單片機系統(tǒng)設(shè)計流程

一、單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計過程

1.1單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計要求

對單片機應(yīng)用系統(tǒng)進行設(shè)計的時侯，首先選用可靠性高的元器件，以免系統(tǒng)的可靠運行被損壞，同時要排除電路中的不穩(wěn)定因素。其次，在設(shè)計的過程中系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要模塊化、規(guī)范化，控制開關(guān)不能太復(fù)雜，太多，要便于查找故障和排除故障。最后，要優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，簡化外圍硬件電路，使系統(tǒng)的操作順序簡單明了，必要的時候考慮軟件是否要設(shè)置加密功能，使固化到單片機內(nèi)的用戶程序不被非法復(fù)制。

1.2單片機應(yīng)用系統(tǒng)組成

硬件和軟件構(gòu)成了單片機應(yīng)用系統(tǒng)兩大基本組成部分。CPU、存儲區(qū)、若干I／O接口及外圍設(shè)備等組成了硬件部分。其中，單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，能運行程序和處理數(shù)據(jù)。存儲器用于存儲單片機程序及數(shù)據(jù)，I／O接口是單片機與外部被控對象的信息交換通道。具體電路圖如下所示。實時軟件和開發(fā)軟件構(gòu)成了單片機系統(tǒng)的軟件。針對不同單片機控制系統(tǒng)功能所編寫的軟件為實時軟件，在開發(fā)、調(diào)試控制系統(tǒng)時使用的軟件稱為開發(fā)軟件，如匯編軟件、編譯軟件、仿真和調(diào)試軟件、編程下載軟件等。

1.3單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的一般可分為五個階段，第一階段的任務(wù)是確定總體設(shè)計方案，需要完成用戶需求分析與方案的調(diào)研，目的是通過對市場及用的了解明確應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計目標機技術(shù)指標。根據(jù)需求分析與方案調(diào)研進行可行性分析?？尚行苑治龅哪康氖菍ο到y(tǒng)開發(fā)研制的必要性及可行性做出明確的判斷并決定開發(fā)工作是否繼續(xù)。然后為整個系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)理一個邏輯模型，其中包括進行必要的理論分析和計算、選擇機型、劃分系統(tǒng)軟、硬件的功能，合理搭配軟、硬件比重，確定系統(tǒng)軟件功能模塊的劃分及各功能模塊的程序?qū)崿F(xiàn)方法，并畫出流程圖。第二階段的主要任務(wù)是系統(tǒng)的詳細設(shè)計與制作，主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計需求，設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路原理圖，并初步設(shè)計印制電路板等。硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合軟件考慮，盡可能用軟件代替硬件，簡化硬件結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)考慮CPU的總線驅(qū)動能力，注意可靠性及抗干擾設(shè)計。

軟件設(shè)計的任務(wù)是在總體設(shè)計和硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上確定程序結(jié)構(gòu)，分配內(nèi)部結(jié)構(gòu)存儲器資源，劃分功能模塊，進行主程序及各模塊程序的設(shè)計，最終完成整個系統(tǒng)的控制程序。第三階段是仿真調(diào)試，分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)三個過程。硬件調(diào)試是利用開發(fā)系統(tǒng)基本測試儀器(萬用表、示波器等)，通過執(zhí)行開發(fā)系統(tǒng)有關(guān)命令或測試程序，檢查用戶系統(tǒng)硬件中存在的故障。軟件調(diào)試時通過對用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是指讓用戶系統(tǒng)的軟件在其硬件上實際運行，并進行軟、硬聯(lián)合調(diào)試。第四階段的任務(wù)是程序固化及獨立運行。第五階段的任務(wù)是文件編制階段，文件應(yīng)包括任務(wù)描述；設(shè)計的指導(dǎo)思想及設(shè)計方案論證；性能測定及現(xiàn)場試用報告與說明；試用指南；軟件資料(流程圖、子程序使用說明、地址分配、程序清單)；硬件資料(電路原理圖、元件布置及接線圖、接插件引腳圖、印制電路板圖、注意事項等)。

二、單片機的選型

2.1單片機的性能指標

目前的單片機有4位機、8位機、16位機及32位機等幾種。單片機的位數(shù)是由其內(nèi)核CPU的位數(shù)決定的。位數(shù)越多，單片機處理數(shù)據(jù)的能力就越強。單片機的運行速度取決于外部晶振或外部時鐘信號的頻率。如89C51的外部時鐘頻率可達24MHz。單片機運行速度高則執(zhí)行速度塊，但功耗也會相應(yīng)地增加。單片機的程序存儲器結(jié)構(gòu)類型主要有ROM和RAM。一般的單片機均帶有數(shù)據(jù)存儲器RAM，但其容量均不大。當(dāng)需要存儲大量數(shù)據(jù)時，應(yīng)考慮外接用戶RAM。單片機具有較強的中斷處理能力，51單片機一般有五個中斷源，分別是外部中斷0、外部中斷1、定時計數(shù)器0、定時計數(shù)器1及串行口的中斷。在一些自動監(jiān)測儀表及電池供電的產(chǎn)品中，低功耗是主要的技術(shù)指標，通常采用HC—MOS工藝的單片機在低電壓下工作單片機的封裝一般有DIP、QFP、PLCC等類型，應(yīng)從印制板的尺寸、加工手段、購買途徑及成本等方面綜合考慮。

