Transcript 第12章微机应用系统设计案例

第12章 微机应用系统设计案例
12.1 微机应用系统设计
12.2 微机应用系统开发
12.3 应用系统设计实例
教学重点
本章是在掌握微型计算机软硬件原理的基础
上学习系统的设计与开发。
难点：微型计算机系统的开发与设计
重点：微型计算机系统开发步骤及方法
了解：微型计算机系统应用的领域及特点
12.1 微机应用系统设计
主讲内容
12.1.1 总体设计
12.1.2 硬件设计
12.1.3 软件设计
12.1 微机应用系统设计
微机应用系统是指以微处理器为核心，配以一
定的外围电路和软件，能实现某种或几种功能
的应用系统。它由硬件部分和软件部分组成。
该系统设计包括总体设计、硬件设计、软件设
计、制版、元器件安装等。开发步骤：
 系统需求分析
 系统总体方案设计
 系统硬件电路设计
 系统软件设计
 系统调试
12.1.1 总体设计
1．系统总体需求分析
一方面应该对用户和市场的需求，了解用户对新系统
的要求，另一方面还要对国内外同类系统的状况进行详细
的分析调查。
2．系统可行性分析
◆市场或用户需求
◆经济效益和社会效益
◆技术支持与开发环境
◆系统的目前竞争力和未来生命力
3．系统方案设计
4．划分硬件、软件任务，画出系统结构框图
12.1.2 硬件设计
微型计算机系统的硬件设计有从元件级上
的设计和利用应用板（单片单板机）构成系统
两大类。
1.从元件级上的设计：配置必须的存储器、接口电
路和外围设备而组成一个系统。要考虑的主要因素有：
微处理器选择、存储器配置、输入通道设计、输出通道
设计、电源配置和打印、显示、报警、通信、操作、信
号等接口电路。
2.利用应用板设计：指选用市面上销售的通用微处理
器产品，可以缩短开发周期。
12.1.2 硬件设计
硬件电路设计时应注意的几个问题 ：
1.程序存储器：尽量避免用小容量的芯片组合扩充成
大容量的存储器。
2.数据存储器和I／O接口：应尽量减少芯片数量，使
译码电路简单。
3.地址译码电路：优先考虑线选法
4.总线驱动能力：数据总线宜采用双向8路三态缓冲
器74LS245作为总线驱动器；地址和控制总线可采用单
向8路三态缓冲器74LS244作为单向总线驱动器。
5.系统速度匹配
12.1.3 软件设计
按照先粗后细的办法，把整个系统软件划分
成多个功能独立、大小适当的模块，应有以下特
点：
1.结构清晰、简捷、流程合理
2.各功能块程序化、子程序化
3.程序存储区、数据存储区规划合理
4.各功能程序的运行状态、运行结果以及运行要求尽量设置状态
标志
5.做好抗干扰设计
6.设置自诊断程序
开始
系统需求和可行性分析
确定系统总体方案设计划分软硬件功能
硬
件
设
计
绘制硬件框图
设计硬件电路
绘制印刷电路板图
制作电路板
硬件电路调试
软
件
设
计
软件资源划分
软件结构模块划分
程序设计
程序调试
系统综合调试
排除故障，修正软硬件
程序固化，应用系统独立运行
完成研制
图12-1 微机系统开发流程图
12.2 微机应用系统开发
主讲内容
12.2.1 微机应用的开发
12.2.2 开发工具的组成和功能
12.2.3 具体开发系统简介
10.2.4 微机应用系统的调试
12.2.1 微机应用的开发
1. 开发的意义
2.开发需要解决的问题
⑴ 编程：根据开发工具的性能，可以有机器语言、
汇编语言和高级语言三种不同级别的编程方式。
⑵ 排错：主要是指对单片机应用系统的硬件、软件
进行综合调试。
⑶ 仿真：仿真实际上也是一种软件和硬件综合在一
起的排错调试手段，它能加速目标应用系统的开发。
12.2.1 微机应用的开发
3.开发的手段
⑴ 通用机模拟开发
⑵ 在线仿真开发
在线仿真就是把开发的目标系统连接到仿真器上，在
仿真软、硬件环境支持下的在线开发。
开发工具也有不同类型。主要有以下三种：
◆通用型微机仿真器开发系统
◆ 实用型开发系统
◆ 通用机开发系统
12.2.2开发工具的组成
1．开发工具的组成
⑴ 主机
⑵ 在线仿真器
⑶ 仿真软件
2．实时在线仿真功能
实时在线仿真器的功能可以分为调试功能和辅助设计
功能。
⑴ 调试功能
① 运行控制功能：应能以单步、断点(多种断点条件)、连续
三种方式运行程序
