单片机应用系统设计与开发.pdf

第 10 章单片机应用系统设计与开发
前面介绍了单片机的基本结构、功能及其扩展和基本外围设备的接口技术。从单片机应
用系统设计的角度看,这些内容仅使我们掌握了单片机的工作状态,或者说,使我们掌握了单
片机所提供的软件和硬件资源,以及怎样合理地使用这些资源。这为单片机应用系统设计奠定
了基础。除此之外,一个实际的单片机应用系统除需要进行多种配置及其接口连接外,还会涉
及到更为复杂的内容和问题,多种类型的电路结构(模拟电路、伺服驱动电路、抗干扰隔离电
路等)。因此,单片机应用系统设计应遵循一些基本原则和方法。从一般应用角度来说,了解
单片机应用系统的结构、设计的内容与一般方法,对于单片机应用系统的工程设计与开发有着
十分重要的指导意义。
单片机应用系统结构与设计内容
从系统的角度来看,单片机应用系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。硬件系统
是指单片机及扩展的存储器、外围设备及其接口电路等。软件系统包括监控程序和各种应用
程序。
单片机应用系统的一般硬件组成
由于单片机主要用于工业测控,因而其典型应用系统用于测控对象的前向传感器输入通
道、后向伺服控制输出通道以及基本的人机对话通道。典型单片机应用系统结构框图如图 10-1
所示。

数字量检测光电隔离 ROM

I/O

模拟量检测 A/D RAM

扩单通用外设

开关量检测光电隔离 I/O 接口
片
展
机
开关量控制光电隔离显示器

I/O

伺服驱动控制 D/A 键盘

图 10-1 典型单片机应用系统结构框图
第 10 章单片机应用系统设计与开发


前向通道是单片机与测控对象相连的部分,是应用系统的数据采集输入通道。
来自被控对象的现场信息是各种各样的,按物理量的特征可分为模拟和数字量、开关量
两种。
对于数字量(频率、周期、相位、计数)的采集,输入比较简单。它们可直接作为计数
输入、测试输入、I/O 输入或中断输入进行事件计数、定时计数,实现脉冲的频率、周期、相
位及计数测量。对于开关量的采集,一般通过 I/O 口线或扩展 I/O 线直接输入。一般被控对象
都是交变电流、交变电压、大电流系统,而单片机属于数字弱电系统,因此,在数字量和开关
量采集通道中,要用隔离器进行隔离(如光电耦合元器件)。
模拟量输入量通道的结构比较复杂,一般包括变换器、隔离放大器、滤波器、采用保持
器、多路电子开关、A/D 转换器及其接口电路,如图 10-2 所示。

隔离采样
变换器放大器滤波器
保持器
现场模拟信号
单片机
多路开关
…………
A/D




隔离
采样
变换器放大器滤波器
保持器 205

图 10-2 模拟信号采集通道结构图
(1)变换器:是各种传感器的总称,它采集现场的各种信号并将其变换成电信号(电压
信号或电流信号),以满足单片机的输入要求,现场信号各种各样,有电信号,如电压、电流、
电磁量等,也有非电量信号,如温度、湿度、压力、流量位移量等。对于不同物理量,应选择
相应的传感器。
(2)隔离放大与滤波:传感器的输出信号一般是比较微弱的,不能满足单片机系统的输
入要求,要经过放大处理后才能作为单片机系统的采集输入信号;现场信息来自各种工业现场,
夹带大量的噪音干扰信号,为提高单片机应用系统的可靠性,必须隔离或削减干扰信号,这是
整个系统抗干扰设计的重点部位。
(3)采样保持器:向前通道中的采样保持器有两个作用,一是实现多路模拟信号的同时
采集,二是消除 A/D 转换器的“孔径误差”。
一般的单片机应用系统都是用一个 A/D 转换器分时对多路模拟信号进行转换并输入给单
片机,而控制系统又要求单片机对同一时刻的现场采样值进行处理,否则将产生很大的误差。
用一个 A/D 转换器同时对多路模拟信号进行采样是由采样保持器来实现的。采样保持器在单
片机的控制下,在某一时刻采样同时,它可接收一路模拟信号的值,并能保持该瞬时值,直到
下一次重新采样。
A/D 转换器把一个模拟量转换成数字量总要经过一段时间。A/D 转换器从接通模拟信号开
始转换到转换结束,将输出稳定的数字量,这一段时间称为孔径时间。对于一个动态模拟信号,
在 A/D 转换器接通的孔径时间里,输入模拟信号值是不确定的,从而会引起输出的不确定性
单片机原理及应用
误差。在 A/D 转换器前加设采样保持器,在孔径时间里,使模拟信号保持某一个瞬时值不变,
从而可消除孔径误差。