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1、12023/3/11单片机原理与应用单片机原理与应用电子课件电子课件第第 1010 章章单片机应用系统单片机应用系统设计方法设计方法2023/3/112本章主要内容本章主要内容10.1 10.1 单片机典型应用系统组成单片机典型应用系统组成10.2 10.2 单片机典型应用系统开发过程单片机典型应用系统开发过程2023/3/11310.1 10.1 单片机典型应用系统组单片机典型应用系统组成成10.1 10.1 单片机典型应用系统组成单片机典型应用系统组成 单片机典型应用系统组成如图单片机典型应用系统组成如图10-110-1所示。所示。图图10-110-1单片机典型应用系统组成单片机典型应用系
2、统组成 以单片机作为控制核心，通过以单片机作为控制核心，通过A/DA/D接口实现模拟接口实现模拟信号的采集；信号的采集；2023/3/114通过通过D/AD/A接口，输出模拟量的控制信号，实现对执行接口，输出模拟量的控制信号，实现对执行机构的控制；机构的控制；通过开关量输入输出通道，实现开关信号的检测和控通过开关量输入输出通道，实现开关信号的检测和控制；制；通过通信接口，实现系统和外界（单片机或通过通信接口，实现系统和外界（单片机或PCPC）的数）的数据交换和远程传输；据交换和远程传输；通过人机界面，沟通用户和系统，实现数据和命令的通过人机界面，沟通用户和系统，实现数据和命令的输入及结果的显示
3、。输入及结果的显示。2023/3/115 单片机系统是将硬件和软件合理的结合起来，构成单片机系统是将硬件和软件合理的结合起来，构成一个完整的系统装置来完成特定的功能或任务。一个完整的系统装置来完成特定的功能或任务。其中其中软件是用以实现有关功能的软件是用以实现有关功能的“思想或灵魂思想或灵魂”；硬件是保证这种工作进程的硬件是保证这种工作进程的“平台或介质平台或介质”。2023/3/11610.210.2单片机典型应用系统开发过程单片机典型应用系统开发过程 单片机应用系统开发过程包括总体设计、硬件设计、单片机应用系统开发过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试、性能测试、可靠性实验和产品化
4、软件设计、仿真调试、性能测试、可靠性实验和产品化等几个阶段，如图等几个阶段，如图10-210-2所示。但各阶段不是绝对独立的，所示。但各阶段不是绝对独立的，有时是交叉进行的。有时是交叉进行的。图图10-210-2单片机典型应用系统开发过程单片机典型应用系统开发过程2023/3/11710.2.110.2.1确定任务确定任务 首先要细致分析、研究实际问题，明确设计目的，首先要细致分析、研究实际问题，明确设计目的，综合考虑系统的先进性、可靠性、可维护性以及成本、综合考虑系统的先进性、可靠性、可维护性以及成本、经济效益，拟订出合理可行的技术性能指标，编写设计经济效益，拟订出合理可行的技术性能指标，编
5、写设计任务书。任务书。10.2.210.2.2总体设计总体设计 设计人员在接到单片机应用系统的研制任务后，一设计人员在接到单片机应用系统的研制任务后，一般先进行总体设计。总体设计包括以下内容：般先进行总体设计。总体设计包括以下内容：10.2 10.2 单片机典型应用系统开单片机典型应用系统开发过程发过程2023/3/1181.1.项目调研、方案论证项目调研、方案论证 设计人员接到研制任务后，首先应对用户提出的设计人员接到研制任务后，首先应对用户提出的任务进行深入细致的分析和项目调研，参考国内外同任务进行深入细致的分析和项目调研，参考国内外同类或相关产品的有关资料和标准，根据系统的工作环类或相关
6、产品的有关资料和标准，根据系统的工作环境、用途、功能和技术指标，经过反复论证拟定出性境、用途、功能和技术指标，经过反复论证拟定出性价比最高的一套方案。这是系统设计的依据和出发点，价比最高的一套方案。这是系统设计的依据和出发点，也是决定系统设计是否成功的关键。也是决定系统设计是否成功的关键。2023/3/1192.CPU2.CPU的合理选型的合理选型 目前世界上生产单片机的厂商有几十家，单片机芯目前世界上生产单片机的厂商有几十家，单片机芯片的型号有上千种，其中应用较多的产品有片的型号有上千种，其中应用较多的产品有IntelIntel公司公司的的MCS-51MCS-51及其兼容芯片及其兼容芯片(如
