《微型計算機(jī)原理與接口技術(shù)》課件第13章

13.1微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程和內(nèi)容

微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)屬于工程設(shè)計范疇，可按照工程化思想的指導(dǎo)，進(jìn)行整體到局部、規(guī)劃到設(shè)計再到修正、調(diào)試、集成、試運(yùn)行、交付等設(shè)計工程。對于具體的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，一般包括系統(tǒng)的總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試等幾個階段，而這幾個開發(fā)階段并非完全獨立、各自進(jìn)行的。在總體設(shè)計進(jìn)行硬件和軟件功能劃分后，可以把硬件設(shè)計和軟件設(shè)計分開同時進(jìn)行，但要根據(jù)開發(fā)過程的需要不斷協(xié)調(diào)一致，有時甚至需交叉進(jìn)行。

硬件設(shè)計完成后將制造出樣機(jī)。樣機(jī)可以做在試驗板上，也可以加工成PCB的形式。由于微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)一般都較為復(fù)雜，總線數(shù)量龐大，因此單元電路可以采用試驗板的形式焊接和調(diào)試，而整個微機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)的主板一般都采用PCB上加裝集成電路插座的方式構(gòu)成。當(dāng)硬件電路完成后，可進(jìn)行模塊調(diào)試和整體聯(lián)調(diào)，最后進(jìn)行性能評價，即檢查其功能和性能是否滿足系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)的需要。這時可能需要返回修改整個設(shè)計，重新進(jìn)行硬件和軟件功能的劃分。如果只有少數(shù)指標(biāo)不夠滿意，應(yīng)盡量少做硬件上的變動而用修改軟件的方法改善其性能。微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程示意如圖13.1所示。

圖13.1微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程13.1.1總體設(shè)計

總體設(shè)計是指通過調(diào)研和分析，確定應(yīng)用系統(tǒng)的功能、性能、使用的主要器件以及軟硬件分工，并制定設(shè)計任務(wù)書。設(shè)計任務(wù)書包括程序功能、技術(shù)指標(biāo)、精度等級、實施方案、工程進(jìn)度、所需設(shè)備、研制費用和人員分工等?？傮w設(shè)計是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中十分重要的環(huán)節(jié)，它決定著應(yīng)用系統(tǒng)的性能指標(biāo)、生產(chǎn)成本、開發(fā)效率和生命周期。合理的總體設(shè)計在于對系統(tǒng)要求的全面分析和在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)功能與實現(xiàn)方法的綜合考慮。

1)確定系統(tǒng)功能技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計一個應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)是完備的系統(tǒng)分析。大多數(shù)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用于測控領(lǐng)域，這一類系統(tǒng)要考慮的主要問題是開關(guān)量、模擬量的輸入/輸出和過程控制算法。系統(tǒng)分析的目的是確定系統(tǒng)究竟要完成什么任務(wù)，并對控制對象及其控制要求進(jìn)行文檔化，定義應(yīng)用系統(tǒng)所要達(dá)到的功能技術(shù)指標(biāo)，包括：

(1)系統(tǒng)需要檢測的信號，對測試點、檢測精度、檢測元件及檢測方法的要求；

(2)控制算法的精度和實時性要求，可能出現(xiàn)的突發(fā)和平均數(shù)據(jù)率大??；

(3)系統(tǒng)輸出信號的格式和電平，使用的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

(4)系統(tǒng)的操作方式，配備的外圍設(shè)備，對顯示、打印、通信等的要求；

(5)系統(tǒng)的工作環(huán)境及可靠性等級，與系統(tǒng)配合工作的其他電氣設(shè)備的動態(tài)運(yùn)行情況。

總之，在開始設(shè)計前，必須進(jìn)行周密的調(diào)查研究，明確工業(yè)現(xiàn)場的硬件資源和工作環(huán)境、應(yīng)用系統(tǒng)要求實現(xiàn)的各項功能技術(shù)指標(biāo)，必要時可以進(jìn)行現(xiàn)場勘察和小型試驗，對產(chǎn)品的實時性、可靠性、通用性、可維護(hù)性、先進(jìn)性以及成本等進(jìn)行綜合考慮，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的相關(guān)資料，使確定的技術(shù)指標(biāo)更加合理可行且有競爭力。

