单片机系统开发.doc

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1、第10章 单片机系统开发U 难点 单片机应用系统的总体设计方法 软件机构设计 系统的总体调试方法 要求掌握： 单片机系统设计的基本原则 单片机应用系统的设计方法 单片机应用系统的调试方法 了解： 数码管时钟电路的设计 数码管时钟软件的设计10.1 单片机应用系统设计的基本原则10.2 单片机应用系统的设计方法10.3 数码管时钟电路的设计10.1 单片机应用系统设计的基本原则 单片机应用系统是指单片机构成的计算机应用系统，包括工业控制系统、数据采集系统、智能仪器仪表以及其它使用单片机的系统。通常我们要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高和设计周期短等特点，下面我们将对这几点作详细

2、讨论。 10.1.1可靠性 高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑： 1. 使用可靠性高的元器件 2. 采用双机系统 3. 设计电路板时布线和接地要合理，严格安装硬件设备及电路 4. 对供电电源采用抗干扰措施 5. 输入输出通道抗干扰措施 6. 进行软硬件滤波7. 系统自诊断功能 10.1.2 操作维护方便 在系统的软硬件设计时，应从普通人的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利用系统的推广。因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障

3、诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。10.1.3 性价比 单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功能等。10.1.4 设计周期短 只有缩短设计周期，才能有效地降低设计费用，充分发挥新系统的技术优势，及早占领市场并具有一定的竞争力。10.2 单片机应用系统的设计方法 一个完备的单片机应用系统包括硬件和软件两大部分，其中硬件部分包括扩展的存储器、键盘、显示、前向通道、后

4、向通道、控制接口电路以及相关芯片的外围电路等，软件的功能就是指挥单片机按预定的功能要求进行操作的程序。对于一个单片机系统只有系统的软、硬件紧密配合，协调一致，这样才是高性能的单片机系统。 单片机系统的开发过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统总体调试四个阶段，图10.1给出了系统研制过程框图。这几个设计阶段并不是相互独立的，它们之间相辅相成、联系紧密，在设计过程中应综合考虑、相互协调、各阶段交叉进行。10.2.1 系统总体设计 系统总体设计是单片机系统设计的前提，合理的总体设计是系统成败的关键。总体设计关键在于对系统功能和性能的认识和合理分析，系统单片机及关键芯片的选型，系统基本

5、结构的确立和软、硬件功能的划分。 1. 明确系统的功能与性能 2. 系统单片机选型 3. 划分系统软、硬件功能 4. 确定系统结构组成 10.2.2硬件设计硬件设计的任务是根据总体设计给出的系统结构框图，逐个设计每一个功能单元的详细电路原理图，最后综合成为一个完整的硬件系统。1. 程序存储器 若单片机片内无程序存储器或存储容量不够时，此时需扩展外部程序存储器。外部扩展的存储器通常可以选用EPROM或E2PROM。EPROM集成度高、价格便宜，E2PROM则编程容易，可以在线读写。当程序量较小时，使用E2PROM较方便；当程序量较大时，采用EPROM更经济。2. 数据存储器 数据存储器由RAM构

6、成。一般单片机片内都提供了小容量的数据存储区，只有当片内数据存储区不够用时才扩展外部数据存储器。存储器的设计原则是：在存储容量满足的前提下，尽可能减少存储芯片的数量。建议使用大容量的存储芯片以减少存储器芯片数目，但应避免盲目地扩大存储容量。3. I/O接口 由于外设多种多样，使得单片机与外设之间的接口电路也各不相同。因此，I/O接口常常是单片机应用系统中设计最复杂也是最困难的部分之一。I/O接口大致可归类为并行接口、串行接口、数据采集通道(接口)、模拟输出通道(接口)等。目前有些单片机已将上述各接口集成在单片机内部，使I/O接口的设计大大简化。系统设计时，可以选择含有所需接口的单片机。4. 译

