第9章 綜合設(shè)計(jì)實(shí)例幻燈片.ppt

1、牙齒章節(jié)介紹了目標(biāo)學(xué)習(xí)：牙齒章節(jié)介紹了微控制器選擇和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)全面的示例，介紹89C51周圍的所有電路硬件介面和軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)牙齒章節(jié)的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)：微控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求和研發(fā)過(guò)程學(xué)會(huì)正確選擇微控制器模型，了解設(shè)計(jì)實(shí)例，嘗試對(duì)特定主題進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。第九章綜合設(shè)計(jì)實(shí)例，9.1微控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，9.1.1微控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，1可靠性高的組件，應(yīng)防止設(shè)備。典型電路選擇，消除電路不穩(wěn)定性因素；采用所需的冗馀設(shè)計(jì)，或添加系統(tǒng)的故障自檢測(cè)和自處理功能。采取必要的抗干擾措施，防止環(huán)境干擾。2操作和維護(hù)要方便必須標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)控制開關(guān)不能太多，不能

2、太復(fù)雜。工作順序簡(jiǎn)單明了，工作功能簡(jiǎn)單直觀。查找故障和排除故障很容易。3利用價(jià)錢/性能系統(tǒng)設(shè)計(jì)最優(yōu)化、簡(jiǎn)化周邊硬件電路或硬件軟化技術(shù)提高系統(tǒng)性能價(jià)錢比。4自我保護(hù)的認(rèn)識(shí)應(yīng)考慮到軟件加密功能，不允許非法讀取或復(fù)制微控制器內(nèi)固化的用戶程序。9.1.2微控制器應(yīng)用程序系統(tǒng)的配置，所有微控制器應(yīng)用程序系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。1硬件配置硬件包括微控制器、存儲(chǔ)、多個(gè)I/O介面和外圍設(shè)備，如圖91所示。圖91微控制器系統(tǒng)硬件配置圖表，(1)微控制器整個(gè)系統(tǒng)的核心組件，可以運(yùn)行程序和處理數(shù)據(jù)。(2)存儲(chǔ)用于存儲(chǔ)微控制器節(jié)目(節(jié)目存儲(chǔ))和數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)存儲(chǔ))。(3)I/O接口是微控制器和外部控制對(duì)象的信息更換通道

3、。包括數(shù)字(頻率、脈沖等)I/o介面開關(guān)(繼電器開關(guān)、非接觸開關(guān)、螺線管閥等)I/o介面模擬I/o介面(A/D或D/A轉(zhuǎn)換電路)，(4)通用外部設(shè)備鍵盤數(shù)據(jù)輸入和修改系統(tǒng)參數(shù)等部分。顯示器用于顯示控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和各種測(cè)試的參數(shù)。用于打印機(jī)分析和處理的各種數(shù)據(jù)或圖表打印。(5)檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)裝置用于將各種測(cè)試的參數(shù)設(shè)備轉(zhuǎn)換為用于電腦處理的功率信號(hào)。通常使用傳感器實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行器用于驅(qū)動(dòng)外部控制目標(biāo)，通常是傳記、氣動(dòng)、液壓等驅(qū)動(dòng)方式。2軟件配置軟件主要分為應(yīng)用軟件和開發(fā)軟件兩大類茄子。(1)應(yīng)用軟件是為軟件設(shè)計(jì)公司提供的各種微控制器控制系統(tǒng)功能而編寫的軟件，旨在管理和控制整個(gè)微控制器系統(tǒng)。(2)