2)微處理器的選擇

可供選擇的微處理器很多，須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)、復(fù)雜程度、可靠性、精度和進(jìn)度要求來選擇性能價格比相對合理的微處理器，應(yīng)主要考慮以下幾個方面：

(1)市場貨源。通常設(shè)計者只能從市場上可提供的微處理器中選擇，特別是將作為產(chǎn)品生產(chǎn)的系統(tǒng)，微處理器需要使用性價比高的成熟產(chǎn)品，所選機(jī)型必須有穩(wěn)定、充足的貨源。

(2)機(jī)型性能。微處理器的性能包括位數(shù)、指令系統(tǒng)、片內(nèi)資源、擴(kuò)展能力、運(yùn)算速度和可靠性等方面。要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的實際需要，選擇最容易實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的微處理器，并留有一定的擴(kuò)展空間，以便于維護(hù)和升級。微處理器的選擇一定要以夠用為原則，避免盲目追求高頻CPU。因為隨著頻率的提高，與之相關(guān)的配件(如RAM)也要工作于較高的頻率，從而使系統(tǒng)發(fā)熱量大幅增加，可靠性下降，整體制造成本提高。

(3)研制周期。在研制任務(wù)重、時間緊的情況下，要選擇最熟悉的機(jī)型和器件，也可直接采用商品化的配件(如研華工控系列板卡)，進(jìn)行系統(tǒng)集成和二次開發(fā)。這種方法對于小批量的工程項目(非商品化的產(chǎn)品)特別有用。

在研制時間比較充裕、產(chǎn)品批量大的情況下，則需要把應(yīng)用系統(tǒng)的性能價格比核算作為選擇處理器的重要依據(jù)。

3)主要器件的選擇

除了微處理器外，系統(tǒng)中還有傳感器、模擬電路、輸入/輸出電路等部件和設(shè)備。這些部件在器件上應(yīng)符合應(yīng)用系統(tǒng)各方面要求，在實現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)的同時，再考慮性價比等因素。在總體設(shè)計過程中，不需要進(jìn)行單元電路的設(shè)計，但可以對應(yīng)用系統(tǒng)需要使用的主要器件進(jìn)行查閱和建議。比如，傳感器往往是制約系統(tǒng)性能指標(biāo)的瓶頸，應(yīng)根據(jù)工作環(huán)境和精度要求選擇合適的傳感器。A/D轉(zhuǎn)換器有多種形式，應(yīng)根據(jù)模擬信號的變化速度選用合適的A/D轉(zhuǎn)換器。如對緩變的溫度輸入宜采用慢速高精度的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，對頻率范圍較大的聲音輸入信號宜采用高速的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，對視頻信號進(jìn)行采集的高速視頻A/D轉(zhuǎn)換器等。

4)硬件和軟件功能的劃分

系統(tǒng)的硬件配置和軟件設(shè)計應(yīng)緊密聯(lián)系、相互結(jié)合。對硬件和軟件進(jìn)行劃分，以確定哪些功能由硬件電路來實現(xiàn)，哪些功能由軟件來實現(xiàn)。這種劃分和具體產(chǎn)品的要求有很大關(guān)系。在某些場合，硬件和軟件具有一定的互換性。多用硬件可以提高工作速度，減少軟件開發(fā)的工作量，但增加了硬件成本；反之，若用軟件代替某些硬件的功能，可以節(jié)省硬件開支，增加了靈活性，有利于系統(tǒng)升級，但也增加了軟件的復(fù)雜性。由于軟件是一次性投資，因此在研制產(chǎn)品批量比較大的情況下，能夠用軟件實現(xiàn)的功能盡量由軟件來完成，以便簡化硬件結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的可靠性?？傮w設(shè)計時，需權(quán)衡利弊，劃分好軟、硬件的功能，并按照各部分任務(wù)列出其清單，再根據(jù)總體方案對軟、硬件任務(wù)的劃分，畫出由硬件框圖和軟件功能圖組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