7、如ATMELATMEL公司的公司的89S5X89S5X系列、系列、PhilipsPhilips公司的公司的5151系列等系列等)、MCS-51MCS-51派生型芯片派生型芯片(如如SSTSST公公司的司的89E5XRD289E5XRD2系列、华邦系列、华邦WinbondWinbond的的W78W78与与W77W77系列、系列、PhilipsPhilips公司的公司的LPC76XLPC76X与与LPC900LPC900系列等系列等)、ATMELATMEL公司的公司的AVRAVR系列、系列、MicrochipMicrochip公司的公司的PICPIC系列、系列、MotorolaMotorola公司
8、的公司的M68HCM68HC系列、系列、TITI公司的公司的TMS430TMS430系列等系列等MCUMCU芯片以及以芯片以及以ARMARM为内核的为内核的3232位位MCUMCU芯片。芯片。一般来说，在选择单片机类型时应综合考虑以下几一般来说，在选择单片机类型时应综合考虑以下几个因素：个因素：2023/3/1110(1)(1)货源稳定、充足货源稳定、充足 所选单片机芯片在国内元器件市场上货源要稳定、所选单片机芯片在国内元器件市场上货源要稳定、充足，并且有成熟的开发设备充足，并且有成熟的开发设备(主要指仿真器和编程器主要指仿真器和编程器)。对于对于MCS-51MCS-51及其兼容芯片来说，在研
9、制阶段可选择带及其兼容芯片来说，在研制阶段可选择带Flash ROMFlash ROM存储器的存储器的CPUCPU芯片，如芯片，如89S5X89S5X系列，借助系列，借助ISPISP编编程器即可反复修改监控程序，便于调试。程器即可反复修改监控程序，便于调试。(2)(2)性价比高性价比高 在保证性能指标的情况下，所用芯片价格要尽可能在保证性能指标的情况下，所用芯片价格要尽可能低，使系统有较高的性价比。低，使系统有较高的性价比。2023/3/1111(3)(3)芯片加密功能完善芯片加密功能完善如果所选芯片加密功能完善，则软件不容易破解，如果所选芯片加密功能完善，则软件不容易破解，使委托方与开发者的
10、利益都可以得到保护。使委托方与开发者的利益都可以得到保护。(4)(4)尽量选择用户广泛、技术成熟而设计人员又熟悉的尽量选择用户广泛、技术成熟而设计人员又熟悉的单片机类型单片机类型选择用户广泛、技术成熟而设计人员又熟悉的单片选择用户广泛、技术成熟而设计人员又熟悉的单片机类型，在研制任务重、时间紧的情况下，可以较快地机类型，在研制任务重、时间紧的情况下，可以较快地进行系统设计。进行系统设计。2023/3/11123.3.关键器件的选择关键器件的选择确定单片机类型后，通常还需要对系统中一些严重确定单片机类型后，通常还需要对系统中一些严重影响系统性能指标的器件进行选择。例如，在精确测控影响系统性能指标
11、的器件进行选择。例如，在精确测控系统中，传感器、前置微弱信号放大器的精度或使用条系统中，传感器、前置微弱信号放大器的精度或使用条件等因素直接影响系统的控制效果，必须慎重选择。件等因素直接影响系统的控制效果，必须慎重选择。4.4.绘制总体框图绘制总体框图 根据选择的器件和要实现的功能，绘制系统总统根据选择的器件和要实现的功能，绘制系统总统组成框图。组成框图。2023/3/111310.2.310.2.3系统硬件设计系统硬件设计 单片机应用系统由硬件和软件两部分组成。硬件部单片机应用系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分以分以CPUCPU为核心，包括了扩展存储器、输入为核心，包括了扩展存储器、输入/
12、输出接口电输出接口电路及设备等；软件部分包括各种控制程序。只有硬件和路及设备等；软件部分包括各种控制程序。只有硬件和软件的密切配合、协调一致，才能组成一个高性能的单软件的密切配合、协调一致，才能组成一个高性能的单片机应用系统。片机应用系统。硬件设计时应考虑系统资源及软件实现硬件设计时应考虑系统资源及软件实现方法，而软件设计时又必须了解硬件的工作原理。方法，而软件设计时又必须了解硬件的工作原理。2023/3/1114 在应用中，系统的软在应用中，系统的软/硬件功能划分要根据系统的硬件功能划分要根据系统的要求而定，一些硬件电路的功能可以由软件来实现，反要求而定，一些硬件电路的功能可以由软件来实现，
