微控制器系统设计第9讲(应用系统设计方法)

1、第第9章章 微机应用系统设计与应用实例微机应用系统设计与应用实例 v单片机以其成本低、功能强、简单易学、使用方便单片机以其成本低、功能强、简单易学、使用方便等独特的优势，在智能仪表、工业测控、数据采集、等独特的优势，在智能仪表、工业测控、数据采集、计算机通信等各个领域得到极为广泛的应用。单片计算机通信等各个领域得到极为广泛的应用。单片机应用系统从提出任务到正式投入运行的整个设计机应用系统从提出任务到正式投入运行的整个设计和调试过程，称为微机应用系统的开发。应用系统和调试过程，称为微机应用系统的开发。应用系统设计与开发是对所学习的单片机知识的综合应用。设计与开发是对所学习的单片机知识的综合应用。

2、在理解单片机软件和硬件的基础上把它们结合在一在理解单片机软件和硬件的基础上把它们结合在一起，构成一个实际电子应用系统，向智能现代电子起，构成一个实际电子应用系统，向智能现代电子系统发展。系统发展。 9.1 应用系统设计原则应用系统设计原则 v所谓应用系统，是指利用单片机作为微处理器所设计的能够所谓应用系统，是指利用单片机作为微处理器所设计的能够完成某种应用目的单片机控制系统（在调试过程中通常称作完成某种应用目的单片机控制系统（在调试过程中通常称作“目标系统目标系统”）。对于单片机应用系统的基本要求主要有以）。对于单片机应用系统的基本要求主要有以下几个方面。下几个方面。v（1 1）微机应用系统的

3、可靠性要高。）微机应用系统的可靠性要高。微机应用系统应用在各微机应用系统应用在各行各业，应用环境千差万别，功能各异，但无非是系统的测行各业，应用环境千差万别，功能各异，但无非是系统的测量与控制。因此为了保证工作有序的进行，高可靠性是微机量与控制。因此为了保证工作有序的进行，高可靠性是微机应用系统的设计的一个基本要求。如果可靠性不高，会造成应用系统的设计的一个基本要求。如果可靠性不高，会造成设备故障频发，甚至出现生产事故，对人身与财产安全造成设备故障频发，甚至出现生产事故，对人身与财产安全造成伤害，引起严重后果。伤害，引起严重后果。 v（2 2）系统操作便捷、维护方便。）系统操作便捷、维护方便。

4、系统操作灵活、系统操作灵活、便捷，维护方便是系统设计的基本要求。因此在进便捷，维护方便是系统设计的基本要求。因此在进行软硬件设计时，不但要考虑满足功能要求，还要行软硬件设计时，不但要考虑满足功能要求，还要考虑为操作人员提供良好的、简单实用的操作方法，考虑为操作人员提供良好的、简单实用的操作方法，减少对操作人员专业要求。同时设置保护电路，防减少对操作人员专业要求。同时设置保护电路，防止误操作对系统造成损坏。最好配置自检和诊断程止误操作对系统造成损坏。最好配置自检和诊断程序，能够实时提供系统的工作状态，并且对系统的序，能够实时提供系统的工作状态，并且对系统的布局布线要合理，便于操作人员的检查与维护

5、。布局布线要合理，便于操作人员的检查与维护。 v（3)3)系统通用性强、扩展性好。系统通用性强、扩展性好。一个微机测量控制系统，一般可以检测一个微机测量控制系统，一般可以检测和控制多个设备和不同的过程参数，但各个设备和控制对象的要求是不和控制多个设备和不同的过程参数，但各个设备和控制对象的要求是不同的，而且随着进一步的发展，控制设备可能要更新，控制对象也有增同的，而且随着进一步的发展，控制设备可能要更新，控制对象也有增减。设计系统时应考虑使其适应各种不同设备和各种不同控制对象，使减。设计系统时应考虑使其适应各种不同设备和各种不同控制对象，使系统不必作重大改动就能很快应用于新的控制对象，这要求系

6、统通用性系统不必作重大改动就能很快应用于新的控制对象，这要求系统通用性强，扩展性好。以便于设备的更新换代与快速升级。要使微机应用系统强，扩展性好。以便于设备的更新换代与快速升级。要使微机应用系统设计达到这样的要求，在设计时必须使系统硬件设计标准化，软件设计设计达到这样的要求，在设计时必须使系统硬件设计标准化，软件设计模块化，在作硬件设计时，尽量采用通用的系统结构总线，以便在需要模块化，在作硬件设计时，尽量采用通用的系统结构总线，以便在需要的时候扩充或者是扩展系统。接口部件最好采用通用的的时候扩充或者是扩展系统。接口部件最好采用通用的LSILSI接口芯片，接口芯片，在满足性能指标的前提下，尽量把

7、接口硬件部分的操作功能用软件来实在满足性能指标的前提下，尽量把接口硬件部分的操作功能用软件来实现，以减少系统的复杂程度。在进行微机应用系统软件设计的时候，采现，以减少系统的复杂程度。在进行微机应用系统软件设计的时候，采用模块化的设计，便于产品功能的升级。同时在进行系统设计时，各设用模块化的设计，便于产品功能的升级。同时在进行系统设计时，各设计指标应留一定的余量，设计系统要有一定的前瞻性，保证系统在一定计指标应留一定的余量，设计系统要有一定的前瞻性，保证系统在一定时间或范围的升级方便。时间或范围的升级方便。 v(4)系统设计周期要短，性价比要高。系统设计周期要短，性价比要高。单片机测控技单片机测