4、開發(fā)軟件是用于開發(fā)和調(diào)試控制系統(tǒng)(如程序集節(jié)目、編譯器、調(diào)試和模擬節(jié)目、固化節(jié)目等)的軟件(如程序集節(jié)目、編譯器、調(diào)試和模擬程序、固化程序等)。9.1.3應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程，1確定總體設(shè)計(jì)方案，(1)用戶需求分析和方案調(diào)查目的：通過(guò)對(duì)市場(chǎng)和用戶的了解，明確應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)。主要內(nèi)容：對(duì)國(guó)內(nèi)外同類系統(tǒng)的狀態(tài)分析明確控制，確定測(cè)試的參數(shù)格式(電力、非電力、模擬、數(shù)字等)，確定測(cè)量的參數(shù)范圍，性能指標(biāo)，系統(tǒng)功能，顯示器，警告和打印要求任務(wù)的軟，硬件技術(shù)的難度，主攻方向等。(2)可行性分析目的：對(duì)系統(tǒng)開發(fā)開發(fā)的必要性和可行性作出明確的判斷，決定開發(fā)工作是否會(huì)繼續(xù)。(3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的：為整個(gè)系

5、統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)建邏輯模型。主要內(nèi)容：進(jìn)行必要的理論分析和計(jì)算，合理的控制算法決策模型選擇系統(tǒng)軟、硬件功能劃分，合理協(xié)調(diào)軟、硬件比重。確定系統(tǒng)的硬件配置，包括系統(tǒng)的擴(kuò)展方案、周邊電路配置和介面電路方案的確定，以及各部分功能框的圖示。確定系統(tǒng)軟件功能模塊的劃分以及每個(gè)功能模塊的節(jié)目實(shí)現(xiàn)方法，并繪制流程圖。估算系統(tǒng)的軟硬件資源并分配存儲(chǔ)空間。2系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和制作包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。(1)硬件設(shè)計(jì)工作：根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)圖，初步設(shè)計(jì)印刷電路板等。主要內(nèi)容：微控制器系統(tǒng)擴(kuò)展(例如存儲(chǔ)擴(kuò)展、I/O介面擴(kuò)展、中斷系統(tǒng)擴(kuò)展等)系統(tǒng)配置(例如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D或D/A轉(zhuǎn)換

6、等)、微控制器系統(tǒng)擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循常規(guī)電路選擇原則。系統(tǒng)擴(kuò)展和配置應(yīng)留出空間，以便將來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合軟件考慮，盡可能簡(jiǎn)化軟件、硬件結(jié)構(gòu)，而不是硬件。必須選擇性能匹配、功耗低的設(shè)備。適當(dāng)考慮CPU的總線驅(qū)動(dòng)能力。注意可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)。(2)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)思想見圖93章，軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容和程序。系統(tǒng)定義定義每個(gè)輸入/輸出通信端口地址及其工作方式，并分配主節(jié)目、中斷節(jié)目、西餐和堆棧等存儲(chǔ)空間。軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的計(jì)算機(jī)編程方法有三種：模塊化計(jì)算機(jī)編程(請(qǐng)參見第3章)、自上而下精密計(jì)算機(jī)編程和結(jié)構(gòu)化計(jì)算機(jī)編程。數(shù)學(xué)模型設(shè)置描述了每個(gè)輸入變量和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并用于確定算法。繪制節(jié)

7、目流程圖根據(jù)系統(tǒng)功能、操作程序、軟件結(jié)構(gòu)和算法等進(jìn)行繪制。創(chuàng)建節(jié)目通過(guò)選擇流程圖選擇的適當(dāng)語(yǔ)言，創(chuàng)建主節(jié)目和每個(gè)功能模塊程序。裝配和調(diào)試將編寫的用戶程序裝配到機(jī)器代碼中，使用仿真器進(jìn)行調(diào)試和修改，圖93軟件設(shè)計(jì)階段，硬件調(diào)試使用開發(fā)系統(tǒng)、基本測(cè)試設(shè)備(萬(wàn)用表、示波器等)運(yùn)行開發(fā)系統(tǒng)相關(guān)命令或測(cè)試程序，以檢查用戶系統(tǒng)硬件中的故障。可分為靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試兩個(gè)階段。靜態(tài)調(diào)試是用戶系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行時(shí)的硬件檢查。通常，使用視覺測(cè)試、萬(wàn)用表測(cè)試、通電測(cè)試等檢查印刷電路板和每個(gè)籌碼、部件。動(dòng)態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)用于發(fā)現(xiàn)和排除硬件故障的硬件檢查。一般方法是先執(zhí)行每個(gè)單元的電路調(diào)試，然后執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試。3模

