《單片機系統(tǒng)設(shè)計及工程應(yīng)用》課件第8章

8.1系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容8.2系統(tǒng)開發(fā)過程8.3系統(tǒng)設(shè)計方法8.4系統(tǒng)調(diào)試習(xí)題88.1.1硬件系統(tǒng)組成

單片機典型應(yīng)用系統(tǒng)包括單片機(CPU)模塊、用于檢測信號的傳感器、信號輸入模塊、控制輸出模塊及基本的人機對話模塊等。當(dāng)單個單片機系統(tǒng)不能滿足要求時，應(yīng)采用多機系統(tǒng)，即包含多個單片機子系統(tǒng)組成的應(yīng)用系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間利用通信模塊實現(xiàn)信息交流，達到系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。圖8.1是一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)基本模塊組成框圖。8.1系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容圖8.1單片機應(yīng)用系統(tǒng)基本模塊組成框圖

1.輸入模塊

輸入模塊是單片機與測控對象的連接部分，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的輸入通道。通常來自測控對象的現(xiàn)場信息是多種多樣的，按物理量的特征可分為模擬量和開關(guān)(數(shù)字)量兩種，如圖8.2所示。

開關(guān)量輸入：對于開關(guān)量的采集比較簡單，只需對開關(guān)信號進行光電隔離、電平轉(zhuǎn)換，便可直接作為輸入信號。

模擬量輸入：模擬量輸入通道比較復(fù)雜，一般包括傳感器、隔離放大器、濾波、采樣保持電路、多路電子開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路等。圖8.2輸入模塊框圖傳感器：傳感器用來采集現(xiàn)場的各種信號，并將其變換成電信號，以滿足單片機對輸入信號的要求?，F(xiàn)場信號有各種各樣，有電信號(如電壓、電流、功率等)，也有非電量(如溫度、濕度、壓力、流量、速度、位移量等)，對于不同物理量應(yīng)選擇相應(yīng)的傳感器。這一部分也是某些專業(yè)學(xué)生的一個薄弱環(huán)節(jié)，要成為合格的系統(tǒng)設(shè)計師、總工程師，就必須從全局出發(fā)，對系統(tǒng)涉及到的各個領(lǐng)域的知識都十分清楚。在此應(yīng)提出來的是，請讀者在學(xué)習(xí)和工作期間應(yīng)注意不斷拓寬自己的知識面。(有關(guān)傳感器的內(nèi)容請參見第11章。)

隔離放大與濾波：一般情況下傳感器的輸出是微弱信號，不能直接進入系統(tǒng)，要經(jīng)過放大處理后才能作為輸入信號。另外，信息來自各種工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，存在大量的噪聲干擾。為了提高系統(tǒng)的可靠性，就必須采取隔離措施，濾掉干擾，這是整個系統(tǒng)抗干擾設(shè)計的重點部位。(抗干擾技術(shù)請參見第9章。)多路電子開關(guān)：用多路電子開關(guān)實現(xiàn)用一個A/D轉(zhuǎn)換器對多路模擬信號進行轉(zhuǎn)換。多路模擬電子開關(guān)受單片機控制，某一時刻需要對哪一路模擬信號進行轉(zhuǎn)換，由單片機向多路電子開關(guān)發(fā)出路地址信息，把該路模擬信號與A/D轉(zhuǎn)換器接通，其他模擬信號與A/D轉(zhuǎn)換器隔離，從而實現(xiàn)用一個A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換多路信號的目的。

A/D轉(zhuǎn)換器：A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，是系統(tǒng)輸入通道中模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)連接的核心部件，其性能直接關(guān)系到模擬信號的轉(zhuǎn)換精度。綜上所述，輸入模塊具有以下特點：

(1)與現(xiàn)場采集對象相連，是現(xiàn)場干擾進入系統(tǒng)的主要通道，也是整個系統(tǒng)抗干擾設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

(2)由于采集的對象不同，有模擬量、數(shù)字量，而這些信號都是由現(xiàn)場的傳感器產(chǎn)生的，傳感器輸出的微弱信號不能滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入要求，因此必須有信號處理電路，如信號放大器、I/V變換、A/D轉(zhuǎn)換、放大、整形電路等。

(3)輸入模塊是一個模擬電路和數(shù)字電路的混合系統(tǒng)，電路功耗低，信號功率小。

2．輸出模塊

輸出模塊是應(yīng)用系統(tǒng)的信號輸出通道，完成輸出信號的狀態(tài)鎖存、信號隔離與功率驅(qū)動。

輸出信號通常也有兩種：開關(guān)信號和模擬信號。開關(guān)信號采用隔離器件進行信號隔離、電平轉(zhuǎn)換和功率放大。模擬信號則需要進行D/A轉(zhuǎn)換、放大、功率驅(qū)動等。

輸出模塊的特點：

(1)輸出模塊是應(yīng)用系統(tǒng)的輸出通道，通常需要狀態(tài)鎖定和功率驅(qū)動。

(2)控制系統(tǒng)的大功率負荷易通過該通道把干擾噪聲反饋到單片機控制單元，干擾系統(tǒng)正常工作。因此，輸出信號的隔離對系統(tǒng)的可靠性影響較大，系統(tǒng)設(shè)計時必須重視。

(3)根據(jù)控制對象的不同要求，采用輸出驅(qū)動的器件也是多種多樣的：三極管、可控硅、繼電器驅(qū)動等。輸出信號形式有電流信號、電壓信號、開關(guān)量及數(shù)字量輸出等，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的任務(wù)性質(zhì)而定。

3．人機對話模塊

人機對話模塊是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中人機之間信息交流的主要通道，是為用戶對應(yīng)用系統(tǒng)進行有效干預(yù)(如啟動、參數(shù)設(shè)置等)及了解應(yīng)用系統(tǒng)運行狀態(tài)所設(shè)置的功能模塊之一，主要包括鍵盤、顯示器、打印機等設(shè)備及接口。人機對話模塊有以下特點：

(1)由于常用的單片機系統(tǒng)大多數(shù)是小規(guī)模嵌入式系統(tǒng)，因此系統(tǒng)中人機對話設(shè)備的配置都較小，如微型打印機、功能按鍵、LED/LCD顯示器等。若需高水平的人機對話配置，如通用打印機、CRT、硬盤、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤等，則往往將單片機系統(tǒng)通過串行通信端口與PC機相連，使單片機應(yīng)用系統(tǒng)能享用PC機的資源。

(2)單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，人機對話通道及接口大多采用總線形式，與系統(tǒng)擴展密切相關(guān)。

(3)人機對話模塊接口結(jié)構(gòu)簡單，但功能較多。如鍵盤接口中通常采用對一個(組)按鍵定義多種功能，簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

4．通信模塊

單片機系統(tǒng)中的通信模塊是解決計算機與控制系統(tǒng)之間信息交流的重要接口。在較大規(guī)模的多機測控系統(tǒng)中，還需要設(shè)計各單機系統(tǒng)之間的通信接口。通信模塊具有以下特點：

(1)單片機本身具有異步串行通信口，很容易實現(xiàn)串行通信，因此，通信模塊往往以單片機的串行口為基礎(chǔ)擴展而成。

(2)單片機本身的串行口為系統(tǒng)通信提供了硬件支持，但并沒有提供標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)約。因此，利用單片機串行口構(gòu)成系統(tǒng)時，要建立相應(yīng)的通信規(guī)約并設(shè)置串行通信口。

(3)通信模塊采用數(shù)字通信技術(shù)，抗干擾能力強。

以上對應(yīng)用系統(tǒng)中的輸入模塊、輸出模塊、人機對話模塊及通信模塊的功能及特點進行了說明，其他模塊功能比較簡單，在此不再詳述。當(dāng)然，設(shè)計一個應(yīng)用系統(tǒng)不一定都會用到所有功能模塊，應(yīng)視具體情況而定。8.1.2系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容

單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計包含硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩部分，具體內(nèi)容如下：

(1)最小系統(tǒng)設(shè)計。

給單片機配以必要的外圍器件，構(gòu)成能夠獨立運行的最簡單的單片機系統(tǒng)稱為單片機最小系統(tǒng)。如片內(nèi)有程序存儲器的單片機89C51、87C51、SPCE061A等，只需在片外設(shè)置電源、復(fù)位電路、時鐘源，便構(gòu)成了最小系統(tǒng)，就能實現(xiàn)一些基本功能。