8、控技术发展迅速，各种新技术和产品不断出现，在满足术发展迅速，各种新技术和产品不断出现，在满足精度、速度和其它性能要求的前提下，应缩短设计精度、速度和其它性能要求的前提下，应缩短设计周期并尽可能采用性价低的元器件，以降低整个测周期并尽可能采用性价低的元器件，以降低整个测控系统的费用。控系统的费用。v上述几点是设计单片机系统时应考虑的基本要求，上述几点是设计单片机系统时应考虑的基本要求，其它如精度、速度、体积、重量及监控手段等，对其它如精度、速度、体积、重量及监控手段等，对不同的系统均有特定的要求，也必须予以足够的重不同的系统均有特定的要求，也必须予以足够的重视。视。 9.2 应用系统设计流程应用

9、系统设计流程 v单片机应用系统的设计过程包括总体设计、单片机应用系统的设计过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试、产品化等硬件设计、软件设计、在线调试、产品化等几个阶段，但它们不是绝对分开的，有时是几个阶段，但它们不是绝对分开的，有时是交叉进行的。图交叉进行的。图9.1 描述了单片机应用系统描述了单片机应用系统设计的一般过程。设计的一般过程。 9.2.1 总体设计 v单片机应用系统的总体方案的确定是进行系统设计最重要、单片机应用系统的总体方案的确定是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案的好坏直接影响整个应用系统的投最关键的一步。总体方案的好坏直接影响整个应用系统的投资成本、产品品

10、质和具体实施细则。资成本、产品品质和具体实施细则。v1 1确定功能技术指标确定功能技术指标v在着手进行系统设计之前，必须根据系统的应用场合、工作在着手进行系统设计之前，必须根据系统的应用场合、工作环境、具体用途提出合理的、详尽的功能技术指标，这是系环境、具体用途提出合理的、详尽的功能技术指标，这是系统设计的依据和出发点，也是决定产品前途的关键。所以必统设计的依据和出发点，也是决定产品前途的关键。所以必须认真做好这个工作。不管是老产品的改造还是新产品的设须认真做好这个工作。不管是老产品的改造还是新产品的设计，应对产品的可靠性、通用性、可维护性、先进性及成本计，应对产品的可靠性、通用性、可维护性、

11、先进性及成本等进行综合的考虑，参考国内外同类产品的有关资料，使确等进行综合的考虑，参考国内外同类产品的有关资料，使确定的技术指标合理而且符合有关标准。定的技术指标合理而且符合有关标准。 v2 2机型选择机型选择v选择单片机机型的出发点有以下几个方面。选择单片机机型的出发点有以下几个方面。v（1 1）市场货源。所选机型必须有稳定、充足的货）市场货源。所选机型必须有稳定、充足的货源。源。v（2 2）单片机性能。应根据系统的要求和各种单片）单片机性能。应根据系统的要求和各种单片机的性能，选择最容易实现产品技术指标的机型，机的性能，选择最容易实现产品技术指标的机型，而且能达到较高的性能价格比。而且能达

12、到较高的性能价格比。v（3 3）研制周期。在设计任务重、时间紧的情况下，）研制周期。在设计任务重、时间紧的情况下，还需要考虑对所选择的机型是否熟悉，是否能马上还需要考虑对所选择的机型是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是单片机的开发工具，性能优良的开发工具要因素是单片机的开发工具，性能优良的开发工具能加快系统设计的速度。能加快系统设计的速度。 v3 3器件选择器件选择v除了单片机以外，系统中还可能需要传感器、除了单片机以外，系统中还可能需要传感器、模拟电路、输入模拟电路、输入/ /输出电路、存储器以及键盘、输出电路、

13、存储器以及键盘、显示器等器件和设备，这些部件的选择应符显示器等器件和设备，这些部件的选择应符合系统的精度、速度和可靠性等方面的要求。合系统的精度、速度和可靠性等方面的要求。在总体设计阶段，应对市场情况有个大体的在总体设计阶段，应对市场情况有个大体的了解，对器件的选择提出具体规定。了解，对器件的选择提出具体规定。 v4 4硬件和软件的功能划分硬件和软件的功能划分v系统硬件的配置和软件的设计是紧密联系在一起的，而且在系统硬件的配置和软件的设计是紧密联系在一起的，而且在某些应用场合，硬件和软件具有一定的互换性。有些硬件电某些应用场合，硬件和软件具有一定的互换性。有些硬件电路的功能可用软件来实现，反之

14、亦然。例如：系统日历时钟路的功能可用软件来实现，反之亦然。例如：系统日历时钟的产生可以使用时钟电路（如的产生可以使用时钟电路（如5832 5832 芯片），也可以由定时芯片），也可以由定时器中断服务程序来控制时钟计数。多用硬件完成一些功能，器中断服务程序来控制时钟计数。多用硬件完成一些功能，可以提高工作速度，减少软件设计的工作量，但增加了硬件可以提高工作速度，减少软件设计的工作量，但增加了硬件成本；若用软件代替某些硬件的功能，可以节省硬件开支，成本；若用软件代替某些硬件的功能，可以节省硬件开支，但增加了软件的复杂性。由于软件是一次性投资，因此在一但增加了软件的复杂性。由于软件是一次性投资，因此