5)總體設(shè)計可行性驗證

對于較復(fù)雜的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)或必須一次成功的系統(tǒng)，如巡航導(dǎo)彈伺服系統(tǒng)，在進(jìn)行軟、硬件獨立設(shè)計前需進(jìn)行系統(tǒng)可行性驗證。一般可通過人工論證、標(biāo)準(zhǔn)測試和軟件仿真等三種技術(shù)途徑檢驗設(shè)計的可行性。13.1.2硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括按硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇現(xiàn)成的功能模塊、器件裝置和自行設(shè)計市面上難于買到或雖能買到但不能滿足設(shè)計要求的模擬、數(shù)字接口電路，并制作印制電路板。微型計算機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計有從元件級上的設(shè)計和利用應(yīng)用板(單片單板機(jī))構(gòu)成系統(tǒng)兩大類。從元件級上的設(shè)計主要是配置必需的存儲器、接口電路和外圍設(shè)備而組成一個系統(tǒng)，要考慮的主要因素有微處理器選擇、存儲器配置、輸入通道設(shè)計、輸出通道設(shè)計、電源配置和打印、顯示、報警、通信、操作、信號等接口電路。利用應(yīng)用板設(shè)計主要指選用市面上銷售的通用微處理器產(chǎn)品以縮短開發(fā)周期。硬件電路設(shè)計時應(yīng)注意以下幾個問題：

(1)程序存儲器：盡量避免用小容量的芯片組合擴(kuò)充成大容量的存儲器；

(2)數(shù)據(jù)存儲器和I/O接口：應(yīng)盡量減少芯片數(shù)量，使譯碼電路簡單；

(3)地址譯碼電路：優(yōu)先考慮線選法；

(4)總線驅(qū)動能力：數(shù)據(jù)總線宜采用雙向8路三態(tài)緩沖器74LS245作為總線驅(qū)動器，地址和控制總線可采用單向8路三態(tài)緩沖器74LS244作為單向總線驅(qū)動器；

(5)系統(tǒng)速度匹配。在實際工作中，微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可能會受到各種外部和內(nèi)部因素的干擾，使系統(tǒng)工作產(chǎn)生錯誤或故障。為了減少這種錯誤和故障，就要采取各種提高可靠性的措施。因此在硬件整合中應(yīng)認(rèn)真考慮：整合后形成的系統(tǒng)總線負(fù)載大小和各部分負(fù)載分配；相互連接的各單元電路間信號電平是否兼容；系統(tǒng)中相互隔離部分的電路是否采用各自獨立的電源和地；應(yīng)盡量減少系統(tǒng)中電源電壓的種類，合理安排不同類型電源和地線系統(tǒng)；雙絞線抗共模干擾的能力較強(qiáng)，模塊間需要進(jìn)行長線連接的場合，是否選用了雙絞線作為接口的信號線。13.1.3軟件設(shè)計

微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計中最基本且工作量最大的任務(wù)。一個較為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)軟件，如嵌入式操作系統(tǒng)，其設(shè)計往往需要很多人進(jìn)行多年的工作才能完成。事實上軟件設(shè)計可包括接口控制程序設(shè)計和整體應(yīng)用程序設(shè)計兩大部分。前者一般采用匯編語言進(jìn)行設(shè)計，其目標(biāo)是實現(xiàn)對各接口硬件電路的控制，一般由硬件設(shè)計員以子程序、軟中斷、驅(qū)動程序等形式給出；后者一般采用高級語言進(jìn)行設(shè)計，可交給軟件設(shè)計員完成，一般包括各種算法、人機(jī)對話、數(shù)據(jù)采集、輸出控制等，其中數(shù)據(jù)采集和輸出控制是通過調(diào)用接口控制程序?qū)崿F(xiàn)的。以下介紹的軟件設(shè)計，主要是指在硬件基礎(chǔ)上的接口程序的設(shè)計。根據(jù)軟件程序流程，按模塊化的原則設(shè)計應(yīng)用程序。盡量利用經(jīng)過運(yùn)行實踐證明是切實可靠的測控程序模塊，包括實時管理程序，以減少軟件設(shè)計的工作量。編寫模塊化程序時要注意使模塊可以由多個任務(wù)在不同條件下調(diào)用，每個獨立的模塊以不超過100句為宜。各模塊在邏輯上互相獨立，并應(yīng)盡量限制或減少模塊間的信息交換，以利于各個模塊的查詢和調(diào)試。例行操作如延時、顯示、標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)等應(yīng)盡量利用系統(tǒng)軟件中提供的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用。由于軟、硬件的界面已經(jīng)在總體設(shè)計方案中劃分好，所以兩者的設(shè)計基本上可以并行進(jìn)行。由于硬件和軟件相互間的聯(lián)系很多，也可交叉進(jìn)行。無論硬件還是軟件設(shè)計，都需要邊設(shè)計、邊調(diào)試、邊修改。一般需經(jīng)過幾次這樣的循環(huán)反復(fù)才能完成，完成后即進(jìn)入系統(tǒng)總裝階段?？傃b是進(jìn)行實驗室聯(lián)調(diào)的前提及必要條件。按照先粗后細(xì)的原則，把整個系統(tǒng)軟件劃分成多個功能獨立、大小適當(dāng)?shù)哪K，應(yīng)有以下特點：

