第13章AT89S51单片机的应用设计与调试课件.ppt
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1、1第章单片机应用系统的设计第章单片机应用系统的设计与调试与调试112 第章第章 单片机应用系统的设计与调试单片机应用系统的设计与调试 单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统的设计步骤 单片机应用系统设计单片机应用系统设计 硬件设计应考虑的问题硬件设计应考虑的问题 典型的单片机应用系统典型的单片机应用系统 系统设计中的总线驱动系统设计中的总线驱动 软件设计考虑的问题软件设计考虑的问题 软件的总体框架设计软件的总体框架设计 单片机应用系统的仿真开发与调试单片机应用系统的仿真开发与调试23【内容概要】【内容概要】 本章介绍单片机应用系统的设计,内容主要包括:应用系统本章介绍单片机应用系统的设计,内容
2、主要包括:应用系统的设计步骤和方法,应用系统的硬件设计以及应用程序的总体的设计步骤和方法,应用系统的硬件设计以及应用程序的总体框架设计。此外,还介绍了目前流行的单片机应用系统的仿真框架设计。此外,还介绍了目前流行的单片机应用系统的仿真开发工具以及如何利用仿真开发工具对单片机应用系统进行开开发工具以及如何利用仿真开发工具对单片机应用系统进行开发调试。发调试。4 单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统的设计步骤 单片机应用系统的设计工作,首先要经过深入细致的需求分单片机应用系统的设计工作,首先要经过深入细致的需求分析,周密而科学的方案论证才能使系统设计工作顺利完成。一析,周密而科学的方案论证才能使
3、系统设计工作顺利完成。一个单片机应用系统设计,一般可分为个阶段。个单片机应用系统设计,一般可分为个阶段。()明确任务和需求分析以及拟定设计方案阶段()明确任务和需求分析以及拟定设计方案阶段 明确系统所要完成的任务十分重要,它是设计工作的基础,明确系统所要完成的任务十分重要,它是设计工作的基础,设计方案正确性的保证。设计方案正确性的保证。 需求分析的内容主要包括:被测控参数的形式(电量、非电需求分析的内容主要包括:被测控参数的形式(电量、非电量、模拟量、数字量等)、被测控参数的范围、性能指标、系量、模拟量、数字量等)、被测控参数的范围、性能指标、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。统功能
4、、工作环境、显示、报警、打印要求等。5 拟定设计方案是根据任务的需求分析,先确定大致方向和拟定设计方案是根据任务的需求分析,先确定大致方向和准备采用的手段。注意,在进行设计方案确定的时候,简单准备采用的手段。注意,在进行设计方案确定的时候,简单的方法往往可以解决大问题,切忌的方法往往可以解决大问题,切忌“将简单的问题复杂化将简单的问题复杂化”()硬件和软件设计阶段()硬件和软件设计阶段 根据拟定的设计方案,设计出相应的系统硬件电路。硬件根据拟定的设计方案,设计出相应的系统硬件电路。硬件设计的前提是必须能够完成系统的要求和保证可靠性。在硬设计的前提是必须能够完成系统的要求和保证可靠性。在硬件设计
5、时,如果能够将硬件电路设计与软件设计结合起来考件设计时,如果能够将硬件电路设计与软件设计结合起来考虑效果会更好。因为当有些问题在硬件电路中无法完成时,虑效果会更好。因为当有些问题在硬件电路中无法完成时,可直接由软件来完成(如某些软件滤波、校准功能等);当可直接由软件来完成(如某些软件滤波、校准功能等);当软件编写程序很麻烦的时候,通过稍稍改动硬件电路(或尽软件编写程序很麻烦的时候,通过稍稍改动硬件电路(或尽可能不改动)可能会使软件变得十分简单。另外在一些要求可能不改动)可能会使软件变得十分简单。另外在一些要求56系统实时性强、响应速度快的场合,则往往必须用硬件代替软系统实时性强、响应速度快的场
6、合,则往往必须用硬件代替软件来完成某些功能。所以在硬件电路设计时,最好能够与软件件来完成某些功能。所以在硬件电路设计时,最好能够与软件的设计结合起来,统一考虑,合理地安排软、硬件的比例,使的设计结合起来,统一考虑,合理地安排软、硬件的比例,使系统具有最佳的性价比。当硬件电路设计完成后,就可进行硬系统具有最佳的性价比。当硬件电路设计完成后,就可进行硬件电路板的绘制和焊接工作了。件电路板的绘制和焊接工作了。 接下来的工作就是软件设计。正确的编程方法就是根据需求接下来的工作就是软件设计。正确的编程方法就是根据需求分析,先绘制出软件的流程图,该环节十分重要。流程图的绘分析,先绘制出软件的流程图,该环节
