电子设计竞赛辅导

二、单片机系统在竞赛题中应用
在全国大学生电子设计竞赛中，几乎所有竞赛题的 设计都会用到单片机系统； 依据单片机系统在设计中的作用和地位，有三种可 能的情况：
1. 很多赛题以单片机系统为核心进行设计，主要功能由单片机系 统完成，如：
测量类的“简易逻辑分析仪”、“数字式工频有效值多用表”等； 数据采集类的“数字化语音存储与回放系统”、“多路数据采集系统” 等； 控制类的“悬挂运动控制系统”、 “简易智能电动车”等。 电源类的“简易数控直流电源设计”、“数控直流电流源设计”等。
电子设计竞赛辅导第二讲
单片机的系统应用
一、概述
单片机系统特点
单片机属于超大规模集成电路，单片机系统在时钟脉冲作用下，按节拍顺序 执行用户编制的软件程序，从而实现相应的逻辑功能。
显然，由于有软件的参与，利用单片机可以实现复杂的逻辑功能，使用也很 方便、灵活。
其缺点是由于程序的执行是按节拍进行，随着控制复杂性的增加，程序也将 变得复杂，从而导致执行时间增加，系统速度下降。 因此，单片机只适合工作速度要求不高，但需要对信息作相对复杂处理的场 合使用。另外，单片机的应用还需要有相应的软件开发平台支撑 。
5. 单片机系统通道设计 前向通道设计
前向通道是被测对象信号输出到单片机CPU信号输入的通道，其结构形式取 决于被测对象的环境和输出信号的类型、数量、大小等； 对于模拟量信号，应将小信号放大到能满足A/D转换、V/F转换要求的输入电 压；
对于频率信号和开关信号，能满足TTL电平要求时可直接接入单片机的I/O口、 扩展I/O口或中断入口，否则也应通过放大、整形变换成TTL电平的方波信号 后再送入单片机系统。
在这类赛题中，单片机系统完成的主要功能有： 信号的采集、输入控制； 信号的存储、运算、分析、判断；
信号的输出控制；
人机交互功能； 多机通讯功能等。
2. 有些赛题需要单片机系统与专用芯片或可编程器件结合， 完成设计要求，如：
信号源类的“正弦信号发生器设计”、“实用信号源设计”等； 无线电类的“调频收音机设计”、“单工无线呼叫系统设计”等； 测量类的“简易数字储存示波器”、 “简易数字频率计”等。 电源类的“三相正弦波变频电源设计”、“开关稳压电源”等。
2. 根据成本要求
单片机系统研的制费用包括硬件和软件费用，软件的费用不 仅是设计师所花费的脑力劳动，还有各种调试工具、消耗品 的费用；
软件费用的特点是研制费用昂贵，复制费用低廉；
在批量生产的产品研制中，应尽可能利用软件代替硬件，降 低成本；
小批量或单件产品不宜采用软件代替硬件办法，这会增加软 件研制费用；
对于模拟量
一般考虑用D/A转换器实现数字量到模拟量的转换； 根据应用场合不同，可以准备普通D/A （如ADC0832等），高精度D/A （如MAX539等），或高速D/A （如TLC7528等）。
人机通道设计
人机通道有人机对话功能，它包括人对应用系统的状态干预、数据输入 以及应用系统向人报告运行状态与运行结果；
一般用在需要译码信号不多的场合。
译码器译码
A15 A14 A13
C B A
Y0
CS0
A12 A11 A10
3/8 译码器 (1) EN Y7
C B A
Y0
CS8
CS7
CS5
3/8 译码器 (2) EN Y7
CS15
是指利用译码器进行地址译码的方式； 例如A15～A13经3/8译码器译码，可产生8个地址连续的片选信号。当需要更 多的片选信号时，可采用级联扩展技术； 译码器译码可获得几个地址连续、大小一样的片选信号；级联扩展译码则可 产生更多片选信号，各级之间片选信号对应地址范围大小不同。
1. 根据运行速度要求
在绝大多数单片机系统中，划分软、硬件功能往往是由系统 的运行速度决定；
例如，单片机的时钟频率一般在6～12MHz左右，执行一条指 令至少需要1μs，而完成任何一项工作需要若干条指令，因此 比数字逻辑电路(无论是组合电路还是时序电路)都慢得多；
如果某一任务的执行时间要求少于10μs，就必须采用硬件电 路实现。否则，如采用确能完成此项任务的高速单片机系统， 则会造成浪费。
在这类赛题中，单片机系统完成的主要功能有：
信号的输入、输出辅助控制； 信号的存储；
人机交互功能；
多机通讯功能等； 信号的处理过程由专用芯片或可编程器件完成。
3. 还有少量的赛题单片机系统仅起一个辅助作用，主要功能 由纯硬件电路完成，如：
放大器类的“测量放大器设计”、 “实用低频功率放大器设计” 等。
直接译码
A12～A0
8K RAM (1) CS
A15 A14
8K RAM (2) CS
A13
8K RAM (3) CS
是指不采用专门的译码电路，直接利用单片机地址总线的高位输出作片选信 号的地址译码方式；
直接译码电路的连接较为简单，但许多地址空间因可能使两片以上外设同时 被选中而不能使用，存储空间浪费严重；
CPU
D CLK
锁存器
D
缓冲器
D EN
外设
地址译码