7、码电路 基本上所有需要扩展外部电路的单片机系统都需要设计译码电路，译码电路的作用是为外设提供片选信号，也就是为它们分配独一无二的地址空间。译码电路在设计时要尽可能简单，这就要求存储器空间分配合理，译码方式选择得当。考虑到修改方便与保密性强，译码电路除了可以利用常规的门电路、译码器实现外，还可以利用只读存储器与可编程门阵列来实现。常用的译码芯片型号有3-8译码器74LS138，2-4译码器74LS139等。5. 总线驱动器 如果单片机外部扩展的器件较多，负载过重，就要考虑设计总线驱动器。比如，MCS-51单片机的P0口负载能力为8个LSTTL逻辑门，P2口负载能力为4个LSTTL逻辑门。如果P0

8、、P2实际连接的逻辑门数超出上述定额，系统便不能可靠的工作，此时就必须在P0、P2口增加总线驱动器来提高它们的驱动能力。P0口通常使用双向数据总线驱动器74LS245，P2口可使用单向总线驱动器74LS244，如图10.2。6. 抗干扰电路 针对可能出现的各种干扰，应设计抗干扰电路。在单片机应用系统中，一个不可缺少的抗干扰电路就是抗电源干扰电路。最简单的实现方法是在系统弱电部分(以单片机为核心)的电源入口处对地跨接一个大电容(100F左右)与一个小电容(0.1F左右)，在系统内部各芯片的电源端对地跨接一个小电容(0.1F)。另外，可以采用隔离放大器、光耦器件抗输入设备、输出设备与系统之间的地线

9、干扰；采用差分放大器抗共模干扰；采用平滑滤波器抗白噪声干扰；采用屏蔽手段抗辐射干扰等。最后，应注意在系统硬件设计时，要尽可能充分地利用单片机的片内资源，使自己设计的电路向标准化、模块化方向靠拢。硬件设计结束后，应编写出硬件电原理图及硬件设计说明书。10.2.3 软件设计 软件是单片机应用系统中的一个重要组成部分，在单片机应用系统研制过程中，软件设计部分是工作量最大的，也是最困难的任务。一般计算机应用系统的软件包括系统软件和用户软件，而单片机应用系统中的软件只有用户软件，即应用系统软件。软件设计的关键是确定软件应完成的任务及选择相应的软件结构。软件设计通常分作系统定义、软件结构设计和程序设计等三

10、个步骤，图10.3给出了软件设计的流程图。 1. 系统定义 系统定义的目的就是根据系统软、硬件的功能分工，确定出软件应完成什么功能，其具体步骤如下。定义说明各输入/输出口的功能，确定信息交换的方式、与系统接口方式、所占口地址、读取和输出方式等。比如在编写作为实现控制功能的软件时，应明确控制对象、控制信号及控制时序；作为实现处理功能的软件应明确输入是什么、要做什么样的处理(即处理算法)、产生何种输出。在程序存储器和数据存储器区域中，合理分配存储空间，其中包括系统主程序、常数表格、数据暂存区域、堆栈区域和入口地址等。 对面板控制开关、按键等输入量以及显示、打印等输出量也必须给予定义，以此作为编程依

11、据。针对可能出现的由干扰引起的错误进行容错设计，给出错误处理方案，以达到提高软件可靠性的目的。一种最简单的错误处理就是软件引导重新启动系统。明确所设计的用户程序应达到的精度、速度指标。比如，程序中数据字长选择为几位，每段程序及整个程序的运行时间是多少。对于过程控制，速度指标是主要的；对于事务处理，精度指标显得更加重要。软件设计的结果不仅要完成预定的任务，而且要满足系统精度与速度等指标的要求。2. 软件结构设计 软件结构设计与程序设计技术密切相关，合理的软件结构是设计单片机应用系统的基础，它能使CPU有条不紊地对各个相对独立的任务进行处理。对于简单的应用系统，通常使用中断方法分配CPU的时间，指