15、在一般情况下，如果所研制的产品生产批量比较大，则能够用软般情况下，如果所研制的产品生产批量比较大，则能够用软件实现的功能都由软件来完成，以便简化硬件结构、降低生件实现的功能都由软件来完成，以便简化硬件结构、降低生产成本。在总体设计时，必须权衡利弊，仔细划分好硬件和产成本。在总体设计时，必须权衡利弊，仔细划分好硬件和软件的功能。软件的功能。 9.2.2 硬件原理设计硬件原理设计 v所谓硬件电路的总体设计，即是为实现该项目全部功能所需所谓硬件电路的总体设计，即是为实现该项目全部功能所需要的所有硬件的电气连线原理图。为使硬件设计尽可能合理，要的所有硬件的电气连线原理图。为使硬件设计尽可能合理，根据经

16、验，系统的电路设计应注意以下几个方面。根据经验，系统的电路设计应注意以下几个方面。v（1 1）尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的）尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。成功率和结构的灵活性。v（2 2）在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高）在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高的电路或芯片。因为采用这种器件可能代替某一部分电路，的电路或芯片。因为采用这种器件可能代替某一部分电路，不仅元件数量、接插件和相互连线减少，体积减小，使系统不仅元件数量、接插件和相互连线减少，体积减小，使系统可靠性增加，而且成本往往比用多个元件实现的电路要低。可

17、靠性增加，而且成本往往比用多个元件实现的电路要低。v（3 3）注意选择通用性强、市场货源充足的器件，尤其对需）注意选择通用性强、市场货源充足的器件，尤其对需大批量生产的场合，更应注意这方面的问题。其优点是：一大批量生产的场合，更应注意这方面的问题。其优点是：一旦某种元器件无法获得，也能用其他元器件直接替换或对电旦某种元器件无法获得，也能用其他元器件直接替换或对电路稍做改动后用其他器件代替。路稍做改动后用其他器件代替。 v（4 4）在对中央控制单元、输入接口、输出接口、）在对中央控制单元、输入接口、输出接口、人机接口等分块进行设计时，采用的连接方式应选人机接口等分块进行设计时，采用的连接方式应选

18、用通用接口方式，在必要的情况下，选用已有的模用通用接口方式，在必要的情况下，选用已有的模板作为系统的一部分，尽管成本有些偏高，但会大板作为系统的一部分，尽管成本有些偏高，但会大大缩短研制周期，提高工作效率。当然，在有些特大缩短研制周期，提高工作效率。当然，在有些特殊情况和小系统的场合，用户必须自行设计接口，殊情况和小系统的场合，用户必须自行设计接口，定义连线方式。此时要注意接口协议，一旦接口方定义连线方式。此时要注意接口协议，一旦接口方式确定下来，各个模块的设计都应遵守该接口方式。式确定下来，各个模块的设计都应遵守该接口方式。 v（5 5）系统的扩展及各功能模块的设计在满足）系统的扩展及各功能

19、模块的设计在满足应用系统功能要求的基础上，应适当留有余应用系统功能要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。地，以备将来修改、扩展之需。v（6 6）设计时应尽可能多做些调研，采用最新）设计时应尽可能多做些调研，采用最新的技术。的技术。v（7 7）在电路设计时，要充分考虑应用系统各）在电路设计时，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力。部分的驱动能力。v（8 8）工艺设计时，包括机箱、面板、配线、）工艺设计时，包括机箱、面板、配线、接插件等，要充分考虑到安装、调试、维修接插件等，要充分考虑到安装、调试、维修的方便。的方便。 9.2.3 印刷电路板设计 v单片机应用系统的硬件单元电路设计选

20、定完单片机应用系统的硬件单元电路设计选定完成后，就可以运用电路板设计软件完成相应成后，就可以运用电路板设计软件完成相应的原理图（的原理图（.Sch.Sch）、印制板图（）、印制板图（.Pcb.Pcb）的制）的制作。可以采用的电路板图设计软件很多如作。可以采用的电路板图设计软件很多如PROTELPROTEL、CADCAD等。但现在大部分电子设计者采等。但现在大部分电子设计者采用用PROTELPROTEL软件辅助设计。首先开始电路原理软件辅助设计。首先开始电路原理图的绘制，图样要整洁美观大方，应正确标图的绘制，图样要整洁美观大方，应正确标注出各元件之间连接的网络名称，为下一步注出各元件之间连接的网

21、络名称，为下一步制作印制板图自动生成网络连接关系号作好制作印制板图自动生成网络连接关系号作好准备。其次根据原理图绘制印制电路板图，准备。其次根据原理图绘制印制电路板图，印制电路板一般分为印制电路板一般分为2 2层板、层板、4 4层板、层板、8 8层板，层板，层数越高板的造价越高。其中印制电路板布层数越高板的造价越高。其中印制电路板布线时要注意以下几点：线时要注意以下几点： v（1）印制电路板上每个）印制电路板上每个IC要并接一个要并接一个0.010.1 F高频电高频电容，以减小容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否

22、则，等于增大了电容的等效串联靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。布线时避免电阻，会影响滤波效果。布线时避免90折线，减少高频噪折线，减少高频噪声发射。声发射。v（2）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。v（3）用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分）用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为芯片布线也以此为原则。原则。v（4）单片机

23、和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在印制电路板边缘。干扰。大功率器件尽可能放在印制电路板边缘。v（5）整板设计完成后，要及时检查信号走线和连接是否正）整板设计完成后，要及时检查信号走线和连接是否正确符合设计标准，器件标注是否正确完整，同时一还要注意确符合设计标准，器件标注是否正确完整，同时一还要注意整体外观形象。整体外观形象。 9.2.4 软件程序设计 v单片机应用系统中软件的设计在很大程度上决定了系统的功单片机应用系统中软件的设计在很大程度上决定了系统的功能。软件的资源细分为系统理解部分、软件结构设计部分、能。软件