② 状态的读出和修改功能：用户可以读出／修改目标系统所
有资源的状态，以便检查运行的结果。
③ 跟踪功能：具有逻辑分析仪的功能。
12.2.2开发工具的组成
⑵ 辅助设计功能
①程序设计语言：汇编或C/C++语言等。
② 程序编辑。
③ 其它软件功能：如反汇编程序和实用子程序库。
12.2.3 微机应用系统的调试
微机应用系统调试包括硬件调试和软件调试两
项内容。
1. 硬件调试
硬件调试的任务是排除应用系统的硬件电路
故障，包括设计性错误、工艺性故障和样机故
障：
⑴ 脱机测试
• 检查线路
• 核对元器件
• 检查电源系统
• 外围电路调试
12.2.3 微机应用系统的调试
⑵ 联机调试
• 测试扩展RAM
• 测试I/O接口和设备
• 试验晶振和复位电路
• 测试A/D和D/A转换电路
• 其它外设的测试
12.2.3 微机应用系统的调试
2. 软件调试
⑴ 单步运行
⑵ 断点运行
⑶ 连续运行
⑷ 检查和修改存储器单元的内容
⑸ 检查和修改寄存器的内容
⑹ 符号化调试
12.2.3 微机应用系统的调试
3. 软硬件综合调试
在系统综合调试时，应将全部硬件（包括外设）连接
好，应用程序也都组合好。进行完整系统的软硬件调试，
不断地调整修改应用系统的软硬件，进一步排除较难发现
的软硬件错误，使系统达到预期的技术指标。
12.3 应用系统设计实例
主讲内容
12.3.1 系统分析和总体设计
12.3.2 系统的硬件电路设计
12.3.3 系统的软件设计
12.3 应用系统设计实例
实例：现要求设计一个单片机温度控制系统，自动控制一个温室的温
度，实现如下功能：
① 要求温室温度为三档：第一档为室温，第二档为40℃，第三
档为50℃。温度控制误差≤±2℃。
② 升温由3台1000W的电炉实现。若3台电炉同时工作时，可保
证温室温度在3min内超过60℃。
③ 要求实时显示温室温度，显示位数为3位，即××.×℃（如
38.7℃）。
④ 当不能保证所要求温度范围时，发出声光报警信号。
⑤ 对升温和降温过程时间不作要求。
系统总体分析
系统硬件设计
系统软件设计
12.3.1 系统分析和总体设计
1. 对温度控制系统的分析
① 温度测量 模拟信号到数字信号的转换（A/D）
② 温度控制 电炉的通电或断电实现实现温度控制，需
要开关量输出通道。
③ 温度给定 要有相应的给定输入装置，如键盘。
④ 温度显示 按要求实时显示温室的温度值。
⑤ 报警 声光报警信号。
12.3.1 系统分析和总体设计
2. 控制方案的确定
对温度控制精度要求不高，可选用继电器控制方式
① 第一档 给定温度为室温，切除所有电炉。
② 第二档 给定温度为40℃，一般情况为1台电炉工作。
③ 第三档 给定温度为50℃，一般情况为2台电炉工作。
④ 检测温室 取A/D采样周期为30s。
12.3.1 系统分析和总体设计
3. 硬件和软件功能划分
硬件系统包括：
温度测量电路，即传感器、放大器、A/D转换及接口；
温度控制电路，即开关量输出和电炉驱动；
温度显示电路和输出报警电路等。
软件功能包括：
温度检测（定时采样、软件滤波）功能；
利用定时器实现30s定时，以满足采样周期的要求；
温度控制的实现，三台电炉的通电与断电；
实现定时器30s定时，满足采样周期的要求；
显示温度和输出报警。
12.3.1 系统分析和总体设计
4. 系统结构框图
温度检测
温度设定
温度显示
报警
单
片
机
传感器
1#电炉控制
1#炉
温
2#电炉控制
2#炉
室
3#电炉控制
3#炉
图12-2 温度控制系统结构框图
12.3.2 系统的硬件电路设计
1. 微机的选择
本例对控制精度要求不高，控制功能一般，此外采
集和处理的数据不多且不需要保留，故选择常用X86系列
微机中的8086/8088作为CPU即可。
2. 输入通道设计
包括温度传感器、放大器和A/D转换器三部分。 温度检
测采用温度传感器AD590，运算放大器OP07作为信号放
大器，A/D转换器采用ADC0809。
12.3.2 系统的硬件电路设计
3. 输出通道设计
输出通道有3条，光电耦合双向晶闸管驱动电路，
分别控制3台电炉通电和断电。
4. 人机接口设计
⑴ 温度设定电路
本例采用BCD码拨盘。
⑵ 温度显示电路