7、十分重要。流程图的绘制往往不能一次成功,通常需要进行多次的修改。流程图的绘制往往不能一次成功,通常需要进行多次的修改。流程图的绘制可按照由简到繁的方式再逐步细化,先绘制系统大体上需要制可按照由简到繁的方式再逐步细化,先绘制系统大体上需要执行的程序模块,然后将这些模块按照要求组合在一起,在大执行的程序模块,然后将这些模块按照要求组合在一起,在大方向没有问题后,再将每个模块进行细化,最后形成软件流程方向没有问题后,再将每个模块进行细化,最后形成软件流程67图,这样程序的编写速度就会很快,同时程序流程图还会为图,这样程序的编写速度就会很快,同时程序流程图还会为后面的调试工作带来很多方便,如程序调试中
8、某个模块不正后面的调试工作带来很多方便,如程序调试中某个模块不正常,就可以通过流程图来查找问题的原因。软件编写者一定常,就可以通过流程图来查找问题的原因。软件编写者一定要克服不绘制流程图直接在计算机上编写程序的习惯。要克服不绘制流程图直接在计算机上编写程序的习惯。 设计者也可以先使用虚拟仿真开发工具来进行单片机系统设计者也可以先使用虚拟仿真开发工具来进行单片机系统的仿真设计。使用完成的单片机系统设计与用户样机在硬件的仿真设计。使用完成的单片机系统设计与用户样机在硬件上无任何联系,这是一种完全用软件手段来对单片机硬件电上无任何联系,这是一种完全用软件手段来对单片机硬件电路和软件来进行设计、开发与
9、仿真调试的开发工具。如果一路和软件来进行设计、开发与仿真调试的开发工具。如果一个单片机的软硬件系统,先使用软件虚拟仿真工具进行系统个单片机的软硬件系统,先使用软件虚拟仿真工具进行系统设计并仿真调试通过,虽然还不能完全说设计并仿真调试通过,虽然还不能完全说78明实际系统就完全通过,但至少在逻辑上是行得通的。系统虚明实际系统就完全通过,但至少在逻辑上是行得通的。系统虚拟仿真通过后,再进行实际的软硬件设计与实现,可大大减少拟仿真通过后,再进行实际的软硬件设计与实现,可大大减少设计上所走的弯路,软件编写调试可与硬件设计同步进行,可设计上所走的弯路,软件编写调试可与硬件设计同步进行,可大大提高设计效率,
10、这也是目前世界上广泛流行的一种开发设大大提高设计效率,这也是目前世界上广泛流行的一种开发设计方法。计方法。()硬件与软件联合调试阶段()硬件与软件联合调试阶段 上述的软硬件系统虚拟设计仿真调试通过后,再使用硬件上述的软硬件系统虚拟设计仿真调试通过后,再使用硬件仿真开发工具(在线仿真器)与用户样机来进行实际调试,具仿真开发工具(在线仿真器)与用户样机来进行实际调试,具体的调试方法和过程,将在本章的后面进行介绍。体的调试方法和过程,将在本章的后面进行介绍。所有的软件和硬件电路全部调试通过,并不意味着单片机系统所有的软件和硬件电路全部调试通过,并不意味着单片机系统的设计成功,还需要通过实际运行来调整
11、系统的运行状的设计成功,还需要通过实际运行来调整系统的运行状89态,例如系统中的转换结果是否正确,如果不正确,是否要调态,例如系统中的转换结果是否正确,如果不正确,是否要调零和调整基准电压等。零和调整基准电压等。()资料与文件整理编制阶段()资料与文件整理编制阶段 当系统全部调试通过后,就进入资料与文件整理编制阶段。当系统全部调试通过后,就进入资料与文件整理编制阶段。资料与文件包括:任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、资料与文件包括:任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、性能测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料(流程性能测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料(流程图、子程序
12、使用说明、地址分配、程序清单)、硬件资料(电图、子程序使用说明、地址分配、程序清单)、硬件资料(电原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注意事项)。文件不仅是设计工作的结果,而且是以后使用、维意事项)。文件不仅是设计工作的结果,而且是以后使用、维修以及进一步再设计的依据。因此,一定要精心编写,描述清修以及进一步再设计的依据。因此,一定要精心编写,描述清楚,使数据及资料齐全。楚,使数据及资料齐全。 910 单片机应用系统设计单片机应用系统设计 本节介绍如何进行单片机应用系统的设计。主要从硬件设本节介绍如何进行单片机应用系统的设计
