应用系统的基本组成与设计.ppt

博士学位论文答辩,单片机基础知识与科技创新,2010年 10月,主讲人：王福忠 教授 电 话：,河南理工大学,本章内容,第二章应用系统的基本组成与设计内容,应用系统组成,单片机内部功能部件作用,单片机基础知识与科技创新,应用系统设计内容与设计思路,常用的数据处理数学模型及其程序设计,1 单片机内部功能部件作用,第二章应用系统的基本组成与设计内容,单 硅 晶 片,CPU,存储器,控制电路,定时器,时钟电路,I/O口,单片机,第二章应用系统的基本组成与设计内容,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。输入、输出串行口：一个全双工串行口。通讯用。中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ。为CPU提供时钟的。驱动单片机进行工作。其他：AD,DA 显示等,1 单片机内部功能部件作用,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-引脚简介,P3口线的第二功能,VCC,VSS,XTAL2XTAL1,RST,P0.0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1.0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0,ALE,P3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,2、振荡电路：XTAL1、XTAL2,3、复位引脚：RST,4、并行口：P0、P1、P2、P3,7、ALE：地址锁存控制信号,1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地),第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-存储器,80318751805189C51,256B（字节）,4K,64K,64K,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-并行I/O口,P0.0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1.0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0,P3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,4个8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3；,均可作为双向I/O端口使用。,特点：,P0：访问片外扩展存储器时，复用为低8位地址线和数据线,P2：高8位地址线。,P1：双向I/O端口,P3：第二功能,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-时钟振荡电路,涤纶电容C,晶振图,典型的时钟电路 在电路中，电容通常取30pF，晶振的取值通常为：1MHz-33MHz（不同型号的单片机的上限频率可能有差别）。,单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。MCS-51单片机内部具有一个时钟振荡电路，只需要外接振荡器，即可为各部分提供时钟信号。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-时钟振荡电路,常用单片机的最高时钟频率,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-复位电路,谁知道复位电路怎么起到复位的作用?,复位电路的作用:（1）上电时保证系统元件从初始状态开始，处于一个固定的状态（2）人工能够参与复位（3）系统受到干扰后，运行异常，自动复位。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-复位电路,阻容上电自动复位电路,手动复位电路,“看门狗”复位电路,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-定时、计数器,（1）MCS-51单片机定时器计数器组成：定时器/计数器0(T0)：16位的加计数器定时器/计数器1(T1)：16位的加计数器（2）定时器/计数器的功能对外部输入信号的计数功能:T0对引脚P3.4上的外部脉冲输入信号计数；T1对引脚P3.5上的外部脉冲输入信号计数.定时功能：定时功能也是通过计数实现的，但它是通过对机器周期计数，实现定时功能。,P3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-串行通信器,串行传送的特点：数据按位顺序传送，最少只 需一根传输线，成本低。但 速度慢。传送的距离远(可达 几千公里）。,并行传送的特点：各数据位同时传送，速度快、效率高。传送线多,成本高。传送距离 30米。,计算机数据传送方式：并行和串行数据传送。,(1)基本概念,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-串行通信器,(1)基本概念,信息各式上分,异步通信方式按字符传输,同步通信方式按数据块传输,串行通信通信又分为异步和同步两种方式。在单片机中使用是异步方式。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-串行通信器,异步串行通信的字符格式：,(1)基本概念,异步串行通信以字符为单位，一个字符一个字符地传送。