電子設(shè)計競賽單片機應(yīng)用

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單片機系統(tǒng)應(yīng)用指導(dǎo),B,T,R,電子設(shè)計競賽,單片機系統(tǒng)應(yīng)用指導(dǎo),浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 阮秉濤,2008,年,7,月,一、,概述,單片機屬于超大規(guī)模集成電路，單片機系統(tǒng)在時鐘脈沖作用下，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，利用單片機可以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，使用也很方便、靈活其缺點是由于程序的執(zhí)行是按節(jié)拍進行，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)行時間增加，系統(tǒng)速度下降因此，單片機只適合工作速度要求不高，但需要對信息作相對復(fù)雜處理的場合使用另外，單片機的應(yīng)用還需要有相應(yīng)的軟件開發(fā)平臺支撐單片機系統(tǒng)特點,在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，幾乎所有競賽題的設(shè)計都會用到單片機系統(tǒng)；,依據(jù)單片機系統(tǒng)在設(shè)計中的作用和地位，有三種可能的情況：,二、單片機系統(tǒng)在競賽題中應(yīng)用,很多賽題以單片機系統(tǒng)為核心進行設(shè)計，主要功能由單片機系統(tǒng)完成，如：,測量類的“簡易邏輯分析儀”、“數(shù)字式工頻有效值多用表”等；,數(shù)據(jù)采集類的“數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)”、“多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”等；,控制類的“懸掛運動控制系統(tǒng)”、“簡易智能電動車”等。

電源類的“簡易數(shù)控直流電源設(shè)計”、“數(shù)控直流電流源設(shè)計”等在這類賽題中，單片機系統(tǒng)完成的主要功能有：,信號的采集、輸入控制；,信號的存儲、運算、分析、判斷；,信號的輸出控制；,人機交互功能；,多機通訊功能等有些賽題需要單片機系統(tǒng)與專用芯片或可編程器件結(jié)合，完成設(shè)計要求，如：,信號源類的“正弦信號發(fā)生器設(shè)計”、“實用信號源設(shè)計”等；,無線電類的“調(diào)頻收音機設(shè)計”、“單工無線呼叫系統(tǒng)設(shè)計”等；,測量類的“簡易數(shù)字儲存示波器”、“簡易數(shù)字頻率計”等電源類的“三相正弦波變頻電源設(shè)計”、“開關(guān)穩(wěn)壓電源”等在這類賽題中，單片機系統(tǒng)完成的主要功能有：,信號的輸入、輸出輔助控制；,信號的存儲；,人機交互功能；,多機通訊功能等；,信號的處理過程由專用芯片或可編程器件完成還有少量的賽題單片機系統(tǒng)僅起一個輔助作用，主要功能由純硬件電路完成，如：,放大器類的“測量放大器設(shè)計”、“實用低頻功率放大器設(shè)計”等在這類賽題中，單片機系統(tǒng)完成的主要功能有：,信號的輔助控制；,人機交互功能；,主要功能由純硬件電路完成單片機系統(tǒng)是一個軟、硬結(jié)合的系統(tǒng)，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)既有硬件設(shè)計任務(wù)，也有軟件設(shè)計任務(wù)因此，在進行系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計之前，首先要對系統(tǒng)功能進行軟、硬件劃分；,單片機系統(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；由軟件來完成某些功能，可降低硬件成本、簡化電路，提高系統(tǒng)可靠性；,可根據(jù)系統(tǒng)的運行速度、成本、可靠性和研制周期等要求來確定軟、硬件功能的劃分。

三、單片機,系統(tǒng)功能劃分,根據(jù)運行速度要求,在絕大多數(shù)單片機系統(tǒng)中，劃分軟、硬件功能往往是由系統(tǒng)的運行速度決定；,例如，單片機的時鐘頻率一般在,6,12MHz,左右，執(zhí)行一條指令至少需要,1s,，而完成任何一項工作需要若干條指令，因此比數(shù)字邏輯電路,(,無論是組合電路還是時序電路,),都慢得多；,如果某一任務(wù)的執(zhí)行時間要求少于,10s,，就必須采用硬件電路實現(xiàn)否則，如采用確能完成此項任務(wù)的高速單片機系統(tǒng)，則會造成浪費根據(jù)成本要求,單片機系統(tǒng)研的制費用包括硬件和軟件費用，軟件的費用不僅是設(shè)計師所花費的腦力勞動，還有各種調(diào)試工具、消耗品的費用；,軟件費用的特點是研制費用昂貴，復(fù)制費用低廉；,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，這會增加軟件研制費用；,直接利用已成熟原理或軟件來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好辦法；,在一些特殊場合，如軍用及各種惡劣環(huán)境中，往往采用硬件冗余線路來提高系統(tǒng)可靠性根據(jù)研制周期要求,為了加快單片機系統(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完成系統(tǒng)的功能，而不必拘泥于前面所述細節(jié)。