温度值采用LED显示。可以利用串行口的移位寄存器
功能，扩展为三位静态显示LED接口电路。
12.3.2 系统的硬件电路设计
⑶ 报警电路
报警电路仅需要一位开关量输出控制，采用微机
的I/O口线即可。
12.3.3 系统的软件设计
1. 软件总体设计
根据题目要求及硬件设计，软件设计需满足以下要
求：
温度检测 定时启动A/D转换，采取四点平均值滤波
法抑制信号的干扰。
温度控制 比较温度检测值和给定值，控制电路的通
断。
定时采样 利用8253的定时器T0或T1，进行30s定时，
以满足采样周期的要求。
温度显示 在每次检测温度后，将新的温度检测值经
过标度变换后由串行口输出给LED显示器。
蜂鸣报警 将每次温度检测值与设定值作比较，如果
其差值超出允许范围，输出报警信号，并将程序转入事
故处理程序。
12.3.3 系统的软件设计
⑴ 程序结构设计
应用程序结构采用中断方式，由定时器发出定时中断申请。
主程序进行系统初始化，包括定时器、I/O口和中断系统的初始
化，等待定时中断。
在中断服务程序中，先判断是否到30s。若不到30s，返回；若到
30s，进行以下操作：拨盘设定值检测、温度检测、标度变换、温度显
示和温度控制，并根据温度检测值决定是否报警。据此可设计出应用程
序总体结构如图12-3所示。
⑵ 程序模块划分
在应用程序总体结构中，将以下6个功能程序作为模块程序：温度
设定输入、温度检测、温度值标度变换、温度显示、温度控制和报警程
序模块。
12.3.3 系统的软件设计
程序开始
N
30s定时到？
Y
主程序
并行口初始化
串行口初始化
定时器初始化
中断系统初始化
拨盘设定值检测
温度检测
标度变换
温度显示
温度超出范围否？
N
温度控制
中断返回
图12-3 应用程序总体流程图
Y
报警及
事故处理
12.3.3 系统的软件设计
程序开始
⑴ 温度检测程序模块
将结果单元50H和
寄存器B清零，转换
次数4→R6
温度检测程序的功能是连续进
启动A/D转换
行4次A/D转换，求取转换结果的平
均值，存入内部50H单元。A/D转换
转换结束否？
N
采用查询方式。
N
Y
累加转换结果
(A)+(50)H→(50)H
有进位否？
Y
(B)+1→(B)
(R6)-1=0?
Y
(B)、(50H)联合除
以4，结果→50H
返回
N
12.3.3 系统的软件设计
⑵ 温度控制程序模块
温度控制程序的功能是将温度实测值（存于50H单
元）与设定值（存于51H单元）作比较，如测值高于设定
值1℃（注意，此值小于要求误差2℃，对应的数字量为
04H），则关闭一台电炉；如实测值低于设定值，则接通
一台电炉；否则不予调节。
三台电炉的接通顺序是3#、2#、1#，关闭顺序是1#、
2#、3#。
图12-4 温度控制程序流程图
程序开始
Y
差值>04H？
测量值>给定值即
（50H）>（51H）吗？
N
N
N
差值>04H？
Y
N
1#炉通电
（P1.0=1）吗？
3#炉通电
（P1.2=1）吗？
Y
N
#
N
Y
#
关闭1 炉：0→P1.0
开3 炉：1→P1.0
2#炉通电
（P1.1=1）吗？
2#炉通电
（P1.1=1）吗？
Y
N
关闭2#炉：0→P1.1
开2#炉：1→P1.1
关闭3#炉：0→P1.2
开1#炉：1→P1.2
返回
Y
12.3.3 系统的软件设计
① 应用程序主要功能
当拨码盘设定值为1时，控制温度为室温；设定值为2
时，控制温度为40±2℃；设定值为3时，控制温度为
50±2℃。如果设定值不是1、2或3，则显示出错误信息，
提醒用户重新进行温度设定。
温度显示形式为3位十进制数：2位整数和1位小数，
即“××.×”。如果实际温度与设定温度的差值大于
5℃，发出警报信号。差值小于5℃后，报警信号自动撤
除。
12.3.3 系统的软件设计
② 温度控制方式
温度控制采用继电控制方式，用通断电炉的方法
调节温度，采样周期为30s。
③ 应用程序占用资源情况
50H—温度检测值存放单元；51H—温度设定值
存放单元；5DH～5FH—显示缓冲区；60H～7FH—堆
栈；A、B、R0、R6、DPTR—工作寄存器；R7—软
件计数器。使用内部定时器/计数器0作采样周期定时
器，中断方式。
本章内容结束！