(1)結(jié)構(gòu)清晰、簡捷、流程合理；

(2)各功能塊程序化、子程序化；

(3)程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)規(guī)劃合理；

(4)各功能程序的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行要求盡量設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志；

(5)做好抗干擾設(shè)計；

(6)設(shè)置自診斷程序。

13.2微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試

13.2.1微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)

微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)需要解決的問題首先是編程，根據(jù)開發(fā)工具的性能，可以有機(jī)器語言、匯編語言和高級語言三種不同級別的編程方式；其次是排錯，主要是指對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行綜合調(diào)試；最后是仿真，實際上也是一種軟件和硬件綜合在一起的排錯調(diào)試手段，它能加速目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

開發(fā)的手段主要有通用機(jī)模擬開發(fā)和在線仿真開發(fā)。開發(fā)工具也有不同類型，主要有通用型微機(jī)仿真器開發(fā)系統(tǒng)、實用型開發(fā)系統(tǒng)、通用機(jī)開發(fā)系統(tǒng)三種。開發(fā)工具主要由主機(jī)、在線仿真器、仿真軟件等組成。13.2.2微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試

微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件綜合調(diào)試。

1．硬件調(diào)試

硬件調(diào)試的任務(wù)是排除應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路故障，包括設(shè)計性錯誤、工藝性故障和樣機(jī)故障。

(1)脫機(jī)調(diào)試。脫機(jī)調(diào)試是在樣機(jī)加電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電路原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查樣機(jī)線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。應(yīng)特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯誤，并重點檢查總線間是否存在相互間的短路或與其他信號線的短路。對于樣機(jī)所用電源事先必須單獨調(diào)試，調(diào)試好后，檢查電壓值、負(fù)載能力、極性等是否均符合要求，符合后才能加到系統(tǒng)的各個部件上。在不插芯片的情況下，加電檢查各插件上引線端的電位，仔細(xì)測量各點電位是否正常，尤其應(yīng)注意CPU插座上的各點電位是否正常，若有高壓，聯(lián)機(jī)時會損壞系統(tǒng)。

(2)聯(lián)機(jī)調(diào)試。通過脫機(jī)調(diào)試可排除一些明顯的硬件故障。但有些隱性硬件故障還是要通過聯(lián)機(jī)調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)和排除的。

若開發(fā)的是帶有CPU的小系統(tǒng)，則應(yīng)使用仿真器。在聯(lián)機(jī)前先斷電，把開發(fā)系統(tǒng)的仿真插頭插到樣機(jī)上，檢查一下開發(fā)機(jī)與樣機(jī)之間的電源、接地是否良好。一切正常，即可打開電源。通電后執(zhí)行開發(fā)系統(tǒng)的讀/寫命令，對用戶樣機(jī)的存儲器、I/O端口進(jìn)行讀/寫操作和邏輯檢查。若有故障，可用示波器觀察有關(guān)波形(如選中的譯碼器輸出波形和讀/寫控制信號、地址線、數(shù)據(jù)線的波形以及有關(guān)控制電平)。通過對波形的觀察分析尋找故障原因，并進(jìn)一步排除故障?？赡艿墓收嫌芯€路連接上的邏輯錯誤、斷路或短路現(xiàn)象，還有集成電路失效等。若開發(fā)的是總線接口板，則可將其插入到總線槽中，通過CPU板對其進(jìn)行調(diào)試。插入前應(yīng)設(shè)置好接口地址、中斷號和DMA通道號，以免與CPU板的相關(guān)編號重疊。對于各接口板(如A/D、D/A、數(shù)字I/O、通信等)也可通過上述方法進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過程中如發(fā)現(xiàn)用戶系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，一定要查出原因，進(jìn)行排除。

