大工20秋《单片机原理及应用》复习资料十三
单片机原理及应用辅导资料十三主 题：课件第七章第1-2节学习时间：2020年6月22日--6月28日
“不忘初心、牢记使命”主题理论学习：
每周文摘：守初心，就是要牢记全心全意为人民服务的根本宗旨，以坚定的理想信念坚守初心，牢记人民对美好生活的向往就是我们的奋斗目标；以真挚的人民情怀滋养内心，时刻不忘我们党来自人民、根植人民，人民群众的支持和拥护是我们胜利前进的不竭力量源泉；以牢固的公仆意识践行初心，永远铭记人民是共产党的衣食父母，共产党人是人民的勤务员，永远不能脱离群众、轻视群众、漠视群众疾苦。
摘选自《在“不忘初心、牢记使命”主题教育工作会议上的讲话》课程内容：
我们这周主要学习课件第七章单片机应用系统设计第1-2节的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对单片机相关知识的理解。一、学习要求
掌握单片机控制系统的设计要求、设计方法和设计特点，软件的设计技巧；了解单片机系统的开发过程。二、主要内容
1.单片机应用系统设计过程
（1）系统设计的基本要求
①可靠性要高
单片机应用系统在满足功能需求的前提下，应具有较高的可靠性。因为单片机系统完成的任务是系统前端信号的采集和控制输出，一旦系统出现故障，必将造成整个生产过程的混乱和失控，从而产生严重的后果。
首先，在设计时应细致了解系统的应用环境，认真分析可能出现的各种影响系统的可靠性因素，采取切实可行的措施排除故障隐患。
其次，总体设计时应考虑系统的故障自动检测和处理功能，在系统运行时，定时地进行各个功能模块的自诊断，对于无法解决的问题应及时切换到后备设备或报警。
②使用和维修要方便
在总体设计时应考虑系统的使用和维修方便。尽量降低对操作人员的计算机专业知识的要求，以便于系统的广泛使用。系统的控制开关不能太多，不能太复杂，操作要简单明了，参数的输入输出应采用十进制，符号要简明直观。
③性能价格比要高
为了使系统具有良好的市场竞争力，在提高系统功能指标的同时，还要优化系统设计，采用硬件软化技术提高系统的性能价格比。
（2）系统设计的步骤
①确定任务
首先进行广泛的市场调查，了解该系统的市场应用概况，分析系统当前存在的问题，研究系统的市场前景，确定系统开发设计的目的和目标。
②方案设计
单片机机型和器件的选择
性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲置；
性能价格比要高，以提高系统整机的性能价格比；
结构原理要熟悉，以缩短开发周期；
货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护；
硬件与软件的功能划分
系统的硬件和软件要进行统一的规划；
在CPU时间不紧张的情况下，应尽量采用软件；
如果系统回路多，实时性要求强，则要考虑用硬件完成；
③硬件设计
根据总体设计的要求，选择完单片机机型后，具体确定系统中所要使用的元件，并设计出系统的电路原理图，在必要的实验后完成工艺结构设计，电路板制作和样机的组装，主要的硬件设计包括：
单片机电路设计
主要完成时钟电路，复位电路，供电电路的设计。
扩展电路和输入/输出通道设计
主要完成程序存储器，数据存储器，I/O接口电路及传感
器电路，放大电路，多路开关，D/A转换电路，A/D转换
电路，开关量接口，驱动和执行接口的设计。
控制面板设计
主要完成按键，开关，显示器，报警等电路的设计。
④软件设计
单片机应用系统的设计中，软件设计占有重要的位置。应用软件包括数据采集和处理程序，控制算法实现程序，人机交互程序，数据管理程序。软件设计通常采用模块化程序设计，自顶向下的程序设计方法。2.提高系统可靠性的一般办法
（1）电源干扰及其抑制
单片机应用系统的可靠性是极为重要的，在影响单片机系统可靠性的诸多因素中，电源干扰可谓首屈一指。据统计，计算机应用系统的运行故障有90％以上是由电源噪声引起的。
①交流电源干扰及其抑制
