微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)2012

0 單片機(jī)原理及應(yīng)用 機(jī)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(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 3、中斷、定時(shí)與串行通信 2、微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及編程 4、人機(jī)交互接口 5、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口 6、微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本講重點(diǎn)講述單片機(jī)系統(tǒng)的 實(shí)際開發(fā)制作過程 ，以及在實(shí)際開發(fā)過程中需要了解的相關(guān)知識(shí)，如集成 開發(fā)環(huán)境的建立 、 電路板的設(shè)計(jì)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(xiàng)目開發(fā)流程 1、項(xiàng)目開發(fā)概述 一個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目的開發(fā)，包括用戶需求分析、功能界定、總體方案設(shè)計(jì)、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(yùn)行等多個(gè)階段。 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)和主要功能部件，設(shè)計(jì)出合理的原理方案。 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(yùn)行環(huán)境、產(chǎn)品批量大小、產(chǎn)品運(yùn)行期間的維護(hù)等。 6 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 原理方案設(shè)計(jì) ： 確定單片機(jī)型號(hào)和幾個(gè)主要功能部件，其余常見的功能實(shí)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(yùn)行速度快慢的要求、對 I/O口數(shù)量及驅(qū)動(dòng)能力的需求、對單片機(jī)程序存儲(chǔ)容量大小的需求、對單片機(jī)擴(kuò)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 當(dāng)功能簡單、速度要求不高時(shí) ， 常見的單片機(jī)即可勝任，就盡可能選擇常見的單片機(jī)，如 AT89S51， AT89S52等型號(hào)的單片機(jī)； 若功能比較復(fù)雜、運(yùn)行速度較高 ，則要選擇一些集成度高，功能較強(qiáng)大、運(yùn)行速度快的單片機(jī)，例如 AVR、 C8051F及 MSP430等類型的單片機(jī)。 8 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī) I/O口分析 ： 包括 I/O口數(shù)量及驅(qū)動(dòng)能力分析。盡量選擇有足夠數(shù)量 I/O口的單片機(jī)，而無需進(jìn)行擴(kuò)展。 如果 I/O口具有較大的驅(qū)動(dòng)能力，就可以直接用 I/O口驅(qū)動(dòng)外部元件，如 AT89C2051的 I/O口可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光管。在設(shè)計(jì)中， I/O口不能用完，要留有余地以備將來系統(tǒng)功能擴(kuò)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(jī)存儲(chǔ)容量的選定 ： 現(xiàn)在的單片機(jī)，內(nèi)部大都有程序存儲(chǔ)器，所以主要是存儲(chǔ)空間的選擇問題。根據(jù)功能復(fù)雜程度，估計(jì)程序量的大小，選擇有足夠容量的單片機(jī)型號(hào)。 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 如果程序量小，可以選擇 AT89S51單片機(jī)， AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有 4K的程序存儲(chǔ)器；如果程序量大，可以選擇AT89S52單片機(jī)，內(nèi)部有 8K的程序存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的主要功能模塊， 也要盡量采用單片機(jī)的片內(nèi)功能塊實(shí)現(xiàn)。如定時(shí) /計(jì)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(jī)，而不用外部擴(kuò)展實(shí)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(hào)內(nèi)部集成了 USB功能部件等。 11 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 2）功耗分析 功耗分析 ： 主要考慮系統(tǒng)主要部件運(yùn)行時(shí)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(yùn)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(gè)必須認(rèn)真對待的問題。這時(shí)，所選擇的單片機(jī)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 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(jī)。如 AT89C2051只有 20個(gè)管腳，內(nèi)部有 2K Flash ROM， AT89C4051也是 20個(gè)管腳的單片機(jī)，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(jī)，以便有更多的 I/O口和功能資源。 13 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 4）運(yùn)行環(huán)境分析 運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)電磁干擾的環(huán)境，要求在設(shè)計(jì)之初就必須認(rèn)真設(shè)計(jì)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(jí)或軍品級(jí)元器件，確保器件在惡劣的工作環(huán)境能夠正常運(yùn)行。 14 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 商業(yè)級(jí)芯片的工作溫度范圍為 0 70 C， 工業(yè)級(jí)芯片的工作溫度范圍為 40 +85 C， 軍品級(jí)芯片的工作范圍為 55 +125 C。 工作范圍越寬價(jià)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shí)，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(shí)不用考慮這些因素。 