第8章應用系統(tǒng)設計和應用實例

第8章應用系統(tǒng)設計

和應用實例主要內(nèi)容：8.1應用系統(tǒng)設計的原則和過程8.2單片機應用系統(tǒng)的抗干擾設計8.3實際應用案例重點、難點掌握應用系統(tǒng)設計的原則和過程掌握硬件設計的原則和方法掌握軟件設計的原則和方法了解應用系統(tǒng)抗干擾設計

所謂單片機應用系統(tǒng)，就是為達到某種應用目的而設計的，以單片機為核心的專用系統(tǒng)。一個完整的單片機應用系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)、前向通道、后向通道、人機交互通道和計算機相互通道組成。設計的原則和過程

確定任務

一個產(chǎn)品或項目提出之后，必須對具體用途、應用場合、工作環(huán)境等進行調(diào)研。要完成其任務，首先要確定任務目標，主要是對項目進行可行性分析，即對所研制任務的功能和技術(shù)指標詳細分析、研究，明確功能的要求；然后對技術(shù)指標進行一些調(diào)查、分析和研究；最后對產(chǎn)品項目的先進性、可靠性、可行性以及性價比進行綜合考慮；同時還要對國內(nèi)外同類產(chǎn)品或項目的應用和開發(fā)情況予以了解。設計的原則和過程總體設計

從總體上來看，設計任務可分為硬件設計和軟件設計，這兩者互相結(jié)合，不可分離。從時間上來看，硬件設計的絕大部分工作量是在最初階段，到后期往往還要作一些修改。只要技術(shù)準備充分，硬件設計的大返工是較少的。軟件設計的任務貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設計任務。隨著集成電路技術(shù)的飛躍發(fā)展，各種功能很強的芯片不斷出現(xiàn)，與軟件相關(guān)的硬件電路的設計就變得越來越簡單，在整個項目中占的比重逐漸減輕。設計的原則和過程硬件設計

硬件設計就是在總體方案的指導下，對構(gòu)成單片機片機應用系統(tǒng)的所有功能部分進行詳細、具體的電路設計，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設計出系統(tǒng)的電路原理圖，必要時做一些部件實驗，以驗證電路的正確性，工藝結(jié)構(gòu)的設計加工、印制電路板的制作及樣機的組裝等。盡可能采用功能強的芯片留有余地“以軟代硬”總線概念輸入通道和輸出通道監(jiān)測電路的設計工藝設計設計的原則和過程軟件設計

單片機應用系統(tǒng)是一個整體，當系統(tǒng)的硬件電路設計定型后，軟件的任務也就明確了。單片機系統(tǒng)應用軟件的設計應注意以下幾個方面：（1）根據(jù)軟件功能要求，將軟件分成若干個相對獨立的部分，設計出合理的軟件總體結(jié)構(gòu)，使其清晰、簡潔、流程合理。（2）功能程序?qū)嵭心K化、子程序化，既便于調(diào)試、連接，又便于移植和修改。（3）對于復雜的模塊和系統(tǒng)，應繪制出程序流程圖，多花一些時間來設計程序流程圖，有時可以節(jié)約幾倍源程序編寫、調(diào)試時間。（4）注意在程序的有關(guān)位置處寫上功能注釋，提高程序的可讀性。設計的原則和過程軟件任務分析結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型的規(guī)劃資源分配模塊化設計中斷設計設計的原則和過程調(diào)試

調(diào)試是一個非常復雜的過程，一般情況下需要借助開發(fā)工具。通過運行軟件，來觀察開發(fā)的單片機應用系統(tǒng)（目標板）是否符合設計要求。在確保硬件電路設計正確的前提下，調(diào)試過程是一個軟件反復修改的過程。設計的原則和過程程序固化和運行

