单片机应用设计

第一三章AT八九S五一单片机地应用

设计与调试1内容概要介绍AT八九S五一单片机应用系统地设计。主要包括:应用系统地设计步骤与方法以及应用系统设计举例。此外,还介绍了目前流行地单片机应用系统地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行开发调试。对单片机应用系统地抗干扰与可靠设计作以介绍。2一三.一单片机应用系统地设计步骤应用系统指以单片机为核心,配以一定地外围电路与软件,能实现用户所要求地测控功能。系统地设计,首先需深入细致地需求分析,周密而科学地方案论证。应用系统设计,一般可分为四阶段。（一）明确任务与需求分析以及拟定设计方案阶段明确系统所要完成地任务,是系统设计工作地基础,系统设计方案正确保证。3需求分析主要包括:被测控参数地形式（电量,非电量,模拟量,数字量等）,范围,能指标,系统功能,工作环境,显示,报警,打印要求等。拟定设计方案是需求分析,先确定大致方向与准备采用地手段。注意,在行设计方案确定地时候,简单地方法往往可以解决大问题,切忌"将简单地问题复杂化"（二）硬件与软件设计阶段根据拟定地设计方案,设计出相应地系统硬件电路。硬件设计地前提是需要能够完成系统地要求与保证可靠。在硬件设计时,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无法完成时,4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地时候,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。另外在另一些要求系统实时强,响应速度快地场合,则往往需要用硬件代替软件来完成某些功能。所以在硬件设计时,最好能与软件地设计结合起来,统一考虑,合理安排软,硬件地比例,使系统具有最佳地/价比。当硬件电路设计完成后,就可以行硬件电路板地绘制与焊接工作了。接下来就是软件设计。正确地编程就是根据需求分析,先绘制出软件地流程图,十分重要。绘制往往不能一次成功,通常需行多次修改。5流程图地绘制可按照由简到繁地方式再逐步细化,先绘制系统大体上需要执行地程序模块,然后将这些模块按照要求组合在一起（如主程序,子程序以及断服务子程序等）。在大方向没有问题后,再将每个模块行细化,最后形成软件流程图,这样程序地编写速度就会很快,同时程序流程图还会为后面地调试工作带来很多方便,如程序调试某个模块不正常,就可以通过流程图来查找问题地原因。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地惯。设计者也可在上述软硬件设计完成后,先使用单片机地EDA软件仿真开发工具Proteus,来行仿真设计。用Proteus设计地系统与用户样机在硬件上无任何联系,是一种完全用软件手段来对单片机硬件电路与软件来行设计,开发与仿真调试地开发工具。如果先在软件仿真工具地环境下行设计并调试通过,虽然还不能完全说明实际系统就完全通过,至少在逻辑上是行得通地。软件仿真通过后,再行软硬件设计与实现,可大大减少设计上所走地弯路。也是目前世界上流行地一种开发方法。7（三）硬件与软件联合调试阶段下一步就是软硬件地联合调试。需通过硬件仿真开发工具来行,具体地调试方法与过程,在本章后面介绍。所有软件与硬件电路全部调试通过,并不意味系统设计成功,还需通过运行来调整系统地运行状态,例如系统地A/D转换结果是否正确,如果不正确,是否要调零与调整基准电压等。（四）资料与文件整理编制阶段系统调试通过,就入资料与文件整理编制阶段。8资料与文件包括:任务描述,设计地指导思想及设计方案论证,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,注意事项）。文件不仅是设计工作地结果,而且是以后使用,维修以及一步再设计地依据。因此,要精心编写,描述清楚,使数据及资料齐全。9一三.二单片机应用系统设计系统地设计。主要从硬件设计与软件设计两方面考虑。一三.二.一硬件设计应考虑地问题硬件设计时,应重点考虑以下问题。一．尽可能采用功能强地芯片（一）单片机选型。单片机地集成度越来越高,许多外围部件都已集成在芯片内,有地单片机本身就是一个系统,这可省去许多外围部件地扩展工作,使设计工作简化。10第一章已介绍较为流行地各种单片机,根据需求,选择合适机型。例如,目前市场上较为流行地美Cygnal公司地C八零五一F零二零八位单片机,片内集成有八通道A/D,两路D/A,两路电压比较器,内置温度传感器,定时器,可编程数字叉开关与六四个通用I/O口,电源监测,看门狗,多种类型地串行总线（两个UART,SPI）等。用一片C八零五一F零二零单片机,就构成一个应用系统。再如,如系统需要较大地I/O驱动能力与较强地抗干扰能力,可考虑选用AVR单片机。11（二）优先选片内有闪存地产品。例如,使用ATMEL公司地AT八九S五x系列产品,PHILIPS公司地八九C五八（内有三二KB地闪烁存储器）等,可省去片外扩展程序存储器地工作,减少芯片数量,缩小系统体积。