单片机应用系统的调试课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单片机应用系统的调试,单片机原理与应用,1.,单片机硬件电路的组成,单片机的硬件主要由单片机的最小系统及相关的功能模块组成，最小系统包括单片机、程序存储器、数据存储器、晶振电路、复位电路、电源及,I/O,接口等各部分；各功能模块的多少要视具体的系统而定，常用的功能模块有：用于对单片机本身进行控制的人机通道模块，它包括键盘输入模块、显示器模块及打印机模块等，用于与测控对象进行信息交流的输入输出通道，它包括用于采样的传感器模块和,A/D,转换模块、用于完成控制任务的,D/A,转换模块和执行机构模块，另外还有用于与它计算机系统交换信息的通信接口模块等。,2.,单片机硬件电路设计的一般原则,1.1,硬件电路的组成及设计原则,硬件电路的设计应在满足系统功能要求的前提下，追求尽可能高的配置,/,应用比，当然在考虑到二次开发的方便，可以在系统硬件资源的利用上留有一定的余地，如目前,EPROM,容量越来越大，一般选用,2764,以上的,EPROM,，它们都是,28,脚，以后要扩容就很方便。,8031,内部,RAM,不多，当要增加软件数据处理功能时，往往觉得,RAM,容量不足，这就要求系统配置外部,RAM,，如,6264,、,62256,等。,优先选择自己熟悉的机型，同时兼顾单片机性能及技术的发展情况。,尽可能地选用典型的电路，为单片机系统的标准化、模块化设计打下良好的基础。,设计中要兼顾硬、软件功能的合理使用。单片机和数字电路本质的区别，就是它具有功能较强的软件系统，在系统硬件的设计过程中要考虑相应软件的编写和程序运行效率等问题。某些功能可以用软件实现，如可以用软件中断来代替硬件中断、用软件滤波来代替硬件滤波等。硬件多了不但增加成本，而且也会提高系统的故障率，因此在系统工作速度能满足测控对象要求的前提下，以软代硬的设计思想是值得提倡的。,工艺设计：包括机箱、面板、配线、接插件等。设计中必须考虑到安装、调试、维修的方便。另外，硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。,1.2,单片机应用系统的可靠性设计,随着单片机的应用深入到各个领域，对单片机应用系统的可靠性也提出了越来越高的要求。特别是对于工业控制、交通管理等实时控制系统来说，最基本最重要的指标是系统的可靠性。因为这些系统一旦出现故障，将可能造成严重的后果。单片机应用系统的可靠性通常是指在规定的条件下（如温度、振动、电磁干扰等）及规定的时间内单片机应完成规定功能的能力。提高系统可靠性的主要措施有：,精选元器件，提高元器件的质量。,采用抗干扰措施，提高系统对恶劣环境的适应能力。,采用容错技术，使系统能及时地自动地恢复或发出报警。,采用冗余技术，以确保系统的正常运行。,下面从硬、软件两个角度来简要介绍一下系统的可靠性设计的相关内容。,1.,硬件可靠性设计,硬件可靠性设计主要从以下几个方面去进行：,（,1,）提高元器件的可靠性,精选元器件，选用合格的电子元件，并进行严格的测试、筛选和老化处理。,选用优质的接插件，设计合理的工艺结构。,设计系统技术参数时（如负载能力）要留有一定的余地。,提高印刷电路板和系统组装的质量。,（,2,）硬件抗干扰措施,用于工业过程控制的单片机应用系统，由于其工作环境较为恶劣、易受干扰，从而影响系统的可靠性和正确性，甚至使得系统控制失灵，故在系统设计中必须考虑抗干扰方面的设计。常用的硬件抗干扰措施有：,电源抗干扰技术。电源本身就是单片机系统中一个主要的干扰源。一方面电网电压和频率的波动会引入一些干扰信号；另一方面在单片机控制系统中，大量的数字信号是工作在高频状态下的，这又很容易诱发电源内部的干扰信号；同时电源也是系统内各种干扰成分相互耦合的一个重要途径，因此消除因电源而带来的干扰也是消除单片机系统干扰的一个主要方面。,要消除因电源而带来的干扰，首先要选择一个纹波小，稳压性能好且高频特性良好的电源电路。