24、的资源细分为系统理解部分、软件结构设计部分、程序设计部分。程序设计部分。v（1）系统理解是指在开始设计软件前，熟悉硬件留给软件）系统理解是指在开始设计软件前，熟悉硬件留给软件的接口地址，的接口地址，I/O方式，确定存储空间的分配；应用系统面方式，确定存储空间的分配；应用系统面板控制开关、按键、显示的设置等。板控制开关、按键、显示的设置等。v（2）软件结构设计要结合单片机所完成的功能确定相应的）软件结构设计要结合单片机所完成的功能确定相应的模块程序。比如一般子程序、中断功能子程序的确定。确定模块程序。比如一般子程序、中断功能子程序的确定。确定模块程序运行的先后顺序，绘制程序整体流程图。模块程序运

25、行的先后顺序，绘制程序整体流程图。 v（3）程序设计和其他软件程序设计一样，首先要）程序设计和其他软件程序设计一样，首先要建立数学模型，选定数学算法，绘制具体程序的流建立数学模型，选定数学算法，绘制具体程序的流程图，做好程序接口说明。然后选定编程所用语言程图，做好程序接口说明。然后选定编程所用语言（汇编语言或（汇编语言或C语言）。以上程序编制时可以采用语言）。以上程序编制时可以采用WAVE, KeilC等集成编辑软件的软件模拟仿真功能等集成编辑软件的软件模拟仿真功能进行软件模拟调试。无误后通过编辑软件的汇编功进行软件模拟调试。无误后通过编辑软件的汇编功能转换成机器码，然后联机调试。能转换成机器

26、码，然后联机调试。 9.2.5 调试、运行与维护调试、运行与维护 v在完成目标系统样机的组装和软件设计之后，便进入系统的调试阶段。在完成目标系统样机的组装和软件设计之后，便进入系统的调试阶段。用户系统的调试步骤和方法是相同的，但具体细节则与所采用的开发系用户系统的调试步骤和方法是相同的，但具体细节则与所采用的开发系统以及目标系统所选用的单片机型号有关。统以及目标系统所选用的单片机型号有关。v系统调试的目的是查出系统中硬件设计与软件设计中存在的错误及可能系统调试的目的是查出系统中硬件设计与软件设计中存在的错误及可能出现的不协调的问题，以便修改设计，最终使系统能正确地工作。最好出现的不协调的问题，

27、以便修改设计，最终使系统能正确地工作。最好能在方案设计阶段就考虑到调试问题，如采用什么调试方法、使用何种能在方案设计阶段就考虑到调试问题，如采用什么调试方法、使用何种调试仪器等，以便在系统方案设计时将必要的调试方法综合到软、硬件调试仪器等，以便在系统方案设计时将必要的调试方法综合到软、硬件设计中，或提早做好调试准备工作。系统调试包括硬件调试、软件调试设计中，或提早做好调试准备工作。系统调试包括硬件调试、软件调试及软、硬件联调。根据调试环境不同，系统调试又分为模拟调试与现场及软、硬件联调。根据调试环境不同，系统调试又分为模拟调试与现场调试。各种调试所起的作用是不同的，它们所处的时间阶段也不一样，

28、调试。各种调试所起的作用是不同的，它们所处的时间阶段也不一样，但它们的目标是一致的，都是为了查出系统中潜在的错误。但它们的目标是一致的，都是为了查出系统中潜在的错误。 v电路故障，包括设计性错误和工艺性故障，通常借助电气仪表进行故障电路故障，包括设计性错误和工艺性故障，通常借助电气仪表进行故障检查。软件调试是利用开发工具进行在线仿真调试，在软件调试过程中检查。软件调试是利用开发工具进行在线仿真调试，在软件调试过程中也可以发现硬件故障。也可以发现硬件故障。v几乎所有的在线仿真器和简易的开发工具都为用户调试程序提供了以下几乎所有的在线仿真器和简易的开发工具都为用户调试程序提供了以下几种基本方法：几

29、种基本方法：v（1）单步运行。一次只执行一条指令，在每执行一条指令后，又返回）单步运行。一次只执行一条指令，在每执行一条指令后，又返回监控调试程序。监控调试程序。v（2）连续运行。可以从程序任何一条地址处启动，然后全速运行。）连续运行。可以从程序任何一条地址处启动，然后全速运行。v（3）断点运行。用户可以在程序任何处设置断点，当程序执行到断点）断点运行。用户可以在程序任何处设置断点，当程序执行到断点时，控制返回到监控调试程序。时，控制返回到监控调试程序。v（4）检查和修改存储器单元的内容。）检查和修改存储器单元的内容。v（5）检查和修改寄存器的内容。）检查和修改寄存器的内容。v（6）符号化调试

30、。能按汇编语言程序中的符号进行调试。）符号化调试。能按汇编语言程序中的符号进行调试。 v程序调试可以一个模块一个模块地进行，一个子程序一个子程序调试可以一个模块一个模块地进行，一个子程序一个子程序地调试，最后连起来总调。利用开发工具提供的单步运程序地调试，最后连起来总调。利用开发工具提供的单步运行和设置断点运行方式，通过检查应用系统的行和设置断点运行方式，通过检查应用系统的 CPU CPU 现场、现场、RAMRAM的内容和的内容和I/OI/O的状态，检查程序执行的结果是否正确，观的状态，检查程序执行的结果是否正确，观察应用系统察应用系统I/OI/O设备的状态变化是否正常，从中可以发现程设备的状