2.軟件調(diào)試

軟件調(diào)試包括單步運(yùn)行、斷點運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行、檢查和修改存儲器單元的內(nèi)容、檢查和修改寄存器的內(nèi)容、符號化調(diào)試等。

3.軟硬件綜合調(diào)試

在系統(tǒng)綜合調(diào)試時，應(yīng)將全部硬件(包括外設(shè))連接好，應(yīng)用程序也都組合好。進(jìn)行完整系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試，不斷地調(diào)整修改應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件，進(jìn)一步排除較難發(fā)現(xiàn)的軟硬件錯誤，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。13.2.3實驗室模擬運(yùn)行

將整個聯(lián)調(diào)好的系統(tǒng)在實驗室中模擬現(xiàn)場的運(yùn)行，稱為離線仿真。這時，可由人工輸入模擬信號(電壓)。用儀表(如萬用表、示波器等)對輸出進(jìn)行指示，使系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行在實驗室模擬運(yùn)行過程中，設(shè)計人員必須仔細(xì)觀察運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)，對任何不正常情況必須仔細(xì)分析其原因。必要時，可人為地制造一些干擾，以便觀察系統(tǒng)的可靠性，亦可將電源拉偏，觀察系統(tǒng)的適應(yīng)能力等。13.2.4現(xiàn)場調(diào)試、試運(yùn)行

將所研制的系統(tǒng)放到用戶現(xiàn)場，接上用戶的常規(guī)及專用外設(shè)，對專用外設(shè)進(jìn)行逐一調(diào)試，使它們進(jìn)入正常狀態(tài)。然后，執(zhí)行用戶程序，由用戶使用，完成用戶要求的功能，使系統(tǒng)進(jìn)入試運(yùn)行狀態(tài)。在試運(yùn)行過程中，開發(fā)者與使用者需要密切配合，仔細(xì)觀察并記錄系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。如發(fā)現(xiàn)問題，要認(rèn)真分析，務(wù)求盡快解決。在試運(yùn)行過程中，系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)人員要認(rèn)真編寫大量的文件、資料。例如，研制項目的背景、研制報告、技術(shù)報告、使用維護(hù)手冊、軟件資料、硬件圖紙、標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范、用戶使用報告等。 13.3應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實例

13.3.1溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

【例13.1】

現(xiàn)要求設(shè)計一個單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，自動控制一個溫室的溫度，實現(xiàn)如下功能：