16 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 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(jī)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(jì)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(shí)時(shí)性、可靠性，降低軟件復(fù)雜程度，也可以采用硬件實(shí)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(jì)階段需要完成以下工作： 17 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2確定機(jī)型及關(guān)鍵器件。 選擇機(jī)型要掌握幾個(gè)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(jià)格比高。其次該機(jī)型應(yīng)是應(yīng)用廣泛、成熟、市場供應(yīng)充足，在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)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(jī)型。 應(yīng)用系統(tǒng)除單片機(jī)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.2 硬件電路設(shè)計(jì) 1、 PCB設(shè)計(jì)的一般原則 PCB即印刷電路板， PCB設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮信號(hào)的完整性和抗干擾能力，對于高速信號(hào)尤為重要。在實(shí)際 PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候，通常都需要從布局和布線兩個(gè)角度來綜合考慮這些問題。 硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，逐一設(shè)計(jì)出每一個(gè)單元電路，最后組合起來，形成一個(gè)完整的硬件系統(tǒng)原理圖 。 19 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 1）布局 首先要考慮 PCB尺寸大小。 PCB尺寸過大時(shí)，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(jìn)行布局。 20 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 2）布線 21 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 3） PCB及抗干擾措施 在設(shè)計(jì)電源線的時(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2、準(zhǔn)備工作 首先依據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能和實(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)（以 51單片機(jī)為例）， 12MHz晶振一個(gè)， 30pF獨(dú)石電容兩個(gè)， 10F極性電容兩個(gè)， 0.1F電容一個(gè)， 10K電阻一個(gè)，普通小按鍵一個(gè)，單列排針，管座，萬能板等 （ 2）硬件準(zhǔn)備 25 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)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(shí)將單片機(jī)插在管座上鎖緊。這樣便于后續(xù)下載程序時(shí)隨時(shí)插拔單片機(jī)，也可以防止在焊接過程中燒壞單片機(jī)。 （ 1） 40腳管座的焊接 27 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 晶振和 30pF獨(dú)石電容不分正負(fù)極，焊接時(shí)要盡量靠近單片機(jī)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(jì)數(shù)，后者利于定時(shí)計(jì)算，視情況而定。 （ 2）晶振的連接 28 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 復(fù)位電路可分為上電復(fù)位和手動(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 按照電路圖，將每個(gè)管腳都焊接在電路板上，并將 4個(gè) 8位端口，分別連接到一個(gè) 8根的插針上，以便在將來使用時(shí)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jiān)持在焊接完之后，對焊接結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的檢查。 31 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 1）檢測方法 32 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對于兩個(gè)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(shí)應(yīng)該出現(xiàn)蜂鳴器有鳴叫聲，同時(shí)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(cuò)誤，需要重新焊接。 （ 2）斷路錯(cuò)誤的檢測 33 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 3）短路錯(cuò)誤的檢測 34 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.3 綜合調(diào)試 綜合排錯(cuò)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(xiàng)功能，最后調(diào)試按鍵功能。 35 第六講 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)制作完成， 第一次上電時(shí)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(shí)燒壞單片機(jī)和其它元件，在上電時(shí)，要一手操作上電按鈕，一手摸著單片機(jī)上表面，一旦感到單片機(jī)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(yùn)行，要首先檢查單片機(jī)電源是否正常。用萬用表測量單片機(jī)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)制作完成 ， 首先要保證最小系統(tǒng)工作 ，即單片機(jī)能夠啟振 。 如果有示波器 ， 用示波器檢測單片機(jī) 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(shí)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 當(dāng)手邊沒有示波器和硬件仿真器時(shí)，系統(tǒng)是否啟振無從判斷。各項(xiàng)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(cuò)誤所在。 調(diào)試顯示功能的方法是，從程序上暫時(shí)屏蔽掉其它功能，只留