(2)系統(tǒng)擴展設(shè)計。

在單片機最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上，擴展能滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求的存儲器、I/O端口及外圍電路等。

(3)接口電路設(shè)計。

根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的性質(zhì)與任務(wù)，設(shè)計相應(yīng)的輸入隔離放大器和輸出驅(qū)動電路。

(4)通信模塊設(shè)計。

通信模塊通常采用單片機本身提供的串行通信接口，實現(xiàn)與其他設(shè)備、系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

(5)抗干擾設(shè)計。

系統(tǒng)抗干擾設(shè)計要貫穿到設(shè)計的全過程。從具體方案、器件選擇到電路設(shè)計，從硬件系統(tǒng)設(shè)計到軟件系統(tǒng)設(shè)計，都要把抗干擾設(shè)計作為一項重要任務(wù)。現(xiàn)行的大多數(shù)單片機都具有WatchDog功能，防止系統(tǒng)死機。這往往還不夠，必須有外圍電路組成的系統(tǒng)看門狗對整個系統(tǒng)進行監(jiān)視。

(6)應(yīng)用軟件設(shè)計。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計能夠滿足系統(tǒng)功能的程序。目前，大多對應(yīng)用軟件采用單片機匯編語言或C語言設(shè)計程序。8.2.1需求分析與市場調(diào)研

在確定開發(fā)課題后，首先要進行系統(tǒng)需求分析與市場調(diào)研。目的是通過市場調(diào)研明確系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)及目前相關(guān)產(chǎn)品的性能、優(yōu)缺點、發(fā)展方向及技術(shù)指標(biāo)等。調(diào)研包括查找資料、分析研究，并解決以下問題：

(1)了解國內(nèi)外同類系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向、新器件性能及供應(yīng)狀況；對接收委托的研制項目，應(yīng)充分了解對方的技術(shù)要求、使用環(huán)境、技術(shù)水平，以便明確系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)。

(2)分析軟、硬件技術(shù)難度，明確技術(shù)主攻方向和目標(biāo)。8.2系統(tǒng)開發(fā)過程

(3)了解軟、硬件技術(shù)支持。能夠移植的盡量移植，避免低水平重復(fù)開發(fā)。

(4)綜合考慮軟、硬件分工。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，軟、硬件的工作是密切相關(guān)的，在系統(tǒng)設(shè)計時要綜合考慮，合理分工。

(5)根據(jù)任務(wù)要求，選擇合適的傳感器和執(zhí)行部件。

經(jīng)過需求分析與方案調(diào)研，整理出需求分析與方案論證報告，將其作為系統(tǒng)可行性分析的主要依據(jù)。8.2.2可行性分析

可行性分析的目的是對系統(tǒng)開發(fā)研制的必要性及可行性做出明確的結(jié)論。根據(jù)這一結(jié)論決定系統(tǒng)的開發(fā)研制工作是否繼續(xù)進行下去。

通常，可行性分析要從以下幾個方面進行論證：

(1)市場或用戶的需求情況分析。

(2)經(jīng)濟效益和社會效益分析。

(3)技術(shù)支持與開發(fā)環(huán)境。

(4)產(chǎn)品競爭力與市場前景。

(5)新技術(shù)的發(fā)展方向。8.2.3方案設(shè)計

系統(tǒng)方案設(shè)計是依據(jù)市場調(diào)研、用戶需求情況、系統(tǒng)運行環(huán)境、關(guān)鍵技術(shù)支持等因素，確定系統(tǒng)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并選擇相應(yīng)實現(xiàn)方法的過程。

系統(tǒng)功能設(shè)計包括系統(tǒng)總體目標(biāo)功能的確定及系統(tǒng)軟、硬件功能模塊的功能劃分與協(xié)調(diào)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)系統(tǒng)軟、硬件功能的劃分及其協(xié)調(diào)關(guān)系，確定系統(tǒng)硬件組成和軟件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計包括單片機選型、擴展方案和外圍設(shè)備的配置及其接口電路的確定等，最后要以邏輯框圖形式描述。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計是確定系統(tǒng)軟件功能模塊劃分及各功能模塊程序的實現(xiàn)方法，最后以結(jié)構(gòu)框圖或程序流程圖形式確定下來。本階段的工作是為整個應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)建立一個框架，即建立系統(tǒng)的邏輯模型，是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)和前提。因此，這項工作必須從整體出發(fā)，從系統(tǒng)觀念出發(fā)，放眼全局，每一步都要十分仔細、周密考慮，盡可能將工作內(nèi)容具體化，各個模塊功能劃分要詳細，只有這樣，才不至于在系統(tǒng)設(shè)計時出現(xiàn)較大缺陷。8.2.4樣機研制

系統(tǒng)詳細設(shè)計與制作就是將前面的系統(tǒng)方案付諸實施，將硬件框圖轉(zhuǎn)化成具體電路，并設(shè)計印制電路板，將軟件框圖或流程圖編制成相應(yīng)的程序，生產(chǎn)出樣機。這是系統(tǒng)設(shè)計的主要工作階段，比較艱苦且工作量大。系統(tǒng)負責(zé)人要仔細研究，合理調(diào)配，做到既分工又協(xié)作，多頭并進，力爭軟、硬件各個環(huán)節(jié)能夠同時完成，以加快開發(fā)進程，縮短開發(fā)時間。8.2.5系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試是檢測所設(shè)計系統(tǒng)的正確性與可靠性的過程，是解決設(shè)計和裝配過程中存在不足的必要手段。單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜過程，在設(shè)計、制作過程中，難免存在一些局部性問題或錯誤。系統(tǒng)調(diào)試可發(fā)現(xiàn)存在的問題和錯誤，并及時進行修正。調(diào)試與修改的過程可能要反復(fù)多次，直到系統(tǒng)成功運行，達到設(shè)計要求為止。系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試通過后，把聯(lián)機調(diào)試完畢的目標(biāo)程序固化在程序存儲器中，脫機(脫離開發(fā)系統(tǒng))運行，對系統(tǒng)功能再進行逐項測試，直

到達到設(shè)計指標(biāo)，滿足用戶需求。8.2.6批量生產(chǎn)

在真實環(huán)境或模擬環(huán)境下運行，經(jīng)反復(fù)測試運行正常，開發(fā)過程即告結(jié)束。這時的系統(tǒng)作為樣機系統(tǒng)，加上外殼、面板，再配上完整的技術(shù)資料，就生成了正式系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，投入批量生產(chǎn)，服務(wù)社會。

產(chǎn)品性質(zhì)不同，開發(fā)過程中側(cè)重點也不同。大部分軍用產(chǎn)品、工業(yè)品對可靠性要求較高，而像民用產(chǎn)品、智能玩具之類的產(chǎn)品則對外觀、成本要求較為苛刻。產(chǎn)品設(shè)計過程也不是一成不變的，要根據(jù)產(chǎn)品性質(zhì)有所側(cè)重，靈活掌握。在產(chǎn)品設(shè)計過程中，要十分重視人機界面設(shè)計。一個設(shè)計良好的人機界面會使用戶感覺親切友好，使用得心應(yīng)手。在此，提請整機設(shè)計人員及系統(tǒng)設(shè)計師注意，一定要運用人機工程學(xué)，重視人機交互界面的設(shè)計，否則會影響系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。系統(tǒng)調(diào)研、方案論證階段要周密仔細，8.3.1熟悉設(shè)計對象

單片機作為控制系統(tǒng)的核心所控制的對象是多種多樣的，所實現(xiàn)的控制功能也是千差萬

別的。這些對象可能是一個具體的設(shè)備，如交通燈控制器、機械手、電視機、空調(diào)器、微波

爐、電冰箱等，也可能是一個系統(tǒng)，如生產(chǎn)線過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、三遙系統(tǒng)等。

在這些控制系統(tǒng)中，它可以有多個數(shù)字量和模擬量的采集和控制，有多個采樣點和控制點。單

片機在這些應(yīng)用領(lǐng)域可以進行數(shù)字測量及采集，也可以完成過程控制、程序控制，或者是閉環(huán)