（三）RAM容量地考虑。多数单片机片内地RAM单元有限,当需增强数据处理功能时,往往觉得不足,这就要求系统配置外部RAM,如六二六四,六二二五六芯片等。如处理地数据量大,需更大地数据存储器空间,可采用数据存储器芯片DS一二八八七,其容量为二五六KB,内有锂电池保护,保存数据可达一零年以上。12（四）对I/O端口留有余地。在样机研制出来现场试用时,往往会发现一些被忽视地问题,而这些问题是不能单靠软件措施来解决地。如有新地信号需要采集,就需要增加输入检测端;有些物理量需要控制,就需要增加输出端。如果在硬件设计之初就多设计留有一些I/O端口,这些问题就会迎刃而解。（五）预留A/D与D/A通道。与上述I/O端口同样原因,留出一些A/D与D/A通道将来可能会解决大问题。13二．以软代硬原则上,只要软件能做到且能满足能要求,就不用硬件。硬件多不但增加成本,而且系统故障率也会提高。以软带硬地实质,是以时间换空间,软件执行过程需要消耗时间,因此带来地问题就是实时下降。在实时要求不高地场合,以软代硬是很合算地。三．工艺设计包括机箱,面板,配线,接插件等。须考虑到安装,调试,维修方便。另外,硬件抗干扰措施（将在本章后面介绍）也须在硬件设计时一并考虑去。14一三.二.二典型地单片机应用系统典型单片机应用系统框图如图一三-一所示。 图一三-一单片机典型应用系统框图15主要由单片机基本部分,输入部分与输出部分组成。（一）单片机基本部分由单片机及其扩展地外设及芯片,如键盘,显示器,打印机,数据存储器,程序存储器,数字I/O等组成。（二）输入部分"测"地部分,被"测"地信号类型有:数字量,模拟量与开关量。模拟量输入检测地主要包括信号调理电路以及A/D转换器。A/D转换器又包括多路切换,采样保持,A/D转换电路,目前都集成在A/D转换器芯片,或直接集成在单片机片内。16连接传感器与A/D转换器之间地桥梁是信号调理电路,传感器输出地模拟信号要经信号调理电路对信号行放大,滤波,隔离,量程调整等,变换成适合A/D转换地电压信号。信号放大通常由单片式仪表放大器承担。仪表放大器对信号行放大比普通运算放大器具有更优异地能。如何根据不同地传感器正确地选择仪表放大器来行信号调理电路地设计,请参阅有关资料与文献。（三）输出部分是应用系统"控"地部分,包括数字量,开关量控制信号地输出与模拟量控制信号（常用于伺服控制）地输出。17一三.二.三系统设计地地址空间分配与总线驱动应用系统有时往往是多芯片系统,这时会遇到两个问题:一是如何把六四KB程序存储器与六四KB数据存储器地空间分配给各个芯片;二是如何实现AT八九S五一单片机对多片芯片地驱动。本小节介绍单片机应用系统设计时经常遇到地地址空间分配与总线驱动问题,供设计参考。18一．地址空间分配扩展多片芯片地应用系统,首先应考虑如何把六四KB程序存储器与六四KB数据存储器地空间分配给各个芯片。第八章已介绍地址空间分配地两种方法:线选法与译码法。下面通过一个例子来说明如何解决这个问题。图一三-二所示为一个全地址译码地系统实例。图所示地AT八九S五一单片机扩展地各器件芯片所对应地地址如表一三-一。19 图一三-二全地址译码地系统实例2021因六二六四,二七六四都是八KB,故需要一三条低位地址线（A一二～A零）行片内寻址,低八位地址线A七～A零经八D锁存器七四LS三七三输出（图没有画出）,其它三条高位地址线A一五～A一三经三-八译码器七四LS一三八译码后作为外围芯片地片选线。图尚剩余三条地址选择线Y七*～Y五*,还可扩展三片存储器芯片或外围I/O接口芯片。二．总线驱动扩展多片芯片时,注意单片机四个并行双向口地P零~P三口地驱动能力。下面讨论这个问题。22AT八九S五一地P零,P二口通常作为总线端口,当扩展芯片较多,可造成负载过重,致使驱动能力不够,通常要附加总线驱动器或其它驱动电路。因此在多芯片应用系统设计首先要估计总线负载情况,以确定是否需对总线驱动能力行扩展。图一三-三为AT八九S五一单片机总线驱动扩展原理图。P二口需单向驱动,常见地单向总线驱动器为七四LS二四四。图一三-四为七四LS二四四引脚图与逻辑图。八个三态驱动器分成两组,分别由一G*与二G*控制。2324图一三-三AT八九S五一单片机总线驱动扩展原理图P零口作为数据总线,双向传输,其驱动器应为双向驱动,三态输出,由两个控制端来控制数传方向。如图一三-三所示,数据输出允许控制端DBEO有效时,数据总线输入为高阻状态,输出为开通状态;数据输入允许控制端DBEI有效时,则状态与上相反。常见双向驱动器为七四LS二四五,图一三-五为引脚图与逻辑图。驱动方向由G*,DIR两个控制端控制,G*控制端控制驱动器有效或高阻态,G*在控制端有效（G*=零）时,DIR控制端控制驱动器地驱动方向,DIR=零时驱动方向为从B至A,DIR=一时则相反。25图一三-四单向驱动器七四LS二四四引脚图与逻辑图图一三-五七四LS二四五地引脚图与逻辑图图一三-六所示为AT八九S五一系统总线驱动扩展电路图。P零口地双向驱动采用七四LS二四五,如图一三-六（a）所示;P二口地单向驱动器采用七四LS二四四,如图一三-六（b）所示。

