调整

25、，使产品能够正确稳定工作。10.3 单片机应用系统设计原则单片机应用系统设计原则10.3.1 元器件选择元器件选择 在硬件电路成本允许的情况下，尽可能选择集成度高、在硬件电路成本允许的情况下，尽可能选择集成度高、功能强大的芯片。它使整个系统所用的元器件数目减少，缩功能强大的芯片。它使整个系统所用的元器件数目减少，缩小小PCB板面积，更重要的是减少焊接点和连线，从而大大减板面积，更重要的是减少焊接点和连线，从而大大减少故障率和受干扰的概率，使系统的可靠性大大提高。对于少故障率和受干扰的概率，使系统的可靠性大大提高。对于需要大批量生产的产品，一定要选用通用性强、供货渠道充需要大批量生产的产品，一定

26、要选用通用性强、供货渠道充足的元器件。整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。足的元器件。整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。选择元器件应注意：选择元器件应注意：(1)性能参数和经济性。性能参数和经济性。在选择元器件时必须按照器件手册在选择元器件时必须按照器件手册所提供的各种参数所提供的各种参数(如工作条件、电源要求、逻辑特性等如工作条件、电源要求、逻辑特性等)指指标综合考虑，不能单纯追求超出系统性能要求的高速度、标综合考虑，不能单纯追求超出系统性能要求的高速度、高精度、高性能。高精度、高性能。(2)通用性。通用性。在应用系统中，尽量采用通用的大规模集成电在应用系统中，尽量采用通用的大

27、规模集成电路芯片，可简化系统的设计、安装和调试，也有助于提高路芯片，可简化系统的设计、安装和调试，也有助于提高系统的可靠性。系统的可靠性。(3)型号和公差。型号和公差。确定元器件的型号主要取决于电路所允许确定元器件的型号主要取决于电路所允许元器件的公差范围。元器件的公差范围。(4)速度匹配。速度匹配。单片机时钟频率一般可在一定范围内选择单片机时钟频率一般可在一定范围内选择（如增强型（如增强型MCS-51单片机芯片可在单片机芯片可在033 MHz之间任意选之间任意选择）择）(5)电路类型。电路类型。对于低功耗应用系统，应采用对于低功耗应用系统，应采用CHMOS或或CMOS芯片，如芯片，如74HC

28、系列、系列、CD4000系列。系列。10.3.2 单片机资源分配单片机资源分配单片机资源分配应注意：单片机资源分配应注意：(1)I/O引脚资源分配引脚资源分配:单片机芯片各单片机芯片各I/O引脚功能不完全相引脚功能不完全相同，如部分引脚具有第二功能；各同，如部分引脚具有第二功能；各I/O引脚输出电路结构引脚输出电路结构不尽相同，如不尽相同，如8XC5X的的P0口采用漏极开路输出方式，口采用漏极开路输出方式，P1P3口采用准双向结构。口采用准双向结构。(2)程序存储器资源分配程序存储器资源分配:片内片内ROM存储器用于存放程序存储器用于存放程序和数据表格。按照和数据表格。按照MCS-51单片机的

29、复位及中断入口的单片机的复位及中断入口的规定，规定，002FH以前的地址单元都作为中断、复位入口地以前的地址单元都作为中断、复位入口地址区。址区。(3)RAM资源分配资源分配:RAM分为片内分为片内RAM和片外和片外RAM。片。片外外RAM容量比较大，通常用来存放批量大的数据，如采容量比较大，通常用来存放批量大的数据，如采样数据；片内样数据；片内RAM容量较少，尽可能重叠使用，如数据容量较少，尽可能重叠使用，如数据暂存区与显示、打印缓冲区重叠。对于暂存区与显示、打印缓冲区重叠。对于MCS-51单片机单片机来说，片内来说，片内RAM是指是指00H7FH单元，这单元，这128个单元的个单元的功能并