控制。8.3系統(tǒng)設(shè)計方法例如，一個空調(diào)器實際上就是一個溫度控制系統(tǒng)，它包含溫度測量、A/D變換、控制計算、輸出功率調(diào)節(jié)等多個環(huán)節(jié)，在空調(diào)器中加熱均采用電加熱或壓縮機，控制比較方便。對于一個鍋爐控制系統(tǒng)，不管是燃油鍋爐還是燃煤鍋爐，比一個空調(diào)器控制要復(fù)雜的多，不僅要進行溫度測量，還要測量鍋爐內(nèi)的壓力、水位等參量，其控制系統(tǒng)規(guī)模要大一些。這類系統(tǒng)是一個模擬量閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，需要顯示輸出(常用LED、LCD顯示器)、初始值設(shè)定(常用撥碼開關(guān)或鍵盤輸入)、控制操作和報警提示等。因此就需要一個控制面板，在面板上要設(shè)置相應(yīng)功能鍵和顯示器，其方框圖如圖8.3所示。圖8.3溫度控制系統(tǒng)方框圖如上所述，系統(tǒng)設(shè)計時，首先要搞清楚控制對象是什么，有哪些控制規(guī)律和動作要領(lǐng)，采用哪種控制方法；有哪些被測量和輸出量，使用何種傳感器，所要求的控制精度或控制誤差范圍等。這樣，就可以對整個設(shè)計過程有—個總體把握，有的放矢地采取相應(yīng)技術(shù)措施，達到預(yù)期的設(shè)計要求。系統(tǒng)設(shè)計時，盡可能的將問題搞清楚，充分估計各種困難和技術(shù)難點，這有利于后續(xù)工作的開展。8.3.2確定I/O類型和數(shù)量

明確系統(tǒng)的I/O通道數(shù)，對確定系統(tǒng)的規(guī)模和功能十分必要。這些內(nèi)容不僅與系統(tǒng)的主控制回路有關(guān)，而且還涉及顯示模塊、測量模塊、系統(tǒng)保護模塊、操作模塊、報警處理模塊、參數(shù)設(shè)定模塊、通信模塊以及中斷處理模塊等。

1.開關(guān)量確定

1)輸入開關(guān)量

輸入開關(guān)量包括現(xiàn)場輸入節(jié)點(如行程開關(guān)、繼電器觸點、保護開關(guān)輸出節(jié)點、操作機構(gòu)輔助節(jié)點)和系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)(如設(shè)備號設(shè)置撥碼開關(guān)等)。

2)輸出開關(guān)量

輸出開關(guān)量包括控制信號、繼電器線圈控制、報警裝置驅(qū)動、指示燈及LED輸出接口等。

上述信號數(shù)量要逐一核實、編號、確定功能、信號采集方式、輸出驅(qū)動電路等，并逐一落實。

2.模擬量確定

1)輸入通道

根據(jù)任務(wù)性質(zhì)和被測模擬量來確定系統(tǒng)所需的輸入通路數(shù)量。輸入通道數(shù)也就是A/D變換的路數(shù)，它包括系統(tǒng)中被測量的模擬量，如溫度、壓力、流量、液位、電壓、電流等，也包括直接由測速電機、位移傳感器等輸出的電壓電流信號。這些被測量首先經(jīng)過信號變換，非電量要經(jīng)過變送器將物理量變成電信號，再經(jīng)過電壓電流變換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號輸入到A/D變換器。

2)輸出通道

根據(jù)任務(wù)性質(zhì)，確定系統(tǒng)的輸出通路數(shù)量。模擬輸出主要指連續(xù)變化量的調(diào)節(jié)與信號輸出，如調(diào)節(jié)電機電樞電壓或調(diào)節(jié)帶有電氣轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)閥等。模擬輸出主要通過D/A變換器輸出，因此，模擬輸出通道數(shù)就是D/A變換路數(shù)。

將要輸入通道和輸出通道也同開關(guān)量一樣，按照序號、名稱、變送器規(guī)格、轉(zhuǎn)換精度要求等內(nèi)容仔細統(tǒng)計，登記造冊并存檔。這些工作要盡可能的詳細、清楚，它們是系統(tǒng)研制、維護的基本技術(shù)資料。

3.特殊輸出處理

在一些特殊情況下，要注意根據(jù)實際情況，對I/O類型和數(shù)量進行靈活處理。如有的電機需要脈寬調(diào)制(PWM)控制，具有脈寬調(diào)制輸出功能的單片機，就可直接作為單獨輸出形式應(yīng)用，而沒有脈寬調(diào)制輸出功能的單片機，可用電子開關(guān)與軟件來實現(xiàn)脈寬調(diào)制輸出，從而達到調(diào)整輸出脈寬的目的。

4.軟、硬件資源綜合考慮

在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)充分利用單片機的軟件資源以簡化硬件系統(tǒng)，達到最佳設(shè)計。例如，系統(tǒng)人機界面經(jīng)常需要一些功能鍵和數(shù)字鍵，如果每一鍵對應(yīng)一個開關(guān)量輸入，就增加了開關(guān)輸入數(shù)，加大了硬件開銷，浪費了硬件資源，同時使硬件電路變得復(fù)雜。為了綜合平衡軟、硬件的開銷，我們通常將所需的鍵排列成矩陣形式，采用鍵盤掃描程序來完成鍵值輸入，其硬件如圖8.4所示。圖8.44×4矩陣式鍵盤圖8.4是一個4×4矩陣鍵盤，如果每個鍵用一個開關(guān)輸入量，則要16個輸入量，而采用如圖8.4所示的矩陣排列方式，僅需要4個輸出量和4個輸入量。這樣，減少了開關(guān)量(這

個例子中可減少8個)，從而減少了I/O接口的開銷。當(dāng)然，這種方式加大了軟件的工作，一般情況下，軟件能夠很容易完成。該鍵盤的識別要通過單片機的軟件掃描來完成，要求在控制程序中有一個鍵盤搜索識別程序塊并反復(fù)掃描鍵盤，才能實現(xiàn)搜索功能。在考慮一個系統(tǒng)設(shè)計時，如何全面地衡量軟、硬件的分配，是一個非常重要的問題。較好地解決這個問題，有賴于設(shè)計人員的開發(fā)經(jīng)驗和對單片機技術(shù)及接口電路的熟悉程度。一位有經(jīng)驗的設(shè)計者將始終立足于系統(tǒng)設(shè)計的整體利益，從系統(tǒng)的整體出發(fā)，全面地均衡軟、硬件功能，從開發(fā)要求、實現(xiàn)途徑、開發(fā)周期、產(chǎn)品成本、系統(tǒng)可靠性等多方面衡量，合理安排軟、硬件功能。經(jīng)常會出現(xiàn)熟悉硬件電路的人喜歡用硬件解決問題，往往將硬件電路設(shè)計得比較復(fù)雜，增加了開發(fā)工作量、調(diào)試周期和硬件成本，也增加了設(shè)備維護量，降低了設(shè)備可靠性。

而熟悉軟件的人又喜歡盡可能用軟件來解決問題，將硬件電路設(shè)計得過于簡單，使軟件承擔(dān)了更多的任務(wù)，而導(dǎo)致軟件調(diào)試比較困難，增加了調(diào)試時間，加大了人力資源的投入，延長了開發(fā)周期。因此，全面且正確地均衡軟、硬件功能的分配，對提高系統(tǒng)可靠性，縮短開發(fā)周期，減少工作量和提高效益是非常重要的。這也是普通工程技術(shù)人員與系統(tǒng)級工程技術(shù)人員的區(qū)別，望讀者能全面掌握軟、硬件及傳感器方面的知識，提高系統(tǒng)的整體設(shè)計能力。8.3.3單片機選型