31、态变化是否正常，从中可以发现程序中的死循环错误、机器码错误及转移地址的错误，也可以序中的死循环错误、机器码错误及转移地址的错误，也可以发现待测系统中软件算法错误及硬件设计错误。在调试过程发现待测系统中软件算法错误及硬件设计错误。在调试过程中，不断地调整修改应用系统的硬件和软件，直到其正确为中，不断地调整修改应用系统的硬件和软件，直到其正确为止。止。 v在调试完成后，系统还要进行一段时间的试运行。只有试运在调试完成后，系统还要进行一段时间的试运行。只有试运行，系统才会暴露出它的问题和不足之处。在系统试运行阶行，系统才会暴露出它的问题和不足之处。在系统试运行阶段，设计者应当观测它能否经受实际环境考

32、验，还要对系统段，设计者应当观测它能否经受实际环境考验，还要对系统进行检测和试验，以验证系统功能是否满足设计要求，是否进行检测和试验，以验证系统功能是否满足设计要求，是否达到预期效果。达到预期效果。v系统经过一段时间的考机和试运行后，就可投入正式运行。系统经过一段时间的考机和试运行后，就可投入正式运行。在正式运行中还要建立一套健全的维护制度，以确保系统的在正式运行中还要建立一套健全的维护制度，以确保系统的正常工作。正常工作。 9.3 应用系统的可靠性及抗干扰设计应用系统的可靠性及抗干扰设计 v单片机系统的可靠性是有多种因素决定的，其中系单片机系统的可靠性是有多种因素决定的，其中系统的抗干扰性能

33、的好坏是影响系统可靠性的重要因统的抗干扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要因素。因此，研究抗干扰技术，提高单片机系统的抗素。因此，研究抗干扰技术，提高单片机系统的抗干扰性能及单片机应用系统的可靠性是极为重要的。干扰性能及单片机应用系统的可靠性是极为重要的。本节将从干扰的来源，硬件，软件以及电源系统，本节将从干扰的来源，硬件，软件以及电源系统，接地系统等各个方面研究分析并给出有效可行的解接地系统等各个方面研究分析并给出有效可行的解决措施。决措施。 9.3.1干扰来源 v一般把影响单片机测控系统正常工作的信号成为噪声，又称一般把影响单片机测控系统正常工作的信号成为噪声，又称干扰。在单片机系统中，出现

34、了干扰，就会影响指令的正常干扰。在单片机系统中，出现了干扰，就会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵，在测量通道中产生了干扰，执行，造成控制事故或控制失灵，在测量通道中产生了干扰，就会使测量产生误差，电压的冲击有可能使系统遭到致命的就会使测量产生误差，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏。破坏。v环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入系环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的，干扰串入单片机系统的渠道主要有统的，干扰串入单片机系统的渠道主要有3 3种，还有其它形种，还有其它形式的干扰，如图所示式的干扰，如图所示。 v1空间干扰空间干扰v空间干扰来源于周围的电气

35、设备，如发射机、中频空间干扰来源于周围的电气设备，如发射机、中频炉、晶闸管逆变电源等发出的电干扰；广播电台或炉、晶闸管逆变电源等发出的电干扰；广播电台或通信发射台发出的电磁波；空中雷电，甚至地磁场通信发射台发出的电磁波；空中雷电，甚至地磁场的变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰会使单片的变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰会使单片机系统不能正常工作。机系统不能正常工作。 v2供电系统干扰供电系统干扰v由于工业现场运行的大功率设备众多，特别是大感性负载设由于工业现场运行的大功率设备众多，特别是大感性负载设备的启停会使得电网电压大幅度涨落（浪涌），工业电网的备的启停会使得电网电压大幅度涨落（浪涌），工

36、业电网的欠压或过压常常达到额定电压的欠压或过压常常达到额定电压的15%以上。这种状况有时以上。这种状况有时长达几分钟、几个小时甚至几天。由于大功率开关的通断，长达几分钟、几个小时甚至几天。由于大功率开关的通断，电机的启停，电焊等原因，电网上常常出现几百伏，甚至几电机的启停，电焊等原因，电网上常常出现几百伏，甚至几千伏尖脉冲干扰。千伏尖脉冲干扰。 v3过程通道干扰过程通道干扰v为了达到数据采集或实时控制的目的，开关量输入输出，模为了达到数据采集或实时控制的目的，开关量输入输出，模拟量输入输出是必不可少的。在工业现场这些输入输出的信拟量输入输出是必不可少的。在工业现场这些输入输出的信号线和控制线多

37、至几百甚至几千条，其长度往往达几百米或号线和控制线多至几百甚至几千条，其长度往往达几百米或几千米，因此不可避免地将干扰引入单片机系统。当有大的几千米，因此不可避免地将干扰引入单片机系统。当有大的电气设备漏电，接地系统不完善，或者测量绝缘不好，都会电气设备漏电，接地系统不完善，或者测量绝缘不好，都会使通道中直接串入干扰信号；各通道的线路如果出自使通道中直接串入干扰信号；各通道的线路如果出自1 1根电根电缆中或绑扎在一起，各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干缆中或绑扎在一起，各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干扰，尤其是扰，尤其是015V015V的信号与交流的信号与交流220V220V的干扰，其表现形