(1)溫室溫度為三擋：第一擋為室溫，第二擋為40℃，第三擋為50℃。溫度控制誤差≤±2℃。

(2)升溫由三臺1000W的電爐實現(xiàn)。若三臺電爐同時工作，可保證溫室溫度在3min內(nèi)超過60℃。

(3)實時顯示溫室溫度，顯示位數(shù)為3位，即××.×℃(如38.7℃)。

(4)當(dāng)不能保證所要求溫度范圍時，發(fā)出聲光報警信號。

(5)對升溫和降溫過程時間不作要求。

1．整體分析與初步設(shè)計

1)對溫度控制系統(tǒng)的分析

(1)溫度測量：模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換(A/D)。

(2)溫度控制：電爐的通電或斷電實現(xiàn)溫度控制，需要開關(guān)量輸出通道。

(3)溫度給定：要有相應(yīng)的給定輸入裝置，如鍵盤。

(4)溫度顯示：按要求實時顯示溫室的溫度值。

(5)報警：聲光報警信號。

2)控制方案的確定

對溫度控制選用繼電器控制方式。

(1)第一擋：給定溫度為室溫，切除所有電爐。

(2)第二擋：給定溫度為40℃，一般情況為1臺電爐工作。

(3)第三擋：給定溫度為50℃，一般情況為2臺電爐工作。

(4)檢測溫室：取A/D采樣周期為30s。

3)硬件和軟件功能劃分

本系統(tǒng)的設(shè)計軟硬件劃分明顯，電路部分用硬件實現(xiàn)，硬件驅(qū)動和控制程序采用軟件實現(xiàn)。

(1)硬件系統(tǒng)包括：

溫度測量電路(傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換及接口電路)；

溫度控制電路(開關(guān)量輸出和電爐驅(qū)動電路)；

溫度顯示電路和輸出報警電路等。

(2)軟件功能包括：

溫度檢測(定時采樣、軟件濾波)功能；

利用定時器實現(xiàn)30s定時，以滿足采樣周期的要求；

溫度控制的實現(xiàn)，三臺電爐的通電與斷電；

實現(xiàn)定時器30s定時，滿足采樣周期的要求；

顯示溫度和輸出報警。

4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖13.2所示。圖13.2溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2．系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

1)微機(jī)的選擇

系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括溫度檢測、定時、顯示和報警、繼電器控制機(jī)構(gòu)等部分的設(shè)計。溫度檢測通過溫度傳感器、ADC和8255實現(xiàn)，提供中斷方式的傳輸；定時電路完成采樣周期的控制，比如每60s采樣一次，控制采樣過程；顯示和報警電路通過8255輸出利用LED顯示當(dāng)前溫度；繼電器控制機(jī)構(gòu)通過8255、DAC和繼電器實現(xiàn)對加溫、降溫機(jī)構(gòu)的控制。局部硬件模塊的設(shè)計框架如圖13.3所示。圖13.3環(huán)境溫度測控系統(tǒng)硬件模塊示例

2)輸入通道設(shè)計

輸入通道包括溫度傳感器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器三部分。溫度檢測采用溫度傳感器AD590，運(yùn)算放大器OP07作為信號放大器，A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809。

3)輸出通道設(shè)計

輸出通道有3條，光電耦合雙向晶閘管驅(qū)動電路，分別控制三臺電爐通電和斷電。

4)人機(jī)接口設(shè)計

(1)溫度設(shè)定電路：本例采用BCD碼撥盤。

(2)溫度顯示電路：溫度值采用LED顯示，利用串行口的移位寄存器功能，擴(kuò)展為三位靜態(tài)顯示LED接口電路。

(3)報警電路：報警電路僅需要一位開關(guān)量輸出控制，采用微機(jī)的I/O口線即可。

3．系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1)軟件總體設(shè)計

為減少外界對溫度測量的干擾，用軟件進(jìn)行濾波處理，如每個采樣周期采集多個數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值，然后計算平均值作為最后的結(jié)果；調(diào)節(jié)效果的保障可采用PID算法實現(xiàn)；采樣頻率通過8253實現(xiàn)對采集過程的控制；轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸采用中斷處理程序。根據(jù)題目要求及硬件設(shè)計，軟件設(shè)計需滿足以下要求：

(1)溫度檢測：定時啟動A/D轉(zhuǎn)換，采取四點平均值濾波法抑制信號的干擾。

(2)溫度控制：比較溫度檢測值和給定值，控制電路的通斷。

(3)定時采樣：利用8253的定時器T0或T1，進(jìn)行30s定時，以滿足采樣周期的要求。

(4)溫度顯示：在每次檢測溫度后，將新的溫度檢測值經(jīng)過標(biāo)度變換后由串行口輸出給LED顯示器。

(5)蜂鳴報警：將每次的溫度檢測值與設(shè)定值作比較，如果其差值超出允許范圍，輸出報警信號，并將程序轉(zhuǎn)入事故處理程序。

2)軟件設(shè)計的模塊結(jié)構(gòu)

(1)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計：應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)采用中斷方式，由定時器發(fā)出定時中斷申請。主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括定時器、I/O口和中斷系統(tǒng)的初始化，等待定時中斷。在中斷服務(wù)程序中，先判斷是否到30s。若不到30s，返回；若到30s，進(jìn)行撥盤設(shè)定值檢測、溫度檢測、標(biāo)度變換、溫度顯示和溫度控制等操作，并根據(jù)溫度檢測值決定是否報警。據(jù)此可設(shè)計出應(yīng)用程序總體流程，如圖13.4所示。

