電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)-單片機(jī)應(yīng)用

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用物電學(xué)院盧超2013年7月一、概述單片機(jī)屬于超大規(guī)模集成電路，單片機(jī)系統(tǒng)在時(shí)鐘脈沖作用下，按節(jié)拍順序執(zhí)行用戶編制的軟件程序，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能。顯然，由于有軟件的參與，利用單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，使用也很方便、靈活。其缺點(diǎn)是由于程序的執(zhí)行是按節(jié)拍進(jìn)行，隨著控制復(fù)雜性的增加，程序也將變得復(fù)雜，從而導(dǎo)致執(zhí)行時(shí)間增加，系統(tǒng)速度下降。因此，單片機(jī)只適合工作速度要求不高，但需要對(duì)信息作相對(duì)復(fù)雜處理的場(chǎng)合使用。另外，單片機(jī)的應(yīng)用還需要有相應(yīng)的軟件開發(fā)平臺(tái)支撐。單片機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，幾乎所有競(jìng)賽題的設(shè)計(jì)都會(huì)用到單片機(jī)系統(tǒng)；依據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中的作用和地位，有三種可能：二、單片機(jī)系統(tǒng)在競(jìng)賽題中應(yīng)用很多賽題以單片機(jī)系統(tǒng)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要功能由單片機(jī)系統(tǒng)完成，如：測(cè)量類的“簡(jiǎn)易邏輯分析儀”、“數(shù)字式工頻有效值多用表”等；數(shù)據(jù)采集類的“數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)”、“多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”等；控制類的“懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”、“簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車”等。電源類的“簡(jiǎn)易數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)”、“數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)”等。在這類賽題中，單片機(jī)系統(tǒng)完成的主要功能有：信號(hào)的采集、輸入控制；信號(hào)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析、判斷；信號(hào)的輸出控制；人機(jī)交互功能；多機(jī)通訊功能等。有些賽題需要單片機(jī)系統(tǒng)與專用芯片或可編程器件結(jié)合，完成設(shè)計(jì)要求，如：信號(hào)源類的“正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)”、“實(shí)用信號(hào)源設(shè)計(jì)”等；無(wú)線電類的“調(diào)頻收音機(jī)設(shè)計(jì)”、“單工無(wú)線呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等；測(cè)量類的“簡(jiǎn)易數(shù)字儲(chǔ)存示波器”、“簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)”等。電源類的“三相正弦波變頻電源設(shè)計(jì)”、“開關(guān)穩(wěn)壓電源”等。在這類賽題中，單片機(jī)系統(tǒng)完成的主要功能有：信號(hào)的輸入、輸出輔助控制；信號(hào)的存儲(chǔ)；人機(jī)交互功能；多機(jī)通訊功能等；信號(hào)的處理過(guò)程由專用芯片或可編程器件完成。