,配备合适的接地系统。常用的接地类型有：数字地、模拟地、机壳地、屏蔽地；对于工作频率小于,1MHz,单片机系统电路可采用单点接地技术，对频率大于,10MHz,单片机系统电路则宜采用多点接地技术。,安装滤波器。对电网中的高次谐波成份可安装低通滤波器，对系统中的分布电容、电感，一方面可尽量避免走平行线，另一方面要尽量缩短走线距离。,接入去耦电容。在电路中接入一些去耦电容可减少因电源耦合的干扰。常用的方法是在电源输入端跨接,10,100F,的电解电容，也可以在电路中适当的位置对地间接入,0.01F,的陶瓷电容器。如遇印刷电路板空隙小装不下时，可每,4,10,个芯片安装一个,1,10F,的限噪声电容器，这种电容器的高频阻抗特别小，在,500KHz,20MHz,范围内的阻抗小于,1,，而且漏电流很小（,0.5A,以下）。,（,3,）,I/O,通道中接入干扰的抑制措施,I/O,通道是连接单片机和外部设备之间的一个桥梁，也是引入干扰的一个重要途径。抑制,I/O,通道中干扰的主要措施有：隔离技术、双绞线传输及阻抗匹配等。,隔离技术。目前常用的方法是对,A/D,、,D/A,变换前后的模拟信号进行隔离。方案之一，是采用隔离型放大器来完成对模拟信号的隔离。但所选用的隔离型放大器必须满足,A/D,、,D/A,变换精度和线性度的要求，故这种方法对隔离型放大器的精度要求较高，由此带来的问题是成本的提高；方案之二，在,I/O,接口与,A/D,、,D/A,转换器之间进行隔离，也就是俗称数字隔离。,常用的方法是在,I/O,接口与,A/D,、,D/A,之间增设锁存器，对,I/O,信号进行隔离，换言之，无论是单片机输入信号还是输出信号均须经过锁存器才能与外设接通，锁存器在这里起到了隔离的作用，这种方法的优点是方便、可靠、廉价且不影响,A/D,、,D/A,转换的精度和线性度，最大的缺点是工作速度较低；方案之三，在,I/O,接口与,A/D,、,D/A,之间接入廉价的光电耦合隔离器件，这种方式的隔离效果较好，是一种应用较为广泛的隔离方法，其最大转换速度约为每秒,3000,5000,个点，对于一般的工业测控对象（如温度、湿度、压力等）已能满足要求。,远距离传输时引入干扰的抑制。现代控制系统中，被测控的对象与单片机控制系统之间往往有较长的距离，要克服由于远距离传输带来的电磁场干扰主要可从以下几个方面采取措施：首先一定要把模拟信号线、数字信号线以及电源线分开，尽量避免并行敷设，若无法分开时也要保持一定的距离；其次信号线要尽量采用双绞线或屏蔽线，而且一定要把屏蔽层良好地接地；第三，信号线的敷设要尽量远离大功率的设备、大容量的变压器，以防止电磁干扰的侵入；第四，对长距离传输线，为了减少信号失真，还要注意阻抗的匹配问题；在总线传输系统中，为了把单片机系统与现场隔离，以抑制干扰的影响，也可采用光电隔离的,I/O,接口技术。,WatchDog,电路。在单片机系统程序的执行过程中，经常会由于各种干扰因素而导致单片机的“死机”现象，直接按下系统的复位按钮是最简单的克服“死机”的方法；但对于无人在现场的场合，“看门狗”技术为克服这种现象提供了强有力的手段。,WatchDog,（看门狗）电路的核心器件是一个计数器，当单片机处于正常工作状态下时，单片机会定时地对计数器发出清零命令，从而使计数器始终不会计满，也就没有复位脉冲输出，保证单片机不会进入复位状态。,当单片机处于非正常工作状态下时，单片机对计数器的清零命令也同时消失了，于是计数器计满后会向单片机的复位端发出一个复位脉冲，使得单片机进入复位状态，从而克服了“死机”现象。通常为计数器设置的延时时间为,10ms,左右。,（,4,）其他的抗干扰措施,掉电保护措施。除上面讲到的单片机系统外部的抗干扰措施外，在单片机内部也可以采取一些抗干扰措施。采用掉电保护措施可避免因突然掉电而使单片机系统工作数据的丢失。通常可用锂电池作为系统,RAM,的掉电保护备用电源。,软件抗干扰措施。