片机应用系统设计与调试.ppt

第9章单片机应用系统设计与调试 9 1单片机应用系统设计9 1 1单片机应用系统设计步骤 1 需求分析 2 总体设计 3 系统硬件设计 4 系统软件设计 5 仿真调试 6 固化应用程序 脱机运行 7 文档的编制 9 1 2单片机应用系统硬件设计为使硬件设计尽可能合理 单片机应用系统的系统扩展与模块设计应遵循下列原则 1 尽可能选择典型电路 并符合单片机的常规使用方法 2 在充分满足系统功能要求的前提下 留有余地以便于二次开发 3 硬件结构设计应与软件设计方案一并考虑 4 整个系统相关器件要力求性能匹配 5 硬件上要有可靠性与抗干扰设计 6 充分考虑单片机的带载驱动能力 9 1 3单片机应用系统软件设计在进行应用系统的总体设计时 软件设计和硬件设计应统一考虑 相结合进行 当系统的电路设计定型后 软件的任务也就明确了 应用系统中的应用软件是根据功能要求设计的 应该能够可靠地实现系统的各种功能 1 易理解性 易维护性 2 实时性 3 可测试性 4 准确性 5 可靠性 9 1 3单片机应用系统软件设计设计人员在进行程序设计时应从以下几个方面加以考虑 1 根据软件功能要求 将系统软件分成若干个相对独立的部分 2 培养结构化程序设计风格 各功能程序实行模块化 子程序化 3 建立正确的数学模型 4 为提高软件设计的总体效率 以简明 直观的方法对任务进行描述 在编写应用软件之前 应绘制出程序流程图 9 1 3单片机应用系统软件设计设计人员在进行程序设计时应从以下几个方面加以考虑 5 要合理分配系统资源 包括ROM RAM 定时器 计数器 中断源等 其中最关键的是片内RAM分配 6 注意在程序的有关位置处写上功能注释 提高程序的可读性 7 加强软件抗干扰设计 它是提高计算机应用系统可靠性的有力措施 9 2单片机应用系统开发与调试9 2 1单片机应用系统的开发MSC 51单片机只是一个芯片 本身无自开发能力 编制 开发应用软件 对硬件电路进行诊断 调试 必须借助仿真开发工具模拟用户实际的单片机 并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中原有的数据性能和结果 从而进行模仿现场的真实调试 完成这一在线仿真工作的开发工具是单片机在线仿真器 一般也把仿真 开发工具称为仿真开发系统 1 仿真开发系统的功能 1 用户样机硬件电路的诊断和检查 2 用户样机程序的输入和修改 3 程序的运行 调试 单步运行 设置断点运行 排错 状态查询等功能 4 将程序固化到EPROM芯片中 1 仿真开发系统的功能开发系统都必须具备上述基本功能 但对于一个较完善的开发系统还应具备 1 有较全的开发软件 配有高级语言 如C语言等 开发环境 由开发系统编译连接生成目标文件 可执行文件 由丰富的子程序可供用户选择调用 2 跟踪调试 运行能力 2 仿真开发系统的种类 1 通用型单片机开发系统它采用国际上流行的独立型仿真结构 与任何具有RS 232C串行接口 或并行接口 计算机相连 即可构成单片机仿真开发系统 2 软件模拟开发系统这是一种完全依靠软件手段进行开发的系统 开发系统与用户系统在硬件上无任何联系 通常这种系统是由通用PC机加模拟开发软件构成 用户如果有通用计算机时 只需要配以相应的模拟开发软件即可 模拟调试软件功能很强 基本上包括了在线仿真器的单步 断点 跟踪 检查和修改等功能 模拟开发系统的最大缺点是不能进行硬件部分的诊断与实时在线仿真 3 普及型开发系统这种开发装置通常是采用相同类型的单片机做成单板机形式 所配置的监控程序可满足应用系统仿真调试的要求 是一种廉价的 能独立完成应用系统开发任务的普及型单板系统 系统中还必须配备有EPROM写入器和仿真头等 9 2 2单片机应用系统的调试1 应用系统联机前的静态调试硬件的静态调试包括 1 排除逻辑故障 2 