當(dāng)前市場上單片機的種類和型號很多，有4位、8位、16位以及32位機；片內(nèi)ROM和RAM各不相同；有的I/O功能強，I/O路數(shù)多；有的擴展方便，有的不能擴展；有帶片內(nèi)A/D的，有不帶片內(nèi)A/D的，等等。要結(jié)合具體任務(wù)所需要的I/O數(shù)、控制對象要求的精度、響應(yīng)速率、開發(fā)環(huán)境等因素選擇合適的單片機。在很大程度上，我們選用單片機的種類和型號，基本上取決于我們對某些種類單片機的熟悉程度以及所具備的開發(fā)條件。單片機的開發(fā)以及調(diào)試都需要仿真器系統(tǒng)，因此對仿真器系統(tǒng)使用的熟悉程度往往決定了選用單片機的類型。

國內(nèi)8位單片機仍以MCS-51系列為主流機型，與其兼容的Philips公司、NEC公司、ATMEL等公司的相應(yīng)型號單片機，使51系列單片機的資源相當(dāng)豐富。故8位單片機的開發(fā)系統(tǒng)仍以51系列的單片機開發(fā)系統(tǒng)最普及，如WAVE開發(fā)系統(tǒng)、MECE開發(fā)系統(tǒng)、SICE開發(fā)系統(tǒng)等。這些開發(fā)系統(tǒng)市場普及率高，功能齊備，能夠滿足常見應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需求。這些開發(fā)系統(tǒng)通常要通過串行通信口與PC機相連，借助于PC機的資源構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)系統(tǒng)帶有仿真插頭連接到被開發(fā)的目標(biāo)板上實現(xiàn)仿真，并進行相應(yīng)的軟件調(diào)試。在PC機上安裝相配套的專用開發(fā)工具軟件即可使用。在家用電器領(lǐng)域，Motorola公司的68系列單片機占有一定市場，其品種多、型號全、功能專，適用于大批量開發(fā)和應(yīng)用，其開發(fā)芯片和相應(yīng)的掩膜芯片或OTP芯片都相互配套，使用方便。

另外，在研發(fā)階段選用片內(nèi)有E2PROM存儲器的單片機，會為系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試帶來方便，但在開發(fā)完成之后，可選用OTP(一次性編程)芯片或采用掩膜芯片投入批量生產(chǎn)，可降低產(chǎn)品成本。

對于功能比較簡單的家用電器、智能玩具等產(chǎn)品，可以選用功能齊全、節(jié)省電能、接口豐富、有一定驅(qū)動能力的4位單片機，不僅能很好的完成系統(tǒng)功能，而且硬件簡單，成本低廉，便于批量生產(chǎn)。例如，三星公司的KS56、KS57系列的4位機，其片內(nèi)有2～8KBROM和256～736BRAM，可直接驅(qū)動LED、LCD顯示器，有的還帶有A/D轉(zhuǎn)換器，且其工作電壓范圍在2.7～6V之間，便于使用電池供電。

對于技術(shù)要求較高，8位單片機無法完成的系統(tǒng)，就必須選用16位或32位單片機。這類單片機性能更高，功能更強，典型的應(yīng)用機型有Intel公司的MCS-196系列單片機等。8.3.4確定存儲器

單片機運行的程序存放在程序存儲器中，系統(tǒng)的臨時數(shù)據(jù)和參數(shù)一般存放在數(shù)據(jù)存儲器RAM中。在設(shè)計存儲器時，首先要確定所用程序存儲器的容量。主要根據(jù)任務(wù)性質(zhì)、控制內(nèi)容、控制算法、控制檢測的數(shù)量及中斷服務(wù)程序的大小來確定。選擇的原則是：確保夠用，考慮發(fā)展，留有余量，最好選用現(xiàn)成芯片。如控制一部交流雙速電梯，估計程序量要在4KB左右，在設(shè)計時，可選用8KB存儲器來實現(xiàn)。程序存儲器的選擇通常要比預(yù)先估計得富裕一些，這樣不僅可減輕調(diào)試、刪改程序的負擔(dān)，而且選用大容量程序存儲器，不一定會增加成本。有時在程序設(shè)計時，要將漢字字庫放在程序存儲器中，所需存儲空間就要大些。使用ROM保存字型，可防止字庫內(nèi)容在斷電時丟失。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和微電子技術(shù)的提高，大容量的EPROM芯片并不比低存儲容量的EPROM價格高，有時還會低一些。如目前市場上4KB的EPROM2732比2KB的EPROM2716還便宜，而有相同存儲量8KB的EPROM2764比2732便宜。因此，選擇2764芯片作為程序存儲器可能還會更經(jīng)濟一些。作為開發(fā)人員，要及時了解市場情況，以便做出正確的選擇。若選用片內(nèi)具有EPROM的單片機，如87C51FA，片內(nèi)有16KB的EPROM，87C51FB內(nèi)部有32KB的EPROM，但該芯片價格高些，則要權(quán)衡價格和性能之間的矛盾，以便進行取舍。

對隨機存儲器RAM來說，片內(nèi)RAM作為參數(shù)存儲單元有時就夠用了。若要存儲大量數(shù)據(jù)、表格、參數(shù)，片內(nèi)RAM就可能不夠用了，則必須擴展片外RAM。一般選用靜態(tài)存儲器SRAM，如經(jīng)常選用靜態(tài)存儲器16K×8位的62128、8K×8位的6264等。

選擇E2PROM(電可擦除的可編程存儲器)作為數(shù)據(jù)存儲器，在要求斷電時數(shù)據(jù)保存的特殊情況下是一種較好的選擇。E2PROM可由電信號進行讀寫，且斷電后保存數(shù)據(jù)不丟失，但E2PROM要比EPROM貴一些。無論選用哪種存儲器，都要明確其容量、型號、性能，并且要選用速度和電平都相互兼容的芯片。

若使用單片機作為控制器，則不宜將系統(tǒng)擴充得太大，而是盡可能簡化設(shè)計，充分體現(xiàn)單片機控制系統(tǒng)的優(yōu)勢和特點。8.3.5確定I/O接口芯片

I/O接口包括開關(guān)量接口、模擬量接口、顯示接口和鍵盤接口等。

開關(guān)量接口應(yīng)根據(jù)前面確定的開關(guān)量數(shù)來選擇接口芯片。每種系列單片機都有與其兼容的常用芯片，盡可能選用一些搭配合理、應(yīng)用成熟的電路。

1.專用可編程接口

51系列單片機可選用8155或8255可編程I/O接口芯片。8155芯片有22位I/O，且內(nèi)部有256B的RAM，在I/O點數(shù)不太多，且單片機片內(nèi)RAM不足時選用8155芯片比較合適。

8255具有3個8位端口，共24位，作為開關(guān)量，I/O接口是經(jīng)常選用的接口芯片之一。

Z8系列單片機可選用PIO作接口，也可選用8255芯片作接口，但其控制信號要經(jīng)過邏輯組合，其中斷控制要經(jīng)過相應(yīng)的處理才能應(yīng)用。

2.簡單I/O接口

常常選用一般的TTL芯片和74系列8D鎖存器、三態(tài)緩沖器等做I/O接口，適用于單片機和外部設(shè)備之間作同步交換和傳輸?shù)膱龊?。選用TTL芯片作I/O接口簡單易行，成本低，便于調(diào)試，指令控制方便。可以勝任這種接口的芯片種類很多，如常用的8D鎖存器74LS273、8位單向三態(tài)緩沖器74LS244及8位雙向三態(tài)緩沖器74LS245等，設(shè)計時可根據(jù)設(shè)計需要查閱相關(guān)器件手冊，合理選擇。

3.顯示接口的設(shè)計

通常在控制系統(tǒng)中，顯示接口是必要的，如利用發(fā)光二極管作狀態(tài)指示，利用七段LED數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)等。隨著液晶顯示器技術(shù)的飛速發(fā)展和性能價格比的提高，液晶顯示器在儀器儀表中的應(yīng)用已非常普及。

在利用LED七段數(shù)碼管進行靜態(tài)顯示時，使用TTL芯片的BCD七段譯碼驅(qū)動芯片非常方便。常用芯片有74LS47和MC14495等。選用時，可根據(jù)所用LED七段數(shù)碼顯示器共陰極或共陽極的不同，分別選用相應(yīng)的芯片。使用這類芯片時，只把這類芯片作為一個外設(shè)輸出接口，將要顯示字符的BCD碼鎖存入該芯片，就可得到相應(yīng)的數(shù)字顯示。這種顯示有適用于十六進制計數(shù)的接口芯片，也有適用于十進制計數(shù)的接口芯片。在有的數(shù)字顯示和小鍵盤輸入的系統(tǒng)中，也可選擇可編程接口器件8279作鍵盤和顯示接口電路。