單片機系統(tǒng)組成,單片機系統(tǒng),基本系統(tǒng),（信號處理）,通道接口,（信號傳輸）,最小系統(tǒng),基本系統(tǒng)擴展,前向通道,后向通道,人機通道,相互通道,四、單片機,系統(tǒng),硬件設(shè)計,MCS,51,系列,單片機由8個部件組成,：,微處理器(ALU)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM/EPROM)、I/O口(P0P3)、串行口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器(SFR)了解單片機的主要應(yīng)用特性,片內(nèi)結(jié)構(gòu),存儲空間,存儲空間,（內(nèi)部、外部）,程序存儲器空間,數(shù)據(jù)存儲器空間,I/O,空間,MCS,51,系列單片機有三維存儲空間：,程序存儲器空間：使用,MOVC A,，,A,DPTR,等指令；,內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間：使用,MOV A,，,DIRECT,等指令；,外部數(shù)據(jù)存儲器和,I/O,空間：使用,MOVX A,，,DPTR,等指令時序是指信號變化的先后關(guān)系和時間要求；,在進行單片機系統(tǒng)擴展時，主要要解決的問題就是接口的時序配合問題；,時序圖中給出的主要參數(shù)有：地址建立時間,tSA,，地址保持時間,tHA,，數(shù)據(jù)建立時間,tSD,，數(shù)據(jù)保持時間,tHD,，讀信號脈沖寬度,tRD,和寫信號脈沖寬度,tWR,等。

外部存儲器讀寫時序,掌握單片機系統(tǒng)接口技術(shù),當(dāng)單片機片內(nèi)集成的功能單元不能滿足應(yīng)用需要時就必須進行基本系統(tǒng)擴展；,擴展,的內(nèi)容,包括程序存儲器(ROM/EPROM)擴展、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)擴展、輸入/輸出口(I/O口)擴展、定時/計數(shù)器,(,T/C),擴展、中斷系統(tǒng)擴展及其他特殊功能擴展,；,擴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,擴展的途徑是通過單片機的并行總線、串行總線或,I/O,口進行擴展概述,接口的功能,接口是CPU與外界連接的電路部分，是CPU與外界進行信息交換的中轉(zhuǎn)站,；,單片機外圍擴展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，因此擴展電路及擴展方法都較為典型、規(guī)范；,但也有一些外設(shè)不能直接與,CPU,相連，必須通過接口電路使,CPU,與外設(shè)之間達到最佳耦合與匹配；,接口一般有如下功能：數(shù)據(jù)緩沖功能、設(shè)備選擇功能和信號轉(zhuǎn)換功能信號鎖存與緩沖,信號的鎖存與緩沖的目的是解決主機高速與外設(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鎖存起來，,等待外設(shè)讀取；,緩沖器的作用是在需要時通過,選通信號來,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),D,D,D,CLK,EN,地址譯碼,單片機系統(tǒng)中通過并行總線擴展的芯片有多種，同一種芯片也可能有多片，而,CPU,在同一時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擴展芯片進行尋址，只有被選中的芯片或單元才能與,CPU,進行數(shù)據(jù)交換或通信,譯碼電路直接確定了每個芯片在單片機訪問時的唯一編號,(,接口地址,),；,單片機系統(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，直接利用單片機地址總線的高位輸出作片選信號的地址譯碼方式；,直接譯碼,電路的連接較為簡單，但許多地址空間因可能使兩片以上外設(shè)同時被選中而不能使用，存儲空間浪費嚴(yán)重；,一般用在需要譯碼信號不多的場合直接譯碼,8K RAM,(1),CS,8K RAM,(2),CS,8K RAM,(3),CS,A12,A0,A15,A14,A13,是指利用譯碼器進行地址譯碼的方式；,例如,A15,A13,經(jīng),3/8,譯碼器譯碼，可產(chǎn)生,8,個地址連續(xù)的片選信號當(dāng)需要更多的片選信號時，可采用級聯(lián)擴展技術(shù)；,譯碼器譯碼可獲得幾個地址連續(xù)、大小一樣的片選信號；級聯(lián)擴展譯碼則可產(chǎn)生更多片選信號，各級之間片選信號對應(yīng)地址范圍大小不同。