8、擬調(diào)試模擬調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)協(xié)同協(xié)調(diào)三個(gè)階段。(1)硬件調(diào)試，(2)軟件調(diào)試軟件調(diào)試是通過(guò)用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行消除和糾正發(fā)現(xiàn)程序中存在的語(yǔ)法錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤的過(guò)程。軟件調(diào)試的一般方法是獨(dú)立后聯(lián)機(jī)，塊后組合，一步一步連續(xù)進(jìn)行。(3)系統(tǒng)連接系統(tǒng)連接是用戶系統(tǒng)的軟件在硬件上實(shí)際運(yùn)行，并進(jìn)行了軟、硬件聯(lián)合調(diào)試。4節(jié)目硬化和獨(dú)立執(zhí)行5檔案準(zhǔn)備階段文件中，說(shuō)明工作；設(shè)計(jì)指導(dǎo)意識(shí)形態(tài)和設(shè)計(jì)節(jié)目演示；性能測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)告和說(shuō)明；用戶指南軟件數(shù)據(jù)(流程圖、子程序使用說(shuō)明、尋址、流程列表)；硬件資料(電路原理圖、組件布局和接線圖表、插件針圖表、印刷電路板圖表、注意事項(xiàng)等)。9.2微控制器選擇

9、、9.2.1微控制器性能指標(biāo)、1微控制器數(shù)量級(jí)微控制器位數(shù)取決于內(nèi)核CPU的位數(shù)。位數(shù)越多，微控制器處理數(shù)據(jù)的能力就越強(qiáng)?，F(xiàn)在8位機(jī)器的應(yīng)用很多。2操作速度微控制器操作速度取決于外部晶振或外部時(shí)鐘信號(hào)的頻率。外部時(shí)鐘頻率(如89C51)高達(dá)24MHz。微控制器運(yùn)行速度高，運(yùn)行速度快，但功耗也相應(yīng)增加，需要注意周圍介面芯片和運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)。3存儲(chǔ)容量通常表示片內(nèi)的ROM、RAM配置。4中斷和計(jì)時(shí)器基本微控制器以及增強(qiáng)的微控制器擁有的中斷源和計(jì)時(shí)/柜臺(tái)數(shù)不同。5輸入/輸出通信端口輸入/輸出端口有輸入通信端口、輸出通信端口和雙向通信端口類型。某些輸入/輸出端口還具有總線功能。某些專用微控制器之上是具

10、有特殊功能的端口，如大電流驅(qū)動(dòng)通信端口、SPI串行端口、I2C串行端口、A/D輸入通信端口、D/A輸出通信端口、紅外線發(fā)射接收通信端口、PWM輸出通信端口等。6功耗、封裝和環(huán)境溫度功耗：在某些自動(dòng)監(jiān)控儀器和電池供電產(chǎn)品中，低功耗是主要規(guī)格，通常在使用HCMOS工藝微控制器的低電壓狀態(tài)下工作。包裝：微控制器包裝一般有DIP、QFP、PLCC等，需要綜合考慮印刷版的尺寸、加工手段、購(gòu)買途徑和成本等。環(huán)境溫度：根據(jù)工作環(huán)境溫度，微控制器等級(jí)可以分為商業(yè)級(jí)(070)、工業(yè)級(jí)(-4085)、汽車級(jí)(-40125)和軍事級(jí)(-55125)。7極端參數(shù)極端參數(shù)主要：最大使用電壓、最小使用電壓最大使用溫度、最

