第6章 单片机应用系统设计

单片机应用系统设计

贵州大学电子科学系

第六章 6.1 概述

单片机应用系统设计

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6.1.1 单片机应用系统设计 单片机由于体积小，使用灵活，成本低，易于产品化， 抗干扰能力强，可在各种恶劣的环境下可靠工作等优点，常 用于：工业测控、智能仪器仪表、智能产品、计算机外设等 方面。

其典型应用系统应包括单片机系统、前向传感器输入通 道，后向伺服控制输出通道以及基本的人机对话通道。对多 机系统还包括单片机与单片机、单片机与PC机之间进行通信 的互相通道。

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一、单片机应用系统的典型结构

图6.1 典型单片机应用系统结构

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二、前向通道的组成及其特点前向通道是单片机与测控对象相连的部分，是应用系统的 数据采集的输入通道。 来自被控对象的现场信息有多种多样。按物理量的特征可 分为模拟量和数字量(开关量)两种。

对于数字量(频率、周期、相位、脉冲)的采集，输入比较简单。它们可直接作为计数输入、测试输入、I/O口输入或中断源输 入进行事件计数、定时计数，实现脉冲的频率、周期、相位及记

数测量。对于开关量的采集，可通过I/O口线或扩展I/O 口线直接输入。对于被控对象，一般是交变电流、交变电压、大电流、高 电压系统，而单片机属于数字弱电系统，因此在数字量和开关量 采集通道中，要用隔离器件进行隔离(如光电耦元器件等)。

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模拟信号采集的前向通道组成

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变换器：变换器是各种传感器的总称，它采集现场的各种信

号，并变换成电信号(电压信号或电流信号),以满足单片机的输入要求。现场信号有各种各样，有电信号，如电压、电 流、电磁量等；也有非电量信号，如温度、湿度、压力、流

量、位移量等，对于不同物理量应选择相应的传感器。隔离放大与滤波：传感器的输出信号一般是比较微弱的，不 能满足单片机系统的输入要求，要经过放大处理后才能作为 单片机系统的采集输入信号。还有，现场信息来自各种工业 现场，夹带大量的噪音干扰信号。为提高单片机应用系统的 可靠性必须隔离或削减干扰信号，这是整个系统抗干扰设计 的重点部位。

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采样保持器：前向通道中的采样保持器有两个作用。一是实现多路模拟信号的同时采集；二是消除A/D转换器的"孔 径误差"。 一般的单片机应用系统都是用一个A/D转换器分时对多路 模拟信号进行转换并输入给单片机，而控制系统又要求单

片机对同一时刻的现场采样值进行处理，否则将产生很大误差。用一个A/D转换器同时对多路模拟信号

进行采样是 由采样保持器来实现的。采样保持器在单片机的控制下， 在某一个时刻可同时采样它所接一路的模拟信号的值，并 能保持该瞬时值，直到下一次重新采样。

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A/D转换器把一个模拟量转换成数字量总要经历一个时间过 程。A/D转换器从接通模拟信号开始转换，到转换结束输出 稳定的数字量，这一段时间称为孔径时间。对于一个动态模 拟信号，在A/D转换器接通的孔径时间里，输入模拟信号值 是不确定的，从而会引起输出的不确定性误差。在A/D转换 器前加设采集保持器，在孔径时间里，使模拟信号保持某一 个瞬时值不变，从而可消除孔径误差。

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多路开关：用多路开关实现一个A/D转换器分时对多路模拟 信号进行转换。多路开关是受单片机控制的多路模拟电子 开关，某一时刻需要对某路模拟信号进行转换，由单片机 向多路开关发出路地址信息，使多路开关把该路模拟信号

与A/D转换器接通，其它路模拟信号与A/D转换器不接通，实现有选择的转换。 A/D转换器：将模拟信号转换成数字信号，是前向通道中模 拟系统与数字系统连接的核心部件。

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综上所述，前向通道具有以下特点： (1) 与现场采集对象相连，是现场干扰进入的主要通道，是

整个系统抗干扰设计的重点部位。(2) 由于所采集的对象不同，有模拟量和数字量(开关量),

而这些都是由安放在测量现场的传感、变换装置产生的，许多参量信号不能满足单片机输入的要求，故有大量的、形式多样 的信号变换调节电路，如测量放大器、I/F变换、A/D转换、放

大、整形电路等。(3) 前向通道是一个模拟、数字混合电路系统，其电路功耗 小，一般没有功率驱动要求。

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三、后向通道的组成与特点 (1) 后向通道是应用系统的输出通道，大多数需要功率驱动。

(2) 靠近伺服驱动现场，伺服控制系统的大功率负荷易从后向通道进入单片机系统，故后向通道的隔离对系统的可靠性影

响很大。(3) 根据输出控制的不同要求，后向通道电路有多种多样， 如模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流输 出、电压输出、开关量输出及数字量输出等。

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四、人机通道的结构及其特点 (1) 由于通常的单片机应用系统大多数是小规模系统，因 此，应用系统中的人机对话通道以及人机对话设备的配置都是 小规模的，如微型打印机、功能键、LED/LCD显示器等。若 需高水平的人机对话配置，如通用打印机、CRT、硬盘、标准

键盘等，则往往将单片机应用系统通过外总线与PC机相连，享

用PC计算机的外围人机对话设备。 (2) 单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多采用内 总线形式，与计算机系统扩展密切相关。 (3) 人机通道接口一般都是数字电路，电路结构简单，可

靠性好。

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五、相互通道及其特点

(1) 在单片机中大多设有串行口，为构成应用系统的相互通 道提供了方便条件。 (2) 单片机本身的串行口只为相互通道提供了硬件结构及基 本的通信方式，并没有提供标准的通信规程。故利用单片机串 行口构成相互通道时，要通过相应的通信软件。

(3) 在很多情况下，采用扩展标准通信控制芯片来组成相互 通道。例如，用扩展8250、8251等通用通信控制芯片来构成相 互通信接口。(4) 相互通信接口都是数字电路系统，抗干扰能力强。但 大多数都需远距离传输，故需要解决长线传输的驱动、匹配、

隔离等问题。

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6.1.2 单片机控制系统与调试的一般原则一、单片机应用系统结构 在单片机控制系统中，由于控制对象的不同，其硬件和 软件有很大的差异，但系统设计的基本内容和主要步骤是基 本相同的。 设计单片机控制系统时，一般需要做以下几个方面的考虑： 1、确定系统设计的任务：功能、指标等。 2、系统方案设计： 一般包括：①单片机的选择； ②软、硬件的分工。 3、系统的硬件和软件设计： ①系统硬件设计：

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