13、反之亦然。之亦然。用硬件来实现某些功能可以提高系统反应速度、减用硬件来实现某些功能可以提高系统反应速度、减少存储容量、缩短软件开发周期，但会增加系统硬件成少存储容量、缩短软件开发周期，但会增加系统硬件成本，使系统的灵活性与适应性变差；相反，若用软件来本，使系统的灵活性与适应性变差；相反，若用软件来实现某些硬件功能，可以节省硬件开支，增强灵活性和实现某些硬件功能，可以节省硬件开支，增强灵活性和适应性，但系统反应速度会下降，软件设计费用和所需适应性，但系统反应速度会下降，软件设计费用和所需存储器容量也相应增加。存储器容量也相应增加。对于产品量大、价格敏感的小产品，原则上能用对于产品量大、价格敏感的
14、小产品，原则上能用软件实现的功能，不靠硬件电路完成。但如果系统对实软件实现的功能，不靠硬件电路完成。但如果系统对实时性要求较高，应采用硬件实现。因此在在总体设计时，时性要求较高，应采用硬件实现。因此在在总体设计时，必须权衡利弊，仔细划分好硬件和软件的功能。必须权衡利弊，仔细划分好硬件和软件的功能。2023/3/11151 1系统硬件电路设计的一般原则系统硬件电路设计的一般原则尽可能选择典型电路、采用硬件移植技术、力求硬件尽可能选择典型电路、采用硬件移植技术、力求硬件电路标准化、模块化；电路标准化、模块化；尽可能选择功能强的芯片，简化电路的设计；尽可能选择功能强的芯片，简化电路的设计；系统配置及
15、扩展必须充分满足系统的功能要求，并留系统配置及扩展必须充分满足系统的功能要求，并留有余地，以便于系统的二次开发；有余地，以便于系统的二次开发；在不影响系统功能的条件下，采用在不影响系统功能的条件下，采用“以软代硬以软代硬”方法，方法，以简化系统的硬件电路，降低成本，提高系统的可靠性。以简化系统的硬件电路，降低成本，提高系统的可靠性。2023/3/1116系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。例如选用系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。例如选用CMOSCMOS芯片单片机构成低功耗的系统时，系统中全部芯片芯片单片机构成低功耗的系统时，系统中全部芯片都应选择低功耗器件。都应选择低功耗器件。单片机外
16、接电路较多时，必须考虑其驱动能力。若驱单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。若驱动能力不足，则系统工作不可靠。这时应增设线驱动器动能力不足，则系统工作不可靠。这时应增设线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。或者减少芯片功耗，降低总线负载。可靠性与抗干扰设计：去耦滤波、合理布线、信号隔可靠性与抗干扰设计：去耦滤波、合理布线、信号隔离、看门狗电路等；离、看门狗电路等；工艺设计，包括机架机箱、面板、配线、接插件等，工艺设计，包括机架机箱、面板、配线、接插件等，必须兼顾电磁兼容的要求以及安装、调试、维护等操作必须兼顾电磁兼容的要求以及安装、调试、维护等操作是否方便的要求。是否方便的要求。2023
17、/3/1117 2.2.硬件可靠性设计硬件可靠性设计 单片机应用系统工作环境恶劣，个别系统甚至要求单片机应用系统工作环境恶劣，个别系统甚至要求在无人值守情况下工作，因此任何差错都可能造成非常在无人值守情况下工作，因此任何差错都可能造成非常严重的后果。可见，单片机在应用时对系统的可靠性要严重的后果。可见，单片机在应用时对系统的可靠性要求较高，而影响单片机应用系统可靠性的因素很多，如求较高，而影响单片机应用系统可靠性的因素很多，如电磁干扰、电网电压波动、大型用电设备电磁干扰、电网电压波动、大型用电设备(如电炉、电如电炉、电机、电焊机等机、电焊机等)的启的启/停、高压设备和电磁开关的电磁辐停、高压设
18、备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等，需要针对不同应用条件在射、传输电缆的共模干扰等，需要针对不同应用条件在硬件上采取相应的抗干扰措施，使系统可靠运行，硬件硬件上采取相应的抗干扰措施，使系统可靠运行，硬件抗干扰措施主要有以下几点：抗干扰措施主要有以下几点：2023/3/1118（1)1)输入输入/输出通道干扰的抑制措施输出通道干扰的抑制措施 采用隔离和滤波技术可抑制输入采用隔离和滤波技术可抑制输入/输出通道可能出输出通道可能出现的干扰。常用的隔离器件有隔离变压器、光电耦合器、现的干扰。常用的隔离器件有隔离变压器、光电耦合器、继电器和隔离放大器等，应根据传输信号的种类选择相继电器和隔离放