对异步串行通信的字符格式如下：,0,1,停止位,起始位,低位,高位,8 位数据位,奇偶校验,停止位,第N个字符,第N-1个字符,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-串行通信器,(2)串行口的基本结构,MCS-51 单片机串行接口的硬件,MCS-51 单片机串行接口的控制,MCS-51 单片机串行接口工作方式,P3.0 位的第二功能 收端 RXD P3.1 位的第二功能 发端 TXD,寄存器 SCON、PCON、SBUF 寄存器 IE、IP,方式 0 方式 2,方式 1 方式 3,P3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-串行通信器,(2)串行口的基本结构,多机通信系统示意图,主从结构,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-中断功能,(1）日常中断的例子,你正在专心看书，突然电话铃响，于是你记下正在看的书的页数，去接电话，接完电话后再回来接着看书。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-中断功能,(2）单片机中的中断概念,中断是指由于某种随机事件的发生，计算机暂停现行程序的运行，转去执行另一程序，以处理发生的事件，处理完毕后又自动返回原来的程序继续运行。将能引起中断的事件称为中断源。CPU现行运行的程序称为主程序。处理随机事件的程序称为中断服务子程序。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-中断功能,(2）中断技术的优点,分时操作 CPU可以同多个外设“同时”工作实时处理 CPU及时处理随机事件故障处理 电源掉电、存储出错、运算溢出,第二章应用系统的基本组成与设计内容,1 单片机内部功能部件作用-中断功能,MCS-51单片机具有多中断控制 它由以下几部分组成：,定时中断：由单片机的定时器/计数器的溢出标志触发的中断，MCS-51单片机有T0和T1两个定时中断。串行口中断：为单片机的串行数据传输设置的中断，MCS-51单片机有1个串行中断。可以设定,第二章应用系统的基本组成与设计内容,2 单片机应用系统组成,例子1 电烤箱单片机温控系统设计,设计要求：,电烤箱内温度可在40-200度范围内任意设定。利用LED数码管上显示电烤箱内温度。单片机采用89C52（内有4K程序存储器）。电热箱采用电热丝加热。能够将电烤箱内温度控制在设定。,2.1 单片机应用系统实例,第二章应用系统的基本组成与设计内容,2 单片机应用系统组成,例子1 电烤箱单片机温控系统设计-设计思路,温度传感器检测电热箱内的温度，经放大后，并经A/D转换为数字量后。送入单片机；-硬件按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟温度值；-软件把温度模拟值送往LED数码管显示器显示（软件+硬件）。利用拨码（BCD码）键盘设定温度（硬件+软件）。控制方法：单片机将设定的温度值与检测到的电热箱中的实际温度进行比较，并调节运算后，发出控制信号（软件）经光电隔离器去驱动双向可控硅以调节加在电热丝的电压，从而控制电热箱的温度（硬件）。,2.1 单片机应用系统实例,第二章应用系统的基本组成与设计内容,2 单片机应用系统组成,例子1 电烤箱单片机温控系统设计硬件电路框图,2.1 单片机应用系统实例,第二章应用系统的基本组成与设计内容,2 单片机应用系统组成,2.1 单片机应用系统实例,例子1 电烤箱单片机温控系统设计,软件程序规划：,初始化程序：存储器,定时中断，I/O口等。控制周期计算程序：可以用定时中断。A/D转换器驱动程序（采样程序），得到相应的数字量，滤波程序；标度变换程序：按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟温度值（也是数字量）；显示程序：驱动LED数码管显示器（数码转化）。键盘管理程序。控制程序。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,2 单片机应用系统组成,2.1 单片机应用系统实例,例子1 电烤箱单片机温控系统设计,软件程序-主程序：,第二章应用系统的基本组成与设计内容,2 单片机应用系统组成,2.2 单片机应用系统组成,单片机应用系统:由硬件系统和软件系统组成,硬件是应用系统的基础,软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可,第二章应用系统的基本组成与设计内容,3 单片机应用系统设计内容与设计思路,3.1 系统设计内容,1）单片机主系统设计-硬件2)接口电路及外设设计(包括抗干扰设计）-硬件3)应用软件设计(包括抗干扰设计）,单片机主系统,主系统设计内容 a.单片机选型；b.MSC-51系列片内有程序存储器的机型，只需在片外配上电源、复位电路、振荡电路，这样便于对单片机系统进行测试与调试。c.配置能满足应用系统要求的一些外围功能器件。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,3 单片机应用系统设计内容与设计思路,3.2 单片机应用系统设计思路,经历四个主要步骤：总体设计阶段、硬件设计、软件设计及系统调试和维护。,总体设计：需求分析，方案论证。需求分析:被测控参数的形式（电量、非电量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。