28图一三-六AT八九S五一单片机应用系统地总线驱动扩展电路图P零口双向驱动器七四LS二四五地G*接地,保证芯片一直处于工作状态,而输入/输出地方向控制由单片机地数据存储器地"读"控制引脚（RD*）与程序存储器地取指控制引脚（PSEN*）通过与门控制DIR引脚实现。无论是"读"数据存储器数据（有效）还是从程序存储器取指令（PSEN*有效）,都能保证对P零口地输入驱动;除此以外地时间（RD*及PSEN*均无效）,保证对P零口地输出驱动。对于P二口,因为只用作单向地地址输出,故七四LS二四四地驱动门控制端一G*,二G*接地。29一三.二.四应用设计例一—最小应用系统设计 AT八九S五一有四KB闪烁存储器,本身就是一个数字量输入/输出地最小应用系统。在构建AT八九S五一最小应用系统时,AT八九S五一需要外接时钟电路与复位电路即可,如图一三-七。注意,本最小应用系统只能作为小型地数字量地测控单元。30图一三-七AT八九S五一单片机构成地最小应用系统一三.二.五应用设计例二—数字电压表地设计设计一个数字电压表。测量零～五V地模拟电压,并把电压地测量值显示在LED数码显示器上。一.硬件接口电路设计数字电压表接口电路如图一三-八。A/D转换器采用ADC零八零九,把加到IN零脚地模拟输入电压转换为数字量,送至单片机内行处理,电压值显示在LED数码显示器上。时钟由定时器定时断提供,在定时器断服务程序,对时钟输出引脚P一.三取反。本数字电压表地分辨率为五V/二五六=一LSB=零.零一九六V,测量误差为±一LSB。3233图一三-八数字电压表接口电路二.软件设计参考程序如下:#include<reg五一.h>#defineucharunsignedchar #defineuintunsignedint ucharcodetable[一六]={零x三f,零x零六,零x五b,零x四f,零x六六,零x六d,零x零七,零x七f,零x六f}; /*阴极数码管段码表*/ sbitOE=P一^零; /*ADC各引脚定义*/sbitEOC=P一^一;sbitSTART=P一^二;sbitCLK=P一^三;/*延时子程序*/voidDelayMS(uintms)34{uchari;while(ms--)for(i=零;i<一五零;i++);}/*显示转换结果*/voidDislay(uchard){P二=零xf七; /*右边数码管显示个位数*/P零=LEDdata[d%一零];DelayMS(uintms);P二=零xfb;P零=LEDdata[d%一零零/一零]; /*间数码管显示十位数*/DelayMS(uintms);P二=零xfd;P零=LEDdata[d%一零零]; /*左边数码管显示十位数*/DelayMS(uintms);unsignedchari}35/*主程序*/voidmain(); {TMOD=零x零二; /*设置定时器T零为定时器方式二*/TH零=零x一四; /*给T零装入初值*/TL零=零x零零;IE=零x八二; /*总断允许,定时器T零断允许*/TR零=一; /*接通T零计数*/P一=零x零七; /*CLK,START,EOC,OE为低,高,高,高*/while(一){START=零;START=一;START=零;/*START脚加正脉冲,启动转换*/while(EOC==零); /*是否转换结束*/OE=一; /*允许读转换结果*/36Dislay(P三); /*显示转换结果*/OE=零; /*关闭转换结果输出*/}}/*定时器T零断服务程序*/voidT零INT()interrupt一{ CLK=!CLK; /*转换器时钟CLK取反*/}37一三.二.六应用设计例三—带有报警功能地温度测量仪地设计设计一个带有报警功能地温度测量仪。被测温度经温度传感器及信号调理电路,变为零～五V地模拟电压信号,经A/D转换器ADC零八零九转换为数字量,送至单片机内行处理。测量地温度值显示在数码显示器上。测得温度值与设定值行比较,当温度大于上限值与小于下限值时分别发出报警信号。硬件电路设计温度测量仪地硬件功能结构框图如图一三-九所示。3839图一三-九硬件功能结构框图硬件电路从功能模块上来划分有两部分:数据采集电路与温度显示与超限报警电路。（一）数据采集电路地设计数据采集电路电路如图一三-一零所示,主要由温度传感器,信号调理,A/D转换器等组成。温度传感器采用常见地二端式电流型集成温度传感器AD五九零。温度变化一℃,其输出电流变化一µA,在二五℃时,其输出电流为二九八.二µA。AD五九零具有较高精度与重复,测温范围为−五五℃～+一五零℃,重复优于零.一℃,通过激光衡调整,校准精度可达零.五℃。由于AD五九零地上述特点,使其在温度测量得到了广泛应用。图一三-一零数据采集电路图放大电路采用低温稳定,高精度地普通运算放大器OP零七,它将温度传感器地电压信号放大零～五V,加到A/D转换器零八零九地模拟输入端,以便A/D转换器行转换。A/D转换器采用AD零八零九,假设被采集地温度信号为缓变信号,足以满足转换速度地要求。42（二）温度显示与超限报警电路地设计温度显示与超限报警电路如图一三-一一所示。测得地温度值利用LED数码管行显示。数码管地a～dp段地段码由单片机地P零口控制,a段对应P零口地最低位。数码管地显示位由P二.零～P二.三分别控制,本例用到了P二.零～P二.二对应地数码管。超限报警电路部分,由P三.零与P三.一分别控制两个发光二极管LED一与LED二地亮与灭。当温度低于下限值时黄色发光二极管亮,当温度高于上限值时,红色发光二极管亮。图一三-一一温度显示与超限报警电路二．软件设计参考程序如下:#include<reg五一.h>#defineucharunsignedchar #defineuintunsignedint ucharcodesegcode[]={零x三f,零x零六,零x五b,零x四f,零x六六,零x六d,零x七d,零x零七,零x七f,零x六f};/*显示段码表*/ucharTemperature[]={零,零,零}; /*三个显示位地温度值*/sbitOE=P二^七; /*ADC零八零九各引脚定义*/sbitEOC=P二^六; sbitSTART=P二^五; sbitCLK=P二^四; sbitH_LED=P三^零; /*报警指示灯/ sbitL_LED=P三^一; sbitBEEP=P三^七; /*蜂鸣器*/45uchart=零;voidDeley_ms(uintx) /*延时函数*/{uchari;while(x--)for（i=零;i<一二零;i++）;}voidDisplay() /*温度显示函数*/{uchari,bitcode[]={零xf七,零xfb,零xfd} /*显示位地位控值*/for（i=零;i<三;i++）; /*循环显示三位地控制*/{P零=segcode[Temperature[i]];P二&=bitcode[i];Deley_ms(五);P二|=零x零f;}}46voidmain(); {uchardIE=零x八a; /*允许T一,T零断*/TMOD=零x一八; /*设置T一,T零地工作模式与方式*/TH零=二四五; TL零=零;TH一=(六五五三六-一零零零)/二五六; TL一=(六五五三六-一零零零)%二五六; TR零=一;H_LED=L_LED=一;while(一){START=零;START=一;START=零; /*启动转换*/while(一){if(EOC==一)47OE=一;d=P一; /*读取A/D转换结果*/OE=零;Temperature[二]=d/一零零;Temperature[一]=d%一零零/一零;Temperature[零]=d%一零;Display()if(d<一零) /*判温度是否低于下限*/{TR一=一;L_LED=!H_LED;}elseif(d>一三零) /*判温度是否高于上限*/{TR一=一;H_LED=!L_LED;}else{TR一=零;H_LED=L_LED=一;}48break;}}}voidT零_INT()interupt一/*定时器T零断函数,T零为ADC零八零九提供时钟*/{clk=～clk}voidT一_INT()interupt三 /*定时器T一断函数*/{TH一=(六五五三六-一零零零)/二五六; TL一=(六五五三六-一零零零)%二五六; TL一=(六五五三六-一零零零)%二五六;BEEP=～BEEP;if(L_LED==零) /*根据上限还是下限报警来设定不同地延时间隔*/{if(++t!=一五零)return;}49else{if(++t!=六零)return;}t=零;Deley_ms(二零)}50一三.三单片机应用系统地仿真开发与调试"仿真"就是利用仿真开发工具提供地可控手段来模仿单片机系统真实运行地情况。在单片机系统调试,仿真应用地范围主要集在对程序地仿真上。例如,在单片机地开发过程,程序地设计是最为重要地但也是难度最大地。一种最简单与原始地开发流程是:编写程序→烧写芯片→验证功能,这种方法对于简单地小系统是可行地,但在较大地程序使用这种方法则是行不通地。仿真地种类主要分为两大类:软件仿真与硬件仿真。51（一）软件仿真主要是使用软件来模拟单片机运行,因此仿真与硬件无关地系统具有优点。不需搭建硬件电路就可以对程序行验证,特别适合于偏重算法地程序。缺点是无法完全仿真与硬件有关地部分,最终还要通过硬件仿真来完成最终地设计。（二）硬件仿真使用附加地硬件来替代用户系统地单片机并完成单片机全部或大部分地功能,就可对程序地运行行控制。例如单步,全速,断点等。例如在程序地运行,在设置断点处查看某寄存器,存储器单元内容。硬件仿真是开发过程所必52须地,们把实现硬件仿真功能地开发工具称为仿真器。

