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本章分为两节，主要介绍：

本章分为两节，主要介绍：. 9 .2 提高系统可靠性的一般方法. 9 .1 单片机应用系统设计过程. 9 .3 数据采集系统设计. 9 .4 智能二线制温度变送器设计实例. 9.1 单片机应用系统设计过程. 9.1.1 系统设计的基本要求. 一、可靠性要高 应用系统在满足使用功能的前提下，应具有较高的可靠性。这是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。因此， 对可靠性的考虑应贯穿于单片机应用系统设计的整个过程 。.

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Presentation Transcript

  1. 本章分为两节，主要介绍： 9.2 提高系统可靠性的一般方法 9.1 单片机应用系统设计过程 9.3 数据采集系统设计 9.4 智能二线制温度变送器设计实例

  2. 9.1 单片机应用系统设计过程 9.1.1 系统设计的基本要求 一、可靠性要高 应用系统在满足使用功能的前提下，应具有较高的可靠性。这是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。因此，对可靠性的考虑应贯穿于单片机应用系统设计的整个过程。 在设计时对系统的应用环境要进行细致地了解，认真分析可能出现的各种影响系统可靠性的因素，采取切实可行的措施排除故障隐患。 在总体设计时应考虑系统的故障自动检测和处理功能。在系统正常运行时，定时地进行各个功能模块的自诊断，并对外界的异常情况做出快速处理。对于无法解决的问题，应及时切换到后备装置或报警。

  3. 二、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要方便，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，操作顺序应简单明了，参数的输入/输出应采用十进制，功能符号要简明直观。 三、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。

  4. 9.1.2 系统设计的步骤 一、确定任务 • 单片机应用系统可以分为智能仪器仪表和工业测控系统两大类。无论哪一类，都必须以市场需求为前提。所以，在系统设计前，首先要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。简单地说，就是通过调研克服旧缺点、开发新功能。 • 在确定了大的方向的基础上，就应该对系统的具体实现进行规划。包括应该采集的信号的种类、数量、范围，输出信号的匹配和转换，控制算法的选择，技术指标的确定等。

  5. 二、方案设计 （1）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，以提高整个系统的性能价格比； 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。 （2）硬件与软件的功能划分 系统的硬件和软件要作统一的规划。因为一种功能往往是既可以由硬件实现，又可以由软件实现。 用硬件实现速度比较快，可以节省CPU的时间，但系统的硬件接线复杂、系统成本较高。用软件实现则较为经济，但要更多地占用CPU的时间。所以，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。

  6. 三、硬件设计 硬件的设计是根据总体设计要求，在选择完单片机机型的基础上，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，经过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。主要硬件设计包括： （1）单片机电路设计 （2）扩展电路设计 （3）输入/输出通道设计 （4）控制面板设计

  7. 四、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。单片机应用系统的软件通常应包括数据采集和处理程序、控制算法实现程序、人机联系程序、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。。

  8. 设计开发过程 ：

  9. 9.2 提高系统可靠性的一般方法 9.2.1 电源干扰及其抑制 一、交流电源干扰及其抑制

  10. 交流电源综合配置 ：

  11. （1）采用高质量集成稳压路单独供电 采用低纹波高质量集成稳压电路。每个稳压电路单独对电压过载进行保护，因此不会因某个电路出现故障而使整个系统遭到破坏。使供电系统的可靠性大大提高。 二、直流电源抗干扰措施 （2）采用直流开关电源 直流开关电源是一种脉宽调制型电源。它甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高、电网电压范围宽、变化时不易输出过电压和欠电压，同时还具有较好的初、次级隔离作用。 （3）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整、效率高、体积小、有多种封装形式。

  12. 9.2.2 地线干扰及其抑制 一、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，因而常采用一点接地，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，此时应采用多点接地。 通常，频率小于1MHz时，采用一点接地；频率高于10MHz时，采用多点接地；频率处于1至10MHz时，若采用一点接地，其地线长度不应超过波长的二十分之一。否则，应采用多点接地。

  13. 二、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，然后在一点处把两种地连接起来，否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影响。

  14. 三、印刷电路板的地线分布原则 （1）TTL、CMOS器件的接地线要呈辐射网状，避免环形； （2）板上地线的宽度要根据通过的电流大小而定，最好不小于3mm。在可能的情况下，地线尽量加宽； （3）旁路电容的地线不要太长； （4）功率地通过电流信号较大，地线应较宽，必须与小信号地分开。

  15. 四、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情况。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）。