19、大器等，应根据传输信号的种类选择相应的隔离器件。例如，对于高频开关信号可采用脉冲变应的隔离器件。例如，对于高频开关信号可采用脉冲变压器作隔离器件；对于低速开关、电平信号，可采用光压器作隔离器件；对于低速开关、电平信号，可采用光电耦合器作隔离器件。电耦合器作隔离器件。2023/3/1119（2)2)供电系统干扰的抑制措施供电系统干扰的抑制措施单片机应用系统的供电线路是干扰的主要入侵途径，单片机应用系统的供电线路是干扰的主要入侵途径，常采用如下措施进行供电系统干扰的抑制：常采用如下措施进行供电系统干扰的抑制：1)1)单片机系统的供电线路和产生干扰的各类大功率用电单片机系统的供电线路和产生干扰的各类
20、大功率用电设备分开供电。设备分开供电。2)2)通过低通滤波器和隔离变压器接入电网。低通滤波通过低通滤波器和隔离变压器接入电网。低通滤波器可以吸收大部分电网中的器可以吸收大部分电网中的“毛刺毛刺”，隔离变压器是在，隔离变压器是在初级绕组和次级绕组之间多加一层屏蔽层，并将它和铁初级绕组和次级绕组之间多加一层屏蔽层，并将它和铁芯一起接地，防止干扰通过初次级之间的电容效应进入芯一起接地，防止干扰通过初次级之间的电容效应进入单片机供电系统。单片机供电系统。3)3)在整流元件上并接滤波电容，可以在很大程度上削在整流元件上并接滤波电容，可以在很大程度上削弱高频干扰弱高频干扰 2023/3/1120（3)3)
21、电磁场干扰的抑制措施电磁场干扰的抑制措施 电磁场的干扰可采用屏蔽和接地措施。用金属外壳电磁场的干扰可采用屏蔽和接地措施。用金属外壳或金属屏蔽罩将整机或部分元器件包起来，再将金属外或金属屏蔽罩将整机或部分元器件包起来，再将金属外壳接地，即能起到屏蔽作用。单片机系统中有数字地线、壳接地，即能起到屏蔽作用。单片机系统中有数字地线、模拟地线、交流地线、信号地线、屏蔽地线，应分开接模拟地线、交流地线、信号地线、屏蔽地线，应分开接不同性质的地线。强信号地线和弱信号地线也要分开。不同性质的地线。强信号地线和弱信号地线也要分开。2023/3/1121（4 4）使用）使用“看门狗看门狗”电路，解决电路，解决CP
22、UCPU运行时可能进入混运行时可能进入混乱或死循环乱或死循环 由于干扰或程序设计错误等各种原因，程序在运行过程中由于干扰或程序设计错误等各种原因，程序在运行过程中可能会偏离正常的顺序而进入到不可预知、不受控制的状态，甚可能会偏离正常的顺序而进入到不可预知、不受控制的状态，甚至陷入死循环。为防止出现这种情况造成重大损失，并让系统能至陷入死循环。为防止出现这种情况造成重大损失，并让系统能够自动恢复正常运行，必须对系统运行进行监控。完成系统运行够自动恢复正常运行，必须对系统运行进行监控。完成系统运行监控功能的电路或软件称为监控功能的电路或软件称为“看门狗看门狗”。其工作原理是系统在运。其工作原理是系
23、统在运行过程中，每隔一段固定的时间给行过程中，每隔一段固定的时间给“看门狗看门狗”一个信号（喂狗），一个信号（喂狗），如果系统运行正常则如果系统运行正常则“看门狗看门狗”电路不会产生复位或中断信号。电路不会产生复位或中断信号。如果超过这一时间没有给出信号，如果超过这一时间没有给出信号，“看门狗看门狗”将自动产生一个复将自动产生一个复位信号使系统复位，或产生一个位信号使系统复位，或产生一个“看门狗看门狗”定时器中断请求，系定时器中断请求，系统响应该请求统响应该请求，转去执行中断服务子程序，处理当前的故障。转去执行中断服务子程序，处理当前的故障。“看门狗看门狗”的使用有以下两种情况：的使用有以下两
24、种情况：2023/3/11221 1）使用某些单片机本身的）使用某些单片机本身的“看门狗看门狗”某些单片机本身带有某些单片机本身带有“看门狗看门狗”，例如，例如AT89SAT89S系列单片机，系列单片机，可以使用其可以使用其“看门狗看门狗”功能，只要周期性地写功能，只要周期性地写01EH01EH和和0E1H0E1H到到WDTRSTWDTRST寄存器，系统正常工作时寄存器，系统正常工作时WDTWDT不会计数溢出，只有系统出不会计数溢出，只有系统出现故障，在规定的时间内不能写现故障，在规定的时间内不能写01EH01EH和和0E1H0E1H到到WDTRSTWDTRST寄存器，寄存器，WDTWDT计数
25、溢出，从而使系统复位恢复正常工作。计数溢出，从而使系统复位恢复正常工作。2 2）使用专门的监控芯片）使用专门的监控芯片 对于本身没有对于本身没有“看门狗看门狗”的单片机，可以外接专门的监控芯的单片机，可以外接专门的监控芯片，例如美国片，例如美国MAXIMMAXIM公司推出的微处理机公司推出的微处理机/单片机系统监控集成电单片机系统监控集成电路具有系统复位、备份电池切换、路具有系统复位、备份电池切换、“看门狗看门狗”定时输出、电源电定时输出、电源电压监测等多种功能，使用非常方便。压监测等多种功能，使用非常方便。2023/3/11233.3.元器件选择原则元器件选择原则 单片机应用系统中可用的元器
