第8章應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用實(shí)例

第8章應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

和應(yīng)用實(shí)例主要內(nèi)容：8.1應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的原則和過程8.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計8.3實(shí)際應(yīng)用案例重點(diǎn)、難點(diǎn)掌握應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的原則和過程掌握硬件設(shè)計的原則和方法掌握軟件設(shè)計的原則和方法了解應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

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

確定任務(wù)

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

從總體上來看，設(shè)計任務(wù)可分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，這兩者互相結(jié)合，不可分離。從時間上來看，硬件設(shè)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(zhǔn)備充分，硬件設(shè)計的大返工是較少的。軟件設(shè)計的任務(wù)貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設(shè)計任務(wù)。隨著集成電路技術(shù)的飛躍發(fā)展，各種功能很強(qiáng)的芯片不斷出現(xiàn)，與軟件相關(guān)的硬件電路的設(shè)計就變得越來越簡單，在整個項(xiàng)目中占的比重逐漸減輕。設(shè)計的原則和過程硬件設(shè)計

硬件設(shè)計就是在總體方案的指導(dǎo)下，對構(gòu)成單片機(jī)片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的所有功能部分進(jìn)行詳細(xì)、具體的電路設(shè)計，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的電路原理圖，必要時做一些部件實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證電路的正確性，工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計加工、印制電路板的制作及樣機(jī)的組裝等。盡可能采用功能強(qiáng)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(shè)計工藝設(shè)計設(shè)計的原則和過程軟件設(shè)計

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是一個整體，當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計定型后，軟件的任務(wù)也就明確了。單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計應(yīng)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(dú)立的部分，設(shè)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(fù)雜的模塊和系統(tǒng)，應(yīng)繪制出程序流程圖，多花一些時間來設(shè)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(shè)計的原則和過程軟件任務(wù)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(shè)計中斷設(shè)計設(shè)計的原則和過程調(diào)試

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

軟件和硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試反復(fù)運(yùn)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的程序存儲器EPROM或E2PROM。應(yīng)用程序尚未調(diào)試好時可借用開發(fā)系統(tǒng)的存儲器，當(dāng)單片機(jī)應(yīng)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(dú)立工作，應(yīng)用系統(tǒng)還要到現(xiàn)場投入實(shí)際工作，檢驗(yàn)其可靠性和抗干擾能力，直到完全滿足要求。設(shè)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(jìn)入單片機(jī)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(jìn)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(jìn)入。（3）供電系統(tǒng)干擾：電磁信號通過供電線路進(jìn)入系統(tǒng)。。抗干擾設(shè)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(shè)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(shè)計在220V進(jìn)線處，設(shè)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(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(shè)計用金屬外殼將整機(jī)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(yīng)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(jī)殼相連，以形成多點(diǎn)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(shè)計在電路板設(shè)計時，接地線最好應(yīng)根據(jù)電路通路逐漸加寬，并且不要小于3mm，強(qiáng)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?dāng)_，在模擬、數(shù)字混合的單片機(jī)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(dú)立回路，與此同時，模擬地和數(shù)字地通過一點(diǎn)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(shè)計工作原理是系統(tǒng)在運(yùn)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(yùn)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(jī)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(fù)正常運(yùn)行，必須對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。完成系統(tǒng)運(yùn)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(shè)計軟件抗干擾措施

1．?dāng)?shù)據(jù)采集的可靠性抗干擾設(shè)計對于模擬量的輸入可以對一點(diǎn)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(jī)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(zhǔn)確無誤，在不影響實(shí)時性的前提下，可采取多次讀入的方法（至少讀兩次），認(rèn)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(shè)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(shè)計由于單片機(jī)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(yīng)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(jī)自檢抗干擾設(shè)計檢測RAM。檢查RAM讀/寫是否正常，實(shí)際操作是向RAM單元寫“00H”，讀出也應(yīng)為“00H”，再向其寫“FFH”，讀出也應(yīng)為“FFH”。檢查其他外圍器件。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有許多外圍器件，有些需要進(jìn)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(shè)計干擾作用到單片機(jī)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(yùn)行，被干擾后的PC值是隨機(jī)的，這將導(dǎo)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(dāng)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(yīng)用程序區(qū)，將未使用的EPROM區(qū)中的隨機(jī)數(shù)當(dāng)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(jìn)入死循環(huán)，造成所謂“死機(jī)”。軟件抗干擾措施

4．

CPU抗干擾措施抗干擾設(shè)計（1）睡眠抗干擾CMOS型的MCS-51系列單片機(jī)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(yīng)，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(jī)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

4．

CPU抗干擾措施抗干擾設(shè)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(dāng)程序跑飛到某一條單字節(jié)指令上時，便自動納入正軌。當(dāng)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(fù)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(shè)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(dāng)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(shè)立軟件陷阱。所謂軟件陷阱，就是一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向?qū)Τ绦虺鲥e進(jìn)行處理的程序。如果把這段程序的入口標(biāo)號稱為ERR，軟件陷阱即為一條“LJMPERR”指令。NOPNOPLJMPERR軟件抗干擾措施

4．

CPU抗干擾措施抗干擾設(shè)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(dāng)干擾使未使用的中斷開放，并激活這些中斷時，就會進(jìn)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(shè)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(shè)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(shí)現(xiàn)。如果采用定時器方法，定時器的溢出中斷設(shè)定為高級中斷，系統(tǒng)中的其他中斷可設(shè)為低級中斷。定時器的定時時間稍大于主程序正常運(yùn)行一個循環(huán)的時間，而在主程序運(yùn)行過程中執(zhí)行一次定時器時間常數(shù)刷新，當(dāng)程序陷入死循環(huán)后，將不能刷新定時器時間常數(shù)而導(dǎo)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(yīng)用案例汽車駕駛操縱信號燈單片機(jī)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)、停靠等操作。在左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎時，通過轉(zhuǎn)彎操作桿應(yīng)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(diǎn)亮；若正當(dāng)轉(zhuǎn)彎時剎車，則轉(zhuǎn)彎時原應(yīng)閃爍的信號燈仍應(yīng)閃爍。以上閃爍，都是頻率為1Hz的低頻閃爍，在汽車?？慷？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(shí)際應(yīng)用案例汽車駕駛操縱信號燈單片機(jī)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