軟件和硬件聯(lián)機調(diào)試反復運行正常后，借助開發(fā)系統(tǒng)的編程器，將程序固化到單片機應用系統(tǒng)的程序存儲器EPROM或E2PROM。應用程序尚未調(diào)試好時可借用開發(fā)系統(tǒng)的存儲器，當單片機應用系統(tǒng)程序調(diào)試完成以后，都要把它寫入EPROM或E2PROM中，這個過程稱為固化。固化完成后，用戶系統(tǒng)即可脫離開發(fā)系統(tǒng)獨立工作，應用系統(tǒng)還要到現(xiàn)場投入實際工作，檢驗其可靠性和抗干擾能力，直到完全滿足要求。設計的原則和過程干擾的形式

工業(yè)環(huán)境中的干擾一般以脈沖形式進入單片機系統(tǒng)，渠道主要有以下三條。（1）空間干擾（場干擾）：電磁信號通過空間輻射進入系統(tǒng)。（2）過程通道干擾：干擾通過與系統(tǒng)相連的前向通道、后向通道及與其他系統(tǒng)的相互通道進入。（3）供電系統(tǒng)干擾：電磁信號通過供電線路進入系統(tǒng)。?？垢蓴_設計硬件抗干擾措施

1．輸入/輸出通道干擾的抑制措施來源：模擬輸入/輸出通道、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路等措施：隔離和濾波技術(shù)器件：隔離變壓器、光電耦合器、繼電器及隔離放大器等抗干擾設計光電藕合器由一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管封裝在一起構(gòu)成。光電藕合器既可以完成信號的傳遞，又實現(xiàn)了信號電路與接收電路之間的電氣隔離，切斷了噪聲從一個電路進入另一個電路的通路。硬件濾波電路常采用RC低通濾波器，將它接在一些低頻信號的傳送電路中，可大大削弱各類高頻干擾信號。硬件抗干擾措施

2．供電系統(tǒng)干擾的抑制措施來源：電源系統(tǒng)措施：對交流電源進行濾波和屏蔽配置去耦電容采用高質(zhì)量的開關(guān)穩(wěn)壓電源抗干擾設計在220V進線處，設置一個低通濾波器，它對50Hz的市電影響很小，但對頻率較高的干擾波具有很強的抑制力。低通濾披器可以吸收大部分電網(wǎng)中的“毛刺”。去耦電容應直接跨接在芯片的源和地之間，數(shù)字電路每一個主要芯片應配置一個去耦電容，以便隨時充放電。去耦電容一般選用1000pF～0.01F的磁片電容。硬件抗干擾措施

3．電磁場干擾的抑制措施來源：空間干擾措施：屏蔽、接地、降頻抗干擾設計用金屬外殼將整機或部分元器件包圍起來，再將金屬外殼接地，就能起到屏蔽的作用。印制電路板中的地線應接成網(wǎng)狀，在低頻的情況下，地線不要形成回路，特別是環(huán)繞外周的環(huán)路；在高頻情況下，印制電路板多采用大面積地線直接與機殼相連，以形成多點接地方式。硬件抗干擾措施

4．模擬地和數(shù)字地的分離抗干擾設計在電路板設計時，接地線最好應根據(jù)電路通路逐漸加寬，并且不要小于3mm，強信號地線和弱信號地線要分開。為避免模擬信號與數(shù)字信號間的相互串擾，在模擬、數(shù)字混合的單片機系統(tǒng)中，將模擬部分和數(shù)字部分的地信號分離為模擬地和數(shù)字地，模擬和數(shù)字部分各自構(gòu)成獨立回路，與此同時，模擬地和數(shù)字地通過一點接地，這樣，既可以保證模擬和數(shù)字部分具有相同的地電位參考平面，又使得地線電流不會流到其他功能單元的回路中，避免各個單元的相互干擾。硬件抗干擾措施

5．采用硬件“看門狗”電路抗干擾設計工作原理是系統(tǒng)在運行過程中，每隔一段固定的時間給“看門狗”一個信號表示系統(tǒng)運行正常。如果超過這一時間沒有給出信號，則表示系統(tǒng)失靈。為防止掉電、飛程序、死機等系統(tǒng)完全失靈的情況給系統(tǒng)造成重大損失，并讓系統(tǒng)能夠自動恢復正常運行，必須對系統(tǒng)運行進行監(jiān)控。完成系統(tǒng)運行監(jiān)控功能的電路稱為“看門狗”電路。硬件抗干擾措施

