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1、!#$%&#$()*(+#,%-(#&#$(./0!1专题研究基于!#$%&单片机嵌入式系统硬件平台的设计文章编号：!#$%&()%#!#%程小辉，李明强，沈旭（桂林工学院 电子与计算机系，广西 桂林!#$）摘要：介绍了基于*+,$-(!单片机的通用型嵌入式系统硬件平台的设计方案。该硬件平台向用户提供了中断接口、数模和模数转换接口及./0 端口等，用户可以非常方便地将其看作一个模块嵌入到一个系统中，并且每个模块配有相关的软件，这样大大减少了单片机系统开发人员的开发时间，提高了开发效率。关键词：单片机；嵌入式系统；硬件；设计中图分类号：!#$%&文献标志码：(#$%&()*+,-.$/$/01%
2、2$-%3+4/5+4$67+2 8+%$/)(9:;?0&(7$#A&BC&4)-BD2$4-1234 5678#9:6，;.#?67=，123 5A9.%24+2：.=BC8D:EFD 7 DFG6=H8C 7 FIJFDDFD GKGBFI 97CDL7CFG HM7B J7G6=8=*+,$-(!G6=MF#E96N I6EC8E8IN:BFCOB9F 97CDL7CFG HM7B 6=EM:DFD B9F GKGBFI FPN7=DG 8H G6=MF#E96N I6EC8E8IN:BFCONC8A6D6=B8 E:GB8IFC B9F 6=BFCC:NB68=E8=FEBGOQ/*
3、7=D*/Q E8=AFCG68=E8=FEBG 7=D./0 N8CB FBER-:GB8IFC E7=AFCK FPNFD6F=BMK L6MM 6BG E8=G6DFC B8I7SF 7=8JTFEB FIJFD 6=B8 7 GKGBFIO7=D 97AF B9F CFM7BFD G8HBL7CFO7=D CFD:EF B9F DFAFM8NFCG B6IF L9F=B9FKDFG6=G6=MF#E96N I6EC8E8IN:BFCG GKGBFI 7=D 6=ECF7GFG B9F6C FHH6E6F=EKRE$1 5)4/%：G6=MF#E96N I6EC8E8IN:BFC；FIJ
4、FDDFD GKGBFI；97CDL7CF；DFG6=收稿日期：(UVUV基金项目：广西壮族自治区科技攻关项目（桂科攻V(!%）作者简介：程小辉（!$W!），男，博士研究生，副教授，研究方向为嵌入式系统、图像处理、计算机网络。随着微处理器技术的发展，,-(!系列单片机的运行速度也得到了大幅度的提高，基于-U(!系列单片机的嵌入式系统目前仍然有很大的市场X!Y。一般来说，,位单片机已满足自动化、工业控制、仪器仪表等工控领域中对物理参数的采集、处理等操作的需求，而且基于-U(!系列单片机的嵌入式系统还可以对传统的电子系统进行智能化，随着,位单片机本身的综合性能的不断提升，这种低端的嵌入式系统能够满
5、足电子系统智能化不断提出的新的要求。嵌入式系统简介(嵌入式系统的定义以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。因此，可以说一个嵌入式系统就是一个计算机硬件和软件的集合体，有时也包括一些机械部分以完成特定的功能XY。()嵌入式系统的特点（!）由于嵌入式系统的系统资源相对有限，所!自动化与仪表!#$%&专题研究以其内核与传统的操作系统内核相比要小得多。（!）嵌入式系统中的软件系统和硬件结合非常紧密，它的升级换代也是和具体产品同步进行的。（）嵌入式系统本身不具备自开发能力，必须通过一套开发工具和环境进行开发。（#）对实时多