38、式仍的干扰，其表现形式仍然是通道中形成干扰电压。这样，轻者会使测量的信号发生然是通道中形成干扰电压。这样，轻者会使测量的信号发生误差，重者会使有用的信号被完全淹没。有时这种通过感应误差，重者会使有用的信号被完全淹没。有时这种通过感应产生的干扰电压会达到几十伏以上，使单片机系统无法工作。产生的干扰电压会达到几十伏以上，使单片机系统无法工作。 v以上3种干扰以来自供电系统的干扰最甚，其次为来自过程通道的干扰。对于来自空间的辐射干扰，需要适当的屏蔽及接地来解决。 9.3.2 抗干扰原则v所谓抗干扰，就是针对干扰的产生、性质、传播途径、侵入所谓抗干扰，就是针对干扰的产生、性质、传播途径、侵入的位置和侵

39、入的形式，采取适当的方法消除干扰源，抑制耦的位置和侵入的形式，采取适当的方法消除干扰源，抑制耦合通道，减弱电路对噪声干扰的敏感性。合通道，减弱电路对噪声干扰的敏感性。 v1. 1. 消除干扰源消除干扰源 v通常采用压敏电阻和通常采用压敏电阻和 RCRC网络吸收浪涌电压，消除电弧和火网络吸收浪涌电压，消除电弧和火花放电干扰。如在继电器、接触器触点两端并接花放电干扰。如在继电器、接触器触点两端并接 RCRC吸收电吸收电路，消除火花放电。路，消除火花放电。 v2. 2. 抑制耦合通道抑制耦合通道 v可采用光电耦合器、隔离变压器、滤波器等切断象术，阻断可采用光电耦合器、隔离变压器、滤波器等切断象术，阻

40、断干扰电流通路。改善接地方式，避免公共阻抗耦合。采用屏干扰电流通路。改善接地方式，避免公共阻抗耦合。采用屏蔽抑制耦合通道，如静电屏蔽抑制电场干扰。蔽抑制耦合通道，如静电屏蔽抑制电场干扰。 v3. 减弱噪声对电路干扰减弱噪声对电路干扰 v采用电桥或差分放大电路，可使干扰在电路中自行采用电桥或差分放大电路，可使干扰在电路中自行抵消；降低电路的输入阻抗，可减弱噪声的影响；抵消；降低电路的输入阻抗，可减弱噪声的影响；使用双绞线传输信号，以削弱电路对干扰的敏感性；使用双绞线传输信号，以削弱电路对干扰的敏感性；电路中引用负反馈，对抑制内部噪声十分有效。电路中引用负反馈，对抑制内部噪声十分有效。 在在实际应

41、用中，通常需要采取实际应用中，通常需要采取“ 综合治理综合治理”的措施抑的措施抑制单片机的主要干扰。制单片机的主要干扰。9.3.3 单片机系统的硬件抗干扰技术单片机系统的硬件抗干扰技术 v应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种有效应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种有效方法，通过合理的硬件电路设计可以削弱或方法，通过合理的硬件电路设计可以削弱或抑制大部分干扰。抑制大部分干扰。v一、一、 过程通道干扰的抑制过程通道干扰的抑制 v1. 1. 光电隔离光电隔离 v光电隔离是由光电耦合器来完成的。光电耦合器是由发光二光电隔离是由光电耦合器来完成的。光电耦合器是由发光二极管和光敏晶体管封装在一个管壳内，以光为

42、媒介传输信号极管和光敏晶体管封装在一个管壳内，以光为媒介传输信号的器件，光电耦合器的结构如图的器件，光电耦合器的结构如图 所示。采用光电耦合器可所示。采用光电耦合器可以切断主机与过程通道以及其他主机部分电路的电联系，能以切断主机与过程通道以及其他主机部分电路的电联系，能有效地防止干扰从过程通道串入主机。有效地防止干扰从过程通道串入主机。v光电耦合器能够抑制干扰信号，主要是因为它具有以下几个特点。光电耦合器能够抑制干扰信号，主要是因为它具有以下几个特点。 v(1) 光电耦合器是以光为媒介传输信号的，所以其输入和输出在电气上光电耦合器是以光为媒介传输信号的，所以其输入和输出在电气上是隔离的。是隔离

43、的。 v(2) 光电耦合器的光电耦合部分是在一个密封的管壳内进行的，因而不光电耦合器的光电耦合部分是在一个密封的管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰。会受到外界光的干扰。 v(3) 光电耦合器的输入阻抗很低光电耦合器的输入阻抗很低(一一 般为般为1001K )，而干扰源内阻一，而干扰源内阻一般般(105 106 )。按分压原理，传送到光电耦合器输入端的干扰电压就变。按分压原理，传送到光电耦合器输入端的干扰电压就变得很小了。得很小了。 v(4) 由于一般干扰噪声源的内阻很大，虽然也能供给很大的干扰电压，由于一般干扰噪声源的内阻很大，虽然也能供给很大的干扰电压，但可供出的能量很小，只能形成很微弱

44、的电流。而光电耦合器的发光二但可供出的能量很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器的发光二极管只有通过一定的电流才发光，因此，即使电压幅值很高的干扰，由极管只有通过一定的电流才发光，因此，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，也不能使二极管发光，显然，干扰就被抑制掉了。于没有足够的能量，也不能使二极管发光，显然，干扰就被抑制掉了。 v(5) 输入回路与输出回路之间分布电容极小，一般输入回路与输出回路之间分布电容极小，一般 0.5pF2pF，而且，而且绝缘电阻很大，通常为绝缘电阻很大，通常为 1011 1012 ，因此，在回路中，一端的干扰很，因此，在回路中，一端的干扰很难通过光电耦合器馈