5．采用硬件“看門狗”電路抗干擾設計軟件抗干擾措施

1．數(shù)據(jù)采集的可靠性抗干擾設計對于模擬量的輸入可以對一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計算其平均值，以其平均值作為采樣結(jié)果。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響。對于開關(guān)量的輸入，為了確保信息準確無誤，在不影響實時性的前提下，可采取多次讀入的方法（至少讀兩次），認為無誤后（如兩次讀入結(jié)果相同）再行輸入。對于一些通過測試命令返回的測量結(jié)果，可以通過設置“時間窗”來減少干擾。軟件抗干擾措施

2．輸出通道的可靠性抗干擾設計由于單片機的I/O口很容易受到外部信號的干擾，輸出口的狀態(tài)也可能因此而改變。在程序中周期性地添加輸出端口刷新指令，可以降低干擾對輸出口狀態(tài)的影響。在條件控制中，對控制條件的一次采樣、處理、控制輸出，改為循環(huán)地采樣、處理、控制輸出。采取在應用程序中每隔一段時間（如幾個ms）發(fā)出一次輸出命令，不斷地開或關(guān)的措施來避免執(zhí)行錯誤。軟件抗干擾措施

3．開機自檢抗干擾設計檢測RAM。檢查RAM讀/寫是否正常，實際操作是向RAM單元寫“00H”，讀出也應為“00H”，再向其寫“FFH”，讀出也應為“FFH”。檢查其他外圍器件。單片機應用系統(tǒng)有許多外圍器件，有些需要進行自檢，比如顯示部分（液晶或數(shù)碼管）等。軟件抗干擾措施

4．

CPU抗干擾措施抗干擾設計干擾作用到單片機本身時（通過干擾三總線等），程序計數(shù)器PC的值可能被改變，因此會破壞程序的正常運行，被干擾后的PC值是隨機的，這將導致程序飛出，即程序偏離正常的執(zhí)行順序。PC值可能指向操作數(shù)，將操作數(shù)當作指令碼執(zhí)行，并由此順序執(zhí)行下去；PC值也可能超出應用程序區(qū)，將未使用的EPROM區(qū)中的隨機數(shù)當作指令碼執(zhí)行。這兩種情況都將使程序執(zhí)行一系列不受控的指令進入死循環(huán)，造成所謂“死機”。軟件抗干擾措施

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CPU抗干擾措施抗干擾設計（1）睡眠抗干擾CMOS型的MCS-51系列單片機具有睡眠狀態(tài)，此時只有定時/計數(shù)系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。這時CPU對系統(tǒng)三總線上出現(xiàn)的干擾不會做出任何反應，從而大大降低系統(tǒng)對干擾的敏感程度。采用這種安排之后，大多數(shù)CPU可以有50%以上的時間用于睡眠，從而使CPU受到隨機干擾的威脅大大降低，同時降低了CPU的功耗。軟件抗干擾措施

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CPU抗干擾措施抗干擾設計（2）指令冗余要盡快將程序納入正軌（執(zhí)行真正的指令系列），MCS-51系統(tǒng)中所有指令都不超過3字節(jié)，而且有很多單字節(jié)指令。當程序跑飛到某一條單字節(jié)指令上時，便自動納入正軌。當程序跑飛到某一雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯。因此，在關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)指令（NOP），或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復書寫，這便是指令冗余。在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證跑飛的程序迅速納入正確的控制軌道。此類指令有RET、RETI、LCALL、LJMP、JZ、CJNE等。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)至關(guān)重要的指令（如“SETBEA”等）前也可插入兩條NOP指令，以保證被正確執(zhí)行。軟件抗干擾措施