6、任务支持，软件固化存储以提高速度，能处理多任务，并且能够在限定的时间内响应中断。（$）软件代码要求高质量和高可靠性，并具有较强的存储区保护功能。!#嵌入式系统应用的高端和低端随着电子系统的智能化和网络时代的到来，出现了以%&和!位微控制器与微处理器为主的嵌入式系统，主要应用在网络、通信、数字信号处理、数据变换和网络传输等领域，这些领域要求嵌入式系统具有高速的数据处理能力，故称之为嵌入式系统应用的高端。另一种是以(位单片机作为微控制器的嵌入式系统，主要从事工控领域智能化，与工控对象紧密相联，称这种嵌入式系统应用为低端。目前，(位单片机在未来的嵌入式系统仍有很大的发展空间，这是因为：!传统电子系统
7、的智能化需求。这些电子系统的数量庞大，(位单片机能完全满足其智能化的要求。在自动化、工业控制和仪器仪表等工控领域，与嵌入式系统相关的操作对计算机的响应速度要求有限，并且(位单片机运行速度完全能满足要求。#(位单片机仍然不断地发展，能满足电子系统智能化不断提出的新要求。$系统设计$!功耗问题的考虑目前，越来越多的$)单片机嵌入式系统用于手持设备，这类手持设备一般采用电池供电，因此延长整机的供电时间成为一个非常重要的问题。一般来说有!种方法，一种是选用大容量的电池，因为用在手持设备中，所以要求电池的体积要尽可能的小，本系统采用*+,-.充电电池，另一种是降低整机的功耗，可以从硬件和软件两方面来进行
8、考虑。首先是芯片的选择，本系统选用了/0(1-$)单片机，/0(1-$)是一种带#2字节闪速可编程可擦除只读存储器（3456）的低功耗、高性能-65&(位微控制器，3456选用-56&的!7-$)!，外围数字电路全部采用-56&数字集成芯片7#8-系列，-56&集成电路有以下特点：具有非常低的静态功耗；具有非常高的输入阻抗；比较宽的电源电压范围；输出能力强；抗干扰能力强；逻辑摆幅大9:。数据存储器选用&4/6，本系统选择了!片;!$;（共;!2字节的容量），;!$;是-65&随机存储器，输入和输出与00兼容，功耗比较小，只有在对其进行读写时操作时才使其工作，进一步降低了功耗。在本系统中，单片机
9、在完成初始化任务（设置标志位、定时器、比较器和看门狗的工作方式等）后，就进入睡眠状态，进而处于低功耗工作模式，任意一个中断都可将其唤醒，转而执行相应的子程序。单片机的工作，大多数的操作都设置成中断方式（如利用定时器中断来检测键盘是否有输入等），在闲置期间单片机处于超低功耗工作模式，大大降低了整机的功耗。$系统功能模块化设计$!电源模块考虑到该系统的应用范围（如手持设备、工业应用等），在本系统的电源模块中，除了有电池之外还留有外部电源接口，它放在了一个单独的电路板上，含有变压器、整流桥、稳压芯片、滤波电容等。单片机的复位通过复位芯片6/=()可在线重复编程的快闪擦写存储器和)!(?(位内部4/6
10、，但仍不满足本系统对存储器空间的需求，所以本系统又扩展了;#2的外部数据存储器（由!片;!$;组成）和;#2的外部程序存储器（由一片!7-$)!组成，通过3/引脚的设置来决定内部程序存储器和外部程序存储器的选择）。/0(1-$)单片机的A5有限，故留出4/6存储空间的BCDDBB8BCDDDD8（!$;个字节）作外部A5口，因此地址译码电路的设计比较重要，如图)所示。图!存储器地址译码电路!#$%&#$()*(+#,%-(#&#$(./0!1专题研究图!外部中断扩展电路图 串口通信口电路图#$%&转换器和&%$转换器接口!其他外围电路及接口中断源扩展。!#$%&单片机的中断系统有&个中断源，分