(2)程序模塊劃分：在應(yīng)用程序總體結(jié)構(gòu)中，將溫度設(shè)定輸入、溫度檢測、溫度值標(biāo)度變換、溫度顯示、溫度控制和報警程序模塊等6個功能程序作為模塊程序。圖13.4應(yīng)用程序總體流程圖13.3.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

制造設(shè)備的測控系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是一種常用的裝置。步進(jìn)電機(jī)是一種脈沖電機(jī)，是開環(huán)伺服運(yùn)動系統(tǒng)執(zhí)行元件，廣泛用于數(shù)字控制系統(tǒng)，是工業(yè)控制過程和精密儀器設(shè)備的重要部件。其運(yùn)動方式有旋轉(zhuǎn)式和直線式。通過將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移，步進(jìn)電機(jī)的工作速度與脈沖頻率成正比，能夠提供高精度的位移和速度控制，具有快速啟停的特點，因此廣泛用于精密定位的場合，如打印機(jī)、繪圖儀、機(jī)器人和機(jī)床設(shè)備等都以步進(jìn)電機(jī)為動力核心。通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度時，轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。這里以感應(yīng)定子式三相步進(jìn)電機(jī)為例，簡單說明其工作原理和控制。三相步進(jìn)電機(jī)的定子繞有三相線圈，分別稱為A、B、C，按星形連接。兩個相鄰磁極之間的夾角為60°，中間的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，沒有線圈，轉(zhuǎn)子圓周均勻分布若干矩形小齒。當(dāng)A、B、C三相線圈輪流通過一定節(jié)拍的電流脈沖信號，即勵磁時，產(chǎn)生的磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動一次的角度稱為步距。三相步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式：一種是三相三拍式，正轉(zhuǎn)時的勵磁相序為A→B→C→A，反轉(zhuǎn)時的勵磁相序為A→C→B→A；一種是三相雙三拍式，正轉(zhuǎn)時的勵磁相序為AB→BC→CA→AB，反轉(zhuǎn)時的勵磁相序為AC→CB→BA→AC；一種是三相六拍式，正轉(zhuǎn)時的勵磁相序為A→AB→B→BC→C→CA→A，反轉(zhuǎn)時的勵磁相序為A→AC→C→CB→B→BA→A。為減少一相線圈交替通電、斷電時容易造成的失步和振蕩，采用雙相輪流通電控制方式，可改善步進(jìn)電機(jī)的性能，獲得較好的穩(wěn)定性。這里為減小步距角度，可選擇單雙相輪流通電方式，即第三種方式。其步距角按如下公式計算：

其中，m為步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)，Z為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，K為通電方式(K=1，相鄰兩次通電的相數(shù)相同；K=2，相鄰兩次通電的相數(shù)不同)。步進(jìn)電機(jī)不同的輪流通電方式稱為“分配方式”。每循環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為拍數(shù)，用n表示，n=m·K。對于三相六拍式步進(jìn)電機(jī)，n=3×2=6拍，如果轉(zhuǎn)子的齒數(shù)Z=40，齒距角為9°，而其步距角θ=360/6×40=1.5°，即通電6次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。通過滾珠桿可以將角位移轉(zhuǎn)換為線位移。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周，線位移為Lmm，則容易計算線位移與脈沖拍數(shù)間的關(guān)系。

【例13.2】

三相六拍方式步進(jìn)電機(jī)控制。

三相六拍方式步進(jìn)電機(jī)的三相線圈的勵磁相序按一定頻率給出通電信號，電機(jī)會平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。如正轉(zhuǎn)時的勵磁相序為A→AB→B→BC→C→CA→A，轉(zhuǎn)換為ABC三相線圈順序控制字為001、011、010、110、100、101，通過并口實現(xiàn)多路脈沖循環(huán)分配電路，連接控制三相線圈驅(qū)動，也可以通過軟件用查相序表的辦法實現(xiàn)控制字的發(fā)送。電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度控制、顯示等需要加入開關(guān)、ADC、定時器、數(shù)碼顯示等電路。硬件系統(tǒng)的設(shè)計示例如圖13.5所示。軟件部分主要涉及8255、ADC的應(yīng)用，讀者可自行設(shè)計。圖13.5步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