11、小使用溫度最大電源最大電流通信端口最大輸入電壓通信端口最大輸出電流最大焊接溫度最大焊接時(shí)間、9.2.2微控制器選擇原則、1微控制器系統(tǒng)適應(yīng)性意味著您是否可以使用牙齒微控制器對(duì)應(yīng)用程序系統(tǒng)執(zhí)行控制操作。主要考慮事項(xiàng)包括：是否有必要的I/o通信端口數(shù)量是否有必要的中斷源和計(jì)時(shí)器所需的周邊通信端口部件是否有足夠的計(jì)算處理能力具有足夠的極限性能，2微控制器開發(fā)可能性(1)開發(fā)環(huán)境包括匯編程序、編譯和連接器。(2)調(diào)試工具包括聯(lián)機(jī)仿真器、邏輯分析工具和調(diào)試監(jiān)視器。(3)在線BBS服務(wù)包括實(shí)時(shí)執(zhí)行、應(yīng)用案例、缺陷故障報(bào)告、實(shí)用程序軟件、示例源代碼。(4)應(yīng)用程序支持是否有專門的應(yīng)用程序支持機(jī)構(gòu)？是否有應(yīng)用

12、程序工程師和銷售人員的支持？支援人員的學(xué)識(shí)水平如何？有方便的通信工具嗎，及時(shí)支持嗎？3制造商歷史和可購(gòu)買性產(chǎn)品的價(jià)錢/性能和可靠性？購(gòu)買路徑順暢嗎？供應(yīng)充足穩(wěn)定嗎？生產(chǎn)中斷了嗎？正在改善嗎？根據(jù)上述三個(gè)茄子原則總結(jié)微控制器選擇，就必須能夠選擇特定應(yīng)用系統(tǒng)的最佳微控制器之一，同時(shí)還必須保證應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、價(jià)錢性能、服務(wù)壽命和升級(jí)替代性。9.3設(shè)計(jì)示例：多功能數(shù)字時(shí)鐘、9.3.1設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)制作：L自動(dòng)定時(shí)、6位LED顯示器顯示器時(shí)間、分鐘和秒；l具有校準(zhǔn)功能，可以通過(guò)0-9數(shù)字鍵直接設(shè)置當(dāng)前時(shí)間。l具有定時(shí)報(bào)警功能。9.3.2設(shè)計(jì)方案，1 .計(jì)時(shí)方案使用微控制器內(nèi)部的計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器執(zhí)行中斷計(jì)時(shí)

13、，并與軟件延遲實(shí)施時(shí)間、分鐘和秒計(jì)時(shí)相匹配。2.鍵盤/顯示器方案中的43鍵盤實(shí)現(xiàn)輸入設(shè)置，以動(dòng)態(tài)顯示器方式實(shí)現(xiàn)LED顯示屏。3，控制方案(1)時(shí)間顯示開機(jī)后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入時(shí)鐘顯示。從00: 00: 00開始計(jì)算時(shí)間可以設(shè)置當(dāng)前時(shí)間。(2)時(shí)間曹征C/R鍵(時(shí)間設(shè)置/開始計(jì)時(shí)鍵)，系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)，輸入時(shí)間設(shè)置狀態(tài)，保留系統(tǒng)原始顯示器，等待當(dāng)前時(shí)間輸入，按09數(shù)字鍵按順序設(shè)置小時(shí)、分鐘和秒，并在相應(yīng)的指示燈中顯示設(shè)置值。完成6位設(shè)置后，系統(tǒng)將，(3)報(bào)警設(shè)置ALM鍵(報(bào)警設(shè)置/打開/停止鍵)，系統(tǒng)繼續(xù)計(jì)時(shí)，顯示00: 00: 00，進(jìn)入報(bào)警設(shè)置狀態(tài)，等待啟動(dòng)時(shí)間輸入，按0-9數(shù)字鍵，相應(yīng)的時(shí)間設(shè)置將