11、别为外部中断(，外部中断，定时器)计数器(，定时器)计数器和串行口中断。在本系统中，外部中断预留给了!)*转换器使用，所以真正留给用户自己设定的只有+个中断口（包括串行口中断）。而在&系列单片机系统的应用中，大部分以中断方式来执行任务以提高%,-的工作效率，在实时控制领域，中断方式更加重要，所以本系统用,口和外部中断(通过.+/%0芯片扩展了中断输入，如图0所示。!#$%&单片机有一个全双工的串行通信口，可与电脑进行串口通信。进行串行通信必须要满足一定的硬件条件，!#$%&单片机的串口是%123的，而电脑的串口是43050电平的，所以两者之间必须有一个电平转换电路才能使其满足正常工作所需要的硬
12、件条件，采用了专用芯片2!6050进行转换，用*78$的连接器来实现438050的接口。虽然可以用三极管进行模拟转换，但相比较来说还是用专用芯片更简单可靠。采用了三线制连接串口，即和电脑的$针串口只连接其中的5根线：第&脚的9:*，第0脚的46*，第5脚的6*。2!6050的第$引脚和第(引脚分别和!#$%&单片机的46*和6*相连，如图5所示。这是最简单的连接方法，可满足系统的需要。如果系统需要对模拟设备（要求输入模拟量的设备）进行控制，用模拟量显示设备对参数进行显示，则*)!转换器是不可缺少的，集成*)!转换芯片*!%(#50是一种比较常用的*)!转换器。更多的时候是需要输入单片机的信号是
13、模拟信号，所以!)*转换器在单片机控制系统中显得非常重要，比较常用的!)*转换器有#位#路!)*转换芯片!*%(#($和单片高速0位逐次比较型!)*转换芯片!*&.+!。所以本系统预留了*)!转换器和!)*转换器的接口（可兼容转换芯片!*&.+!和!*%(#($），如图+所示。;)1（!）和;)1（7）分别接单片机的第引脚和第0引脚，#或&点阵块组成的字符块集。每一个字符块是一个字符位，每一位都可以显示一个字符。由于字符位之间空有一个点距的间隔起着字符间距和行距的作用，另外这类模块使用的是专用于字符显示控制与驱动的;%芯片，所以这类模块的应用范围仅局限于字符而显示不了图形。本系统采用的字符型液
14、晶 显 示 器 是?ABC公 司 的D27=+!*%，是一个=字符+行的字符型液晶显示器，为超 扭 曲 向 列 的 显 示 类 型（3:）；显示色为蓝黑色，背景颜色为黄色；数据转换使用#!自动化与仪表!#$%&专题研究图!字符型液晶显示器接口电路（!）通过看门狗芯片来监控程序。另外，在软件设计时将不用的代码空间全清零，可以在程序跑飞时系统复位。结束语硬件系统设计完成之后，经过测试各部分都能够正常工作，实现了预定的功能，并且可以直接在很多智能化的电器中作控制器使用。该平台的模块化的设计减少了单片机系统再次开发所需的时间，实现了一个#$%单片机嵌入式系统的基本功能。参考文献：&%何立民(位)*+的
15、技术现状与发展空间&,(专家论坛，-#-./(&-王田苗(嵌入式系统设计与实例开发&)(北京：清华大学出版社，-#0(&0李朝青(单片机原理及接口技术&)(北京：北京航空航天大学出版社，-#(!图#外部设备的片选信号译码电路根并行线实现；字体显示模式为$12点3指针（%个字符）；与单片机的接口电路见图$。系统使用了一个%4键键盘，通过5%口的5%(05%(4和外部地址#66667的高!位完成。%4键键盘采用行列扫描方式，*5+通过译码（选通89:;）之后，读出数据线上的数据进行判断，以确定按键。把系统中的转换器、=转换器、字符液晶显示器、键盘等看作外部设备，那么它们的片选信号则通过地址译码电路产生，如图4所示。$%系统抗干扰设计（%）在电源输出端加%#!6的电解电容，将电源线加粗以减少环路电阻，尤其是地线超过了-?，并构成了闭环路（将数字地和模拟地分开）；（-）在每个集成芯片上都加上了退藕电容，对于*)A集成芯片上没用到的输入端，接高电位以防止该芯片受外界的干扰；（0）将晶振时钟的线留得非常短，并用地线圈起来，让其周围电场趋近于零；!