總的來說，由于單片機應(yīng)用系統(tǒng)一般都強調(diào)簡單實用，因此，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，除非十分必要，一般都選用簡單I/O接口芯片進行系統(tǒng)擴展。8.3.6系統(tǒng)設(shè)計

在確定了I/O接口路數(shù)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換通道數(shù)以及選定了所需要的輸入、輸出接口器件的基礎(chǔ)上，下一步就是進行電路設(shè)計。將選用的單片機和相應(yīng)的接口以及有關(guān)器件按系統(tǒng)要求組成一個系統(tǒng)電路連接圖。系統(tǒng)電路設(shè)計時，主要考慮的內(nèi)容有主模塊設(shè)計和驅(qū)動電路設(shè)計兩大部分。

1.主模塊設(shè)計

主模塊包括單片機最小系統(tǒng)、外部存儲器擴展和外部接口擴展，同時要完成地址分配、譯碼電路設(shè)計和控制電路設(shè)計。

1)總線擴展

在51系列單片機中，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可分別尋址64KB地址空間，而外部設(shè)備I/O端口和數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址。在51系列單片機中，擴展系統(tǒng)總線時，P0口用來分時傳送地址和數(shù)據(jù)，使用74LS373作為低8位地址鎖存器來形成低8位地址線A7～A0，用ALE作為地址鎖存信號直接連到74LS373的鎖存使能端。用P2口形成地址線的高8位A15～A8，從而形成A15～A0共16位地址總線。由于程序存儲器是只讀存儲器，使用信號作為外擴ROM的讀信號，數(shù)據(jù)存儲器使用控制信號或作為讀、寫控制信號，以訪問兩個不同的尋址空間。

2)地址分配及譯碼電路

根據(jù)總體設(shè)計要求，分別給存儲器、I/O端口分配適當(dāng)?shù)牡刂?，選擇相應(yīng)的譯碼器電路。

地址譯碼器通常選用現(xiàn)成的譯碼器芯片，常用芯片有：3-8譯碼器74LS138，雙2-4譯碼器74LS139，4-16譯碼器74LS154等。這些譯碼器的功能及輸入、輸出信號的連接特性可查閱相應(yīng)的器件手冊。

當(dāng)譯碼器選定并確定相應(yīng)的選片信號之后，就要確定各芯片的具體地址，從而明確軟件訪問時的地址空間和使用范圍。圖8.5給出了利用74LS138作為8段譯碼器，將64KB地址分配為8×8KB的地址空間。當(dāng)一級譯碼信號不夠用時，要對某一段地址進行二次譯碼，即將一級譯碼輸出中的某一譯碼信號再作為譯碼條件進行二級譯碼。圖8.5使用74LS138譯碼的地址分配

2.驅(qū)動電路設(shè)計

由于常用的器件是TTL電路或MOS電路，這些電路的驅(qū)動能力有限，尤其應(yīng)用于控制系統(tǒng)時，因此要增加電流放大和電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)功率放大，以便驅(qū)動被控設(shè)備。

常用的開關(guān)驅(qū)動電路種類較多，通常有晶體管驅(qū)動、復(fù)合晶體管驅(qū)動、可控硅驅(qū)動(單向和雙向可控硅)、中間繼電器、固態(tài)繼電器驅(qū)動和場效應(yīng)管驅(qū)動等。讀者可根據(jù)設(shè)計的電路特點適當(dāng)選擇，也可參考有關(guān)實用電路進行設(shè)計，必要時要進行相應(yīng)的模擬實驗。開關(guān)電路的驅(qū)動常采用固態(tài)繼電器，它將雙向可控硅和光電耦合驅(qū)動封裝在一個密封塊中，這種無觸點開關(guān)有利于提高單片機控制系統(tǒng)的可靠性，減少觸點動作對系統(tǒng)的影響。但這種固態(tài)繼電器價格較高，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)的實際要求和具體情況選用。

3.光電耦合器件的應(yīng)用

光電耦合器件能可靠地實現(xiàn)信號隔離，有效地將單片機電源和驅(qū)動電路電源完全分開(兩電源不共地，各自獨立)，以減少輸入、輸出設(shè)備對單片機控制系統(tǒng)的干擾。圖8.6光電耦合器當(dāng)前市場上光電耦合器的型號和種類很多，有單個獨立封裝的，有四個封裝在一個集成塊內(nèi)的，其輸入、輸出特性和傳輸速度也各不相同。光電耦合器的輸入端通常是一個獨立的發(fā)光二極管，輸出端有的是光敏三極管(如圖8.6所示)，有的是復(fù)合光敏三極管，有的是光敏可控硅，因此其驅(qū)動能力差別較大，價格差別也較大。選用時，要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的基本要求選用。通?？刂齐姶砰_關(guān)，如繼電器線圈、電機電樞電壓，或有較大感性負載時均要使用光電耦合器進行隔離，而作為一般指示燈或LED顯示輸出時不需要光電隔離。

4.繪制原理圖

目前，均利用計算機輔助設(shè)計完成單片機控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計。只要有一臺普通配置的PC機，就可方便地設(shè)計系統(tǒng)電路原理圖。常用Protel99繪制原理電路圖及設(shè)計印制電路板，該軟件是目前許多開發(fā)人員使用的設(shè)計原理電路圖和印制電路板的CAD應(yīng)用軟件之一，它有比較豐富的元件庫，如74系列集成電路、MOS集成電路、單片機、存儲器、光電耦合器件以及有關(guān)的分離元件、接插件等。若使用所帶庫中沒有的一些特殊元件，可以自己設(shè)計元件添加入庫。

使用計算機設(shè)計原理圖布局方便，修改容易，直觀明了，用打印機可直接輸出，清晰正規(guī)，有利于設(shè)計資料的整理、存檔，便于安裝調(diào)試。8.3.7實驗板設(shè)計

系統(tǒng)原理圖設(shè)計完成之后，要經(jīng)過實驗驗證，以證明理論設(shè)計的邏輯關(guān)系的正確性和合理性。

1.幾種常用實驗板

1)面包板

面包板是常用的一種既經(jīng)濟又方便的實驗電路板。在面包板上可以直接插入元器件及集成電路塊，導(dǎo)線連接也采用插接式，操作簡便，易于實現(xiàn)。但由于面包板制造質(zhì)量以及內(nèi)部簧片彈性等因素，因此常常出現(xiàn)接觸不良等現(xiàn)象，造成電路工作不穩(wěn)定，易出現(xiàn)故障。所以，往往只對一些很簡單的電路進行實驗時，才采用面包板。

2)通用實驗板

目前市場上出售多種類型的通用實驗板，按集成電路管腳尺寸排列焊盤?？梢詫㈦p列直插芯片插座焊上，接通連線，分離元件也可直接焊上。有的實驗板(如適用于51系列單片機實驗板)已完成了幾個主要芯片的插座設(shè)計，用戶只需加上必要的外圍電路，插上必要的擴展芯片就可做相應(yīng)的實驗。這是目前常用的實驗方法。

3)印制電路實驗板

印制電路板是根據(jù)將來系統(tǒng)設(shè)計需要，設(shè)計相應(yīng)的實驗板。設(shè)計的實驗板也就是將來實際應(yīng)用電路板的試驗板。設(shè)計的實驗板焊接插座需進行原理測試，當(dāng)實驗測試完成后，并能保證其性能和功能都達到設(shè)計要求的情況下，就可對實驗板稍做修改，即可正式加工印制電路板，從而加快了開發(fā)周期。經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員通常采用這種方法。

2.實驗板測試步驟

1)電源檢查

當(dāng)實驗板連接或焊接完成之后，首先在不插主要元器件的情況下，檢查是否存在電源對地短路現(xiàn)象。用三用表電阻檔檢測，確保不存在短路現(xiàn)象的情況下，可加電檢查。通常用+5V直流電源，用萬用表電壓檔測試各元器件插座上相應(yīng)電源管腳電壓是否正確。若有錯誤，則要及時檢查、排除，使每個電源引腳的電壓都符合要求。