還有少量的賽題單片機(jī)系統(tǒng)僅起一個(gè)輔助作用，主要功能由純硬件電路完成，如：放大器類的“測(cè)量放大器設(shè)計(jì)”、“實(shí)用低頻功率放大器設(shè)計(jì)”等。在這類賽題中，單片機(jī)系統(tǒng)完成的主要功能有：信號(hào)的輔助控制；人機(jī)交互功能；主要功能由純硬件電路完成。單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)軟、硬結(jié)合的系統(tǒng)，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)既有硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，也有軟件設(shè)計(jì)任務(wù)。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)之前，首先要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行軟、硬件劃分；單片機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件之間有密切的相互制約的聯(lián)系，硬件和軟件具有一定的互換性；由硬件來(lái)完成一些功能可以提高工作速度，減少軟件工作量；由軟件來(lái)完成某些功能，可降低硬件成本、簡(jiǎn)化電路，提高系統(tǒng)可靠性；可根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行速度、成本、可靠性和研制周期等要求來(lái)確定軟、硬件功能的劃分。三、單片機(jī)系統(tǒng)功能劃分根據(jù)運(yùn)行速度要求在絕大多數(shù)單片機(jī)系統(tǒng)中，劃分軟、硬件功能往往是由系統(tǒng)的運(yùn)行速度決定；例如，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率一般在6～12MHz左右，執(zhí)行一條指令至少需要1μs，而完成任何一項(xiàng)工作需要若干條指令，因此比數(shù)字邏輯電路(無(wú)論是組合電路還是時(shí)序電路)都慢得多；如果某一任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間要求少于10μs，就必須采用硬件電路實(shí)現(xiàn)。否則，如采用確能完成此項(xiàng)任務(wù)的高速單片機(jī)系統(tǒng)，則會(huì)造成浪費(fèi)。根據(jù)成本要求單片機(jī)系統(tǒng)研的制費(fèi)用包括硬件和軟件費(fèi)用，軟件的費(fèi)用不僅是設(shè)計(jì)師所花費(fèi)的腦力勞動(dòng)，還有各種調(diào)試工具、消耗品的費(fèi)用；軟件費(fèi)用的特點(diǎn)是研制費(fèi)用昂貴，復(fù)制費(fèi)用低廉；在批量生產(chǎn)的產(chǎn)品研制中，應(yīng)盡可能利用軟件代替硬件，降低成本；小批量或單件產(chǎn)品不宜采用軟件代替硬件辦法，這會(huì)增加軟件研制費(fèi)用；直接利用已成熟原理或軟件來(lái)替代硬件不受此限。根據(jù)可靠性要求硬件線路越復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性就越差；采用軟件替代硬件功能，是提高可靠性的一個(gè)好辦法；在一些特殊場(chǎng)合，如軍用及各種惡劣環(huán)境中，往往采用硬件冗余線路來(lái)提高系統(tǒng)可靠性。根據(jù)研制周期要求為了加快單片機(jī)系統(tǒng)的研制速度，應(yīng)盡量考慮采用各種標(biāo)準(zhǔn)軟硬件或利用已有成熟的軟硬件來(lái)完成系統(tǒng)的功能，而不必拘泥于前面所述細(xì)節(jié)。單片機(jī)系統(tǒng)組成單片機(jī)系統(tǒng)基本系統(tǒng)（信號(hào)處理）通道接口（信號(hào)傳輸）最小系統(tǒng)基本系統(tǒng)擴(kuò)展前向通道后向通道人機(jī)通道相互通道四、單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