26、件种类繁多、功能各单片机应用系统中可用的元器件种类繁多、功能各异且价格不等，选择元器件的基本原则是选择那些满足异且价格不等，选择元器件的基本原则是选择那些满足性能指标、可靠性高、经济性好的元器件。选择元器件性能指标、可靠性高、经济性好的元器件。选择元器件时应考虑以下因素：时应考虑以下因素：1 1）尽量采用通用的大规模集成电路）尽量采用通用的大规模集成电路 在应用系统中，尽量采用通用的大规模集成电路芯在应用系统中，尽量采用通用的大规模集成电路芯片，这样能简化系统的设计、安装和调试过程，也有助片，这样能简化系统的设计、安装和调试过程，也有助于提高系统的可靠性。一般原则是能用一块中大规模芯于提高系统
27、的可靠性。一般原则是能用一块中大规模芯片完成的功能，不用多个中小规模电路芯片实现。片完成的功能，不用多个中小规模电路芯片实现。2023/3/11242 2）整个系统速度匹配）整个系统速度匹配单片机时钟频率一般可在一定范围内选择单片机时钟频率一般可在一定范围内选择(如增强如增强型型5151系列单片机芯片可在系列单片机芯片可在0 03333MHzMHz之间任意选择之间任意选择)，在，在不影响系统性能的前提下，时钟频率选低一些好，这样不影响系统性能的前提下，时钟频率选低一些好，这样一方面可降低系统对其他元器件的速度要求，从而降低一方面可降低系统对其他元器件的速度要求，从而降低成本和提高系统的可靠性；
28、另一方面也将减少晶振电路成本和提高系统的可靠性；另一方面也将减少晶振电路潜在的电磁干扰。潜在的电磁干扰。3 3）外围电路芯片类型一致）外围电路芯片类型一致对于低功耗应用系统，必须采用对于低功耗应用系统，必须采用HCMOSHCMOS或或CMOSCMOS芯片，芯片，如如74HC74HC系列、系列、CD4000CD4000系列；而一般系统可使用系列；而一般系统可使用TTLTTL数字数字集成电路芯片。集成电路芯片。2023/3/112510.2.410.2.4系统软件设计系统软件设计 整个单片机应用系统是一个整体，当系统的硬件电整个单片机应用系统是一个整体，当系统的硬件电路设计定型后，软件的任务也就明
29、确了。软件设计是单路设计定型后，软件的任务也就明确了。软件设计是单片机系统设计中最重要的一环。进行软件编程时，可以片机系统设计中最重要的一环。进行软件编程时，可以采用汇编语言或高级语言（常为采用汇编语言或高级语言（常为C C语言）完成。系统软语言）完成。系统软件设计主要包括以下两个方面问题：件设计主要包括以下两个方面问题：2023/3/11261.1.资源分配资源分配 一个单片机应用系统所拥有的硬件资源可分为片内一个单片机应用系统所拥有的硬件资源可分为片内和片外两部分。片内资源是指单片机本身所包含的中央和片外两部分。片内资源是指单片机本身所包含的中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时处理器、
30、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、看计数器、看门狗计数器、中断源、门狗计数器、中断源、I/OI/O接口以及串行通信接口等。接口以及串行通信接口等。这部分硬件资源的种类和数量，不同公司不同系列单片这部分硬件资源的种类和数量，不同公司不同系列单片机之间的差别较大，设计人员进行硬件设计选择单片机机之间的差别较大，设计人员进行硬件设计选择单片机时一定要根据系统要实现的功能充分了解它们内部资源时一定要根据系统要实现的功能充分了解它们内部资源情况进行合理选型，当选定某种型号的单片机进行系统情况进行合理选型，当选定某种型号的单片机进行系统设计时，软件设计应充分利用片内的各种宝贵的硬件资设计时，软件设计应
31、充分利用片内的各种宝贵的硬件资源。源。2023/3/1127软件设计在进行资源分配时应注意以下几点：软件设计在进行资源分配时应注意以下几点：(1(1）在分配在分配I/OI/O引脚时，必须根据外部接口电路特性做引脚时，必须根据外部接口电路特性做出合理的选择出合理的选择单片机芯片各单片机芯片各I/OI/O引脚的功能不完全相同，如部分引脚的功能不完全相同，如部分引脚具有第二输入引脚具有第二输入/输出功能；各输出功能；各I/OI/O引脚输出级的电路引脚输出级的电路结构也不尽相同，如结构也不尽相同，如8XC5X8XC5X的的P0P0口采用漏极开路输出方口采用漏极开路输出方式，而式，而P1P1P3P3口采