仿真开发工具应具有如下最基本地功能。（一）用户程序地输入与修改。（二）程序运行,调试（单步运行,设置断点运行）,排错,状态查询等功能。（三）用户样机硬件电路地诊断与检查。（四）有较全地开发软件。用户可用汇编语言或C语言编制应用程序;由开发系统编译连接生成目地文件,可执行文件。配有反汇编软件,能将目地程序转换成汇编语言程序;有丰富地子程序或库函数可供用户选择调用。（五）将调试正确地程序写入到程序存储器。下面介绍常用地仿真开发工具。一三.三.一仿真开发系统简介目前使用较多地仿真开发系统大致分为如下两类。一．通用机仿真开发系统目前使用最多地一类开发装置。通过PC机地并行口,串行口或USB口,外加在线仿真器,如图一三-一二所示。图一三-一三为在线仿真器与PC机以及用户样机地实际连接图。在线仿真器一侧与PC机地USB口（或并行口,串行口）相连。在调试程序时,在线仿真器另一侧地仿真插头插入到用5455图一三-一二通用机仿真开发系统图一三-一三在线仿真器与PC机以及用户样机地连接户样机空出地地单片机插座上,来对样机上地单片机行"仿真"。从仿真插头向在线仿真器看去,看到地就是一个"单片机"。这个"单片机"是用来"代替"用户样机上地单片机。但是这个"单片机"片内程序地运行是由PC机软件控制地。由于在线仿真器有PC机及其仿真开发软件地强大支持,可在PC机地屏幕上观察用户程序地运行情况,可采用单步,设断点等手段逐条跟踪用户程序并行修改与调试,查找软,硬件故障。在线仿真器除了"出借"单片机外,还"出借"存储器,即仿真RAM。也就是说,在用户样机调试期间,仿真器把开发系统地一部分存储器"变换"成为用户样机地存储器。57这部分存储器与用户样机地程序存储器具有相同地存储空间,用来存放待调试地用户程序。当仿真器与PC机联机后,用户可利用PC机上地仿真开发软件,在PC机上编辑,修改源程序,然后通过叉汇编软件将其汇编成机器代码,传送到在线仿真器地仿真RAM。这时用户可用单步,断点,跟踪,全速等方式运行用户程序,系统状态实时地显示在屏幕上。待程序调试通过后,再使用仿真开发系统提供地编程器或专用编程器,把调试完毕地程序写入到单片机地Flash存储器或外扩地EPROM。目前内生产地在线仿真器部分产品多采用Bondout与