C51系列單片機(jī)由8個(gè)部件組成：微處理器(ALU)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、程序存儲(chǔ)器(ROM/EPROM)、I/O口(P0～P3)、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器(SFR)。了解單片機(jī)的主要應(yīng)用特性片內(nèi)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)空間（內(nèi)部、外部）程序存儲(chǔ)器空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間I/O空間C51系列單片機(jī)有三維存儲(chǔ)空間：程序存儲(chǔ)器空間：使用MOVCA，@A＋DPTR等指令；內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間：使用MOVA，DIRECT等指令；外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O空間：使用MOVXA，@DPTR等指令。時(shí)序是指信號(hào)變化的先后關(guān)系和時(shí)間要求；在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，主要要解決的問(wèn)題就是接口的時(shí)序配合問(wèn)題；時(shí)序圖中給出的主要參數(shù)有：地址建立時(shí)間tSA，地址保持時(shí)間tHA，數(shù)據(jù)建立時(shí)間tSD，數(shù)據(jù)保持時(shí)間tHD，讀信號(hào)脈沖寬度tRD和寫信號(hào)脈沖寬度tWR等。外部存儲(chǔ)器讀寫時(shí)序掌握單片機(jī)系統(tǒng)接口技術(shù)當(dāng)單片機(jī)片內(nèi)集成的功能單元不能滿足應(yīng)用需要時(shí)就必須進(jìn)行基本系統(tǒng)擴(kuò)展；擴(kuò)展的內(nèi)容包括程序存儲(chǔ)器(ROM/EPROM)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)擴(kuò)展、輸入/輸出口(I/O口)擴(kuò)展、定時(shí)/計(jì)數(shù)器(T/C)擴(kuò)展、中斷系統(tǒng)擴(kuò)展及其他特殊功能擴(kuò)展；擴(kuò)展的方法是以接口電路為橋梁，連接CPU與外圍芯片或外部設(shè)備擴(kuò)展的途徑是通過(guò)單片機(jī)的并行總線、串行總線或I/O口進(jìn)行擴(kuò)展。概述接口的功能接口是CPU與外界連接的電路部分，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站；單片機(jī)外圍擴(kuò)展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，因此擴(kuò)展電路及擴(kuò)展方法都較為典型、規(guī)范；但也有一些外設(shè)不能直接與CPU相連，必須通過(guò)接口電路使CPU與外設(shè)之間達(dá)到最佳耦合與匹配；接口一般有如下功能：數(shù)據(jù)緩沖功能、設(shè)備選擇功能和信號(hào)轉(zhuǎn)換功能。信號(hào)鎖存與緩沖信號(hào)的鎖存與緩沖的目的是解決主機(jī)高速與外設(shè)低速的矛盾，避免因速度不一致而丟失數(shù)據(jù)。鎖存器的作用是把輸入信號(hào)鎖存起來(lái)，等待外設(shè)讀?。痪彌_器的作用是在需要時(shí)通過(guò)選通信號(hào)來(lái)讀取外設(shè)提供的信息；常用的鎖存器有74LS273，74LS373，74LS374，74LS377等，緩沖器有74LS240，74LS241，74LS244，74LS245，74LS367等。CPU鎖存器緩沖器外設(shè)DDDCLKEN地址譯碼單片機(jī)系統(tǒng)中通過(guò)并行總線擴(kuò)展的芯片有多種，同一種芯片也可能有多片，而CPU在同一時(shí)間里只能與某一芯片交換信息，這就要借助于接口中的地址譯碼電路對(duì)擴(kuò)展芯片進(jìn)行尋址，只有被選中的芯片或單元才能與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或通信譯碼電路直接確定了每個(gè)芯片在單片機(jī)訪問(wèn)時(shí)的唯一編號(hào)(接口地址)；單片機(jī)系統(tǒng)常用譯碼方式有三種：直接譯碼、譯碼器譯碼和完全地址譯碼。是指不采用專門的譯碼電路，直接利用單片機(jī)地址總線的高位輸出作片選信號(hào)的地址譯碼方式；直接譯碼電路的連接較為簡(jiǎn)單，但許多地址空間因可能使兩片以上外設(shè)同時(shí)被選中而不能使用，存儲(chǔ)空間浪費(fèi)嚴(yán)重；一般用在需要譯碼信號(hào)不多的場(chǎng)合。直接譯碼8KRAM(1)CS8KRAM(2)CS8KRAM(3)CSA12～A0A15A14A13是指利用譯碼器進(jìn)行地址譯碼的方式；例如A15～A13經(jīng)3/8譯碼器譯碼，可產(chǎn)生8個(gè)地址連續(xù)的片選信號(hào)。當(dāng)需要更多的片選信號(hào)時(shí)，可采用級(jí)聯(lián)擴(kuò)展技術(shù)；譯碼器譯碼可獲得幾個(gè)地址連續(xù)、大小一樣的片選信號(hào)；級(jí)聯(lián)擴(kuò)展譯碼則可產(chǎn)生更多片選信號(hào)，各級(jí)之間片選信號(hào)對(duì)應(yīng)地址范圍大小不同。譯碼器譯碼A15A14A13CS0CS7CY0BA3/8譯碼器(1)ENY7