30、不完全相同，分配时应注意。功能并不完全相同，分配时应注意。对于对于MCS-51单片机来说，片内单片机来说，片内RAM是指是指00H7FH单元，单元，这这128个单元的功能并不完全相同：个单元的功能并不完全相同：001FH：32个字节可以作为工作寄存器组，在工作个字节可以作为工作寄存器组，在工作寄存器的寄存器的8个单元中，个单元中，R0和和R1具有指针功能。系统上电复具有指针功能。系统上电复位时，置位时，置PSW=00H，SP=07H，则，则RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)位均为位均为0，CPU自动选择工作寄存器组自动选择工作寄存器组0作为作为当前工作寄存器，而工作寄存器组当前工作寄存

31、器，而工作寄存器组1为堆栈，并向工作寄为堆栈，并向工作寄存器组存器组2、3延伸。延伸。20H2FH：16个字节具有位寻址功能，可用来存放各个字节具有位寻址功能，可用来存放各种软件标志、逻辑变量、位输入信息、位输出信息、状态种软件标志、逻辑变量、位输入信息、位输出信息、状态变量、逻辑运算的中间结果等，也可改为它用。变量、逻辑运算的中间结果等，也可改为它用。30H7FH：为一般通用寄存器，只能存入字节信息。为一般通用寄存器，只能存入字节信息。通常用来存放各种参数、指针、中间结果，或用作数据缓通常用来存放各种参数、指针、中间结果，或用作数据缓冲区，也常将堆栈安放在片内冲区，也常将堆栈安放在片内RAM

32、的高端，如的高端，如60H7FH。10.3.3 硬件系统设计硬件系统设计（1）结合软件方案考虑硬件结构。原则上，只要能用软结合软件方案考虑硬件结构。原则上，只要能用软件完成的工作就不用硬件。这种件完成的工作就不用硬件。这种“以软代硬以软代硬”的方法可以减的方法可以减少硬件成本，提高可靠性。少硬件成本，提高可靠性。（2）设计一个较复杂的系统时，要考虑把硬件系统设计设计一个较复杂的系统时，要考虑把硬件系统设计成模块化结构。即对成模块化结构。即对CPU单元、单元、I/O接口、人机接口等进接口、人机接口等进行分块设计，然后把各模块连接起来构成一个完整的系统。行分块设计，然后把各模块连接起来构成一个完整

33、的系统。在系统连接前，要把各硬件模块分别测试好，然后再连接在系统连接前，要把各硬件模块分别测试好，然后再连接到一起进行统调。到一起进行统调。（3）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。（4）对于程序存储器，尽量选择大容量的芯片（如对于程序存储器，尽量选择大容量的芯片（如2764以以上的上的EPROM），可以减少），可以减少EPROM的片数，使系统体积减的片数，使系统体积减小。小。（5）对于数据存储器，尽量减少对于数据存储器，尽量减少RAM芯片的片数和留出充芯片的片数和留出充足的余量，还要考虑掉电保护的问题：可选择足的余量，还要考虑掉电保护的问题

34、：可选择EEPROM芯芯片来保存某些重要的数据，因为这类芯片掉电后数据不会片来保存某些重要的数据，因为这类芯片掉电后数据不会丢失；可选择丢失；可选择RAM芯片，一般选用静态存储器芯片，一般选用静态存储器SRAM，而，而不用动态存储器不用动态存储器DRAM，因为单片机片内没有，因为单片机片内没有DRAM所需所需要的刷新电路。要的刷新电路。（6）对于对于I/O接口，除了留出一定的余量，还要考虑单片机接口，除了留出一定的余量，还要考虑单片机的负载能力。如的负载能力。如P0口只能驱动口只能驱动8个个LSTTL，其它端口只能驱，其它端口只能驱动动4个个LSTTL。在外接负载较多时，可以选用功耗低的。在外