2)各元器件電源檢查

斷開電源，按正確的元器件方向插上元器件。最好是分別插入，加電測試，并逐一檢查每個元器件上的電源是否正確，以至于最后全部插上元器件，加電后，每個元器件上電源都正確無誤。8.3.8實驗電路調(diào)試

實驗電路板安裝檢查完成之后，就可以利用開發(fā)系統(tǒng)進行調(diào)試。

1.開發(fā)系統(tǒng)簡介

對實驗板進行調(diào)試，通常要使用單片機開發(fā)系統(tǒng)。開發(fā)系統(tǒng)都帶有一個仿真插頭，可直接插入目標(biāo)電路板的CPU插座，代替目標(biāo)板上的CPU對其系統(tǒng)功能進行仿真。(有關(guān)開發(fā)系統(tǒng)的具體功能請參見第7章)大多數(shù)開發(fā)系統(tǒng)都和PC機相連，借用PC機的鍵盤和顯示器以及程序開發(fā)功能對目標(biāo)實驗板進行仿真調(diào)試，以動態(tài)運行方式確認原理設(shè)計是否正確，各部分功能及相應(yīng)邏輯是否合理，是否符合設(shè)計要求。圖8.7仿真機系統(tǒng)連接示意圖開發(fā)系統(tǒng)的仿真器是一個與被開發(fā)的目標(biāo)板具有相同單片機芯片的系統(tǒng)，它是借助開發(fā)系統(tǒng)的資源來模擬目標(biāo)板中的CPU，對目標(biāo)板系統(tǒng)的資源如存儲器、I/O接口進行管理。同時，仿真機還具有程序跟蹤功能，它可將程序執(zhí)行過程中的有關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)在屏幕上顯示出來，這給查找錯誤和調(diào)試程序帶來了方便。其程序運行的斷點功能、單步功能可直接發(fā)現(xiàn)硬件和軟件的設(shè)計錯誤。開發(fā)系統(tǒng)和目標(biāo)實驗板的連接如圖8.7所示。

2.利用開發(fā)機調(diào)試電路

利用開發(fā)機對實驗板的硬件進行檢查，常常按其功能及I/O通道分別編寫相應(yīng)的實驗程序，檢查各部分功能及邏輯是否正確。

1)檢查各地址譯碼輸出

通常，地址譯碼輸出是一個低電平有效信號。因此，在選通某一個器件時(無論是存儲器芯片還是I/O接口芯片)其選片信號是一個負脈沖信號。由于使用的時鐘頻率不同，指令執(zhí)行時間不同，其負脈沖的寬度和頻率也有所不同。以51系列單片機開發(fā)系統(tǒng)為例，如一片6264存儲芯片地址為2000～3FFFH，則可在開發(fā)機上執(zhí)行如下程序：

MOVDPTR，#2000H

LOOP：MOVXA，@DPTR

SJMPLOOP

程序執(zhí)行時，用邏輯筆或示波器就應(yīng)在該6264存儲器芯片的片選端看到等間隔的一串負脈沖信號，就說明該芯片選片信號連接是正確的。用同樣的方法，可將各存儲器及接口芯片的片選信號都逐一進行檢查。如果在測試點上觀察不到被測信號，就要檢查片選線連接是否正確，有無接觸不良、錯線、斷線等現(xiàn)象。2)檢查存儲器

檢查存儲器時可編寫一段檢測程序，向隨機存儲器進行寫入，再讀出，將寫入和讀出的數(shù)據(jù)進行比較。若正確，則繼續(xù)檢查下一單元；若發(fā)現(xiàn)錯誤，則停止檢測程序的運行。

ORG0100H

MOVA，#00H

MOVDPTR，#RAM首地址

MTEST:MOVX@DPTR，A

MOVR0，A

MOVXA，@DPTR

CLRC

SUBBA，R0

JNZSTOP

INCDPTR

MOVA，R0

INCA

SJMPMTEST

STOP：出錯停止

若一片RAM芯片的多個單元不正確，則有可能某些控制信號連接不正確；如果一片RAM芯片中個別單元出現(xiàn)問題，則有可能這一存儲器芯片本身有問題。

3)檢查I/O擴展接口

對可編程接口芯片如8155、8255，要首先對該接口芯片初始化，再對其I/O端口進行操作。初始化要按系統(tǒng)設(shè)計要求進行，程序調(diào)試好后就可作為正式編程的相應(yīng)內(nèi)容，初始化后，就可對其端口進行讀寫。對開關(guān)量I/O來講，在實驗板上可利用按鈕開關(guān)和發(fā)光二極管進行模擬調(diào)試。一般情況下，先調(diào)試主電路板，驅(qū)動板單獨調(diào)試，這樣故障排除更方便些。如果用連續(xù)運行方式運行監(jiān)測程序，端口狀態(tài)不易觀察時，就可用開發(fā)系統(tǒng)的單步功能單步執(zhí)行檢測程序，檢查內(nèi)部寄存器的有關(guān)內(nèi)容或外部相應(yīng)信號的狀態(tài)，以確定開關(guān)量輸入和輸出通道連接是否正確。

4)檢查按鍵輸入及顯示電路

對獨立按鍵可直接讀入按鍵的狀態(tài)，按開關(guān)量輸入進行檢查。若是矩陣式鍵盤，則要編寫相應(yīng)的鍵盤掃描程序，并逐一按鍵，在顯示器上顯示相應(yīng)的代碼。

顯示器檢查可根據(jù)設(shè)計的是動態(tài)顯示還是靜態(tài)顯示，是硬件七段譯碼還是軟件七段譯碼，來編寫相應(yīng)的檢測程序。檢查時，要將七段LED顯示器從0到9逐一驗證，對有些特殊字符需要時也要進行驗證，以防丟段或連線有錯。若采用液晶顯示器(LCD)，則要連接相應(yīng)接口，調(diào)試好通信程序，使LCD顯示正常。8.3.9系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在前面實驗板調(diào)試的基礎(chǔ)上檢查各部分功能均達到設(shè)計要求后，要核對系統(tǒng)原理圖，確定元器件的型號、引腳連接線，最終確定正式系統(tǒng)原理圖。然后就可進行結(jié)構(gòu)設(shè)計了。

1.機殼設(shè)計

機殼是控制器的保護罩，同時也是人機界面的重要組成部分。外殼的體積和面板設(shè)計要根據(jù)控制對象的要求綜合考慮，不可能給出統(tǒng)一原則。如機床控制器，電路板可能就安裝在機床內(nèi)部，不需要另外設(shè)計機殼，只要一個簡單的外殼加上一個便于操作的面板就可以了?？照{(diào)器的控制器，要求將其放在機體內(nèi)，因此控制板的體積要盡可能緊湊，不需要再加外殼保護，其有關(guān)操作放在空調(diào)機體的面板上進行。若要設(shè)計一個以單片機為核心的智能儀表，則要設(shè)計一個恰當(dāng)

的外殼，美觀的面板，便于攜帶和操作，使產(chǎn)品有良好的人機界面。對于家電產(chǎn)品，外觀造型、色彩、樣式等都要求較高，既要功能齊全使用方便，又要美觀大方經(jīng)濟實用。

2.印制電路板設(shè)計

印制板的大小和形狀要根據(jù)機殼內(nèi)安裝的實際要求和系統(tǒng)所含元器件的數(shù)量進行安排和布局。

在一個復(fù)雜的系統(tǒng)中，往往要設(shè)計多塊印制電路板，通過接插件連接，印制板的劃分要依據(jù)以下原則：

(1)同一功能模塊電路盡可能設(shè)計在同一印制板上。

(2)電路板間的連線盡可能簡單。

(3)板子大小要適中，布局要均衡。同時，在設(shè)計印制板時，要選好相應(yīng)的接插件以及安裝方式。由于印制電路板元器件密集，容易相互影響，因此在設(shè)計時要考慮以下幾點：