45、送到另一端去。难通过光电耦合器馈送到另一端去。 v在传输线较长、现场干扰十分强烈时为了提高整个系统的可靠性，可以在传输线较长、现场干扰十分强烈时为了提高整个系统的可靠性，可以通过光电耦合器将长线完全通过光电耦合器将长线完全“浮置浮置”起来，如图起来，如图 所示。长线的所示。长线的“浮置浮置”，去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各逻辑电路的电流流经去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各逻辑电路的电流流经公共地线时所产生的噪声电压相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动公共地线时所产生的噪声电压相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配等问题，同时在受控设备短路时，保护系统不受损坏。

46、和阻抗匹配等问题，同时在受控设备短路时，保护系统不受损坏。 v2. 继电器隔离继电器隔离 v继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接收电气信因此，可利用继电器的线圈接收电气信v号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了干扰隔离，常用于开关量输出，触，实现了干扰隔离，常用于开关量输出，以驱动执行机构。以驱动执行机构。 v3. 变压器隔离变压器隔离 v脉冲变压器可实现数字信号的隔离。脉冲变压器可实现数字信号的隔离。v4. 采用双绞线作为信号线采用双绞线作为信号线 v对来自现场信号开关输出的

47、开关信号，或从传感器输出的微弱模拟信号，对来自现场信号开关输出的开关信号，或从传感器输出的微弱模拟信号，最简单的办法是采用塑料绝缘的双平行软线。但由于平行线间分布电容最简单的办法是采用塑料绝缘的双平行软线。但由于平行线间分布电容较大，抗干扰能力差，电磁感应干扰会在信号线上感应出干扰电流。因较大，抗干扰能力差，电磁感应干扰会在信号线上感应出干扰电流。因此在干扰严重的场合，一般是采用双绞线以提高抗干扰能力。此在干扰严重的场合，一般是采用双绞线以提高抗干扰能力。 使双绞线使双绞线中一根作为屏蔽线，另一根作为信号传输线，这样可以抑制电磁感应干中一根作为屏蔽线，另一根作为信号传输线，这样可以抑制电磁感应

48、干扰。在使用过程中，把信号输出线和返回线两根导线拧合，其扭绞节距扰。在使用过程中，把信号输出线和返回线两根导线拧合，其扭绞节距与该导线的线径有关。线径越细，节距越短，抑制感应噪声的效果越明与该导线的线径有关。线径越细，节距越短，抑制感应噪声的效果越明显。实际上，节距越短，所用的导线长度就越长，从而增加了导线的成显。实际上，节距越短，所用的导线长度就越长，从而增加了导线的成本。本。二、二、 空间干扰的抑制空间干扰的抑制v空间干扰主要指电磁场在线路和壳体上的辐射、吸收与调制。干扰可来空间干扰主要指电磁场在线路和壳体上的辐射、吸收与调制。干扰可来自于应用系统的内部或外部。市电电源线是无线电波的媒介，

49、而在电网自于应用系统的内部或外部。市电电源线是无线电波的媒介，而在电网中有脉冲源工作时，它又是辐射天线，因此任意线路、导线、壳体等在中有脉冲源工作时，它又是辐射天线，因此任意线路、导线、壳体等在空间均同时存在辐射、接收和调制。空间均同时存在辐射、接收和调制。 抗空间干扰的主要措施就是采取屏抗空间干扰的主要措施就是采取屏蔽。屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分蔽。屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，隔断其空间场的耦合通道。良好的屏蔽是和接地紧密相连的，隔离开来，隔断其空间场的耦合通道。良好的屏蔽是和接地紧密相连的，因而可以大大降低噪声耦合，取

50、得较好地抗干扰效果。因而可以大大降低噪声耦合，取得较好地抗干扰效果。 v在单片机系统中，通常是把数字电子装置和模拟电子装置的工作基准地在单片机系统中，通常是把数字电子装置和模拟电子装置的工作基准地浮空，而设备外壳或机箱采用屏蔽接地。浮地方式可使单片机系统不受浮空，而设备外壳或机箱采用屏蔽接地。浮地方式可使单片机系统不受大地电流的影响，提高了系统的抗干扰性能。由于强电设备大都采用保大地电流的影响，提高了系统的抗干扰性能。由于强电设备大都采用保护接地，浮空技术切断了强电与弱电的联系，系统运行安全可靠。单片护接地，浮空技术切断了强电与弱电的联系，系统运行安全可靠。单片机系统设备外壳或机箱采用屏蔽接地

51、，无论从防止静电干扰和电磁感应机系统设备外壳或机箱采用屏蔽接地，无论从防止静电干扰和电磁感应干扰的角度，或是从人身设备安全的角度，都是十分必要的措施。干扰的角度，或是从人身设备安全的角度，都是十分必要的措施。 v如图如图 所示为一种浮空这种方案的特点是将电子部件的外围所示为一种浮空这种方案的特点是将电子部件的外围附加保护屏蔽层，且与机壳浮空；信号采用三线传输方式，附加保护屏蔽层，且与机壳浮空；信号采用三线传输方式，即屏蔽电缆中的两根芯线和电缆屏蔽外皮线；机壳接地。即屏蔽电缆中的两根芯线和电缆屏蔽外皮线；机壳接地。三、电源系统抗干扰设计三、电源系统抗干扰设计 v单片机测控系统的供电，常常是一个棘

52、手的问题，单单一台单片机测控系统的供电，常常是一个棘手的问题，单单一台高质量的电源不足以解决干扰和电压波动问题，必须完整地高质量的电源不足以解决干扰和电压波动问题，必须完整地设计整个电源供电系统。在单片机系统中为了提高供电系统设计整个电源供电系统。在单片机系统中为了提高供电系统的智力，防止串入干扰，建议采用以下措施。的智力，防止串入干扰，建议采用以下措施。v（1）交流近线端加交流滤波器，可滤掉高频干扰，如电网）交流近线端加交流滤波器，可滤掉高频干扰，如电网上大功率设备启停造成的瞬间的干扰。滤波器市场上的产品上大功率设备启停造成的瞬间的干扰。滤波器市场上的产品有一级、二级滤波器之分，安装时外壳要

