微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.ppt

0,機械類專業(yè)必修課,2012年12月,1,教學(xué)內(nèi)容,0、課程準(zhǔn)備,1、微型計算機基礎(chǔ),3、中斷、定時與串行通信,2、微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及編程,4、人機交互接口,5、信號轉(zhuǎn)換接口,6、微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,2,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,本講重點講述單片機系統(tǒng)的實際開發(fā)制作過程，以及在實際開發(fā)過程中需要了解的相關(guān)知識，如集成開發(fā)環(huán)境的建立、電路板的設(shè)計與焊接、程序的燒寫下載、硬件與軟件的綜合調(diào)試技巧等。,3,6.1 項目開發(fā)流程,1、項目開發(fā)概述 一個實際工程項目的開發(fā)，包括用戶需求分析、功能界定、總體方案設(shè)計、繪制原理圖及電路板制作、軟件編制和調(diào)試、程序下載、軟硬件綜合調(diào)試、現(xiàn)場環(huán)境試運行等多個階段。,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,4,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,5,2、需求與系統(tǒng)功能分析,需求分析：指在具體原理方案確定之前，充分分析客戶對產(chǎn)品性能的需求，以期在原理方案制定階段，選擇恰當(dāng)?shù)膯纹瑱C和主要功能部件，設(shè)計出合理的原理方案。,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,產(chǎn)品性能分析：包括功能要求、技術(shù)指標(biāo)要求、功耗要求、產(chǎn)品體積要求、運行環(huán)境、產(chǎn)品批量大小、產(chǎn)品運行期間的維護等。,6,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,原理方案設(shè)計：確定單片機型號和幾個主要功能部件，其余常見的功能實現(xiàn)，可以有較大靈活性。,對系統(tǒng)功能和主要技術(shù)指標(biāo)分析：了解系統(tǒng)功能復(fù)雜度、了解對系統(tǒng)運行速度快慢的要求、對i/o口數(shù)量及驅(qū)動能力的需求、對單片機程序存儲容量大小的需求、對單片機擴展的要求等。,（1）主要功能和技術(shù)指標(biāo)分析,7,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,當(dāng)功能簡單、速度要求不高時，常見的單片機即可勝任，就盡可能選擇常見的單片機，如at89s51，at89s52等型號的單片機；若功能比較復(fù)雜、運行速度較高，則要選擇一些集成度高，功能較強大、運行速度快的單片機，例如avr、c8051f及msp430等類型的單片機。,8,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,單片機i/o口分析： 包括i/o口數(shù)量及驅(qū)動能力分析。盡量選擇有足夠數(shù)量i/o口的單片機，而無需進行擴展。,如果i/o口具有較大的驅(qū)動能力，就可以直接用i/o口驅(qū)動外部元件，如at89c2051的i/o口可直接驅(qū)動發(fā)光管。在設(shè)計中，i/o口不能用完，要留有余地以備將來系統(tǒng)功能擴展之用。尤其是p0口，最好不要用作i/o口而是留作總線用。,9,單片機存儲容量的選定： 現(xiàn)在的單片機，內(nèi)部大都有程序存儲器，所以主要是存儲空間的選擇問題。根據(jù)功能復(fù)雜程度，估計程序量的大小，選擇有足夠容量的單片機型號。,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,如果程序量小，可以選擇at89s51單片機，at89s51單片機內(nèi)部有4k的程序存儲器；如果程序量大，可以選擇at89s52單片機，內(nèi)部有8k的程序存儲器；如果程序量再大，則可以選用at89s8253，其內(nèi)部有12k flash rom。,10,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)的主要功能模塊，也要盡量采用單片機的片內(nèi)功能塊實現(xiàn)。如定時/計數(shù)器、a/d轉(zhuǎn)換器、d/a轉(zhuǎn)換器、can總線通信模塊、串行通信模塊、spi串行總線、i2c總線、usb功能、mp3功能、pwm功能、看門狗功能等等，都可以通過選擇合適的單片機，而不用外部擴展實現(xiàn)。,例如at89c51ac2、at89c5115內(nèi)部有10位的a/d轉(zhuǎn)換器，at89c51cc01/02/03內(nèi)部帶有can總線，還具有大容量 flash rom，at83c5134/35/36等型號內(nèi)部集成了usb功能部件等。,11,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,（2）功耗分析,功耗分析： 主要考慮系統(tǒng)主要部件運行時對用電的要求。當(dāng)系統(tǒng)是固定設(shè)備，在有電源的場合運行，則功耗要求不是很重要，但也要盡量選擇節(jié)能、有睡眠功能、耗電少的元器件。當(dāng)系統(tǒng)是便攜式設(shè)備，在野外工作依靠電池供電，則系統(tǒng)的功耗就是一個必須認(rèn)真對待的問題。這時，所選擇的單片機及主要元器件，就必須使用特別省電的元器件，且具有睡眠功能。