(1)電源線和地線盡可能加粗，以減少導(dǎo)線電阻產(chǎn)生的壓降。

(2)低頻信號宜采用一點接地，高頻信號宜采用多點接地。

(3)地線最好繞印制板邊沿一周布線，便于地線連接。

(4)數(shù)字、模擬電路要分開布局，且兩者地線盡量不要相混。

(5)每個印制板電源進線跨接一個100～250μF電解電容；每個集成電路芯片應(yīng)跨接一個103左右的瓷片去耦電容，保證器件電源正常。

(6)在元器件排列時，有關(guān)的器件盡可能靠近，使走線盡可能短，可獲得較好的抗噪效果。

(7)將發(fā)熱量大的元器件盡可能放置在上方或靠近機殼通風(fēng)散熱孔，以便獲得好的散熱效果。

設(shè)計印制電路板使用Protel99繪圖軟件。使用該軟件設(shè)計PCB版圖，可直接拿到印制板廠在光繪機上做出膠片底板，直接加工。在印制板上同時設(shè)計一張絲網(wǎng)印制板圖，用于將印制板上的元件序號、名稱等印制到電路板上，便于安裝和檢查。以上介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計的主要步驟及方法。在印制板正式做出來后，要再次進行調(diào)試以形成正式的控制系統(tǒng)硬件。讀者在工作中可結(jié)合自己的實踐總結(jié)出一些規(guī)律，以提高系統(tǒng)設(shè)計的效率，縮短設(shè)計周期，從而盡快設(shè)計出一個優(yōu)質(zhì)高效的單片機控制系統(tǒng)。8.4.1常用調(diào)試工具

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試中，常用的調(diào)試工具有以下幾

1.單片機開發(fā)系統(tǒng)

單片機開發(fā)系統(tǒng)(又稱仿真器)的主要作用是：

(1)系統(tǒng)硬件電路的診斷與檢查。

(2)程序的輸入與修改。

(3)硬件電路、程序的運行與調(diào)試。

(4)程序固化(要用到編程器)。8.4系統(tǒng)調(diào)試由于單片機本身不具有調(diào)試及輸入程序的能力，因此單片機開發(fā)系統(tǒng)就成為開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)不可缺少的工具。

對應(yīng)于某一系列的單片機都有與之相應(yīng)的開發(fā)系統(tǒng)。例如，Intel公司推出的ICE-5100/252單片機在線仿真器，用于開發(fā)研制51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)；ATD-96/98B單片機開發(fā)系統(tǒng)用于開發(fā)研制8096/98單片機應(yīng)用系統(tǒng)。Motorola公司推出的MC68HC11EVM仿真器用于開發(fā)研制MC68HC11系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)。凌陽公司提供的PROBEL用于開發(fā)研制SPCE061A系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)，可以很容易地進行系統(tǒng)仿真和調(diào)試，并能完成程序下載實現(xiàn)器件編程。

也有少數(shù)的開發(fā)系統(tǒng)適用于多種類型的單片機，但一般局限于同一公司的產(chǎn)品。因此，單片機開發(fā)系統(tǒng)的選擇原則是，開發(fā)系統(tǒng)的單片機與用戶系統(tǒng)的單片機必須為同一系列產(chǎn)品。如圖8.8所示是一種常用的開發(fā)系統(tǒng)。

開發(fā)系統(tǒng)可獨立工作，也可與計算機聯(lián)機使用。它提供了必要的開發(fā)軟件及豐富的子程序庫，其監(jiān)控程序支持程序輸入、修改、測試、狀態(tài)查詢等功能。開發(fā)系統(tǒng)本身占用單片機硬件資源少并具有資源出借功能，同時具有多種跟蹤、運行、調(diào)試功能，與主機聯(lián)機時可用匯編語言或C語言編程。圖8.8一種常用仿真器將單片機開發(fā)系統(tǒng)的仿真插頭插入用戶系統(tǒng)的單片機插座，通過操作開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)對用戶系統(tǒng)各部件的操作，就能達到調(diào)試、運行用戶系統(tǒng)的目的。

2.萬用表

萬用表(三用表)是系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試人員必不可少的儀表之一，主要用于測量硬件電路的通斷、兩點間電阻值、測試點電壓、電流及其他靜態(tài)工作狀態(tài)等。系統(tǒng)研發(fā)、調(diào)試、維護人員應(yīng)配備一塊內(nèi)阻較大的數(shù)字三用表。

例如，在某個集成塊的輸入端輸入穩(wěn)態(tài)電平時，可用萬用表來測試其輸出，通過測試值與理論值的比較，就可判定該芯片的工作是否正常。例如，74LS04六非門器件，當(dāng)在非門輸入端加高電平時，其輸出端應(yīng)為低電平，可用三用表測試其電平，判斷其工作狀態(tài)。

3.邏輯筆

邏輯筆是數(shù)字系統(tǒng)調(diào)試過程中十分有用的測試工具，它以制作容易，攜帶方便，經(jīng)濟實用，深受廣大工程技術(shù)人員歡迎。圖8.9是一種常用的邏輯筆。圖8.9邏輯筆邏輯筆可以測試數(shù)字電路中被測試點的電平狀態(tài)(高或低)及是否有脈沖信號。假如要檢測單片機擴展總線上連接的某譯碼器是否有譯碼信號輸出，可編寫一循環(huán)程序使譯碼器輸出一特定譯碼信號。運行該循環(huán)程序后，用邏輯筆測試譯碼器輸出端，若邏輯筆上發(fā)光二極管交替閃亮，則說明譯碼器有譯碼信號輸出；若只有紅色發(fā)光二極管亮(高電平輸出)或綠色發(fā)光二極管亮(低電平輸出)，則說明譯碼器無譯碼信號輸出。這樣就可以初步確定由擴展總線到譯碼器之間可能存在故障。系統(tǒng)運行時，邏輯筆用來測量系統(tǒng)總線的信號，判斷系統(tǒng)運行狀況十分實用。

4.邏輯脈沖發(fā)生器與模擬信號發(fā)生器

邏輯脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生不同寬度、幅度及頻率的脈沖信號，它可以作為數(shù)字電路的信號源。模擬信號發(fā)生器可產(chǎn)生具有不同頻率的方波、正弦波、三角波、鋸齒波等模擬信號，作為模擬電路的信號源。這些信號源在系統(tǒng)模擬調(diào)試過程中很有用。

5.示波器

示波器可以測量電平、模擬信號波形及頻率，還可以觀察多個信號的波形及它們之間的相位關(guān)系(雙蹤或多蹤示波器)。既可以對靜態(tài)信號進行檢測，也可以對動態(tài)信號進行測試，而且測試準(zhǔn)確直觀，是電子信息系統(tǒng)調(diào)試維修的一種必備工具。圖8.10是一種常用的示波器。圖8.10常用的示波器

6.邏輯分析儀

邏輯分析儀能夠以單通道或多通道實時獲取觸發(fā)事件的邏輯信號，可保存顯示觸發(fā)事件前后所獲取的信號，供操作者隨時觀察，作為軟、硬件分析的依據(jù)，能夠快速有效地查出軟、硬件中的錯誤。邏輯分析儀主要用于動態(tài)調(diào)試中信號的捕獲，當(dāng)然，它也是一種比較貴重的儀器。一般情況下，單片機仿真器也可提供軟件邏輯分析功能，能夠解決一些實際問題，售價不高，是一種行之有效的分析方法。

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試過程中，數(shù)字三用表、示波器、邏輯筆及開發(fā)系統(tǒng)是最基本的調(diào)試工具。通常為了便于掌握單片機原理及應(yīng)用，需要相應(yīng)的單片機原理實驗箱，圖8.11為一種功能比較齊全的單片機應(yīng)用實驗箱。該實驗箱能夠完成以下實驗：單片機并行端口、串行通信口、定時器/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)等功能模塊的測試及應(yīng)用類基本實驗；存儲器擴展、I／O端口擴展等系統(tǒng)擴展類實驗；鍵盤、顯示器應(yīng)用實驗；A/D、D/A應(yīng)用實驗；光電隔離器件、繼電器應(yīng)用類實驗；也可以作為大型綜合性實驗及電子設(shè)計大賽的培訓(xùn)平臺等。圖8.11單片機實驗箱8.4.2系統(tǒng)調(diào)試方法