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CPU抗干擾措施抗干擾設計（3）軟件陷阱指令冗余使跑飛的程序重新回到用戶指令是有條件的，首先跑飛的程序必須落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到冗余指令。當跑飛的程序落到非程序區(qū)（如EPROM中未使用的空間、程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū)）或形成一個死循環(huán)時，需要采取的措施就是設立軟件陷阱。所謂軟件陷阱，就是一條引導指令，強行將捕獲的程序引向?qū)Τ绦虺鲥e進行處理的程序。如果把這段程序的入口標號稱為ERR，軟件陷阱即為一條“LJMPERR”指令。NOPNOPLJMPERR軟件抗干擾措施

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CPU抗干擾措施抗干擾設計軟件陷阱一般安排在下列區(qū)域中：①未使用的中斷向量區(qū)。當干擾使未使用的中斷開放，并激活這些中斷時，就會進一步引起混亂。如果在這些地方布上陷阱，就能及時捕捉到錯誤中斷。②未使用的大片ROM空間?，F(xiàn)在使用EPROM都很少將其全部用完。對于剩余的大片未編程的ROM空間，一般均維持原狀FFH。FFH對于指令系統(tǒng)，是一條單字節(jié)指令（MOVR7，A），只要每隔一段設置一個陷阱，程序跑飛到這一區(qū)域后，就一定能捕捉到跑飛的程序。軟件抗干擾措施

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CPU抗干擾措施抗干擾設計（4）軟件看門狗如果“跑飛”的程序落到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力，這時可采取WATCHDOG（俗稱“看門狗”）措施?！翱撮T狗”功能可以由專門的硬件電路來完成，也可以由軟件程序和定時器來實現(xiàn)。如果采用定時器方法，定時器的溢出中斷設定為高級中斷，系統(tǒng)中的其他中斷可設為低級中斷。定時器的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環(huán)的時間，而在主程序運行過程中執(zhí)行一次定時器時間常數(shù)刷新，當程序陷入死循環(huán)后，將不能刷新定時器時間常數(shù)而導致定時器中斷，定時器中斷可直接轉(zhuǎn)向出錯處理程序?qū)嶋H應用案例汽車駕駛操縱信號燈單片機控制系統(tǒng)汽車在駕駛時有左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、剎車、緊急開關(guān)、?？康炔僮鳌Ｔ谧筠D(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎時，通過轉(zhuǎn)彎操作桿應使左轉(zhuǎn)開關(guān)或右轉(zhuǎn)開關(guān)合上，從而使左頭燈、儀表板左轉(zhuǎn)彎燈、左尾燈或右頭燈、儀表板右轉(zhuǎn)彎燈、右尾燈閃爍；合緊急開關(guān)時要求前面述及的6個信號燈全都閃爍；汽車剎車時，2個尾燈點亮；若正當轉(zhuǎn)彎時剎車，則轉(zhuǎn)彎時原應閃爍的信號燈仍應閃爍。以上閃爍，都是頻率為1Hz的低頻閃爍，在汽車停靠而?？块_關(guān)合上時，左頭燈、右頭燈、左尾燈、右尾燈按頻率為30Hz的高頻閃爍。實際應用案例汽車駕駛操縱信號燈單片機控制系統(tǒng)駕駛操作輸出信號儀表板左轉(zhuǎn)彎燈儀表板右轉(zhuǎn)彎燈左頭燈右頭燈左尾燈右尾燈左轉(zhuǎn)彎（合上左轉(zhuǎn)開關(guān)）閃爍－閃爍－閃爍－右轉(zhuǎn)彎（合上右轉(zhuǎn)開關(guān)）－閃爍－閃爍－閃爍合緊急開關(guān)閃爍閃爍閃爍閃爍閃爍閃爍剎車（合上剎車開關(guān)）－－－－亮亮左轉(zhuǎn)彎時剎車閃爍－閃爍－閃爍亮右轉(zhuǎn)彎時剎車－閃爍－閃爍亮閃爍剎車，并合緊急開關(guān)閃爍閃爍閃爍閃爍亮亮左轉(zhuǎn)彎時剎車