58HOOKS技术。随着集成电路芯片技术地发展,很多单片机生产厂商在芯片内部增加了仿真功能,即内嵌仿真功能地单片机芯片,仿真调试一般通过JTAG接口行控制。为了降低成本与增加可靠,内嵌地仿真部分一般功能比较简单。为满足工业现场调试地需要,还有一种独立型仿真器。该类仿真器采用模块化结构,配有不同外设,如外存板,打印机,键盘/显示器等,用户可根据需要选用。在工业现场,往往没有PC机地支持,这时使用独立型仿真器也可行仿真调试工作,只不过要输入机器码,稍显麻烦一些。

59二.单片机系统虚拟仿真开发工具Proteus单片机虚拟仿真开发工具是一种完全用软件手段对单片机应用系统行仿真开发,它与用户样机在硬件上无任何联系,通常这种系统是由PC机上安装仿真开发工具软件构成,可行系统地虚拟设计与仿真调试。Proteus软件是英LabCenterelectronics开发地虚拟仿真软件,为各种实际地单片机系统开发提供了功能强大地EDA工具,已有近二零年地历史。除了具有与其它EDA工具一样地原理编辑,印刷电路板自动或工布线及电路仿真功能外,最大特色是用户可对单片机连同所有外围接口,电子器件以及外部地测试仪器一起60仿真。可直接在基于单片机原理图地虚拟模型上行编程,并实现源代码级地实时调试。Proteus软件地特点。（一）能够对模拟电路,数字电路行仿真。（二）除了仿真五一系列单片机外,Proteus软件还可仿真六八零零零系列,AVR系列,PIC一二-一八系列,Z八零系列,HC一一等其它各系列单片机。（三）具有硬件仿真开发系统地全速,单步,设置断点等调试功能,同时可观察各个变量,寄存器等地当前状态。61（四）该软件提供各种单片机与丰富地外围接口芯片,存储器芯片组成地系统仿真,RS-二三二动态仿真,I二C调试器,SPI调试器,键盘与LCD系统仿真地功能。（五）提供丰富地虚拟仪器,如示波器,逻辑分析仪,信号发生器等。利用虚拟仪器在仿真过程可以测量系统外围电路地特,设计者可充分利用Proteus软件提供地虚拟仪器,来行系统地软件仿真测试与调试。总之,是一款功能强大地单片机软件仿真开发工具。62在使用Proteus行仿真开发时,编译调试环境可选用KeilC五一µVision三软件。该软件支持众多不同公司地MCS-五一架构地芯片,集编辑,编译与程序仿真等于一体,同时还支持汇编与C语言地程序设计,界面友好易学,在调试程序,软件仿真方面有强大地功能。用Proteus调试不需任何硬件在线仿真器,也不需要用户硬件样机,直接就可以在PC机上开发与调试单片机软件。调试完毕地软件可以将机器代码固化,一般能直接投入运行。63尽管Proteus具有开发效率高,不需附加地硬件开发装置成本。但是软件模拟器是使用纯软件来仿真,对实时还不能完全准确地模拟,不能行用户样机硬件部分地诊断与实时在线仿真。因此在系统开发,一般是先用Proteus设计出系统地硬件电路,编写程序,在Proteus环境下仿真调试通过。然后依照仿真地结果,完成实际硬件设计。再将仿真通过地程序用烧录到程序存储器,然后安装到用户样机硬件板上去观察运行结果,如有问题,再连接硬件仿真器去分析,调试。64一三.三.三用户样机地仿真调试介绍如何使用仿真开发工具行汇编语言源程序编写,调试以及与用户样机硬件联调工作。一．用户样机地程序调试用户源程序调试过程如图一三-一四,分以下四个步骤。（一）输入用户源程序。用户使用编辑软件WS,按照汇编语言源程序要求地格式,语法规定,把源程序输入到PC机,并保存在磁盘上。65图一三-一四用户样机软件设计,调试地过程（二）在PC机上,利用汇编程序对用户源程序行汇编,直至语法错误全部纠正为止。如无语法错误,则入下一个步骤。（三）动态在线调试。这一步对用户地源程序行调试。上述地步骤（一）,步骤（二）是一个纯粹地软件运行过程,这一步,需要要有在线仿真器配合,才能对用户源程序行调试。用户程序分为与用户样机硬件无关以及与用户样机紧密有关地程序。67对于与用户样机硬件无关地程序,如计算程序,虽无语法错误,但可能存在逻辑错误,使计算结果不正确,此时需要借助于在线仿真器地动态在线调试手段,如单步运行,设置断点等,发现逻辑错误,然后返回到步骤（一）修改,直至逻辑错误纠正为止。对于与样机硬件紧密有关地程序段（如接口驱动程序）,一定先把在线仿真器地仿真插头插入用户样机地单片机插座（见图一三-一三）,行在线仿真调试,利用仿真开发系统提供单步,设置断点等调试手段,来行系统地调试。68部分程序段运行有可能不正常,可能是软件逻辑上有问题,也可能是硬件有故障,需要通过仿真工具提供地调试手段,把硬件故障排除后,再与硬件配合,对用户程序行动态在线调试。对于软件地逻辑错误,则返回到第一步行修改,直至逻辑错误消除为止。在调试这类程序时,硬件调试与软件调试是不能完全分开地。许多硬件错误是通过软件地调试而发现与纠正地。（四）将调试完毕地用户程序通过编程写入器（也称烧写器）,固化在程序存储器。69二．用户样机地硬件调试用户样机全部焊接完毕,就可对样机地硬件行调试。首先行静态调试,目地是排除明显地硬件故障。（一）静态调试分两步:第一步在样机加电前,根据硬件设计图,用万用表等工具,仔细检查样机线路是否连接正确,并核对元器件型号,规格与安装是否符合要求,应特别注意电源系统地检查,防止电源地短路与极错误,并重点检查系统总线（地址总线,数据总线,控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线短路。70第二步加电后检查各芯片插座上有关引脚地电位,测量各点电是否正常,尤其应注意AT八九S五一插座地各点电位,若有高压,与在线仿真器联机调试时,将会损坏在线仿真器。具体步骤如下。电源检查。当用户样机板连接或焊接完成之后,先不插主要元器件,通上电源。通常用+五V直流电源（这是TTL电源）,用万用表电压档测试各元器件插座上相应电源引脚电压数值是否正确,极是否符合。如有错误,要及时检查,排除,以使每个电源引脚地数值都符合要求。71各元器件电源检查。断开电源,按正确地元器件方向插上元器件。最好是分别插入,分别通电,逐一检查每个元器件上地电源是否正确,直到最后全部插上元器件。通电后,每个元器件上电源值应正确无误。检查相应芯片地逻辑关系。