13.4基于嵌入式的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

13.4.1典型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成

一個典型的MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖13.6所示，通常由單片機(jī)、片外ROM、RAM、擴(kuò)展I/O口及對系統(tǒng)工作過程進(jìn)行人工干預(yù)和結(jié)果輸出的人機(jī)對話通道等組成。圖13.6典型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成框圖單片機(jī)常用的輸入、輸出設(shè)備有鍵盤、LED、LCD顯示器、打印機(jī)等；用于檢測信號采集的輸入通道一般由傳感器、信號處理電路和相應(yīng)的接口電路組成；向操作對象發(fā)出各種控制信號的輸出通道，通常包括輸出信號電參量的變換、通道隔離和驅(qū)動電路等；另外就是與其他計算機(jī)系統(tǒng)或智能設(shè)備實現(xiàn)信息交換的通信接口。13.4.2嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成方式

1.專用系統(tǒng)

這是最典型和最常用的構(gòu)成方式，它的最突出的特征是系統(tǒng)全部的硬件資源完全按照具體的應(yīng)用要求配置，系統(tǒng)軟件就是用戶的應(yīng)用程序。專用系統(tǒng)的硬、軟件資源利用得最充分，但開發(fā)工作的技術(shù)難度較高。

2.模塊化系統(tǒng)

由圖13.6可見，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的系統(tǒng)擴(kuò)展與通道配置電路具有典型性，因此有些廠家將不同的典型配置做成系列模板，用戶可以根據(jù)具體需要選購適當(dāng)?shù)哪０褰M合成各種常用的應(yīng)用系統(tǒng)。它以提高制作成本為代價換取了系統(tǒng)開發(fā)投入的降低和應(yīng)用上的靈活性。

3.單機(jī)與多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)

一個應(yīng)用系統(tǒng)只包含一塊MCU或MPU，稱為單機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，這是目前應(yīng)用最多的方式。

如果在單機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加上通信接口，通過標(biāo)準(zhǔn)總線和通用計算機(jī)相連，即可實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)應(yīng)用。在此系統(tǒng)中，單片機(jī)部分用于完成系統(tǒng)的專用功能，如信號采集和對象控制等，稱為應(yīng)用系統(tǒng)。通用計算機(jī)稱為主機(jī)，主要承擔(dān)人機(jī)對話、大容量計算、記錄、打印、圖形顯示等任務(wù)。由于應(yīng)用系統(tǒng)是獨立的計算機(jī)系統(tǒng)，對于快速測控過程，可由其獨立處理，大大減輕了總線的通信壓力，提高了運(yùn)行速度和效率。在多點多參數(shù)的中、大型測控系統(tǒng)中，常采用多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在多機(jī)系統(tǒng)中，每一個單片機(jī)相對獨立地完成系統(tǒng)的一個子功能，同時又和上級機(jī)保持通信聯(lián)系，上級機(jī)向各子功能系統(tǒng)發(fā)布有關(guān)測控命令，協(xié)調(diào)其工作內(nèi)容和工作過程，接收和處理有關(guān)數(shù)據(jù)。多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)還可以以局部網(wǎng)絡(luò)的方式工作。13.4.3嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計原則

單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的心臟，其機(jī)型選擇是否合適，對系統(tǒng)的性能優(yōu)劣、構(gòu)成繁簡，開發(fā)工作的難易、產(chǎn)品的價格等方面影響較大。選擇單片機(jī)時應(yīng)首先考慮單片機(jī)的功能和性能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求，其次要考慮供貨渠道是否暢通、開發(fā)環(huán)境是否具備。對于熟悉的機(jī)型，無疑將提高開發(fā)的效率。

應(yīng)充分利用單片機(jī)內(nèi)的硬件資源，簡化系統(tǒng)的擴(kuò)展，利于提高系統(tǒng)的可靠性。單片機(jī)和服務(wù)對象往往結(jié)合成一個緊密的整體，應(yīng)了解服務(wù)對象的特性，進(jìn)行一體化設(shè)計，在性能指標(biāo)上應(yīng)留有余地。在保證系統(tǒng)的功能和性能的前提下，不要過分追求單片機(jī)或其他器件的精度，如八位單片機(jī)滿足要求就無需選十六位單片機(jī)，以降低成本，增加競爭優(yōu)