12、定哪些任务由主程序完成，哪些任务由中断服务程序完成，并指定各中断的优先级。对于复杂的实时控制系统，应采用实时的多任务操作系统，这种系统要求对多个对象同时进行实时控制，要求对各个对象的实时信息以足够快的速度进行处理并做出快速响应。这时就要提高系统的实时性和并行性。为了达到这个目的，实时多任务操作系统应具备任务调度、实时控制、实时时钟、输入输出和中断控制、系统调用、多个任务并行运行等功能。 在单片机应用系统中，最常用的程序设计方法是模块程序设计。模块程序设计具有结构清晰、功能明确、设计简便、程序模块可共享、便于功能扩展及便于程序维护等特点。为了编制模块程序，先要将软件功能划分为若干子功能模块，然后

13、确定出各模块的输入、输出及相互间的联系。模块程序需要在管理程序的管理下方可有效地运行，其结构如图10.4所示。这个管理程序就是通常所说的用户实时监控程序，用来协调管理各模块的工作。在简单系统中，实时监控程序可按实时单任务操作系统模式建立；在复杂系统中，实时监控程序可按实时多任务操作系统模式建立。最简单的实时监控程序就是按时间顺序调度各功能模块的调用程序。 图10.4 单片机应用系统软件的一般结构实际操作中，模块划分的好坏，直接影响实时监控程序对模块的管理效率。模块划分的一般原则是：模块不宜过长，功能相对独立。3. 程序设计 在前面工作的基础上开始编写程序。首先根据系统功能及操作过程，绘制程序流

14、程图。实时监控程序依据调度算法编写流程图；控制模块依据控制时序编写流程图；处理模块依据处理算法编写流程图；抗干扰模块依据抗干扰措施(如滤波算法)或出错处理办法编写流程图。在程序流程编写时，要明确规定数据来源、流向及存储位置。在完成流程图设计以后，首先应对片内RAM区进行具体分配，指定各模块使用的工作寄存器、分配标志位（20H2FH）。然后再估算子程序、中断以及程序中栈操作指令的使用情况，流出堆栈区，最后剩下部分作为数据缓冲区。最后着手编写程序，将所有程序流程图的每一步用相应的指令来实现，就得到了应用系统的全部程序。将编写的程序汇编成机器码，经调试正常运行后，便可固化到EPROM中，至此系统软件

15、设计完成。最后值得强调的一点是还应编写详细的软件设计说明书。10.2.4 系统总体调试 单片机应用系统的总体调试是系统开发的重要环节。当完成了单片机应用系统的硬件、软件设计和硬件组装后，便可进入单片机应用系统调试阶段。系统调试的目的是要查出用户系统中硬件设计与软件设计中存在的错误及可能出现的不协调问题，以便修改设计，最终使用户系统能正确可靠地工作。系统调试包括硬件调试、软件调试和软、硬件联调。根据调试环境不同，系统调试又分为模拟调试与现场调试。各种调试所起的作用是不同的，它们所处的时间段也不一样，不过它们的目的都是为了查出用户系统中存在的错误或缺陷。系统调试的一般过程如图10.5。图10.5

16、系统调试的一般过程1. 单片机应用系统调试工具 在单片机应用系统调试中，最常用的调试工具有以下几种。 (1)单片机开发系统单片机开发系统(又称仿真器)的主要作用是：系统硬件电路的诊断与检查；程序的输入与修改；硬件电路、程序的运行与调试；程序在EPROM中的固化。由于单片机本身不具有调试及输入程序的能力，因此单片机开发系统成为开发单片机应用系统不可缺少的工具。 (2)万用表 (3)逻辑笔 (4)逻辑脉冲发生器与模拟信号发生器 (5)示波器(6)逻辑分析仪2. 单片机应用系统的一般调试方法 (1)硬件调试 静态调试 动态调试 (2) 软件调试 先独立后联机 先分块后组合 先单步后连续 (3)系统联

