《電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽單片機(jī)應(yīng)用》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽單片機(jī)應(yīng)用（42頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用指導(dǎo),B,T,R,電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽,單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用指導(dǎo),浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 阮秉濤,2008,年,7,月,一、,概述,單片機(jī)屬于超大規(guī)模集成電路，單片機(jī)系統(tǒng)在時(shí)鐘脈沖作用下，按節(jié)拍順序執(zhí)行用戶編制的軟件程序，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能。,顯然，由于有軟件的參與，利用單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，使用也很方便、靈活。,其缺點(diǎn)是由于程序的執(zhí)行是按節(jié)拍進(jìn)行，隨著控制復(fù)雜性的增加，程序也將變得復(fù)雜，從而導(dǎo)致執(zhí)行時(shí)間增加，系統(tǒng)速度下降。,因此，單片機(jī)只適合工作速度要求不高，但需要對(duì)信息作相對(duì)復(fù)雜處理的場(chǎng)合使用

2、。另外，單片機(jī)的應(yīng)用還需要有相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)支撐。,單片機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn),在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，幾乎所有競(jìng)賽題的設(shè)計(jì)都會(huì)用到單片機(jī)系統(tǒng)；,依據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中的作用和地位，有三種可能的情況：,二、單片機(jī)系統(tǒng)在競(jìng)賽題中應(yīng)用,很多賽題以單片機(jī)系統(tǒng)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要功能由單片機(jī)系統(tǒng)完成，如：,測(cè)量類的“簡(jiǎn)易邏輯分析儀”、“數(shù)字式工頻有效值多用表”等；,數(shù)據(jù)采集類的“數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)”、“多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”等；,控制類的“懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”、“簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車”等。,電源類的“簡(jiǎn)易數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)”、“數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)”等。,在這類賽題中，單片機(jī)系統(tǒng)完成的主要功能有：,信號(hào)的采集、輸入控

3、制；,信號(hào)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析、判斷；,信號(hào)的輸出控制；,人機(jī)交互功能；,多機(jī)通訊功能等。,有些賽題需要單片機(jī)系統(tǒng)與專用芯片或可編程器件結(jié)合，完成設(shè)計(jì)要求，如：,信號(hào)源類的“正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)”、“實(shí)用信號(hào)源設(shè)計(jì)”等；,無(wú)線電類的“調(diào)頻收音機(jī)設(shè)計(jì)”、“單工無(wú)線呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等；,測(cè)量類的“簡(jiǎn)易數(shù)字儲(chǔ)存示波器”、“簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)”等。,電源類的“三相正弦波變頻電源設(shè)計(jì)”、“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源”等。,在這類賽題中，單片機(jī)系統(tǒng)完成的主要功能有：,信號(hào)的輸入、輸出輔助控制；,信號(hào)的存儲(chǔ)；,人機(jī)交互功能；,多機(jī)通訊功能等；,信號(hào)的處理過(guò)程由專用芯片或可編程器件完成。,還有少量的賽題單片機(jī)系統(tǒng)僅起一個(gè)輔助作用，主

4、要功能由純硬件電路完成，如：,放大器類的“測(cè)量放大器設(shè)計(jì)”、“實(shí)用低頻功率放大器設(shè)計(jì)”等。,在這類賽題中，單片機(jī)系統(tǒng)完成的主要功能有：,信號(hào)的輔助控制；,人機(jī)交互功能；,主要功能由純硬件電路完成。,單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)軟、硬結(jié)合的系統(tǒng)，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)既有硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，也有軟件設(shè)計(jì)任務(wù)。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)之前，首先要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行軟、硬件劃分；,單片機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件之間有密切的相互制約的聯(lián)系，硬件和軟件具有一定的互換性；,由硬件來(lái)完成一些功能可以提高工作速度，減少軟件工作量；由軟件來(lái)完成某些功能，可降低硬件成本、簡(jiǎn)化電路，提高系統(tǒng)可靠性；,可根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行速度、成本、可靠性和研制周期等要