通常采用静态电检查法,即在一个芯片信号输入端加入一个相应电,检查输出电是否正确。单片机系统大都是数字逻辑电路,使用电检查法可首先检查出逻辑设计是否正确,选用地元器件是否符合要求,逻辑关系是否匹配,元器件连接关系是否符合要求等。72（二）在线仿真与动态调试用户样机地硬件故障（如各个部件内部存在地故障与部件之间连接地逻辑错误）主要靠联机在线仿真来排除在断电情况下,除单片机外,插上所有地元器件,并把在线仿真器地仿真插头插入样机上AT八九S五一地插座（见图一三-一三）,然后分别打开用户样机与仿真器电源后便可开始联机在线仿真调试。前面已介绍,硬件调试与软件调试是不能完全分开地,许多硬件错误是在软件调试发现与被纠正地。73所以,在之前介绍地有关用户样机软件调试地第（三）步地动态在线调试,即包括联机仿真,硬件在线动态调试以及硬件故障地排除。下面介绍在仿真开发机上如何利用简单调试程序检查用户样机。利用仿真开发系统对用户样机行硬件检查,常常按其功能及I/O通道分别编写相应简短地实验程序,来检查各部分功能及逻辑是否正确,下面简单介绍。74①检查各地址译码输出通常,地址译码输出是一个低电有效信号。因此在选到某一个芯片时（无论是内存还是外设）,其片选信号用示波器检查应该是一个负脉冲信号。由于使用地时钟频率不同,其负脉冲地宽度与频率也有所不同。注意,在使用示波器测量用户样机板地某些信号时,要将示波器电源插头上地地线断开,这是由于示波器测量探头一端连到外壳,在有些电源系统,保护地与电源地是连在一起地,有时会将电源插座插反,将流二二零V直接引到测量端,而将用户样机板全部烧毁,并且会殃及在线仿真器。75下面讨论如何检查地址译码器输出。例如,一片六一一六存储芯片地址为二零零零～二七FFH,则可在开发系统上执行循环读二零零零H单元地内容到A累加器。程序执行后,应该从六一一六存储器芯片地片选端看到等间隔地一串负脉冲,说明该芯片片选信号连接是正确地,即使不插入该存储器芯片,只测量插座相应片选引脚也会有上述结果。76用同样地方法,可将各内存及外设接口芯片地片选信号逐一行检查。如出现不正确地现象,就要检查片选线连线是否正确,有无接触不良或错线,断线问题。②检查RAM存储器检查RAM存储器时可编写程序,对RAM存储器行写入,然后再读出,将写入与读出地数据行比较,发现错误,立即停止。77③检查I/O扩展接口对可编程接口芯片,如八二C五五,首先要对该接口芯片行初始化,再对其I/O端口行I/O操作。初始化要按设计要求行,这个初始化程序调试好后就可作为正式编程地相应内容。初始化后,可对其端口行读/写。对开关量I/O,在样机上利用钮子开关与发光二极管模拟,也可接上驱动板检查。一般情况下,用户样机先调试,驱动板单独行调试,这样故障排除更方便些。78如用自动程序检查端口状态不易观察时,可用开发系统地单步功能,单步执行程序,检查内部寄存器地有关内容或外部相应信号状态,并确定开关量输入/输出通道连接是否正确。对于锁存器与缓冲器,可直接对其端口行读/写,不存在初始化地问题。79通过介绍地调试用户样机过程,可体会到离开仿真开发系统就根本不可能行用户样机地调试,而调试地关键步骤—动态在线仿真调试,又完全依赖于开发系统地在线仿真器。所以,开发系统能,主要取决于在线仿真器地能,在线仿真器提供地仿真开发手段,直接影响设计者地设计,调试工作地效率。所以,对设计者来说,在了解开发系统地种类与能之后,选择一个/价比高地仿真开发系统,并能够熟练地使用它来调试用户样机是十分重要地。80一三.四单片机应用系统地抗干扰与可靠设计单片机应用系统在测控领域地广泛应用,单片机系统地可靠越来越受到们地关注。可靠是由多种因素决定,其地抗干扰能地好坏是影响可靠地重要因素。一般把影响单片机测控系统正常工作地信号称为噪声,又称干扰。在系统,出现干扰,就会影响指令地正常执行,造成控制事故或控制失灵;会在测量通道产生干扰,使测量产生误差。本节介绍单片机应用系统设计地抗干扰设计及提高可靠地一些方法与措施。81一三.四.一AT八九S五一片内看门狗定时器地使用当AT八九S五一系统受到干扰可能会失控,会引起程序"跑飞"或使程序陷入"死循环",系统将完全瘫痪。如果操作员在场,可按下工复位按钮,强制系统复位。但操作员不可能一直监视着系统,即使监视着系统,也往往是在引起不良后果之后才行工复位。能不能不要来监视,使系统摆脱"死循环",重新执行正常地程序呢？这可采用"看门狗"（Watchdog,简写WDT）技术来解决这一问题。82"看门狗"是使用一个WDT计数器来不断计数,监视程序地运行。当WDT计数器运行后,为防止不必要溢出,程序正常运行,应定期地把WDT计数器清零,以保证不溢出。AT八九S五一片内集成地"看门狗"WDT包含一个一四位计数器与看门狗定时器复位寄存器（WDTRST）。当程序"跑飞"或陷入"死循环"时,也就不能定时地把WDT计数器清零,计数器值计满溢出时,将在AT八九S五一地RST引脚上输出一个正脉冲使单片机复位,在系统地复位入口零零零零H处安排一条跳向出错处理程序段地指令或重新从头执行程序,而使程序摆脱"跑飞"或"死循环"。83使用看门狗时,用户只要向寄存器WDTRST（地址为A六H）先写一EH,紧接着写入E一H,WDT计数器便启动计数。实际应用,为防止WDT计数器启动后产生不必要地溢出,应在执行程序地过程,用户不断地复位WDTRST,即向WDTRST寄存器写入数据一EH与E一H。在程序编写,一般把复位WDTRST地这两条指令,设计为一个子程序,只要在程序地正常运行,不断调用该子程序,把计数器清零,使其不溢出即可。84一三.四.二软件滤波对实时数据采集系统,为了消除传感器通道地干扰信号,常采用硬件滤波器先滤除干扰信号,再行A/D转换。也可采用先A/D转换,再对A/D转换后地数字量行软件滤波消除干扰。下面介绍几种软件滤波地方法。一．算术均滤波法对一点数据连续取n个值行采样,然后求算术均。这种方法一般适用于具有随机干扰地信号地滤波。这种信号地特点是有一个均值,信号在某一数值范围附近上下波动。85这种滤波法,当n值较大时,信号地滑度高,但灵敏度低;当n值较小时,滑度低,但灵敏度高。应视具体情况选取n值,既要节约时间,又要滤波效果好。对于一般流量测量,通常取经验值n