14、按順序進(jìn)行。再次按am鍵停止騷亂，等到取消警報(bào)設(shè)置的時(shí)間，蜂鳴器就會(huì)響。9.3.3硬件原理、數(shù)字時(shí)鐘電路、微控制器、可節(jié)目I/o介面籌碼8155、43鍵盤輸入電路、6位LED顯示屏輸出電子電路和蜂鳴器啟動(dòng)電子電路組件(見圖95)。1微控制器：選擇89C51選項(xiàng)，滿足您的需求。2I/O介面電路：8155是鍵盤/顯示器介面電路(其中8155的A端口是6位LED顯示屏的位選擇(低水平有效)，B端口是段選擇(高水平有效)，C端口的低3位是鍵盤輸入通信端口，等于02行，A端口是鍵盤熱掃描端口，如系統(tǒng)電子電路原理圖中所示控制寄存器：定義為8000H，端口A通信端口：8001H，端口B通信端口：定義為800

15、2H，端口C通信端口：定義為8003H，定義為portc4 LED數(shù)字顯示器電路：使用共陰極數(shù)字管實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘顯示，6位LED從左到右顯示小時(shí)、分鐘、秒、24小時(shí)計(jì)時(shí)。5蜂鳴器啟動(dòng)電路：89C51的P1.0控制驅(qū)動(dòng)蜂鳴器(低水平有效)。圖95數(shù)字時(shí)鐘硬件電路圖、9.3.4計(jì)算機(jī)編程、1系統(tǒng)資源分配計(jì)時(shí)器T0按時(shí)1操作，籌碼內(nèi)RAM和徽標(biāo)位的分配和定義見表91。表91章內(nèi)的RAM和徽標(biāo)位分配，如圖96所示，兩個(gè)主要計(jì)算機(jī)編程(1)主程序執(zhí)行初始化和鍵盤監(jiān)視。(2)計(jì)時(shí)器T0中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)時(shí)功能，并執(zhí)行定時(shí)緩沖區(qū)刷新。流程圖如圖97所示。計(jì)時(shí)器T0是100毫秒溢出中斷(設(shè)置使用6 MHz晶振的系統(tǒng)

16、，計(jì)時(shí)器T0工作方式1的計(jì)時(shí)器初始值為3CB0H，即TH0=3CH，TL0=0B0H)，每個(gè)循環(huán)10次中斷延遲為1s，60次迭代1分鐘，時(shí)間劃分60次，流程圖如圖98所示。圖98小時(shí)設(shè)置/報(bào)警計(jì)時(shí)流程圖，使用鍵盤設(shè)置子程序輸入的6位時(shí)間值與鍵盤設(shè)置緩沖區(qū)，使用連筆子程序?qū)㈡I盤設(shè)置緩沖區(qū)中的6位BCD代碼合并為3位壓縮BCD代碼，提供發(fā)送到定時(shí)緩沖區(qū)或報(bào)警值寄存器的功能。如果鍵盤輸入時(shí)間值大于23，分鐘和秒值大于59，則是非法的。牙齒設(shè)置被取消，0重新開始計(jì)時(shí)。(4)鍵盤掃描子程序，圖99鍵盤掃描機(jī)流程圖，表示是否有按鍵按壓，如果沒有按鍵按壓，則循環(huán)，如果有按鍵按壓，則獲得按鍵號(hào)碼并返回。流程圖如圖99所示。圖910示出了節(jié)目流程圖，(5)示出了子節(jié)目實(shí)現(xiàn)顯示器緩沖區(qū)6位BCD代碼的動(dòng)態(tài)掃描方法。(6)比較計(jì)時(shí)子程序?qū)?dāng)前時(shí)間(計(jì)時(shí)緩沖區(qū)值)與預(yù)設(shè)開始時(shí)間(報(bào)警設(shè)置寄存器值)進(jìn)行比較，如果兩者完全相同，則開始蜂鳴器的叫聲并設(shè)置報(bào)警標(biāo)志的位置。再次按ALM鍵時(shí)，停止吵鬧，清除鬧鐘標(biāo)記。流程圖如右圖所示。(7)其他輔助功能子節(jié)目鍵盤設(shè)置子節(jié)目：將輸入的6位時(shí)間值發(fā)送到鍵盤設(shè)置緩沖區(qū)(見圖912)。拆解