5、求來(lái)確定軟、硬件功能的劃分。,三、單片機(jī),系統(tǒng)功能劃分,根據(jù)運(yùn)行速度要求,在絕大多數(shù)單片機(jī)系統(tǒng)中，劃分軟、硬件功能往往是由系統(tǒng)的運(yùn)行速度決定；,例如，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率一般在,6,12MHz,左右，執(zhí)行一條指令至少需要,1s,，而完成任何一項(xiàng)工作需要若干條指令，因此比數(shù)字邏輯電路,(,無(wú)論是組合電路還是時(shí)序電路,),都慢得多；,如果某一任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間要求少于,10s,，就必須采用硬件電路實(shí)現(xiàn)。否則，如采用確能完成此項(xiàng)任務(wù)的高速單片機(jī)系統(tǒng)，則會(huì)造成浪費(fèi)。,根據(jù)成本要求,單片機(jī)系統(tǒng)研的制費(fèi)用包括硬件和軟件費(fèi)用，軟件的費(fèi)用不僅是設(shè)計(jì)師所花費(fèi)的腦力勞動(dòng)，還有各種調(diào)試工具、消耗品的費(fèi)用；,軟件費(fèi)用的特點(diǎn)是

6、研制費(fèi)用昂貴，復(fù)制費(fèi)用低廉；,在批量生產(chǎn)的產(chǎn)品研制中，應(yīng)盡可能利用軟件代替硬件，降低成本；,小批量或單件產(chǎn)品不宜采用軟件代替硬件辦法，這會(huì)增加軟件研制費(fèi)用；,直接利用已成熟原理或軟件來(lái)替代硬件不受此限。,根據(jù)可靠性要求,硬件線路越復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性就越差；,采用軟件替代硬件功能，是提高可靠性的一個(gè)好辦法；,在一些特殊場(chǎng)合，如軍用及各種惡劣環(huán)境中，往往采用硬件冗余線路來(lái)提高系統(tǒng)可靠性。,根據(jù)研制周期要求,為了加快單片機(jī)系統(tǒng)的研制速度，應(yīng)盡量考慮采用各種標(biāo)準(zhǔn)軟硬件或利用已有成熟的軟硬件來(lái)完成系統(tǒng)的功能，而不必拘泥于前面所述細(xì)節(jié)。,單片機(jī)系統(tǒng)組成,單片機(jī)系統(tǒng),基本系統(tǒng),（信號(hào)處理）,通道接口,（信號(hào)傳

7、輸）,最小系統(tǒng),基本系統(tǒng)擴(kuò)展,前向通道,后向通道,人機(jī)通道,相互通道,四、單片機(jī),系統(tǒng),硬件設(shè)計(jì),MCS,51,系列,單片機(jī)由8個(gè)部件組成,：,微處理器(ALU)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、程序存儲(chǔ)器(ROM/EPROM)、I/O口(P0P3)、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器(SFR)。,了解單片機(jī)的主要應(yīng)用特性,片內(nèi)結(jié)構(gòu),存儲(chǔ)空間,存儲(chǔ)空間,（內(nèi)部、外部）,程序存儲(chǔ)器空間,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間,I/O,空間,MCS,51,系列單片機(jī)有三維存儲(chǔ)空間：,程序存儲(chǔ)器空間：使用,MOVC A,，,A,DPTR,等指令；,內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間：使用,MOV A,，,DIRECT,等指令；,外部數(shù)據(jù)

8、存儲(chǔ)器和,I/O,空間：使用,MOVX A,，,DPTR,等指令。,時(shí)序是指信號(hào)變化的先后關(guān)系和時(shí)間要求；,在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，主要要解決的問(wèn)題就是接口的時(shí)序配合問(wèn)題；,時(shí)序圖中給出的主要參數(shù)有：地址建立時(shí)間,tSA,，地址保持時(shí)間,tHA,，數(shù)據(jù)建立時(shí)間,tSD,，數(shù)據(jù)保持時(shí)間,tHD,，讀信號(hào)脈沖寬度,tRD,和寫(xiě)信號(hào)脈沖寬度,tWR,等。,外部存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)序,掌握單片機(jī)系統(tǒng)接口技術(shù),當(dāng)單片機(jī)片內(nèi)集成的功能單元不能滿足應(yīng)用需要時(shí)就必須進(jìn)行基本系統(tǒng)擴(kuò)展；,擴(kuò)展,的內(nèi)容,包括程序存儲(chǔ)器(ROM/EPROM)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)擴(kuò)展、輸入/輸出口(I/O口)擴(kuò)展、定時(shí)/計(jì)數(shù)器,(,T/