CY0BA3/8譯碼器(2)ENY7

A12A11A10CS5CS8CS15由于擴(kuò)展芯片所能提供的狀態(tài)信號(hào)和它所需要的控制信號(hào)往往與單片機(jī)的總線信號(hào)不兼容，所以信號(hào)轉(zhuǎn)換不可避免；信號(hào)轉(zhuǎn)換包括CPU信號(hào)與外設(shè)信號(hào)的邏輯關(guān)系上、時(shí)序配合上、以及電平匹配上的轉(zhuǎn)換；信號(hào)的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)轉(zhuǎn)換單片機(jī)最小系統(tǒng)是指能使系統(tǒng)運(yùn)行的最小配置電路；大多數(shù)單片機(jī)芯片內(nèi)部都缺乏晶振電路和復(fù)位電路，因此，最小系統(tǒng)的組成中一般都包含晶振和復(fù)位電路；最小系統(tǒng)組成單片機(jī)基本系統(tǒng)擴(kuò)展在單片機(jī)系統(tǒng)中，常用的擴(kuò)展芯片主要有程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O口，以及其他專用功能芯片如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷控制器、通信控制器等。典型單片機(jī)基本系統(tǒng)擴(kuò)展如圖所示。該系統(tǒng)中除了包括必需的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路以外，還擴(kuò)充了一片2764作為外部程序存儲(chǔ)器，一片6264作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，一片2864作為掉電保持的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及用74LS245和74LS273擴(kuò)展的簡(jiǎn)單I/O口。89C516264CE8255CS8155IO/MCECE8253CS0832P2.5P2.6P2.7P2.0ABCG2AG2BG1Y0Y1Y2Y3Y4+5V138外圍器件地址選擇線（A15~A0）片內(nèi)地址單元數(shù)地址編碼6264000A

AAAAAAAAAAAA8K0000~1FFFH8255

00111111111111AA43FFC~3FFFH

8155RAM

01011110AAAAAAAA2565E00~5EFFH8155I/O

0101111111111AAA65FF8~5FFDH0832

011111111111111117FFFH8253

10011111111111AA49FFC~9FFFH譯碼法譯碼地址單片機(jī)系統(tǒng)通道設(shè)計(jì)前向通道是被測(cè)對(duì)象信號(hào)輸出到單片機(jī)CPU信號(hào)輸入的通道，其結(jié)構(gòu)形式取決于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境和輸出信號(hào)的類型、數(shù)量、大小等；對(duì)于模擬量信號(hào)，應(yīng)將小信號(hào)放大到能滿足A/D轉(zhuǎn)換、V/F轉(zhuǎn)換要求的輸入電壓；對(duì)于頻率信號(hào)和開關(guān)信號(hào)，能滿足TTL電平要求時(shí)可直接接入單片機(jī)的I/O口、擴(kuò)展I/O口或中斷入口，否則也應(yīng)通過(guò)放大、整形變換成TTL電平的方波信號(hào)后再送入單片機(jī)系統(tǒng)。前向通道設(shè)計(jì)ADC0809與單片機(jī)的接口對(duì)于頻率量和開關(guān)量單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的輸入口線，例如用單片機(jī)芯片提供的I/O口，或通過(guò)緩沖器74LS245、可編程I/O擴(kuò)展芯片8255、8155等提供擴(kuò)展I/O口。對(duì)于模擬量一般考慮用A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，可以準(zhǔn)備普通A/D（如ADC0809、ADC0804等），高精度A/D（如AD574、MAX144等），或高速A/D（如AD9224、TLC5510等）。后向通道設(shè)計(jì)后向通道是單片機(jī)實(shí)施控制運(yùn)算處理后，對(duì)控制對(duì)象的輸出通道接口；單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)形態(tài)主要有開關(guān)量、二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量，可直接用于開關(guān)量、數(shù)字控制系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)；對(duì)于模擬量控制系統(tǒng)，應(yīng)通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出模擬量控制信號(hào)。開關(guān)量、二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的輸出口線，例如用單片機(jī)芯片提供的I/O口，或通過(guò)鎖存器74LS273、可編程I/O擴(kuò)展芯片8255、8155等提供擴(kuò)展I/O口。對(duì)于模擬量一般考慮用D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換；根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，可以準(zhǔn)備普通D/A（如ADC0832等），高精度D/A（如MAX539等），或高速D/A（如TLC7528等）。一、DAC0832與80C51單片機(jī)的接口1.單緩沖工作方式兩個(gè)8位數(shù)據(jù)寄存器中有一個(gè)處于直通方式(數(shù)據(jù)接收狀態(tài))，而另一個(gè)則受微機(jī)送來(lái)的控制信號(hào)控制。2.雙緩沖工作方式多路D/A轉(zhuǎn)換輸出，如果要求同步進(jìn)行，就應(yīng)該采用雙緩沖器同步方式。單片機(jī)必須送兩次寫信號(hào)才能完成一次D／A轉(zhuǎn)換。兩路D/A同步輸出的程序：MOV