,12,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,（3）系統(tǒng)安裝空間分析,安裝空間小，要求系統(tǒng)體積小，可以選擇貼片元件或少管腳單片機。如at89c2051只有20個管腳，內(nèi)部有2k flash rom，at89c4051也是20個管腳的單片機，內(nèi)部有4k flash rom。如果有足夠的安裝空間，則可以選擇管腳更多的單片機，以便有更多的i/o口和功能資源。,13,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,（4）運行環(huán)境分析,運行環(huán)境分析 主要考慮系統(tǒng)工作的具體環(huán)境條件，包括是否有強電磁干擾，是否處于寒冷的室外環(huán)境，或工作于高溫環(huán)境。有強電磁干擾的環(huán)境，要求在設(shè)計之初就必須認(rèn)真設(shè)計系統(tǒng)的抗干擾措施，系統(tǒng)工作于過冷或過熱環(huán)境，就必須選擇工作溫度范圍寬的工業(yè)級或軍品級元器件，確保器件在惡劣的工作環(huán)境能夠正常運行。,14,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,商業(yè)級芯片的工作溫度范圍為070c， 工業(yè)級芯片的工作溫度范圍為40+85c， 軍品級芯片的工作范圍為55+125c。,工作范圍越寬價格越高，可以根據(jù)具體的工作環(huán)境選用不同工作范圍的芯片。如果系統(tǒng)是大屏幕顯示，則要區(qū)分是室內(nèi)屏還是室外屏。對于室外屏，要充分考慮陽光的照射，可能在室內(nèi)很亮的屏幕，在室外陽光的照射下只有較低的亮度。,15,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,在滿足性能指標(biāo)、功耗、及環(huán)境條件等要求的前提下，如果有多種元器件可供選擇，還要考慮自身對哪種器件更熟悉，哪種器件容易開發(fā)。當(dāng)器件開發(fā)需要專用開發(fā)設(shè)備時，還要有相應(yīng)的開發(fā)設(shè)備。在學(xué)習(xí)階段，我們的主要目的是掌握基本原理和基本開發(fā)流程，可以暫時不用考慮這些因素。,16,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,3、系統(tǒng)總體設(shè)計,1劃分硬件和軟件任務(wù)，繪制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。 單片機應(yīng)用系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，而硬件和軟件的設(shè)計是緊密相關(guān)的。為了降低成本，簡化硬件結(jié)構(gòu)，能由軟件完成的工作盡量用軟件完成；若為了提高系統(tǒng)的實時性、可靠性，降低軟件復(fù)雜程度，也可以采用硬件實現(xiàn)。 根據(jù)對軟件和硬件任務(wù)的劃分，可以畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，包括硬件框圖和軟件結(jié)構(gòu)框圖。,在總體設(shè)計階段需要完成以下工作：,17,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,2確定機型及關(guān)鍵器件。 選擇機型要掌握幾個原則：首先是能夠滿足應(yīng)用系統(tǒng)的工作要求，并且性能價格比高。其次該機型應(yīng)是應(yīng)用廣泛、成熟、市場供應(yīng)充足，在一定時間內(nèi)不會停產(chǎn)的產(chǎn)品。第三為提高效率、縮短開發(fā)周期，最好使用自己熟悉的機型。 應(yīng)用系統(tǒng)除單片機外，通常還有傳感器，a/d、d/a轉(zhuǎn)換器、放大器等關(guān)鍵器件 這些器件的選擇應(yīng)滿足系統(tǒng)精度、速度和功率等方面的要求。,18,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,6.2 硬件電路設(shè)計,1、pcb設(shè)計的一般原則 pcb即印刷電路板，pcb設(shè)計時主要考慮信號的完整性和抗干擾能力，對于高速信號尤為重要。在實際pcb設(shè)計的時候，通常都需要從布局和布線兩個角度來綜合考慮這些問題。,硬件設(shè)計的主要任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，逐一設(shè)計出每一個單元電路，最后組合起來，形成一個完整的硬件系統(tǒng)原理圖。,19,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,（1）布局,首先要考慮pcb尺寸大小。pcb尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，過小則散熱性能不好。在確定pcb尺寸后，再確定特殊元件的位置布局。最后根據(jù)電路的功能單元，對電路全部元器件進行布局。,20,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,（2）布線,21,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,（3）pcb及抗干擾措施,在設(shè)計電源線的時候，要根據(jù)線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)線的走向一致。 地線設(shè)計要把數(shù)字地和模擬地分開，使用合適的去耦電容，,22,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,2、準(zhǔn)備工作,首先依據(jù)需要實現(xiàn)的功能和實現(xiàn)方案繪制原理圖。