方案论证:根据要求设计出符合现场条件的软硬件方案，又要使系统简单、经济、可靠，这是进行方案论证与总体设计一贯坚持的原则。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,3 单片机应用系统设计内容与设计思路,3.2 单片机应用系统设计思路,硬件设计:选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。软件设计:软件流程设计、编程和调试。系统调试与性能测定：硬件软件联调与优化。文件编制:设计思想及设计方案论证、硬件电路图及元器件清单、软件流程图及程序清单、调试记录、性能测定及现场试用报告、使用说明等。,经历四个主要步骤：总体设计阶段、硬件设计、软件设计及系统调试和维护。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,3 单片机应用系统设计内容与设计思路,流程图,第二章应用系统的基本组成与设计内容,3 单片机应用系统设计内容与设计思路,3.3 单片机应用系统硬件设计,1）单片机主系统设计；2)接口电路及外设设计(包括抗干扰设计）包括：选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。单片机内容的功能单元如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。-系统开展 按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、模拟量/数字量的转换器等，设计合适的接口电路。,（1）硬件设计内容：,第二章应用系统的基本组成与设计内容,3 单片机应用系统设计内容与设计思路,3.3 单片机应用系统硬件设计,1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。2）应充分满足应用系统的功能要求，并留有余地。3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但应注意，系统运行速度,实时性.4）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。5）必须进行可靠性及抗干扰设计.包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。6）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。,（2）硬件设计原则：,第二章应用系统的基本组成与设计内容,3 单片机应用系统设计内容与设计思路,3.3 单片机应用系统软件设计,建立数学模型；编程序。应对被控对象的物理过程和计算任务进行全面分析，并从中提炼出数学表达式，即建立数学模型。数学模型的形式是多样的，可以是一系列数学表达式，可以是数学推理和判断，也可以是运行状态的模拟。例如：在测量系统中从模拟输入通道得到的温度、流量、压力等现场信息与该信号对应的实际值往往存在非线性关系，需要进行非线性补偿。非线性补偿常用方法有：查表法、插值法、曲线拟合等。,（1）软件设计内容：,第二章应用系统的基本组成与设计内容,3 单片机应用系统设计内容与设计思路,3.3 单片机应用系统软件设计,（2）程序采用结构设计-模块化结构,1)最低一层，(通用子程序库)，包括:a.一般性子程序,如四则运算、开方运算、数的转换等。b.过程控制通用子程序。包括过程控制中常用的控制算法.打印机及显示器的驱动子程序、数据传送和变换子程序。,2)执行功能模块层 在通用子程序库的基础上，根据对过程控制系统结构的归纳、分类和规范化，组成各执行功能模块.3)系统监控与管理模块层 它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度的角色。它包括主程序和管理程序,整个程序体现一个橄榄球状，即：通用子程序和管理程序相对要小,第二章应用系统的基本组成与设计内容,3 单片机应用系统设计内容与设计思路,3.3 单片机应用系统软件设计,（3）程序编写,方法：1）先从上到下得到程序流程图。分解为多个子模块。要根据系统的任务和控制对象的数学模型，结合数学模型确立具体的算法和步骤，将其演化成计算机能处理的形式，然后画出子模块的所有流程图。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,3 单片机应用系统设计内容与设计思路,3.3 单片机应用系统软件设计,（3）程序编写,方法：2）完成软件流程设计后，进行程序编写和调试.原则:自下而上,先基本子程序后功能子程序,再形成系统程序.这样编程每进行一步都有结果,好调试.。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.1标度变换及其程序设计,（1）概念,各种被测量不仅量纲不同，其数值变化范围也相差很大。为了便于数据采集，各信号对应的传感器均将他们要处理成与A/D转换器输入特性相匹配的电压信号（如05V）送至计算机。即：无论何种量纲信号，计算机通过A/D得到的数字信号是一样的，不是实际数值。为了使显示、记录、打印等结果能反映被测量的实际数值，就必须对A/D转换后的数字信号进行变换。这种测量结果的数字变换就是标度变换,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.1标度变换及其程序设计,（2）线性仪表的标度变换,对于具有线性特性的仪表，其标度变换可用如下公式表示：,Am为测量上限；Nm为上限所对应的数字量；A0为测量下限；N0为下限所对应的数字量。