17、调 软、硬件能否按预定要求配合工作。 系统运行中是否有潜在的设计时难以预料的错误。 系统的动态性能指标(包括精度、速度参数)是否满足设计要求。 (4)现场调试 一般情况下，通过系统联调后，用户系统就可以按照设计目标正常工作了。总之，现场调试对用户系统的调试来说是最后必需的一个过程，只有经过现场调试的用户系统才能保证其可靠地工作。现场调试仍需利用开发系统来完成，其调试方法与前述类似。10.3数码管时钟电路的设计10.4.1 系统设计引言LED数码管时钟电路采用24 h计时方式，时、分、秒用六位数码管显示。该电路采用AT89C2051单片机，使用3 V电池供电。10.4.2 系统设计原理 以AT8

18、9C2051单片机来实现时钟计时显示有如下几个要点： 1. 计算计数初值 时钟计时的关键问题是秒的产生，因为秒是最小时钟单位，但使用MCS-51的定时器/计数器进行定时，即使按工作方式1，其最大定时时间也只能达到131ms，离1s还差很远。为此，我们把秒计时用硬件定时和软件计数相结合的方法实现，即：把定时器的定时时间定为125ms，这样计数溢出8次就可得到1s，而8次计数可用软件方法实现。 为得到125ms定时，我们可使用定时器/计数器0，以工作方式1进行，假定单片机为6MHZ晶振，设计数初值为X，则有如下等式： （216 X）2=125000 计算得计数初值X=3036，二进制表示为1000

19、10010100B，十六进制表示为0CDCH。 2. 设定定时器定时方式 定时器采用中断定时方式完成，以便于通过中断服务程序进行溢出次数(每次125ms)的累计，计满8次即得到秒计时。 3. 实现方法 通过在程序中的数值累加和数值比较来实现从秒到分和从分到时的计时。 4. 设置时钟显示及显示缓冲区 假定时钟时间在6位LED数码管上进行显示(时、分、秒各占两位)。为此，要在内部RAM中设置显示缓冲区，共6个单元，与数码管对应关系如图10.12所示。显示缓冲区从左向右依次存放时、分、秒的数值。 LED5 LED4 LED3 LED2 LED1 LED0 7EH 7DH 7CH 7BH 7AH 79

20、H 图10.12 LED显示器的缓冲单位 10.4.3 系统硬件设计 数码管时钟电路如图10.13所示，其采用AT89C2051单片机最小化应用设计，LED显示用动态扫描方式实现，P1口输出段码数据，P3.0P3.5口作扫描输出，P3.7接按钮开关。了提供LED数码管的驱动电流，用三极管9012作电源驱动输出。为了提高秒计时的精确中。本设计中的计时采用定时器T0中断完成，其余状态循环调用显示子程序，当P3.7端口开关按下时，转入调时功能程序。图10.13 采用AT89C2051的六位时钟电路10.4.4 系统软件设计1. 主程序(MAIN) ORG0000H；程序执行开始地址 LJMPSTAR

21、T；跳到标号START执行 ORG000BH；定时器0中断程序入口 LJMPINTTO；跳到标号INTTO执行 ORG0030H START:MOVSP,#60H；确立堆栈区 MOVR0,#79H；显示缓冲区首地址 MOVR7,#06H；显示位数 ML1:MOVR0,#00H；显示缓冲单元清0 INCR0 DJNZR7,ML1 MOVTMOD ,# 01H；设置定时器0为方式1 MOVTL0,# 0DCH；装计数器初值 MOVTH0,# 0CH SETBEA；总中断开放 SETBET0；允许T0中断 SETBTR0；开启T0定时器 MOV30H,#08H；计数溢出次数 ML0:LCALLDIS

22、PLAY；调用显示子程序 JNBP3.7 SETMM1；调整程序 SJMPML0 SETMM1:LJMPSETMM；转到调整程序 主程序的主要功能是进行定时器计数器的初始化编程，然后通过反复调用显示子程序的方法，等待125ms定时中断的到来。系统主程序流程图如图10.14所示。主程序清单如下: 2. 加1子程序(DAADl) 加1子程序用于完成对秒、分和时的加1操作，中断服务程序中在秒、分、时加1时共有三处调用此子程序。加l操作共包括以下三项内容：加1子程序清单： DAA1:MOVA,R0；加1子程序，十位送A DECR0 SWAPA ；十位数占高4位 ORLA,R0；个位数占低4位 ADDA