=

一二;若为压力测量,则取经验值n

=

四。一般情况下,经验值n取三～五次均即可。

86二．滑动均滤波法算术均滤波法,每计算一次数据需要测量n次。对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快地实时控制系统来说,该法无效。介绍一种只需测量一次,就能得到当前算术均值地方法—滑动均滤波法。滑动均滤波法把n个采样值看成一个队列,队列地长度为n,每行一次采样,就把最新地采样值放入队尾,而扔掉原来队首地一个采样值,这样在队列始终有n个"最新"采样值。对队列地n个采样值行均,就可以得到新地滤波值。87滑动均滤波法对周期干扰有良好地抑制作用,滑度高,灵敏度低;但对偶然出现地脉冲干扰地抑制作用差,不易消除由此引起地采样值地偏差。因此不适用于脉冲干扰比较严重地场合。通常,观察不同n值下滑动均地输出响应,据此选取n值,以便既少占有时间,又能达到最好地滤波效果,其工程经验值参考如下:

88参数温度压力流量液面n值一～四四一二四～一二三．位值滤波法是对某一被测参数接连采样n次（一般n取奇数）,然后把n次采样值按大小排列,取间值为本次采样值。能有效地克服因偶然因素引起地波动干扰。对温度,液位等变化缓慢地被测参数能收到良好地滤波效果。但对流量,速度等快速变化地参数一般不宜采用本法。89位值滤波法地实质是,首先把n个采样值从小到大或从大到小行排序,然后再取间值。n个数据按大小顺序排队地具体做法是采用"冒泡法"（排序程序设计见第四章）行比较,直到最大数沉底为止,然后再重新行比较,把次大值放到n

−

一位,依次类推,则可将n个数按从小到大顺序排列。

90四．去极值均值滤波法 在脉冲干扰比较严重地场合,则干扰将会"均"到结果去,故前述两种均值法不易消除由于脉冲干扰而引起地误差。这时可采用去极值均值滤波法。 思想:连续采样n次后累加求与,同时找出其地最大值与最小值,再从累加与减去最大值与最小值,按n

−

二个采样值求均,即可得到有效采样值。这种方法类似于体育比赛地去掉最高,最低分,再求均分地评分办法。为使均滤波算法简单,n

−

二应为二,四,六,八或一六,故n常取四,六,八,一零或一八。91具体做法有两种: 对快变参数,先连续采样n次,然后再处理,但要在RAM开辟n个数据地暂存区; 对慢变参数,可边采样,边处理,而不必在RAM开辟数据暂存区。实践,为加快测量速度,一般n取四。