13、。主要从硬件设计和软件设计两个方面考虑。计和软件设计两个方面考虑。 硬件设计应考虑的问题硬件设计应考虑的问题 在硬件设计时,应重点首先考虑以下几个问题。在硬件设计时,应重点首先考虑以下几个问题。尽可能采用高集成度功能强的芯片尽可能采用高集成度功能强的芯片()单片机的选型。随着集成电路技术的飞速发展,单片机()单片机的选型。随着集成电路技术的飞速发展,单片机的集成度越来越高,许多外围部件都已集成在芯片内,有许的集成度越来越高,许多外围部件都已集成在芯片内,有许多单片机本身就是一个系统,这样可以省去许多外围部件的多单片机本身就是一个系统,这样可以省去许多外围部件的扩展工作,使设计工作大大简化。在第
14、章中,已经介绍扩展工作,使设计工作大大简化。在第章中,已经介绍1011了目前较为流行的各种单片机机型,用户可根据任务的需求,了目前较为流行的各种单片机机型,用户可根据任务的需求,选择合适的机型。例如,目前市场上较为流行的美国选择合适的机型。例如,目前市场上较为流行的美国 公司的公司的 位单片机,片内集成有通道、两路、两路电压比较器,内置位单片机,片内集成有通道、两路、两路电压比较器,内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和个通用口、电温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和个通用口、电源监测、看门狗、多种类型的串行总线(两个、)等。使用源监测、看门狗、多种类型的串行总线(两个、)等。使用片
15、片 位单片机,就构成了一个应用系统。再如,如果系统需要位单片机,就构成了一个应用系统。再如,如果系统需要较大的驱动能力和较强的抗干扰能力,可考虑选用单片机或较大的驱动能力和较强的抗干扰能力,可考虑选用单片机或单片机。单片机。()优先选用片内带有较大容量存储器的产品。例如,使用()优先选用片内带有较大容量存储器的产品。例如,使用公司的公司的 1112 系列产品,公司的(内有的存储器)等,可省去扩展片外程序系列产品,公司的(内有的存储器)等,可省去扩展片外程序存储器的工作,减少芯片数量,缩小系统的体积。存储器的工作,减少芯片数量,缩小系统的体积。()容量的考虑。大多数单片机片内的单元有限,当需增强
16、软()容量的考虑。大多数单片机片内的单元有限,当需增强软件数据处理功能时,往往觉得不足,这时可选用片内具有较大件数据处理功能时,往往觉得不足,这时可选用片内具有较大容量的单片机,例如。容量的单片机,例如。()对端口留有余地。在用户样机研制出来进行现场试用时,()对端口留有余地。在用户样机研制出来进行现场试用时,往往会发现一些被忽视的问题,而这些问题是不能单靠软件措往往会发现一些被忽视的问题,而这些问题是不能单靠软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集,就必须增加输入检测施来解决的。如有些新的信号需要采集,就必须增加输入检测端;有些物理量需要控制,就必须增加输出端。如果在端;有些物理量需要控制,
17、就必须增加输出端。如果在1213硬件设计之初就多设计留有一些端口,这些问题就会迎刃而解硬件设计之初就多设计留有一些端口,这些问题就会迎刃而解了。了。()预留和通道。与上述的端口同样的原因,留出一些和通道()预留和通道。与上述的端口同样的原因,留出一些和通道将来可能会解决大问题。将来可能会解决大问题。以软代硬以软代硬 原则上,只要软件能做到且能满足性能要求,就不用硬件。原则上,只要软件能做到且能满足性能要求,就不用硬件。硬件多了不但增加成本,而且系统故障率也会提高。以软件代硬件多了不但增加成本,而且系统故障率也会提高。以软件代硬件的实质,就是以时间换空间,软件执行过程需要消耗时间,硬件的实质,就
18、是以时间换空间,软件执行过程需要消耗时间,因此这种替代带来的问题是实时性下降。在实时性满足要求的因此这种替代带来的问题是实时性下降。在实时性满足要求的场合,以软代硬是合算的。场合,以软代硬是合算的。1314工艺设计工艺设计 工艺设计包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安工艺设计包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试、维修的方便。另外,硬件抗干扰措施(将在本章的装、调试、维修的方便。另外,硬件抗干扰措施(将在本章的后面介绍)也必须在硬件设计时一并考虑进去。后面介绍)也必须在硬件设计时一并考虑进去。 典型的单片机应用系统典型的单片机应用系统 典型的单片机应用系统框图如图所示。典