排除元器件失效 3 排除电源故障 当设计者完成了绘图制板工作 进行联机仿真调试之前 应做好下述工作 1 在未焊上各元器件管座或元件之前 首先用眼睛或用万用表直接检查线路板各处是否有明显的断路 短路的地方 尤其是要注意电源是否短路 2 元器件在焊接过程中要逐一检查 例如二极管 三极管 电解电容的极性 电容的容量及耐压 元件的数值是否正确等 当设计者完成了绘图制板工作 进行联机仿真调试之前 应做好下述工作 3 管座 元件焊接完毕 还要仔细检查元件面各元件之间裸露部分有无相互接触现象 焊接面的各焊点间 焊点与近邻线有无连接 对布线密或未加阻焊处理的印制板更应注意检查这些可能造成短路的原因 4 完成上述检查后 先空载上电 未插芯片 检查线路板各管脚及插件上的电位是否正常 若一切正常 将芯片插入各管座 再通电检查各点电压是否达到要求 逻辑电平是否符合电路或器件的逻辑关系 2 联机仿真调试联机仿真调试的方案是 把整个应用系统按其功能分成若干模块 如系统扩展模块 输入模块 输出模块 A D模块等 针对不同的功能模块 编写一小段测试程序 并借助于万用表 示波器 逻辑笔等仪器来检查硬件电路的正确性 检查地址译码信号 对片选信号 运行下面的小程序就可以检测出译码片选信号是否正常 2 联机仿真调试MAIN MOVDPTR DPTR 将地址送入DPTRMOVXA DPTR 将译码地址指示片外RAM中的内容送入ACCNOP 适当延时SJMPMAIN 循环执行程序后 就可以利用示波器观察芯片的片选信号引出脚 用示波器扫描时间为1 s 档 这时应看到周期为数微秒的负脉冲波形 若看不到则说明译码信号有错误 9 3单片机应用系统的抗干扰技术干扰又被成为电噪声 噪声是指叠加于有用信号上 使原来有用信号发生畸变的变化电量 简称噪声 由于噪声在一定条件下影响和破坏单片机系统或设备正常工作 所以通常把具有危害性的噪声称为干扰 一旦在系统中出现了干扰 就会对测量通道产生影响 导致测量结果产生误差 甚至影响指令的正常执行 造成控制事故或控制失灵 严重的干扰 则会导致事故 造成重大损失 9 3单片机应用系统的抗干扰技术9 3 1干扰源介绍形成干扰的基本要素有三个 1 干扰源 2 传播路径 3 敏感器件 1 干扰的分类按噪声产生的原因分类 1 放电噪声 2 高频振荡嗓声 3 浪涌噪声 按传导方式分 可分为共模噪声和串模噪声 按波形分 可分为持续正弦波 脉冲电压 脉冲序列等等 2 干扰的耦合方式 1 直接耦合方式 2 公共阻抗耦合方式 3 电容耦合方式 4 电磁感应耦合方式 5 辐射耦合方式 6 漏电耦合方式 3 干扰的侵入途径环境对单片机测控系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的 干扰侵入单片机系统的途径主要有三种 1 空间干扰 2 电源干扰 3 传输通道干扰 4 干扰对单片机应用系统的影响影响应用系统可靠 安全运行的主要因素来自系统内部和外部的各种电磁干扰 以及系统结构设计 元器件安装 加工工艺和外部电磁环境条件等 这些因素对单片机系统造成的干扰后果主要表现在以下几个方面 1 测量数据误差加大 2 影响单片机RAM存储器和EEPROM等 3 控制系统失灵 4 程序运行失常 9 3 2硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术是单片机系统设计时首选的抗干扰措施 它能有效抑制干扰源 阻断干扰传输通道 1 屏蔽技术2 接地技术3 隔离技术与功率接口4 印制电路板抗干扰 9 3 2软件抗干扰技术软件抗干扰技术所研究的主要内容其一是采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声的影响 如数字滤波器技术 其二是由于干扰而使运行程序发生混乱 导致程序乱飞或陷人死循环时 