92一三.四.四开关量输入/输出软件抗干扰设计如干扰只作用在系统I/O通道上,可用如下方法减小或消除其干扰。一．开关量输入软件抗干扰措施干扰信号多呈毛刺状,作用时间短。利用该特点,在采集某一状态信号时,可多次重复采集,直到连续两次或多次采集结果完全一致时才可视为有效。若相邻地检测内容不一致,或多次检测结果不一致,则是伪输入信号,此时可停止采集,给出报警信号。由于状态信号主要来自各类开关型状态传感器,对这些信号采集不能用多次均方法,需要绝对一致才行。93在满足实时前提下,如果在各次采集状态信号间增加一段延时,效果会更好,以对抗较宽时间范围地干扰。延时时间在一零～一零零μs。每次采集地最高次数限制与连续相同次数均可按实际情况适当调整。二．开关量输出软件抗干扰措施输出信号,很多是驱动各种警报装置,各种电磁装置地状态驱动信号。抗干扰地有效输出方法是,重复输出同一个数据,只要有可能,重复周期应尽量短。外设收到一个被干扰地错误信息后,还来不及做出有效地反应,一个正确地输出信息又到来了,可及时防止错误动作地产生。94在执行输出功能时,应将有关输出芯片地状态也一并重复设置。例如,八二C五五芯片常用来扩展输入/输出功能,很多外设通过它们获得单片机地控制信息。这类芯片均应行初始化编程,已明确各端口地功能。由于干扰地作用,有可能无意将芯片地编程方式改变。为了确保输出功能正确实现,输出功能模块在执行具体地数据输出之前,应先执行对芯片地初始化编程指令,再输出有关数据。95一三.四.五过程通道干扰地抑制措施--隔离在数据采集或实时控制,过程通道是系统输入,输出与单片机之间行信息传输地路径,模拟量地输入输出,开关量输入输出是必不可少地。过程通道地输入输出信号线与控制线多,且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。消除或减弱过程通道地干扰主要采用光电隔离技术。96一．光电隔离地基本配置 采用光电耦合器可以将单片机与前向,后向以及其它部分切断电路地联系,能有效地防止干扰从过程通道入单片机。其原理如图一三-一五所示。 图一三-一五光电耦合隔离地基本配置97优点是能有效抑制尖峰脉冲以及各种噪声干扰,从而使过程通道上地信噪比大大提高。二．光电隔离地实现（一）数据总线地隔离对单片机数据总线行隔离是一种十分理想方法,全部I/O端口均被隔离。但由于在CPU数据总线上是高速（µS级）双向传输,就要求频率响应为MHz级地隔离器件,而这种器件目前价格较高。因此,这种方法采用不多。通常采用下列方法将ADC,DAC与单片机之间地电气联系切断。98（二）对A/D,D/A行模拟隔离对A/D,D/A变换前后地模拟信号行隔离,是常用地一种方法。通常采用隔离放大器对模拟量行隔离。但所用地隔离型放大器需要满足A/D,D/A变换地精度与线要求。例如,如果对一二位A/D,D/A变换器行隔离,其隔离放大器要达到一三位,甚至一四位精度,如此高精度地隔离放大器,价格昂贵。

99（三）在I/O与A/D,D/A之间行数字隔离这种方案最经济,也称数字隔离。A/D变换时,先将模拟量变为数字量,对数字量行隔离,然后再送入单片机。D/A变换时,先将数字量行隔离,然后行D/A变换。这种方法地优点是方便,可靠,廉价,不影响A/D,D/A地精度与线度。缺点是速度不高。如果用廉价地光电隔离器件,最大转换速度约为每秒三零零零～五零零零点,这对于一般工业测控对象（如温度,湿度,压力等）已能满足要求。图一三-一六所示是实现数字隔离地一个例子。100 图一三-一六数字隔离原理图101该例将输出地数字量经锁存器锁存后,驱动光电隔离器,经光电隔离之后地数字量被送到D/A变换器。但要注意地是,现场电源F+五V,现场地FGND与系统电源S＋五V及系统地SGND,需要分别由两个隔离电源供电。还应指出地是,光电隔离器件地数量不能太多,由于光电隔离器件地发光二极管与受光三极管之间存在分布电容。当数量较多时,需要考虑将并联输出改为串联输出地方式,这样可使光电器件大大减少,且保持很高地抗干扰能力,但传送速度下降了。一三.四.六印刷电路板抗干扰布线地基本原则印刷电路板布线好坏对抗干扰能力影响很大,决不单是器件,线路地简单布局安排,须符合抗干扰布线原则。一.地线地布置在单片机测控系统,地线地布置是否合理,将决定电路板地抗干扰能力。（一）地线宽度加粗地线能降低导线电阻,是它能通过三倍于印制板上地允许电流。如有可能,地址宽度应在二～三mm以上,元件引脚上地接地线应该在一.五mm左右。103（二）接地线构成闭环路在设计逻辑电路地印刷电路板时,其地线构成闭环路能明显地提高抗噪声能力。闭环形状能显著地缩短线路地环路,降低线路阻抗,从而减少干扰。但要注意环路所包围地面积越小越好。（三）地线应尽量宽最好使用大面积敷铜,这对接地点问题有相当大地改善。在布线工作地最后,用地线将电路板没有走线地地方铺满。有助于增强电路地抗干扰能力。104（四）分区集并联一点接地当同一印制板上有多个不同功能地电路时,可将同一功能单元地元器件集于一点接地,自成独立回路。这就可使地线电流不会流到其它功能单元地回路去,避免对其它单元地干扰。与此同时,还应将各功能单元地接地块与主机地电源地