23、,#01H；加1 DAA；十进制调整 MOVR2,A；全值暂存R2中 ANLA,#0FH；屏蔽十位数，取个位数 MOVR0,A；个位值送显示缓冲单元 MOVA,R2 INCR0 ANLA, # 0F0H；屏蔽个位数取出十位数 SWAPA；使十位数占低4位 MOVR0，A；十位数送显示缓冲单元 RET ；返回 3. 中断服务程序(PITO) 中断服务程序的主要功能是进行计时操作。程序开始先判断计数溢出是否满了8次，不满8次表明还没达到最小计时单位秒，中断返回；如满8次则表明已达到最小计时单位秒，程序继续向下执行，进行计时操作。中断服务程序流程如图10.16所示。 中断子程序清单：INTT0:PU

24、SHACC；现场保护 PUSHPSW SETB PSW.3；选1组通用寄存器 MOVTL0,#0DCH；计数器重新加载 MOVTH0,#0CH MOVA,30H；循环次数减1 DECA MOV30H,A JNZRET0；不满8次转移 MOV30H,#08H；满8次开始计时 MOVR0,#7AH；秒显示缓冲单元 ACALLDAAD1；秒加1 MOVA,R2；加1后秒值在R2 XRLA,#60H；判是否到60秒 JNZRET0；不到转移 ACALLCLR0；到60S显示单元清0 MOVR0,#7CH；分显示缓冲单元地址 ACALLDAAD1；分加1 MOVA,R2 XRLA,#60H；判是否到60

25、分 JNZRET0 ACALLCLR0；到60分显示单元清0 MOVR0,#7EH；时显示缓冲单元地址 ACALLDAAD1；时加1 MOVA,R2 XRLA,#24H；判是否24小时 JNZRET0 ACALLCLR0；到24小时清缓冲单元 RET0:POPACC；现场恢复 POPPSW RET1 ；中断返回 清缓冲单元子程序 CLR0:CLRA；清缓冲单元子程序 MOVR0,A ；十位数缓冲单元清0 DECR0 MOVR0,A；个位数缓冲单元清0 RET ；返回 5. 显示子程序 数码管显示的数据存放在内存单元79H一7EH中，其中79H7AH存放秒数据，7BH7CH存放分数据，7DH7E

26、H存放时数据，每一地址单元内均为十进制BCD码。由于采用软件动态扫描实现数据显示功能，显示用十进制BCD码数据的对应段码存放在ROM表中。显示时，先取出79H7EH某一地址中的数据，然后查得对应的显示用段码从P1口输出。P3口将对应的数码管选中，就能显示该地址单元的数据值。DISPLAY:MOVR0,#79H；建立显示缓冲区首址 MOVR3, # FEH；从右数第一位显示 MOVA,R3；扫描字放入A LD0:MOVP3,A；从P3口输出 MOVA,R0；取显示数据到A MOVDPTR,#TAB；取段码表地址 MOVCA,A+DPTR；查显示数据对应段码 MOVP1,A；段码放P1口 ACALLDL1MS；延时1ms INCR0；指向下一地址 MOVA,R3 JBACC.5 LD1；ACC.5=0一次显示结束 RLA；A中数据循环左移 MOVR3,A；将位控码送R3保存 AJMPLD0；继续扫描 LD1:RET TAB:DBC0H；字形代码表0 DBF9H；1 DBA4H；2 DBB0H；3 DB99H；4 DB92H；5 DB82H；6 DBF8H；7 DB80H；8 DB90H；9 DB88H；A DBFFH；灭 DL1MS:MOVR6,#14H；1ms延时程序 DL1:MOVR7,#19H DL2:DJNZR7,DL2 DJNZR6,DL1 RET