32、用准双向结构；各口采用准双向结构；各I/OI/O引脚输出级的引脚输出级的驱动能力也不同，如驱动能力也不同，如8XC5X8XC5X的的P0P0口可以驱动口可以驱动8 8个个LSTTLLSTTL门，门，而而P1P1P3P3只能驱动只能驱动4 4个个LSTTLLSTTL门。因此，在分配门。因此，在分配I/OI/O引脚引脚时，必须根据外部接口电路特性做出合理的选择。时，必须根据外部接口电路特性做出合理的选择。2023/3/1128(2(2）ROMROM资源分配资源分配 片内片内ROMROM存储器用于存放控制程序和数据表格。因存储器用于存放控制程序和数据表格。因为现在单片机内部为现在单片机内部FLASH
33、FLASH内存的容量都可以做得很大，内存的容量都可以做得很大，所以在大多数的应用场合，尽量选择片内的所以在大多数的应用场合，尽量选择片内的FLASHFLASH内存内存的容量能够满足实际需要的单片机型号，这样不仅可以的容量能够满足实际需要的单片机型号，这样不仅可以节省额外的硬件投资、节省单片机的口线资源，更重要节省额外的硬件投资、节省单片机的口线资源，更重要的是片内的是片内FLASHFLASH中的程序在下载、烧写时通过中的程序在下载、烧写时通过“加密加密”可以得到保护。只有当程序特别大，内部空间无法满足可以得到保护。只有当程序特别大，内部空间无法满足要求时才选用扩展外部要求时才选用扩展外部ROM
34、ROM。2023/3/1129 对于片内对于片内ROMROM资源分配，按照资源分配，按照5151单片机及其兼容派单片机及其兼容派生芯片的复位及中断入口的规定，生芯片的复位及中断入口的规定，002FH002FH以前的地址单以前的地址单元都作为复位入口、中断地址区。在这些单元中一般都元都作为复位入口、中断地址区。在这些单元中一般都设置转移指令，使程序在复位时转移到复位启动控制主设置转移指令，使程序在复位时转移到复位启动控制主程序或相应的中断服务程序。当程序存储器中存放的控程序或相应的中断服务程序。当程序存储器中存放的控制程序及子程序数量较多时，应尽可能为它们设置入口制程序及子程序数量较多时，应尽可
35、能为它们设置入口地址表。一般的常数、表格集中设置在表格区。二次开地址表。一般的常数、表格集中设置在表格区。二次开发扩展区应尽可能放在高位地址区。发扩展区应尽可能放在高位地址区。2023/3/1130(3(3）RAMRAM资源分配资源分配 RAM RAM分为片内分为片内RAMRAM和片外和片外RAMRAM。片外。片外RAMRAM的容量比较大，的容量比较大，通常用来存放批量大的数据，如采样数据；片内通常用来存放批量大的数据，如采样数据；片内RAMRAM容容量较少，但运行速度快，应尽可能充分利用。量较少，但运行速度快，应尽可能充分利用。对于对于5252系列单片机来说，片内系列单片机来说，片内RAMR
36、AM是指是指00H00HFFHFFH单元，单元，高高128128单元和个低单元和个低128128单元的使用并不完全相同，分配时单元的使用并不完全相同，分配时应注意发挥各自的特点，做到物尽其用。应注意发挥各自的特点，做到物尽其用。2023/3/1131 00H 00H1FH1FH这这3232个字节可以作为工作寄存器组，在工个字节可以作为工作寄存器组，在工作寄存器的作寄存器的8 8个单元中，个单元中，R0R0和和R1R1具有指针功能，是编程具有指针功能，是编程的重要角色，应充分发挥其作用。系统上电复位时，的重要角色，应充分发挥其作用。系统上电复位时，PSWPSW为为00H00H，CPUCPU自动选
37、择工作寄存器组自动选择工作寄存器组0 0作为当前工作作为当前工作寄存器。具体编程时应根据实际需要，在不同位置合理寄存器。具体编程时应根据实际需要，在不同位置合理设置设置PSWPSW的值，可以使主程序或中断服务程序使用不同的值，可以使主程序或中断服务程序使用不同的工作寄存器组，通常可在应用程序中，安排主程序及的工作寄存器组，通常可在应用程序中，安排主程序及其调用的子程序使用工作寄存器组其调用的子程序使用工作寄存器组0 0，而安排定时器溢，而安排定时器溢出中断、外部中断、串行口中断使用工作寄存器组出中断、外部中断、串行口中断使用工作寄存器组1 1、2 2或或3 3。2023/3/1132 20H