19、型的单片机应用系统框图如图所示。 典型的单片机应用系统主要由单片机基本部分、输入部分和典型的单片机应用系统主要由单片机基本部分、输入部分和输出部分组成。输出部分组成。()单片机基本部分()单片机基本部分 基本部分由单片机及其扩展的外设及芯片,如键盘、显示器、基本部分由单片机及其扩展的外设及芯片,如键盘、显示器、打印机、数据存储器、程序存储器以及数字等组成。打印机、数据存储器、程序存储器以及数字等组成。1415图图 单片机典型应用系统框图单片机典型应用系统框图 16()输入部分()输入部分 这是这是“测测”的部分,被的部分,被“测测”的信号类型有:数字量、模拟的信号类型有:数字量、模拟量和开关量
20、。模拟量输入检测的主要包括信号调理电路以及转量和开关量。模拟量输入检测的主要包括信号调理电路以及转换器。转换器中都集成了包括多路切换、采样保持、转换等电换器。转换器中都集成了包括多路切换、采样保持、转换等电路,转换器或者直接集成在单片机片内。路,转换器或者直接集成在单片机片内。 连接传感器与转换器之间的桥梁是信号调理电路,传感器输连接传感器与转换器之间的桥梁是信号调理电路,传感器输出的模拟信号要经过信号调理电路对信号进行放大、滤波、隔出的模拟信号要经过信号调理电路对信号进行放大、滤波、隔离、量程调整等,变换成适合转换的电压信号。信号放大通常离、量程调整等,变换成适合转换的电压信号。信号放大通常
21、由单片式仪表放大器承担。仪表放大器对信号进行放大比普通由单片式仪表放大器承担。仪表放大器对信号进行放大比普通运算放大器具有更优异的性能。如何根据不同的传感器运算放大器具有更优异的性能。如何根据不同的传感器1617正确地选择仪表放大器来进行信号调理电路的设计,请读者参正确地选择仪表放大器来进行信号调理电路的设计,请读者参阅有关资料和文献。阅有关资料和文献。()输出部分()输出部分 这部分是应用系统这部分是应用系统“控控”的部分,包括数字量、开关量控制信的部分,包括数字量、开关量控制信号的输出和模拟量控制信号(常用于伺服控制)的输出。号的输出和模拟量控制信号(常用于伺服控制)的输出。 系统设计中的
22、总线驱动系统设计中的总线驱动 一个单片机应用系统有时往往是多芯片系统,如何实现单片一个单片机应用系统有时往往是多芯片系统,如何实现单片机对多片芯片的驱动的问题。机对多片芯片的驱动的问题。1718 在单片机扩展多片芯片时,要注意单片机个并行双向口在单片机扩展多片芯片时,要注意单片机个并行双向口的口的驱动能力。下面首先讨论这个问题。的口的驱动能力。下面首先讨论这个问题。 的、口通常作为总线端口,当系统扩展的芯片较多时,可的、口通常作为总线端口,当系统扩展的芯片较多时,可能造成负载过重,致使驱动能力不够,系统不能可靠地工作,能造成负载过重,致使驱动能力不够,系统不能可靠地工作,所以通常要附加总线驱动
23、器或其他驱动电路。因此在多芯片所以通常要附加总线驱动器或其他驱动电路。因此在多芯片应用系统设计中首先要估计总线的负载情况,以确定是否需应用系统设计中首先要估计总线的负载情况,以确定是否需要对总线的驱动能力进行扩展。要对总线的驱动能力进行扩展。 图为单片机总线驱动扩展原理图。口需要单向驱动,常见图为单片机总线驱动扩展原理图。口需要单向驱动,常见的单向总线驱动器为。的单向总线驱动器为。 1819图图 单片机总线驱动扩展原理图单片机总线驱动扩展原理图 20 图为引脚图和逻辑图。个三态驱动器分成两组,分别由图为引脚图和逻辑图。个三态驱动器分成两组,分别由*和和*控制。控制。 口作为数据总线,是双向传输
24、,驱动器应为双向驱动、三态口作为数据总线,是双向传输,驱动器应为双向驱动、三态输出,并由两个控制端来控制数据传送方向。如图所示,数据输出,并由两个控制端来控制数据传送方向。如图所示,数据输出允许控制端有效时,数据总线输入为高阻态,输出为开通输出允许控制端有效时,数据总线输入为高阻态,输出为开通状态;数据输入允许控制端有效时,则状态与上相反。常见的状态;数据输入允许控制端有效时,则状态与上相反。常见的双向驱动器为,图为其引脚和逻辑图。个三态门中每两个三态双向驱动器为,图为其引脚和逻辑图。个三态门中每两个三态门组成一路双向驱动。驱动方向由门组成一路双向驱动。驱动方向由* 、两个控制端控制驱动器、两
25、个控制端控制驱动器有效或高阻态,在控制端有效(有效或高阻态,在控制端有效(*)时,控制端控制驱动器的驱)时,控制端控制驱动器的驱动方向,时驱动方向为从至,时则相反。动方向,时驱动方向为从至,时则相反。 202121图图 单向驱动器引脚图和逻辑图单向驱动器引脚图和逻辑图 22图图 的引脚图和逻辑图的引脚图和逻辑图23 图所示为单片机应用系统总线驱动扩展电路图。口的双向图所示为单片机应用系统总线驱动扩展电路图。口的双向驱动采用,如图()所示;口的单向驱动器采用,如图()所驱动采用,如图()所示;口的单向驱动器采用,如图()所示。口的双向驱动器的示。口的双向驱动器的*接地,保证芯片一直处于工作状态,
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