DPTR，#0DFFFHMOVA，#data1MOVX@DPTR，AMOVDPTR，#0BFFFHMOVA，#data2MOVX@DPTR，AMOVDPTR，#7FFFHMOVX@DPTR，A1.單極性輸出二、DAC0832的輸出方式2.雙極性輸出雙極性輸出時(shí)的分辨率比單極性輸出時(shí)降低1/2，這是由于對(duì)雙極性輸出而言，最高位作為符號(hào)位，只有7位數(shù)值位。人機(jī)通道設(shè)計(jì)人機(jī)通道有人機(jī)對(duì)話功能，它包括人對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)、數(shù)據(jù)輸入以及應(yīng)用系統(tǒng)向人報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行結(jié)果；人機(jī)通道中最常用的輸入設(shè)備是按鍵和鍵盤，撥碼盤是對(duì)系統(tǒng)置入數(shù)據(jù)的一種比較廉價(jià)、可靠的方法；人機(jī)通道中最常用的輸出設(shè)備有各種報(bào)警指示燈、LED/LCD顯示器以及打印機(jī)等。鍵盤與LED數(shù)碼管顯示LCD液晶顯示組件相互通道設(shè)計(jì)相互通道是指單片機(jī)系統(tǒng)之間或單片機(jī)與微型機(jī)、微處理器實(shí)現(xiàn)通信的通道接口；在較大規(guī)模系統(tǒng)中不可避免地要采用多機(jī)形式，而單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上已為實(shí)現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)提供了很好條件。多機(jī)系統(tǒng)有兩種典型的結(jié)構(gòu)形式：主從分布式和串行總線式；主從分布式結(jié)構(gòu)是目前單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成較大規(guī)模測(cè)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)；串行總線形式結(jié)構(gòu)中的每個(gè)單片機(jī)或CPU都聯(lián)在一個(gè)串行總線上，各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)先、主從關(guān)系由多機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件決定。結(jié)構(gòu)形式競(jìng)賽用單片機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)硬件由學(xué)生自己設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試；可用于簡(jiǎn)單的控制類競(jìng)賽題，如：“簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車”，或僅需要單片機(jī)做輔助功能的放大器類競(jìng)賽題，如“測(cè)量放大器設(shè)計(jì)”等。最小系統(tǒng)89C51最小系統(tǒng)獨(dú)立式按鍵字符型LCD顯示輸入口輸出口系統(tǒng)硬件可購(gòu)買成品，也可由教師設(shè)計(jì)，由學(xué)生自己組裝、調(diào)試，并掌握其用法；可用于一般競(jìng)賽題中，如：測(cè)量類、數(shù)據(jù)采集類、控制類、電源類等。通用系統(tǒng)89C51行列式鍵盤LED數(shù)碼管顯示圖形LCD顯示接口開關(guān)量輸入口鍵盤與LED顯示接口A/D轉(zhuǎn)換器程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器開關(guān)量輸出口D/A轉(zhuǎn)換器串行通信接口I/O擴(kuò)展接口圖形LCD顯示組件概述五、單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)除了必須注意硬件電路的正確設(shè)計(jì)與連接外，更重要的工作是系統(tǒng)軟件開發(fā)。在性能指標(biāo)允許的條件下，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者往往采用最簡(jiǎn)單的硬件線路加上巧妙的軟件處理