35、接负载较多时，可以选用功耗低的CMOS芯片或增加总线驱动器。芯片或增加总线驱动器。10.3.4 印制电路板设计印制电路板设计 印制板布线密度高、焊点分布密度大，需要双面、甚至印制板布线密度高、焊点分布密度大，需要双面、甚至多层板才能满足电路要求。在编辑印制板时，需要遵循下多层板才能满足电路要求。在编辑印制板时，需要遵循下列列原则原则：(1)晶振必须尽可能靠近晶振必须尽可能靠近CPU晶振引脚，且晶振电路下方不晶振引脚，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。层。(2)电源、地线要求。在双面印制板上，电源线和地线应安

36、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，从而是寄生电容起滤波作排在不同的面上，且平行走线，从而是寄生电容起滤波作用。对于功耗较大的数字电路芯片，如用。对于功耗较大的数字电路芯片，如CPU、驱动器等应、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，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。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。模拟信号和数字信号不能共地，即采

37、用单点接地方式。(4)在中低频应用系统在中低频应用系统(晶振频率小于晶振频率小于20 MHz)中，走线转角中，走线转角可取可取45；在高频系统中，必要时可选择圆角模式。尽量避；在高频系统中，必要时可选择圆角模式。尽量避免使用免使用90转角。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。到最小。(6)为减低系统功耗，对于未用的为减

38、低系统功耗，对于未用的TTL电路单元应合理处理。电路单元应合理处理。10.3.5 软件设计软件设计 单片机应用系统的软件主要包括两大部分：用于管理单片机应用系统的软件主要包括两大部分：用于管理系统工作的系统工作的监控程序监控程序和用于执行实际具体任务的和用于执行实际具体任务的功能程序功能程序。对于对于监控程序监控程序，应尽可能利用现成的监控程序。例如，应尽可能利用现成的监控程序。例如键盘管理程序、显示程序等。从而可大大减少软件设计的键盘管理程序、显示程序等。从而可大大减少软件设计的工作量，提高编程效率。工作量，提高编程效率。功能程序功能程序要符合应用系统的功能要求。例如，外部数要符合应用系统的

39、功能要求。例如，外部数据采集、控制算法的实现、外设驱动、故障处理及报警程据采集、控制算法的实现、外设驱动、故障处理及报警程序等，性能要求各不相同。序等，性能要求各不相同。开发一个软件的选择是尽可能采用模块化结构。使各开发一个软件的选择是尽可能采用模块化结构。使各个模块可以分别独立设计、编制和调试，最后再将各个程个模块可以分别独立设计、编制和调试，最后再将各个程序模块连接成一个完整的程序进行综合调试。序模块连接成一个完整的程序进行综合调试。10.4 单片机应用系统可靠性设计单片机应用系统可靠性设计 可靠性是指在规定的条件下，系统稳定工作的能力。单可靠性是指在规定的条件下，系统稳定工作的能力。单片

40、机应用系统在正常的运行过程中，会受到工作环境、操作片机应用系统在正常的运行过程中，会受到工作环境、操作失误、噪声干扰等众多因素的影响，可能会造成严重后果。失误、噪声干扰等众多因素的影响，可能会造成严重后果。可靠性设计就是指在系统开发的过程中，为保证系统运可靠性设计就是指在系统开发的过程中，为保证系统运行可靠而采取的全部设计手段。可靠性设计涉及很多方面，行可靠而采取的全部设计手段。可靠性设计涉及很多方面，其中抗干扰设计是重要内容。其中抗干扰设计是重要内容。单片机应用系统一般多用在工业现场、环境恶劣、存在单片机应用系统一般多用在工业现场、环境恶劣、存在众多的众多的电磁干扰电磁干扰。主要包括。主要包