在不需要制板的情況下，可以把詳細(xì)的電路圖先畫在紙上，依據(jù)電路圖用萬用板焊接。如果需要印刷制板，就要用到專用的電路設(shè)計工具軟件，例如：orcad、protel99 se、protel dxp、altium等軟件。,（1）畫原理圖,23,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,24,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計, 主要工具有：數(shù)字萬用表、電烙鐵、焊錫、松香、導(dǎo)線等。 輔助工具有：剪刀，鑷子，吸錫器等。 最小系統(tǒng)元器件準(zhǔn)備：at89s51單片機（以51單片機為例），12mhz晶振一個，30pf獨石電容兩個，10f極性電容兩個，0.1f電容一個，10k電阻一個，普通小按鍵一個，單列排針，管座，萬能板等,（2）硬件準(zhǔn)備,25,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,26,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,3、最小系統(tǒng)硬件電路焊接,首先焊接40腳管座，把帶鎖緊機構(gòu)的管座放到萬用板的中間位置，在附銅面焊接即可，使用時將單片機插在管座上鎖緊。這樣便于后續(xù)下載程序時隨時插拔單片機，也可以防止在焊接過程中燒壞單片機。,（1）40腳管座的焊接,27,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,晶振和30pf獨石電容不分正負(fù)極，焊接時要盡量靠近單片機的18、19管腳，以減少干擾。晶振一般用11.0592mhz或12mhz，前者在通信中經(jīng)常使用利于波特率的計數(shù)，后者利于定時計算，視情況而定。,（2）晶振的連接,28,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,復(fù)位電路可分為上電復(fù)位和手動復(fù)位。10f電容和10k電阻組合用來產(chǎn)生上電復(fù)位，跨接在電容兩端的小按鍵用于手動復(fù)位。,（3）復(fù)位電路的連接,（4）電源管腳的焊接,29,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,按照電路圖，將每個管腳都焊接在電路板上，并將4個8位端口，分別連接到一個8根的插針上，以便在將來使用時用排線引出來。焊接好的最小系統(tǒng)如圖所示。,（5）其余管腳的焊接,30,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,4、電路板焊接效果檢查,按照原理圖將電路板焊接完畢，還要對電路板作認(rèn)真的檢查，確保相互之間該連接的管腳電氣上一定相連，不該連接的管腳之間完全斷開。電路板的檢查是硬件焊接的基本功，在今后的所有電路板制作中，都要堅持在焊接完之后，對焊接結(jié)果進行詳細(xì)的檢查。,31,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,（1）檢測方法,32,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,對于兩個焊接在一起或通過導(dǎo)線相連的管腳，檢查的目的是發(fā)現(xiàn)虛焊或漏焊。檢測時應(yīng)該出現(xiàn)蜂鳴器有鳴叫聲，同時顯示兩管腳之間電阻值為0或接近于0的結(jié)果。否則表明兩管腳之間有斷路錯誤，需要重新焊接。,（2）斷路錯誤的檢測,33,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,（3）短路錯誤的檢測,34,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,6.3 綜合調(diào)試,綜合排錯的順序是，首先保證電源正常，其次是最小系統(tǒng)能夠正常工作，第三是調(diào)試顯示部分，在調(diào)試其它復(fù)雜功能之前，保證顯示器能夠正常顯示信息，依次是調(diào)試其它各項功能，最后調(diào)試按鍵功能。,35,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)制作完成，第一次上電時要特別小心。在上電前，要再次檢查板路上電源焊接是否有短路。為防止電源有短路在上電時燒壞單片機和其它元件，在上電時，要一手操作上電按鈕，一手摸著單片機上表面，一旦感到單片機發(fā)熱燙手，說明有短路就趕快斷電。如果有短路現(xiàn)象，需要認(rèn)真排除。 正常上電后，如果系統(tǒng)沒有正常運行，要首先檢查單片機電源是否正常。用萬用表測量單片機的電源（40）和地（20）引腳，正常的電壓為5v左右。如果沒有電壓，或電壓過大過小，要認(rèn)真檢查電源電路和電源本身。,（1）上電檢查,36,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)制作完成，首先要保證最小系統(tǒng)工作，即單片機能夠啟振。如果有示波器，用示波器檢測單片機ale（30）管腳，如果有均勻的脈沖，表明系統(tǒng)已經(jīng)啟振，否則，需要認(rèn)真檢查復(fù)位電路和時鐘電路。如果手邊沒有示波器，可以采用下面的方法判斷。,（2）起振檢查,37,第六講 微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,當(dāng)手邊沒有示波器和硬件仿真器時，系統(tǒng)是否啟振無從判斷。各項功能中，要首先調(diào)試顯示功能，使之工作正常。借助特定的顯示內(nèi)容，判斷其它功能錯誤所在。 調(diào)試顯示功能的方法是，從程序上暫時屏蔽掉其它功能，只留下最簡單的顯示