38、20H2FH2FH这这1616个字节具有位寻址功能，可用来存放个字节具有位寻址功能，可用来存放各种软件标志、逻辑变量、位输入各种软件标志、逻辑变量、位输入/位输出信息等。当位输出信息等。当这些位的功能全部安排好后，保留一两个字节备用，剩这些位的功能全部安排好后，保留一两个字节备用，剩下的单元可改作一般下的单元可改作一般RAMRAM区使用。区使用。2023/3/1133 30H 30H7FH7FH为一般通用寄存器，通常用来存放各种为一般通用寄存器，通常用来存放各种参数、指针和中间结果，或者用作数据缓冲区。此外，参数、指针和中间结果，或者用作数据缓冲区。此外，也常将堆栈安放在片内也常将堆栈安放在片
39、内RAMRAM的高端，如的高端，如60H60H7FH7FH。设置。设置堆栈区时应事先估算出子程序和中断嵌套的级数，合理堆栈区时应事先估算出子程序和中断嵌套的级数，合理设置栈顶指针的大小并留有余量。当系统中扩展了设置栈顶指针的大小并留有余量。当系统中扩展了RAMRAM，应把使用频率最高的数据缓冲区安排在片内，应把使用频率最高的数据缓冲区安排在片内RAMRAM中，中，以提高处理速度。以提高处理速度。对外部扩充的存储器和端口，应正确设计译码电路，对外部扩充的存储器和端口，应正确设计译码电路，并根据硬件的译码电路，合理分配存储器和端口地址，并根据硬件的译码电路，合理分配存储器和端口地址，防止地址冲突，
40、造成系统运行混乱。防止地址冲突，造成系统运行混乱。ROMROM、RAMRAM资源分配好后，应列出一张详细的资源分资源分配好后，应列出一张详细的资源分配清单，作为编程的参考依据。配清单，作为编程的参考依据。2023/3/11342.2.软件设计软件设计在进行软件设计时，应注意以下问题：在进行软件设计时，应注意以下问题：(1)(1)模块化结构模块化结构 单片机应用系统的软件设计千差万别，不存在统一单片机应用系统的软件设计千差万别，不存在统一模式。但软件开发的明智方法是尽可能采用模块化结构，模式。但软件开发的明智方法是尽可能采用模块化结构，方便调试、系统集成和扩充。方便调试、系统集成和扩充。根据系统
41、软件的总体构思，按照先粗后细的方法，根据系统软件的总体构思，按照先粗后细的方法，把整个系统软件划分成多个功能独立、大小适当的模块。把整个系统软件划分成多个功能独立、大小适当的模块。应明确规定各模块的功能，尽量使每个模块功能单一，应明确规定各模块的功能，尽量使每个模块功能单一，各模块间的接口信息简单、完备，接口关系统一，尽可各模块间的接口信息简单、完备，接口关系统一，尽可能使各模块间的联系减少到最低限度。这样，各个模块能使各模块间的联系减少到最低限度。这样，各个模块可以分别独立设计、编制和调试，最后再将各个程序模可以分别独立设计、编制和调试，最后再将各个程序模块连接成一个完整的程序进行总调试。块
42、连接成一个完整的程序进行总调试。2023/3/1135(2(2）软件抗干扰技术）软件抗干扰技术 由于单片机芯片主要应用于工业控制、智能化仪器由于单片机芯片主要应用于工业控制、智能化仪器仪表中，因此，对单片机应用系统的可靠性要求更高。仪表中，因此，对单片机应用系统的可靠性要求更高。消除干扰除了硬件抗干扰措施外，还需要在软件设计时，消除干扰除了硬件抗干扰措施外，还需要在软件设计时，采取相应措施。采取相应措施。软件对系统的干扰主要表现在：数据采集不可靠、软件对系统的干扰主要表现在：数据采集不可靠、控制失灵、程序运行失常等几个方面。控制失灵、程序运行失常等几个方面。为了避免上述情况的发生，人们研究了许
43、多对策。为了避免上述情况的发生，人们研究了许多对策。下面简单介绍针对上述的几种干扰，在软件设计时，常下面简单介绍针对上述的几种干扰，在软件设计时，常采用的抗干扰措施：采用的抗干扰措施：2023/3/11361)1)通过数字滤波提高数据采集的可靠性通过数字滤波提高数据采集的可靠性 算术平均法。对一点数据连续采样多次，计算其平算术平均法。对一点数据连续采样多次，计算其平均值，以其平均值作为采样结果。这种方法可以减少系均值，以其平均值作为采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。一般取统的随机干扰对采集结果的影响。一般取3 35 5次平均值次平均值即可。即可。中值法。根据干扰造成数据
44、偏大或偏小的情况，对一中值法。根据干扰造成数据偏大或偏小的情况，对一个采样点连续采集多个信号，并对这些采样值进行比较，个采样点连续采集多个信号，并对这些采样值进行比较，取中值作为该点的采样结果。取中值作为该点的采样结果。比较取舍法。当控制系统测量结果的个别数据存在明比较取舍法。当控制系统测量结果的个别数据存在明显偏差显偏差(例如出现尖峰脉冲干扰例如出现尖峰脉冲干扰)时，可采用比较取舍法，时，可采用比较取舍法，即对每个采样点连续采样几次，根据所采数据的变化规即对每个采样点连续采样几次，根据所采数据的变化规律，确定取舍办法来剔除个别错误数据。例如，律，确定取舍办法来剔除个别错误数据。例如，“采三采