9、C),擴(kuò)展、中斷系統(tǒng)擴(kuò)展及其他特殊功能擴(kuò)展,；,擴(kuò)展的方法是以接口電路為橋梁，連接,CPU,與外圍芯片或外部設(shè)備,擴(kuò)展的途徑是通過(guò)單片機(jī)的并行總線、串行總線或,I/O,口進(jìn)行擴(kuò)展。,概述,接口的功能,接口是CPU與外界連接的電路部分，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站,；,單片機(jī)外圍擴(kuò)展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，因此擴(kuò)展電路及擴(kuò)展方法都較為典型、規(guī)范；,但也有一些外設(shè)不能直接與,CPU,相連，必須通過(guò)接口電路使,CPU,與外設(shè)之間達(dá)到最佳耦合與匹配；,接口一般有如下功能：數(shù)據(jù)緩沖功能、設(shè)備選擇功能和信號(hào)轉(zhuǎn)換功能。,信號(hào)鎖存與緩沖,信號(hào)的鎖存與緩沖的目的是解決主機(jī)高速與外設(shè)低速的矛盾，避免因速

10、度不一致而丟失數(shù)據(jù)。,鎖存器的作用是把輸入信號(hào)鎖存起來(lái)，,等待外設(shè)讀??；,緩沖器的作用是在需要時(shí)通過(guò),選通信號(hào)來(lái),讀取外設(shè)提供的,信息,；,常用的鎖存器有,74LS273,，,74LS373,，,74LS374,，,74LS377,等，緩沖器有,74LS240,，,74LS241,，,74LS244,，,74LS245,，,74LS367,等,。,CPU,鎖存器,緩沖器,外設(shè),D,D,D,CLK,EN,地址譯碼,單片機(jī)系統(tǒng)中通過(guò)并行總線擴(kuò)展的芯片有多種，同一種芯片也可能有多片，而,CPU,在同一時(shí)間里只能與某一芯片交換信息，這就要借助于接口中的地址譯碼電路對(duì)擴(kuò)展芯片進(jìn)行尋址，只有被選中的芯片或

11、單元才能與,CPU,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或通信,譯碼電路直接確定了每個(gè)芯片在單片機(jī)訪問(wèn)時(shí)的唯一編號(hào),(,接口地址,),；,單片機(jī)系統(tǒng),常用譯碼方式有三種：,直接譯碼、,譯碼器,譯碼,和,完全地址譯碼,。,是指不采用專門(mén)的譯碼電路，直接利用單片機(jī)地址總線的高位輸出作片選信號(hào)的地址譯碼方式；,直接譯碼,電路的連接較為簡(jiǎn)單，但許多地址空間因可能使兩片以上外設(shè)同時(shí)被選中而不能使用，存儲(chǔ)空間浪費(fèi)嚴(yán)重；,一般用在需要譯碼信號(hào)不多的場(chǎng)合。,直接譯碼,8K RAM,(1),CS,8K RAM,(2),CS,8K RAM,(3),CS,A12,A0,A15,A14,A13,是指利用譯碼器進(jìn)行地址譯碼的方式；,例如,A1

12、5,A13,經(jīng),3/8,譯碼器譯碼，可產(chǎn)生,8,個(gè)地址連續(xù)的片選信號(hào)。當(dāng)需要更多的片選信號(hào)時(shí)，可采用級(jí)聯(lián)擴(kuò)展技術(shù)；,譯碼器譯碼可獲得幾個(gè)地址連續(xù)、大小一樣的片選信號(hào)；級(jí)聯(lián)擴(kuò)展譯碼則可產(chǎn)生更多片選信號(hào)，各級(jí)之間片選信號(hào)對(duì)應(yīng)地址范圍大小不同。,譯碼器,譯碼,A15,A14,A13,CS0,CS7,C Y0,B,A,3/8,譯碼器,(1),EN Y7,C Y0,B,A,3/8,譯碼器,(2),EN Y7,A12,A11,A10,CS5,CS8,CS15,是一種譯碼范圍與實(shí)際需要完全一致的譯碼方式，又有固定式和開(kāi)關(guān)式兩種；,完全地址譯碼有較高的存儲(chǔ)空間利用率，開(kāi)關(guān)式譯碼電路可根據(jù)需要調(diào)整接口地址，防止