软件抗干扰是单片机系统自身的防御措施，这点将在后面再作介绍。,采用设备冗余技术。对某些特别重要的场合，可采用两套设备同时投入，一套处于正常工作状态，另一套处于备用工作状态。当前一套设备发行故障时，第二套设备自动地投入运行，从而保证系统的可靠工作。,2.,软件可靠性设计,软件可靠性设计主要内容有软件滤波、软件陷阱和软件信息冗余。单片机系统在噪声环境中运行时，除了采用合适的硬件抗干扰措施外，还可以利用软件的方法来增强系统的抗干扰能力。软件抗干扰的方法很多，本节叙述数字滤波技术及,CPU,的抗干扰方法。,（,1,）数字滤波技术,所谓的数字滤波，就是通过一定的计算程序，对采样信号进行数据处理，以消除各种干扰信号的一种抗干扰方法。中值滤波、算术平均值滤波以及加权平均值滤波等都是常用的数字滤波方法，下面以中值滤波为例介绍数字滤波的实现方法。对于其他一些滤波方法请读者参阅有关书籍。,所谓中值滤波是对某一参数连续采样,n,次（通常使,n,3,5,），然后取出这,n,次采样的中间值作为本次采样的数据。中值滤波的作用是去掉由于偶然因素引起的数据波动。对变化速度较慢的被测信号中值滤波的效果是较好的，对快速变化的被测信号，不宜采用中值滤波方法。下面的程序是对,8,位,A/D,转换器的输出信号进行,5,次采样后的（,5,次采样的数据已存于单片机片内,RAM 70H,74H,单元中）数据取出中间值，然后将其存于单片机的累加器,A,中：,ORG 1000H,START,：,MOV R2,，,#70H,MOV R3,，,#71H,LOOP,：,ACALLSUB,INC R2,INC R3,CJNE R3,，,#75H,，,LOOP,MOV A,，,72H,LOP,：,SJMP LOP,SUB,：,MOVA,，,R2,MOV R0,，,A,MOV A,，,R3,MOV R1,，,A,MOV A,，,R0,SUB1,：,CLR C,SUBB A,，,R1,MOV A,，,R0,JC SUB2,XCH A,，,R1,MOV R0,，,A,SUB2,：,INC R1,CJNE R1,，,#75H,，,SUB1,RET,（,2,）,CPU,的抗干扰方法,软件陷阱。单片机程序是一步一步地顺序执行的，但有时也会出现这样的情况：当某条指令执行完后，程序计数器,PC,本应加,2,去执行下一条指令，但由于某种干扰因素使得程序计数器,PC,实际上加了,3,（或加,1,），这样将会造成其后程序的操作码和操作数的混淆，从而造成一系列的错误。为了防止这种情况发生，可以在软件中设立软件陷阱。软件陷阱是利用程序指令顺序执行的特点来捕获程序，并将程序自动地引向一个正确的执行序列中。,软件陷阱的具体做法是：在正常的程序中每隔一些指令（通常为十几条指令即可）连续写上,3,5,条,NOP,指令，这样当程序出现失控时，只要失控指令进入这些,NOP,指令组成的陷阱中，就会被捕获，在连续执行几个空操作后，就会使程序自动恢复正常序列。这种方法虽然浪费了一些存储单元和,CPU,的机时，但却可以防止程序出现“跑飞”现象。,用软件来实现,WatchDog,的功能。利用单片机本身的定时器，配上一定的程序也可以实现,WatchDog,的功能。当程序因某种原因处“死机”状态时，软件,WatchDog,也可以发出复位信号，从而使单片机复位，回到正常的工作状态。这种方法对于程序因在某处“死循环”而造成的“死机”现象是有效的。这种方法的缺点是要占用单片机内部的资源。,软件信息冗余技术。所谓信息冗余，就是在传输的有效信息上附加一些冗余信息，使系统具有检错、纠错能力。单片机系统中常用的信息冗余技术有：奇偶校验、累加和校验以及循环码校验。,奇偶校验方法是在一组传送信息代码上附加一位奇偶校验位，该奇偶校验位的值反映了传送信息代码的奇偶性，接收方通过对附加奇偶校验位的分析可以推知所传送信息的正确性。累加和校验是在传送一组传送信息后，再附加传送这一组信息的累加和，接收方通过对这一组累加和的分析，可以发现所传送数据中的错误,循环码校验是