譯碼器,譯碼,A15,A14,A13,CS0,CS7,C Y0,B,A,3/8,譯碼器,(1),EN Y7,C Y0,B,A,3/8,譯碼器,(2),EN Y7,A12,A11,A10,CS5,CS8,CS15,是一種譯碼范圍與實際需要完全一致的譯碼方式，又有固定式和開關(guān)式兩種；,完全地址譯碼有較高的存儲空間利用率，開關(guān)式譯碼電路可根據(jù)需要調(diào)整接口地址，防止地址沖突，但電路相對復(fù)雜，一般用于計算機電路完全地址譯碼,A9,.,.,A3,A2,A1,A0,CS,&,1,1,Vcc,A9,.,.,A2,1,0,1,0,CS,P7,.COMP,.,P0,Q7 P=Q,Q6,Q5,Q4,Q3,Q2,Q1,Q0,由于擴展芯片所能提供的狀態(tài)信號和它所需要的控制信號往往與單片機的總線信號不兼容，所以信號轉(zhuǎn)換不可避免；,信號轉(zhuǎn)換包括,CPU,信號與外設(shè)信號的邏輯關(guān)系上、時序配合上、以及電平匹配上的轉(zhuǎn)換；,信號的轉(zhuǎn)換可以通過組合邏輯電路和時序邏輯電路來實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換,單片機最小系統(tǒng)是指能使系統(tǒng)運行的最小配置電路；,大多數(shù)單片機芯片內(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,單片機基本系統(tǒng)擴展,在單片機系統(tǒng)中，常用的擴展芯片主要有程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、,I/O,口，以及其他專用功能芯片如定時,/,計數(shù)器、中斷控制器、通信控制器等,。

典型單片機,基本,系統(tǒng),擴展如圖所示該系統(tǒng)中除了包括必需的時鐘電路和復(fù)位電路以外，還擴充了一片,2764,作為外部程序存儲器，一片,6264,作為外部數(shù)據(jù)存儲器，一片,2864,作為掉電保持的外部數(shù)據(jù)存儲器以及用,74LS245,和,74LS273,擴展的簡單,I/O,口,單片機系統(tǒng)通道設(shè)計,前向通道是被測對象信號輸出到單片機,CPU,信號輸入的通道，其結(jié)構(gòu)形式取決于被測對象的環(huán)境和輸出信號的類型、數(shù)量、大小等；,對于模擬量信號，應(yīng)將小信號放大到能滿足,A/D,轉(zhuǎn)換、,V/F,轉(zhuǎn)換要求的輸入電壓；,對于頻率信號和開關(guān)信號，能滿足,TTL,電平要求時可直接接入單片機的,I/O,口、擴展,I/O,口或中斷入口，否則也應(yīng)通過放大、整形變換成,TTL,電平的方波信號后再送入單片機系統(tǒng)前向通道設(shè)計,對于頻率量和開關(guān)量,單片機系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的輸入口線，例如用單片機芯片提供的,I/O,口，或通過緩沖器,74LS245,、可編程,I/O,擴展芯片,8255,、,8155,等提供擴展,I/O,口對于模擬量,一般考慮用,A/D,轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；,根據(jù)應(yīng)用場合不同，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,后向通道是單片機實施控制運算處理后，對控制對象的輸出通道接口；,單片機輸出的數(shù)字信號形態(tài)主要有開關(guān)量、二進制數(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)；,對于模擬量控制系統(tǒng)，應(yīng)通過數(shù),/,模轉(zhuǎn)換輸出模擬量控制信號開關(guān)量、二進制數(shù)字量和頻率量,單片機系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的輸出口線，例如用單片機芯片提供的,I/O,口，或通過鎖存器,74LS273,、可編程,I/O,擴展芯片,8255,、,8155,等提供擴展,I/O,口對于模擬量,一般考慮用,D/A,轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換；,根據(jù)應(yīng)用場合不同，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）人機通道設(shè)計,人機通道有人機對話功能，它包括人對應(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)向人報告運行狀態(tài)與運行結(jié)果。