41、括三类三类：空间干扰（场干扰）：空间干扰（场干扰）：通过电磁波辐射窜入系统。通过电磁波辐射窜入系统。供电系统干扰：供电系统干扰：电源是应用系统中最严重的干扰源，有电源是应用系统中最严重的干扰源，有 70%的干扰是通过电源耦合进来的。主要表现为过压、欠的干扰是通过电源耦合进来的。主要表现为过压、欠压、停电、浪涌、下陷、尖峰电压、射频干扰等。压、停电、浪涌、下陷、尖峰电压、射频干扰等。过程通道干扰：过程通道干扰：干扰通过系统的输入通道、输出通道或干扰通过系统的输入通道、输出通道或通信接口进入系统。通信接口进入系统。10.4.1 硬件系统可靠性设计硬件系统可靠性设计 硬件电路的可靠性是整个应用系统可

42、靠性的基硬件电路的可靠性是整个应用系统可靠性的基础。要提高硬件系统的可靠性，可从以下两个方础。要提高硬件系统的可靠性，可从以下两个方面来考虑：面来考虑：1.电路系统设计电路系统设计 电源系统采用稳压、隔离、滤波、屏蔽和去耦措施。电源系统采用稳压、隔离、滤波、屏蔽和去耦措施。具体具体而言，采用交流稳压器，以防止电网欠压或过压；采用初次而言，采用交流稳压器，以防止电网欠压或过压；采用初次级双层屏蔽的隔离变压器，以提高系统抗共模干扰的能力；级双层屏蔽的隔离变压器，以提高系统抗共模干扰的能力；采用低通滤波器，以除去电网中的高次谐波；采用滤波器要采用低通滤波器，以除去电网中的高次谐波；采用滤波器要加屏蔽

43、外壳，以防止感应和辐射耦合；采用在电源的不同部加屏蔽外壳，以防止感应和辐射耦合；采用在电源的不同部分（如每个芯片的电源进线处）配置去耦电容，消除以各种分（如每个芯片的电源进线处）配置去耦电容，消除以各种途径进入电源中的高频干扰。途径进入电源中的高频干扰。选择可靠性高的专用器件。选择可靠性高的专用器件。消除系统出错因素或保护系统消除系统出错因素或保护系统安全的不可缺少的设计内容。安全的不可缺少的设计内容。对输入输出通道进行光电隔离，以防止干扰信号从对输入输出通道进行光电隔离，以防止干扰信号从I/O通通道进入系统而导致系统程序跑飞（死机）。道进入系统而导致系统程序跑飞（死机）。另外，对于闲置另外，

44、对于闲置的的I/O口或输入引脚，不要悬空，直接接地或接电源。口或输入引脚，不要悬空，直接接地或接电源。2.PCB板设计板设计 合理分区。合理分区。系统电路可以分为三类：模拟电路、数字系统电路可以分为三类：模拟电路、数字电路和功率驱动电路。进行电路和功率驱动电路。进行PCB板区域划分时，要将模拟板区域划分时，要将模拟电路和数字电路分开，以降低数字信号对敏感的模拟电路电路和数字电路分开，以降低数字信号对敏感的模拟电路的耦合；功率驱动电路为大功率电路部分，噪声能量大，的耦合；功率驱动电路为大功率电路部分，噪声能量大，应与模拟和数字电路分开。应与模拟和数字电路分开。模拟地和数字地分开走线，最后在一点处

45、汇合（一点模拟地和数字地分开走线，最后在一点处汇合（一点接地）。接地）。功率驱动电路的地线也要单独接地，以减少相互功率驱动电路的地线也要单独接地，以减少相互干扰。干扰。I/O驱动器件和功率放大器件尽量放在电路板边缘，驱动器件和功率放大器件尽量放在电路板边缘，靠近引出接插件。靠近引出接插件。时钟振荡电路要用地线隔离起来；晶振外壳接地，时时钟振荡电路要用地线隔离起来；晶振外壳接地，时钟线尽量短。钟线尽量短。从而使周围电场趋近于零，不影响附近的电从而使周围电场趋近于零，不影响附近的电路。路。按最短距离原则布线，按最短距离原则布线，即走线应尽可能的短。所有走即走线应尽可能的短。所有走线应避免出现直角或