多数情况下，单片机应用系统都使用交流220V，50Hz的电源供电。在工业现场中，生产负荷的经常变化，大型用电设备的启动和停止，往往会造成电源的波动，有时会产生尖峰脉冲，这种高能尖峰脉冲的幅度达到50V~4000V，持续时间为几个纳秒，它对计算机系统的影响最大，会使系统运行紊乱。因此，一方面要远离这些干扰源，另一方面，使用交流电源滤波器。当然，还要使用交流稳压器，防止电源的过压和欠压。
②直流电源抗干扰措施
采用高质量集成稳压电路单独供电
单片机系统往往需要几种不同电压等级的直流电源。每个稳压电路单独对电压过载进行保护，因为不会因为某个电路出现故障而使整个系统遭到破坏。而且减少了公共阻抗的相互耦合，提高系统的供电可靠性。
采用直流开关电源
直流开关电源是一种脉宽调制型电源，体积小，重量轻，效率高，电网电压范围宽，具有良好的初次级隔离作用。
采用DC-DC变换器
如果系统供电电网波动较大，或者精度要求高，可以采用DC-DC变换器。DC-DC变换器的特点是，输入电压范围大，输出电压稳定且可调，效率高，体积小，有多种封装形式。
（2）地线干扰及其抑制
在计算机应用系统中，接地是一个非常重要的问题，接地正确与否，将直接影响系统的正常工作。
①一点接地和多点接地的应用
在低频电路中，布线和元件间的寄生电感影响不大，因而采用一点接地，以减少地线造成的地环路。
在高频电路中，布线和元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线间的耦合，影响比较突出，此时应该采用多点接地。
②数字地与模拟地的连接原则
数字地是指TTL或CMOS芯片，I/O接口电路芯片，CPU芯片等数字逻辑电路的接地端，以及A/D，D/A转换器的数字地。
模拟地是指放大器，采样保持器和A/D,D/A中模拟信号的接地端。
在单片机系统中，数字地和模拟地应分别接地。即使是一个芯片上有两种地也要分别接地，最后，在一点处把两种地连接起来。否则数字信号会通过接地回路干扰模拟信号。
③印刷电路板的地线分布原则
TTL, CMOS器件的接地线要呈辐射网状，避免环形。
板上地线的宽度要根据通过的电流大小而定，最好不要小于3mm. 在可能的情况下，地线尽量加宽。
旁路电容的地线不要太长。
功率地通过电流信号放大，地线应较宽，必须与小信号地分开。
④信号电缆屏蔽层的接地
信号电缆可以采用双绞线和多芯线，又有屏蔽和无屏蔽两种。双绞线具有抑制电磁干扰的作用，屏蔽线具有抑制静电感应干扰的作用。对于屏蔽线，屏蔽层最佳的接地点是在信号源侧（一点接地）。
（3）其它提高系统可靠性的方法
①使用微处理器监控电路
为了提高系统的可靠性，许多芯片生产厂商推出了微处理器监控芯片，这些芯片具有如下功能：
上电复位；
监控电压变化；
看门狗（Watchdog）功能；
片使能；
备份电池切换开关；
②软件抗干扰措施
在前面的程序中，处理开关输入的时候需要延迟确认，这就是采用软件的方法进行抗干扰，对于开关量的输入，在软件上可以采取多次（至少两次）读入的方法，几次读入经比较无误后，再行确认。开关量输出时，可以对输出量进行回读确认。对于按钮及开关，要用软件延时的办法避免机械抖动造成的误读。
在条件控制中，对于条件控制的一次采样，处理，控制输出，应改为循环地采样，处理，控制输出，避免偶然性的干扰造成的误输出。
对于可能酿成重大事故的输出，要注意设置人工干预措施。三、习题
（一）判断题
1．在低频电路中，布线和元件间的寄生电感影响不大，常采用多点接地。（ ）
答案：×
2. 在单片机系统中，数字地和模拟地应分别接地。（ ）
答案：√（二）简答题
请简述提高单片机系统可靠性的一般方法。
答：提高单片机系统可靠性的一般方法包括:
第一，电源干扰及其抑制，其又可以分为交流电源干扰的抑制和直流电源抗干扰方法。
第二，地线干扰及其抑制，对于低频电路往往采用一点接地，对于高频电路则采用多点接地，另外，数字地和模拟地要分别接地，最后在一点处接地。
第三，其它提高系统可靠性的方法包括使用微处理器监控电路，例如，看门狗电路，上电复位电路，备份电池等。还包括使用软件的方法提高系统的抗干扰能力。
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