AX为实际测量值；NX为实际测量值所对应的数字量；,式中,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.1标度变换及其程序设计,（2）线性仪表的标度变换,一般测量下限A0所对应的数字量N0为0，即N0=0，计算式可简化为：,例如:某热处理炉温度测量仪表的量程设定为200800，在某一时刻仪表进行数据采集所得结果为CDH(8位)。按标度变换公式可知，A0=200,Am=800,Nm=FFH,NX=CDH，因此通过标度变换计算可以确定此时的温度为：,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.1标度变换及其程序设计,（2）线性仪表的标度变换,程序设计,标度变换需要进行加、减、乘、除算术运算。为了实现上述运算，可以设计一个专用的标度变换子程序，需要时调用这一子程序即可。变换运算中所需常数可由程序到存储器中约定单元提取。例如约定A0、Am、A0、Nm 分别存放在以符号ALOWER、AUPPER、NLOWER、NOPPER表示的内存单元中，和分别存放在符号SAMP、DATA表示的单元中.可用右图所示程序框图设计程序进行标度变换。程序全部采用字型操作数指令。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.1标度变换及其程序设计,（3）非线性测量的标度变换,1)分段拟合法序(分段线性化)在（xi，xi1）之间(段)，其对应的线性逼近值为：,实现线性插值的步骤如下：将校准曲线进行分段，选取各插值基点。确定各插值点值，计算值，拟合直线段的斜率值，全部按一定规律存放在存储器中。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.1标度变换及其程序设计,（3）非线性测量的标度变换,1)分段拟合法序(分段线性化)编程:(1)根据测量结果，确定Nx所在区间（Ni，Ni1），取得该段斜率ki，插值基点值Yi。,(2)计算:,(3)计算,(4)计算,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.1标度变换及其程序设计,（3）非线性测量的标度变换,2)查表法,分段拟合法序(分段线性化)缺点:需要仪表在线工作中作大量的、甚至是复杂的计算；若计算中处理不当（如字节数不够等），就可能造成计算误差；计算必然使得程序变长，处理速度降低。,查表法：,可以避开处理计算，以较高的精度和较快的速度进行线性化处理。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.1标度变换及其程序设计,（3）非线性测量的标度变换,2)查表法,查表法要求:(1)事先用表格形式确定采样结果与被测量之间关系；(2)将表格按一定方法（例如大小顺序）存入内存单元。,查表法处理过程中先取得测量结果，然后查表得到被测量数值。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.2 数字滤波,（1）算术平均滤波程序,对目标参数进行连续采样，然后去掉最大值和最小值；最后，求取算术平均值作为有效采样值，该算法适用于抑制随机干扰。即：将顺序m次采样值相加，取其算术平均值作为一次采样真值，即:,m取决于平滑度、速度和灵敏度，因为随m值的增大，平滑度可提高，但速度降低，灵敏度降低。采样次数m太小则效果不明显，滤除脉冲干扰的效果不好。还应注意，若取m=2n，则除法运算转成二进制数的逻辑右移，可提高处理速度。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.2 数字滤波,（2）中值滤波程序,中值滤波就是对某一被测量连续采样n次（一般为奇数次），然后将n个采样数据进行排序，而取中间值作为本次采样真值。此滤波程序对消除脉冲性质的干扰影响比较有效。如果时间允许，可在排序后将最大和最小的n个数去掉，再求剩余数据的算术平均值。,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.2 数字滤波,（3）低通数字滤波器模型,在模拟滤波技术中，RC低通滤波器是最常用的，尤其是如下图所示的一阶RC低通滤波器。,b=1-a,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.3 控制技术及其算法,（1）反馈控制（闭环控制）控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量的偏差，从而实现控制任务。由于引入了被控量的反馈信息，这个控制过程形成闭合，因此也称闭环控制。,被控对象(设备),传感器与变送器,A/D,执行机构,D/A,数字控制器(单片机主机,u,被控量 y,设定值 r,-,e,单片机系统,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.3 控制技术及其算法,（2）PID算法-普通PID-数字PID,被控对象(设备),传感器与变送器,A/D,执行机构,D/A,u,被控量 y,设定值 r,-,e,单片机系统,比例,积分,微分,PID算法,第二章应用系统的基本组成与设计内容,4 常用的数据处理数学模型及其程序设计,4.3 控制技术及其算法,控制输出信号量：,式中 E(n)为当前测量值y(n)与设定值r的偏差；E(n-1)为前次偏差；E(n-2)为前次的前次偏差。,（2）PID算法-增量数字PID,谢谢大家！,敬请批评指正！,第二章应用系统的基本组成与设计内容,