1.硬件調(diào)試

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)命令或運行適當(dāng)?shù)臏y試程序(也可以是與硬件有關(guān)的用戶程序段)，檢查用戶系統(tǒng)硬件工作是否正常。

硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試兩步進行。

1)靜態(tài)調(diào)試

靜態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)未加電工作時的一種硬件檢查方法。

第1步，目測。單片機應(yīng)用系統(tǒng)中大部分電路安裝在印制電路板上，因此，對每一塊加工好的印制電路板要進行仔細的檢查。檢查它的印制線是否有斷線和毛刺，是否與其他線或焊盤粘連，焊盤是否脫落，金屬化過孔是否連通等。若印制板無質(zhì)量問題，則將集成芯片的插座、電路元件焊接在印制板上(注意裝配工藝，一般先低后高。先焊體積小高度低的元件，后裝體積大較高的元件；先裝低值元器件，后安裝價格較高的元件)，并檢查其焊點是否有毛刺，是否與其他印制線或焊盤連接，焊點是否光亮飽滿，有無虛焊等。對系統(tǒng)中所用的器件與設(shè)備，要仔細核對型號，檢查它們對外連線(包括集成芯片引腳)是否完整無損。通過目測可以查出一些明顯的器件、設(shè)備故障并及時排除。

第2步，萬用表檢測。目測檢查后，可用萬用表測試。先用萬用表復(fù)核目測過程中認為可疑的連接點，檢查它們的通斷狀態(tài)是否與設(shè)計相符。再檢查各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象。短路現(xiàn)象一定要在器件安裝及加電前排除。如果電源與地之間短路，系統(tǒng)中的器件或電源設(shè)備都可能被毀壞，后果十分嚴重。所以，對電源與地的處理，在整個系統(tǒng)調(diào)試及今后的運行過程中都要相當(dāng)小心。如果有現(xiàn)成的集成電路測試儀器，應(yīng)將要使用的芯片進行測試篩選。其他的器件、設(shè)備在購買或使用前也應(yīng)做必要的測試，以確保將性能可靠的器件、設(shè)備用于系統(tǒng)。

第3步，加電檢查。在靜態(tài)檢測完成之后，在給印制板加電前，首先檢查所有插座或器件的電源額定值是否與電源電壓相符，然后再加電檢查各點電壓是否正常(注意，單片機插座上的電壓不應(yīng)該大于VDD，否則聯(lián)機時可能損壞仿真器)，檢查接地是否可靠，接固定電平的引腳電平是否正確。然后在斷電狀態(tài)下，將芯片逐個插入印制板的相應(yīng)插座。每插入一塊做一遍上述檢查，特別要檢查電源與地是否短路，這樣就可以確定電源錯誤或與地短路發(fā)生在哪塊芯片上。在對各芯片、器件加電過程中，還要隨時注意觀察芯片或器件是否出現(xiàn)打火、過熱、變色、冒煙、異味等現(xiàn)象，如果出現(xiàn)立即斷電，就應(yīng)仔細檢查電源加載等情況，找出產(chǎn)生異常的原因并加以排除。

此外，也可以在加電期間，通過給邏輯功能簡單的芯片加載固定輸入電平，用萬用表測其輸出電平的方法來判定該芯片的好壞。例如，74LS08為四二輸入與門，當(dāng)兩輸入端接高電平時，其輸出端應(yīng)為高電平；任一輸入端為低電平時，輸出應(yīng)為低電平。否則，說明該器件有問題。第4步，聯(lián)機檢查。因為只有用單片機開發(fā)系統(tǒng)才能完成對用戶系統(tǒng)的調(diào)試，而動態(tài)測試也需要在聯(lián)機仿真的情況下進行。因此，在靜態(tài)檢查印制電路板、接插件、器件等部分無物理性故障后，即可將用戶系統(tǒng)與單片機開發(fā)系統(tǒng)用仿真電纜連接起來。聯(lián)機檢查上述連接是否正確、可靠。

2)動態(tài)調(diào)試

動態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)加電工作的情況下，發(fā)現(xiàn)和排除系統(tǒng)存在的器件內(nèi)部故障、器件間連接邏輯錯誤、軟件功能是否正常的一種有效檢查方法。由于單片機應(yīng)用系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)試是在開發(fā)系統(tǒng)的支持下完成的，因此又稱為聯(lián)機調(diào)試或聯(lián)機仿真。

動態(tài)調(diào)試的原則是：由分到合、由近及遠。由分到合指的是，首先按邏輯功能將用戶系統(tǒng)硬件電路分為若干模塊，如程序存儲器、A/D轉(zhuǎn)換電路、繼電器控制電路等，再分別調(diào)試。當(dāng)調(diào)試某一模塊電路時，與該電路無關(guān)的器件可以全部從用戶系統(tǒng)中去掉，這樣，可將故障范圍限定在某個局部范圍內(nèi)。當(dāng)各個電路調(diào)試無誤后，將各模塊電路逐一加入系統(tǒng)中，再對電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進行調(diào)試。

此時若出現(xiàn)故障，則最大可能是在各電路協(xié)調(diào)關(guān)系上出了問題，如交互信息的聯(lián)絡(luò)是否正確，時序是否達到要求等。直到所有電路加入系統(tǒng)后各部分電路能正常工作為止，由分到合的調(diào)試即告完成。在經(jīng)歷了這樣一個調(diào)試過程后，大部分硬件故障基本上可以排除。由近及遠指的是，對于功能較多，某些邏輯功能模塊電路較復(fù)雜，會給故障的準(zhǔn)確定位帶來一定的難度。這時，對每一模塊電路可以以信號處理的流向為線索，將信號流經(jīng)的各器件按照距離單片機的邏輯距離由近及遠地分層，然后按層調(diào)試。調(diào)試時，仍采用去掉無關(guān)器件的方法，逐層依次調(diào)試下去，就可將故障定位在具體器件上。例如，調(diào)試外部數(shù)據(jù)存儲器時，可按層先調(diào)試總線電路，然后調(diào)試譯碼電路，最后加上存儲芯片，利用開發(fā)系統(tǒng)對其進行讀寫操作，就能有效地調(diào)試數(shù)據(jù)存儲器。顯然，每部分出現(xiàn)的問題只局限在一個小范圍內(nèi)，有利于故障的發(fā)現(xiàn)和排除。動態(tài)調(diào)試借用開發(fā)系統(tǒng)資源(單片機、存儲器等)來調(diào)試用戶系統(tǒng)中單片機的外圍電路。利用開發(fā)系統(tǒng)友好的人機界面，可以有效地對用戶系統(tǒng)的各部分電路進行訪問、控制，從而發(fā)現(xiàn)故障。典型有效的訪問、控制各部分電路的方法是對電路進行循環(huán)讀或?qū)懖僮?時鐘等特殊電路除外，這些電路通常在系統(tǒng)加電后會正常運行，只要器件沒有問題，一般情況下為免調(diào)試電路)，使得電路中主要測試點的狀態(tài)能夠用常規(guī)檢測儀器(示波器、萬用表等)測試，依次檢測被調(diào)試電路是否按預(yù)期的狀態(tài)工作。

2.軟件調(diào)試

軟件調(diào)試是檢測應(yīng)用程序是否達到設(shè)計要求，能否正確完成系統(tǒng)功能的過程，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的過程。軟件調(diào)試一般采用先獨立后聯(lián)機、先分塊后組合、先單步后連續(xù)的調(diào)試方法。

1)先獨立后聯(lián)機

從宏觀來說，單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件與硬件是密切相關(guān)、相輔相成的。軟件是硬件的靈魂，沒有軟件，系統(tǒng)將無法工作；同時，軟件的運行又依賴于硬件，沒有硬件支持，軟件的功能便蕩然無存。因此，將兩者完全孤立開來是不可能的。然而，并非所有用戶程序都依賴于硬件，當(dāng)軟件對被測試參數(shù)進行加工處理或作某種事務(wù)處理時，往往與硬件無關(guān)。這樣，就可以通過分析用戶程序，把與硬件無關(guān)的功能相對獨立的程序段提取出來，形成與硬件無關(guān)和依賴于硬件的兩大類用戶程序塊。這一劃分工作在軟件設(shè)計時就應(yīng)充分考慮。