2.2單片機的選型原則

單片機的選型一般有三個原則，一是單片機的系統(tǒng)適應(yīng)性，它是指能否用這個單片機完成應(yīng)用系統(tǒng)的控制任務(wù)。主要考慮的因素有：是否有合適的計算處理能力?是否有所需的外圍端口部件?是否有所需的中斷源及定時器?是否有所需的I／O端口數(shù)?二是單片機的可開發(fā)性，開發(fā)工具的使用時單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的必須手段，是選擇單片機的一個重要依據(jù)。主要考慮的因素有：開發(fā)環(huán)境、調(diào)試工具、在線BBS服務(wù)及應(yīng)用支持。三是制造商歷史及可購買性，要考慮產(chǎn)品的性價比是否可靠?是否停產(chǎn)?功耗量是否充足穩(wěn)定?所以，依據(jù)這三個原則，應(yīng)該可以選擇出最適用于具體應(yīng)用系統(tǒng)的單片機。

三、單片機的抗干擾技術(shù)

3.1干擾的來源

用信號外的噪聲或造成惡劣影響的變化部分的總稱為干擾。在進行單片機應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)過程中，我們經(jīng)常碰到一個很棘手的問題，即在實驗室環(huán)境下系統(tǒng)運行的正常，但小批量生產(chǎn)并安裝在工作現(xiàn)場后，卻出現(xiàn)一些不太規(guī)律、不太正常的現(xiàn)象。究其原因主要是系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計不全面，導(dǎo)致應(yīng)用系統(tǒng)的工作不可靠。引起單片機控制系統(tǒng)干擾的主要原因有三類，分別是供電系統(tǒng)的干擾、過程通道的干擾和空間電磁波的干擾。電源開關(guān)的通斷、電機和大的用電設(shè)備的啟停都會使供電電網(wǎng)發(fā)生波動，受這些因素的影響，電網(wǎng)上常常出現(xiàn)幾百伏甚至幾千伏的尖峰脈沖干擾。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，開關(guān)量輸入、輸出和模擬量輸人、輸出通道是必不可少的。這些通道不可避免地會使各種干擾直接進入單片機系統(tǒng)?？臻g干擾主要來自太陽及其他天體輻射電磁波、廣播電臺或通信發(fā)射臺發(fā)出的電磁波及各種周圍電氣設(shè)備發(fā)射的電磁干擾等。因此，針對以上出現(xiàn)的問題，我們必須采用有效措施以提高單片機應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾能力

3.2硬件抗干擾技術(shù)

常用的硬件抗干擾技術(shù)主要有隔離技術(shù)、接地技術(shù)、去耦技術(shù)、濾波技術(shù)及屏蔽技術(shù)。在單片機系統(tǒng)中，為了提高供電系統(tǒng)的質(zhì)量，防止竄人干擾，建議采用單片機輸人電源與強電設(shè)備動力電源分開，采用具有靜電屏蔽和抗電磁干擾的隔離電源變壓器，采用獨立功能塊單獨供電，并用集成穩(wěn)壓塊實現(xiàn)兩級穩(wěn)壓。盡量提高接口器件的電源電壓，提高接口的抗干擾能力。過程通道時系統(tǒng)輸入、輸出以及單片機之間進行信息傳輸?shù)穆窂?。由于輸人輸出對象與單片機之間連接線長，容易竄入干擾，必須抑制。一般采用雙絞線傳輸減少電磁感應(yīng)，抑制噪聲干擾，采用濾波電路、單穩(wěn)電路、觸發(fā)器電路及施密特電路抑制機械觸電的抖動，從而抑制噪聲干擾。在單片機系統(tǒng)中，印制電路板設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大。印制電路板是用來支撐電路元件，并提供電路元件和器件之間電氣連接的重要組件。為了減少干擾，經(jīng)常采用大小適中、布局合理的印刷電路板，并且合理配置去耦電容，正確設(shè)計電源線和底線。

3.3軟件抗干擾技術(shù)

單片機應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾性不可能完全依靠硬件解決，軟件抗干擾設(shè)計也是防止和消除應(yīng)用系統(tǒng)故障的重要途徑。一旦單片機因干擾而使得程序計數(shù)器PC偏離了原定的值，程序便脫離正常運行軌道，出現(xiàn)操作數(shù)數(shù)值改變或?qū)⒉僮鲾?shù)當(dāng)作操作碼的“跑飛”現(xiàn)象。此時，可采用軟件陷阱和“看門狗”技術(shù)使程序恢復(fù)到正常狀態(tài)。所謂軟件陷阱，是指可以使混亂的程序恢復(fù)正常運行或使“跑飛”的程序恢復(fù)到初始狀態(tài)的一系列指令。如NOP指令、LIMP指令等。程序運行監(jiān)視系統(tǒng)又稱“看門狗”。“看門狗”就是一個劍士跟蹤定時器，應(yīng)用“看門狗”技術(shù)可以使單片機從死循環(huán)中恢復(fù)到正常狀態(tài)?！翱撮T狗”可以用硬件電路實現(xiàn)，也可采用軟件技術(shù)通過內(nèi)部定時／計數(shù)器實現(xiàn)。目前，大多數(shù)單片機內(nèi)部都集成有程序運行監(jiān)視系統(tǒng)。

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