采取使程序纳入正规的措施 如软件冗余 软件陷阱 看门狗 技术 这些方法可以用软件实现 也可以采用软件硬件相结合的方法实现 9 3 2软件抗干扰技术常用的软件抗干扰措施有 数字滤波方法 输入口信号重复检测方法 输出端口数据刷新方法 软件拦截技术 指令冗余 软件陷阱 看门狗 技术等 9 4单片机的在线编程技术9 4 1单片机在线编程介绍单片机的在线编程目前有两种实现方法 在系统可编程 ISP 在应用可编程 IAP 例如 ATMEL公司的单片机AT89S5x系列 PHILIPS公司的P89C51RX2xx系列 ST公司的 PSD32xx系列等单片机都能具备实现ISP功能 在线编程功能在单片机领域的应用成为了必然的趋势 9 4 2ISP技术ISP In SystemProgramming 在系统可编程 即不用脱离系统 就可以在电路板上的空白器件内编程写入最终用户代码 而不需要从电路板上取下器件 已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程 ISP技术是未来发展方向 对比传统的开发系统有以下优势 1 工程师在开发时彻底告别频繁拔插芯片的烦恼 避免频繁拔插损坏芯片 2 ISP技术可以加速产品的上市并降低开发成本 9 4 2ISP技术ISP In SystemProgramming 在系统可编程 即不用脱离系统 就可以在电路板上的空白器件内编程写入最终用户代码 而不需要从电路板上取下器件 已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程 ISP技术是未来发展方向 对比传统的开发系统有以下优势 3 ISP技术帮助工程师缩短从设计 生产到现场调试 简化生产流程并采用经证实更有效的方式进行现场升级和产品维护 大大提高了工作效率 4 在试验新品等经常需要用不同的程序调试芯片时 ISP技术尤为重要 实用 9 4 3AT89S51单片机ISP在线编程的实现AT89S51的Flash程序存储器可以通过串行编程方式进行程序的下载 此时需要使用它的ISP接口 AT89S51的ISP接口由RST 复位 SCK 时钟信号 MOSI 输入 MISO 输出 信号线和VCC 5V GND组成 其中信号线与AT89S51的引脚对应关系为RST RST 9 SCK P1 7 8 MOSI P1 5 6 MISO P1 6 7 MOSI是串行编程操作指令和程序代码的输入端 如图为ISP接口信号引脚定义图 PC机并行口硬件接口简介标准并行口有25个引脚 其中数据端口引脚为2 9 状态端口引脚为15 10 13 控制端口引脚1 14 16 17用于连接器件 其他引脚18 25是接地引脚GND 并行口工作在SPP模式下 PC机是通过对3个8位端口寄存器的读或写来实现对它们的控制 端口寄存器分别是 数据端口 地址0 x378 为D7 D0 对应引脚P9 P2 状态端口 地址0 x379 为S7 S3 对应引脚P11 P10 P12 P13 P15 控制端口 地址0 x37A 为C3 C0 对应引脚P17 P16 P14 P1 并行口与AT89S51单片机的硬件设计通过对并行口和编程时序的分析 可以设计AT89S51单片机的ISP下载线 下面对并行口与单片机的连线作一简单介绍 并行口P2引脚连接单片机的P1 5引脚 MOSI 并行口P15引脚连接单片机的P1 6引脚 MISO 并行口P5引脚连接单片机的P1 7引脚 SCK 并行口P16引脚连接单片机的RST引脚 如图9 21ISP下载电路所示 ISP下载线的软件设计在硬件设计的基础上 通过对ISP时序和串行编程指令的分析 可以采用VisualC 6 0进行编写串行编程的上位机程序 在这里对此不做过多介绍 请同学们自行查阅资料进行上位机程序的设计或在互联网上下载相关软件 本章结束 谢谢