13、地址沖突，但電路相對(duì)復(fù)雜，一般用于計(jì)算機(jī)電路。,完全地址譯碼,A9,.,.,A3,A2,A1,A0,CS,&,1,1,Vcc,A9,.,.,A2,1,0,1,0,CS,P7,.COMP,.,P0,Q7 P=Q,Q6,Q5,Q4,Q3,Q2,Q1,Q0,由于擴(kuò)展芯片所能提供的狀態(tài)信號(hào)和它所需要的控制信號(hào)往往與單片機(jī)的總線信號(hào)不兼容，所以信號(hào)轉(zhuǎn)換不可避免；,信號(hào)轉(zhuǎn)換包括,CPU,信號(hào)與外設(shè)信號(hào)的邏輯關(guān)系上、時(shí)序配合上、以及電平匹配上的轉(zhuǎn)換；,信號(hào)的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。,信號(hào)轉(zhuǎn)換,單片機(jī)最小系統(tǒng)是指能使系統(tǒng)運(yùn)行的最小配置電路；,大多數(shù)單片機(jī)芯片內(nèi)部都缺乏晶振電路和復(fù)位電路，

14、因此，最小系統(tǒng)的組成中一般都包含晶振和復(fù)位電路；,最小系統(tǒng)組成,單片機(jī)基本系統(tǒng)擴(kuò)展,在單片機(jī)系統(tǒng)中，常用的擴(kuò)展芯片主要有程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、,I/O,口，以及其他專用功能芯片如定時(shí),/,計(jì)數(shù)器、中斷控制器、通信控制器等,。,典型單片機(jī),基本,系統(tǒng),擴(kuò)展如圖所示。,該系統(tǒng)中除了包括必需的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路以外，還擴(kuò)充了一片,2764,作為外部程序存儲(chǔ)器，一片,6264,作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，一片,2864,作為掉電保持的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及用,74LS245,和,74LS273,擴(kuò)展的簡(jiǎn)單,I/O,口,。,單片機(jī)系統(tǒng)通道設(shè)計(jì),前向通道是被測(cè)對(duì)象信號(hào)輸出到單片機(jī),CPU,信號(hào)輸入的通道，其結(jié)構(gòu)形式

15、取決于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境和輸出信號(hào)的類型、數(shù)量、大小等；,對(duì)于模擬量信號(hào)，應(yīng)將小信號(hào)放大到能滿足,A/D,轉(zhuǎn)換、,V/F,轉(zhuǎn)換要求的輸入電壓；,對(duì)于頻率信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)，能滿足,TTL,電平要求時(shí)可直接接入單片機(jī)的,I/O,口、擴(kuò)展,I/O,口或中斷入口，否則也應(yīng)通過(guò)放大、整形變換成,TTL,電平的方波信號(hào)后再送入單片機(jī)系統(tǒng)。,前向通道設(shè)計(jì),對(duì)于頻率量和開(kāi)關(guān)量,單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的輸入口線，例如用單片機(jī)芯片提供的,I/O,口，或通過(guò)緩沖器,74LS245,、可編程,I/O,擴(kuò)展芯片,8255,、,8155,等提供擴(kuò)展,I/O,口。,對(duì)于模擬量,一般考慮用,A/D,轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；,

16、根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，可以準(zhǔn)備普通,A/D,（如,ADC0809,、,ADC0804,等），高精度,A/D,（如,AD574,、,MAX144,等），或高速,A/D,（如,AD9224,、,TLC5510,等）。,后向通道設(shè)計(jì),后向通道是單片機(jī)實(shí)施控制運(yùn)算處理后，對(duì)控制對(duì)象的輸出通道接口；,單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)形態(tài)主要有開(kāi)關(guān)量、二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量，可直接用于開(kāi)關(guān)量、數(shù)字控制系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)；,對(duì)于模擬量控制系統(tǒng)，應(yīng)通過(guò)數(shù),/,模轉(zhuǎn)換輸出模擬量控制信號(hào)。,開(kāi)關(guān)量、二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量,單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的輸出口線，例如用單片機(jī)芯片提供的,I/O,口，或通過(guò)鎖存器,74LS273,、可編程,I/O,擴(kuò)展芯片,8255,、,8155,等提供擴(kuò)展,I/O,口。,對(duì)于模擬量,一般考慮用,D/A,轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換；,根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，可以準(zhǔn)備普通,D/A,（如,ADC0832,等），高精度,D/A,（如,MAX539,等），或高速,D/A,（如,TLC7528,等）。,人機(jī)通道設(shè)計(jì),人機(jī)通道有人機(jī)對(duì)話功能，它包括人對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)、數(shù)據(jù)輸入以及應(yīng)用系統(tǒng)向人報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行結(jié)果