  16. 9.2.3 其它提高系统可靠性的方法 一、使用微处理器监控电路 芯片具有如下功能： • 上电复位； • 监控电压变化； • Watchdog功能； • 片使能； • 备份电池切换开关等。 典型产品如美国MAXIM公司推出的，MAX703～MAX709/813L，MAX791等 。

  17. （1）输入/输出抗干扰 • 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，经比较确认无误后再输出。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。 二、软件抗干扰措施

  18. 除了采用硬件Watchdog外，还可以设立软件陷阱防止系统失控。办法是在未用到的中断矢量区及其它未使用的EPROM区设置如下指令：除了采用硬件Watchdog外，还可以设立软件陷阱防止系统失控。办法是在未用到的中断矢量区及其它未使用的EPROM区设置如下指令： … NOP NOP LJMP 0000H （2）避免系统“死机”的方法

  19. 9.3 数据采集系统设计 9.3.1 模拟输入通道的组成 模拟输入通道的一般构成 ：

  20. 9.3.2 设计示例 一、设计要求 被测温度范围是0～500℃，被测点为4个。要求测量的温度分辨率为0.5℃，每2秒测量一次。 二、器件选择 传感器选用镍铬-镍硅热电偶，分度号为K（旧分度号为EU-2）。当温度为500℃时热电动势为20.64 mV。 满量程为500℃，对于0.5℃的分辨要求，A/D转换器要具有0.5/500＝1/1000的分辨能力。选用5G14433。 采用放大器将热电偶输出的20.64 mV的信号放大。 采用差动多路转换器CD4052以提高放大器的抑制共模干扰的能力。

  21. 三、硬件电路

  22. 四、软件流程

  23. 9.4 智能二线制温度变送器设计实例 9.4.1 智能温度变送器简介 结构框图 ：

  24. 9.4.2 硬件设计 一、电源管理模块

  25. 二、信号处理模块

  26. 三、数据运算模块

  27. 四、V/I变换模块

  28. 五、系统功耗 电源管理部分，主要器件MAX1615的静态电流为80μA、MAX619的静态电流为100μA；信号处理部分主要器件X9c104和X9c504的静态电流各为500μA、TLC27L2的静态电流为120μA；数据运算部分主要器件C8051F007的静态电流近似为1mA；V/I转换部分主要器件TLE2021的静态电流为230μA、ICL7660的静态电流近似为200μA；其他部分散件的静态电流大约为500μA。 总体静态电流IA为3.73mA，小于4mA 。

  29. 9.4.3 软件设计 一、A/D转换 AD_Change（） { AXM0CF=0x00； ADCS2=1； ADCS1=0； ADCS0=0；//A/D转换时钟周期为16个系统时钟周期 AMPGN2=0；AMPGN1=1；AMPGN0=0；//增益为4 ADM0SL=0x00；//选择A/D通道0 ADCEN=1； for（i=0；i<=100；i++）；//启动A/D转换 ADCBUSY=1； while（ADCBUSY==1）；//等待转换结束 ad_result1=（ADC0H&0x03）*256+ADC0L；//读转换结果 ADBUSY=0；//清A/D转换标志 }

  30. 二、线性化处理 对非线性的补偿，采用查表法和计算法结合的插值法。先建立被测温度与A/D转换数值之间的对应曲线。

  31. 将温度被分成30个均匀的区间，每个区间的端点A/D转换值N k都对应一个T k。当A/D转换值为N i 时，实际测量温度值Ti一定会落在某个区间（T k，T k+1），采用线性插值法进行插值，用通过（N k，T k）和（N k+1，Tk+1）两点的直线近似代替原特性。

  32. unsigned long Count_Tem（unsigned int ad_counter） { unsigned long js1，js2； unsigned char js=0； while（1） { js1=counter[js]； js2=counter[js+1]； if（ad_counter>=js1 && ad_counter<=js2） //判断Ni是否在（N k，N k+1）内 { temp1=tempture[js]；temp2=tempture[js+1]； temp=temp1+（ad_counter-js1）*500/（js2-js1）； //代入公式计算结果 return temp； //返回温度值 } js=js+1； if（js>61）{break；} } }

  33. 思考题及习题 1、单片机应用系统的设计有那些要求？ 2、单片机应用系统的设计有那些步骤？ 3、提高单片机应用系统的可靠性有那些措施？ 4、数据采集系统的模拟通道有那些环节，各环节的功能是什么？ 5、什么情况下可以不用采样保持器？ 6、模拟信号的放大应注意哪些问题？ 7、多路模拟开关的选择要注意什么？ 8、与80C51兼容的单片机主流产品有哪些？各有何特点？ 9、单片机汇编语言与C51语言在单片机应用系统的开发上有何特点？

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