45、三取二取二”即对每个点连续采样三次，取两次相同的数据作即对每个点连续采样三次，取两次相同的数据作为采样结果。为采样结果。2023/3/11372)2)程序运行失常的软件抗干扰措施程序运行失常的软件抗干扰措施 单片机应用系统被引入强干扰后，程序计数器单片机应用系统被引入强干扰后，程序计数器PCPC的的值可能被改变，因此会破坏程序的正常运行。被干扰后值可能被改变，因此会破坏程序的正常运行。被干扰后的的PCPC值是随机的，这将导致程序偏离正常的执行顺序，值是随机的，这将导致程序偏离正常的执行顺序，可能将使程序执行一系列非预期、无意义、不受控的指可能将使程序执行一系列非预期、无意义、不受控的指令，会使
46、输出严重混乱，造成所谓令，会使输出严重混乱，造成所谓“死机死机”。软件抗干。软件抗干扰措施主要有：扰措施主要有：设立软件陷阱设立软件陷阱 所谓软件陷阱，是指一些可以使混乱的程序恢复正所谓软件陷阱，是指一些可以使混乱的程序恢复正常运行或使飞出的程序恢复到初始状态的一系列指令。常运行或使飞出的程序恢复到初始状态的一系列指令。主要有以下两种：主要有以下两种：2023/3/1138空指令空指令(NOP)(NOP)。在程序的某些位置插入连续几个在程序的某些位置插入连续几个NOPNOP指令指令(即将连续即将连续几个单元置成几个单元置成00H)00H)，不会影响程序的功能，而当程序失，不会影响程序的功能，而
47、当程序失控时，只要控时，只要PCPC指向这些单元指向这些单元(落入陷阱落入陷阱)，在连续执行几，在连续执行几个空操作后，程序会自动恢复正常，不再会将操作数当个空操作后，程序会自动恢复正常，不再会将操作数当作指令码执行，将正常执行后面的程序。这种方法虽然作指令码执行，将正常执行后面的程序。这种方法虽然浪费一些内存单元，但可以保证不死机。通常在一些决浪费一些内存单元，但可以保证不死机。通常在一些决定程序走向的位置，必须设置定程序走向的位置，必须设置NOPNOP陷阱，包括：陷阱，包括：0003H0003H0030H0030H地址未使用的单元。这段区域是地址未使用的单元。这段区域是5151系列单片机系
48、列单片机5 5个个中断入口地址，一般用于存放一条绝对跳转指令，但一中断入口地址，一般用于存放一条绝对跳转指令，但一条绝对跳转指令只占用了条绝对跳转指令只占用了3 3个字节，而每两个中断入口个字节，而每两个中断入口之间有之间有8 8个单元，余下的个单元，余下的5 5个单元应用个单元应用NOPNOP填满填满2023/3/1139跳转指令跳转指令“LJMP add16”LJMP add16”当当PCPC失控导致程序飞出而进入非程序区时，只要在失控导致程序飞出而进入非程序区时，只要在非程序区设置拦截措施，强迫程序回到初始状态或某一非程序区设置拦截措施，强迫程序回到初始状态或某一指定状态，即可使程序重新
49、正常运行或进行故障处理。指定状态，即可使程序重新正常运行或进行故障处理。利用利用“LJMP 0000H”(LJMP 0000H”(机器码为机器码为020000H)020000H)指令，将非程指令，将非程序区和未用的中断入口地址反复用序区和未用的中断入口地址反复用“020000020000、020000H”020000H”填满，则不论程序失控后指向上述区域填满，则不论程序失控后指向上述区域的哪一字节，最后都能回到复位状态，重新执行主程序。的哪一字节，最后都能回到复位状态，重新执行主程序。2023/3/1140加软件加软件“看门狗看门狗”看门狗看门狗”可以使陷入死机的系统产生复位，重新启可以使陷入
50、死机的系统产生复位，重新启动程序运行。动程序运行。“看门狗看门狗”功能可以由专门的硬件电路来功能可以由专门的硬件电路来完成，也可以由软件和定时器来实现。完成，也可以由软件和定时器来实现。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间，而在主程序循环运行过程中需执行一次定时器的时间，而在主程序循环运行过程中需执行一次定时器时间常数的初始化。这样，当程序失常时，将不能定时时间常数的初始化。这样，当程序失常时，将不能定时的对定时器时间常数进行初始化而导致定时器中断溢出，的对定时器时间常数进行初始化而导致定时器中断溢出，利用定时器中断服务子程序可将系统复