46、锐角，以减少对信号传输的影响。在线应避免出现直角或锐角，以减少对信号传输的影响。在单面板和双面板设计中，电源线和地线尽量粗些，以确保单面板和双面板设计中，电源线和地线尽量粗些，以确保能通过大电流。能通过大电流。10.4.2 软件系统可靠性设计软件系统可靠性设计 当干扰信号作用于当干扰信号作用于CPU时，最严重的情况是破时，最严重的情况是破坏程序计数器坏程序计数器PC的状态，导致程序偏离了正常的的状态，导致程序偏离了正常的运行路径，或在地址空间内运行路径，或在地址空间内“乱飞乱飞”，或陷入，或陷入“死机死机”状态。为了使状态。为了使“跑飞跑飞”的程序纳入正轨，可采用以的程序纳入正轨，可采用以下几

47、种方法：下几种方法：设置冗余指令设置冗余指令 MCS-51单片机的指令代码由操作码和单片机的指令代码由操作码和操作数两部分组成。操作数两部分组成。CPU读取指令的过程是先取操作码，读取指令的过程是先取操作码，后取操作数。这些操作顺序完全由程序计数器后取操作数。这些操作顺序完全由程序计数器PC控制。当控制。当PC受到干扰，程序便脱离正常运行轨道，出现受到干扰，程序便脱离正常运行轨道，出现“乱飞乱飞”。当。当程序飞到某个双字节或三字节指令，若取指令时刻落到操程序飞到某个双字节或三字节指令，若取指令时刻落到操作数上，误将操作数当作操作码，程序就乱套了。因此，作数上，误将操作数当作操作码，程序就乱套了

48、。因此，当程序在程序区乱飞时，可在关键地方人为地插入一些单当程序在程序区乱飞时，可在关键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，称之为指令冗余。字节指令，或将有效单字节指令重写，称之为指令冗余。具体做法是在双字节和三字节指令后插入两个字节以上的具体做法是在双字节和三字节指令后插入两个字节以上的NOP指令，并在指令，并在RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等对等对程序流向起重要作用的指令之前插入两条程序流向起重要作用的指令之前插入两条NOP指令。对于指令。对于前者，即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令前者，即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面

49、的指令被当作操作数执行，程序自动的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。而后者可确保这些重要指令的执行。纳入正轨。而后者可确保这些重要指令的执行。设置软件陷阱设置软件陷阱 当乱飞程序进入非程序区时，冗余指当乱飞程序进入非程序区时，冗余指令就不起作用了。此时可设定软件陷阱，拦截乱飞程序，令就不起作用了。此时可设定软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，最终回复到系统程序入口处。软件将其引向指定位置，最终回复到系统程序入口处。软件陷阱指令常用陷阱指令常用NOP，LJMP 0000H等。软件陷阱一般分等。软件陷阱一般分散放置在程序的空隙处、数据表的最后，或设置在程序散放置在程序

50、的空隙处、数据表的最后，或设置在程序存储器的空白区。一旦程序乱飞落入这些陷阱区，马上存储器的空白区。一旦程序乱飞落入这些陷阱区，马上可将程序拉入正常轨道。可将程序拉入正常轨道。采用采用“看门狗看门狗”（WATCHDOG）当程序当程序“死机死机”时，时，冗余指令和软件陷阱都将失去作用。此时，可采用程序冗余指令和软件陷阱都将失去作用。此时，可采用程序运行监视运行监视“看门狗看门狗”系统，使系统及时复位。有些高档单系统，使系统及时复位。有些高档单片机（如片机（如Intel的的MCS-96，ATMEL的的80C92等）已将该等）已将该系统置入芯片内，使用非常方便。对于无此功能的单片系统置入芯片内，使用