53、加屏蔽并良好接地，有一级、二级滤波器之分，安装时外壳要加屏蔽并良好接地，进出线要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波器仅允许进出线要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波器仅允许50Hz交流电通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。交流电通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。v（2）要求高的系统加交流稳压器。）要求高的系统加交流稳压器。v（3）采用居于静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。）采用居于静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。v（4）采用集成稳压块两级稳压。目前市场上集成稳压有许）采用集成稳压块两级稳压。目前市场上集成稳压有许多种，如提供正电源的多种，如提供正电源的7805、7812、7

54、815、7820、7824以以及提供负电源的及提供负电源的79XX系列稳压块，它们内部是多级稳压电系列稳压块，它们内部是多级稳压电路，采用两级稳压，效果好。例如主机电源先用路，采用两级稳压，效果好。例如主机电源先用7809稳压稳压到到9V，再用，再用7805稳压到稳压到5V。v（5）直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波。）直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波。v（6）交流电源线与其他线尽量分开，减少再度耦合干扰。）交流电源线与其他线尽量分开，减少再度耦合干扰。如滤波器的输出线上干扰已减少，应使其与电源进线级滤波如滤波器的输出线上干扰已减少，应使其与电源进线级滤波器外壳保持一定距离，

55、交流电源线与直流电源线及信号线分器外壳保持一定距离，交流电源线与直流电源线及信号线分开走线。开走线。v（7）电源与信号线一般都通过地板下面走线，而）电源与信号线一般都通过地板下面走线，而且不可把两线靠的太近或互相平行，以减少电源与且不可把两线靠的太近或互相平行，以减少电源与信号线之间的相互影响。信号线之间的相互影响。v（8）在每块印制板的电源与地线之间并接上去耦）在每块印制板的电源与地线之间并接上去耦电容。即电容。即510F的电解电容和的电解电容和1个个0.010.1F的电的电容，以消除直流电源与地线中的脉冲电流所造成的容，以消除直流电源与地线中的脉冲电流所造成的干扰。干扰。四、单片机系统的接

56、地技术四、单片机系统的接地技术 v接地技术对单片机系统是极为重要的，不恰当地接地会造成接地技术对单片机系统是极为重要的，不恰当地接地会造成极其严重的干扰，正确接地是单片机系统抑制干扰的重要手极其严重的干扰，正确接地是单片机系统抑制干扰的重要手段。接地的目的有两个，一是保护单片机、电器设备和操作段。接地的目的有两个，一是保护单片机、电器设备和操作人员的安全；二是为了抑制干扰，使单片机工作稳定。通常人员的安全；二是为了抑制干扰，使单片机工作稳定。通常接地可分为工作接地和保护接地两大类。保护接地主要是为接地可分为工作接地和保护接地两大类。保护接地主要是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降时遭受触电

57、危险和了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降时遭受触电危险和保证设备的安全。而工作接地则主要是为了保证单片机系统保证设备的安全。而工作接地则主要是为了保证单片机系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰。稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰。 v在单片机系统中，大致有交流地、系统地、安全地、数字地在单片机系统中，大致有交流地、系统地、安全地、数字地(逻辑地逻辑地)和和模拟地等几种。模拟地等几种。 v1. 交流地交流地 v交流地是单片机交流供电电源地，即动力线地。它的地电位很不稳定。交流地是单片机交流供电电源地，即动力线地。它的地电位很不稳定。 v2. 系统地系统地 v为了给各部分电路提供稳定的基准

58、电位而设计的，是指信号回路的基准为了给各部分电路提供稳定的基准电位而设计的，是指信号回路的基准导体导体(如控制电源的零电位如控制电源的零电位)。这时的所谓接地是指将各单元，装置内部。这时的所谓接地是指将各单元，装置内部各部分电路信号返回线与基准导体之间的连接。对这种接地的要求是尽各部分电路信号返回线与基准导体之间的连接。对这种接地的要求是尽量减小接地回路中的公共阻抗压降，以减小系统中干扰信号公共阻抗耦量减小接地回路中的公共阻抗压降，以减小系统中干扰信号公共阻抗耦合。合。 v3. 安全地安全地 v其目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备其目的是使设备机壳与大地等电位，以避免

59、机壳带电而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。罩等。 v4. 数字地数字地 v作为单片机系统中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模作为单片机系统中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。拟信号受数字脉冲的干扰。 v5. 模拟地模拟地 v作为传感器、变送器、放大器、作为传感器、变送器、放大器、A/D转换器和转换器和 D/A转换器中模拟地的零转换器中模拟地的零电位，模拟信号有精度要求，有时信号比较小，而且与生产现场连接。电位，模拟信号有精度要求，有时信

60、号比较小，而且与生产现场连接。因此，必须认真对待模拟地。因此，必须认真对待模拟地。 v不同的地线有不同的处理技术，在单片机系统中一般不同的地线有不同的处理技术，在单片机系统中一般 v(1) 数字地与模拟地要分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电数字地与模拟地要分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。连。要尽量加大线性电路的接地面积。 v(2) 单点接地与多点接地的选择。在低频电路中，信号的工作频率小于单点接地与多点接地的选择。在低频