单片机系统中通过并行总线扩展的芯片有多种，同一种芯片也可能有多片， 而CPU在同一时间里只能与某一芯片交换信息，这就要借助于接口中的地址 译码电路对扩展芯片进行寻址，只有被选中的芯片或单元才能与CPU进行数 据交换或通信 译码电路直接确定了每个芯片在单片机访问时的唯一编号(接口地址)； 单片机系统常用译码方式有三种：直接译码、译码器译码和完全地址译码。
后向通道设计
后向通道是单片机实施控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口； 单片机输出的数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于 开关量、数字控制系统及频率调制系统； 对于模拟量控制系统，应通过数/模转换输出模拟量控制信号。
开关量、二进制数字量和频率量
单片机系统应留有足够的输出口线，例如用单片机芯片提供的I/O口，或通 过锁存器74LS273、可编程I/O扩展芯片8255、8155等提供扩展I/O口。
对于频率量和开关量
单片机系统应留有足够的输入口线，例如用单片机芯片提供的I/O口，或通 过缓冲器74LS245、可编程I/O扩展芯片8255、8155等提供扩展I/O口。
对于模拟量
一般考虑用A/D转换器实现模拟量到数字量的转换； 根据应用场合不同，可以准备普通A/D（如ADC0809、ADC0804等），高 精度A/D （如AD574、MAX144等），或高速A/D（如AD9224、TLC5510 等）。
信号转换
由于扩展芯片所能提供的状态信号和它所需要的控制信号往往与单片机的 总线信号不兼容，所以信号转换不可避免； 信号转换包括CPU信号与外设信号的逻辑关系上、时序配合上、以及电平 匹配上的转换； 信号的转换可以通过组合逻辑电路和时序逻辑电路来实现。
4. 最小系统组成
单片机最小系统是指能使系统运行的最小配置电路； 大多数单片机芯片内部都缺乏晶振电路和复位电路，因此，最小系统的组成中 一般都包含晶振和复位电路；
完全地址译码
A9 . . A3 A2 A1
1 1
&
Vcc
CS
A9 . . A2 1 0 1 0
A0
P7 . COMP . P0 Q7 P=Q Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
CS
是一种译码范围与实际需要完全一致的译码方式，又有固定式和开关式两种； 完全地址译码有较高的存储空间利用率，开关式译码电路可根据需要调整接 口地址，防止地址冲突，但电路相对复杂，一般用于计算机电路。
5. 单片机基本系统扩展
在单片机系统中，常用的扩展芯片主要有程序存储器、数据存储器、I/O口， 以及其他专用功能芯片如定时/计数器、中断控制器、通信控制器等。
典型单片机基本系统扩展如图所示。该系统中除了包括必需的时钟电路和复 位电路以外，还扩充了一片2764作为外部程序存储器，一片6264作为外部数 据存储器，一片2864作为掉电保持的外部数据存储器以及用74LS245和 74LS273扩展的简单I/O口。
外部存储器读写时序
时序是指信号变化的先后关系和时间要求； 在进行单片机系统扩展时，主要要解决的问题就是接口的时序配合问题； 时序图中给出的主要参数有：地址建立时间tSA，地址保持时间tHA，数据建 立时间tSD，数据保持时间tHD，读信号脉冲宽度tRD和写信号脉冲宽度tWR 等。
3. 掌握单片机系统接口技术
在这类赛题中，单片机系统完成的主要功能有：
信号的辅助控制； 人机交互功能； 主要功能由纯硬件电路完成。
三、单片机系统功能划分
单片机系统是一个软、硬结合的系统，系统功能的实现既有 硬件设计任务，也有软件设计任务。因此，在进行系统软、 硬件设计之前，首先要对系统功能进行软、硬件划分； 单片机系统的硬件与软件之间有密切的相互制约的联系，硬 件和软件具有一定的互换性； 由硬件来完成一些功能可以提高工作速度，减少软件工作量； 由软件来完成某些功能，可降低硬件成本、简化电路，提高 系统可靠性； 可根据系统的运行速度、成本、可靠性和研制周期等要求来 确定软、硬件功能的划分。
四、单片机系统硬件设计
1. 单片机系统组成
基本系统
（信号处理）
最小系统
基本系统扩展
单片机系统 通道接口
（信号传输）
前向通道 后向通道 人机通道 相互通道
2. 了解单片机的主要应用特性
片内结构
MCS－51系列单片机由8个部件组成：微处理器(ALU)、数据存储器 (RAM)、程序存储器(ROM/EPROM)、I/O口(P0～P3)、串行口、定时/ 计数器、中断系统及特殊功能寄存器(SFR)。
概述
当单片机片内集成的功能单元不能满足应用需要时就必须进行基本系 统扩展； 扩展的内容包括程序存储器(ROM/EPROM)扩展、数据存储器(RAM)扩 展、输入/输出口(I/O口)扩展、定时/计数器(T/C)扩展、中断系统扩 展及其他特殊功能扩展； 扩展的方法是以接口电路为桥梁，连接CPU与外围芯片或外部设备 扩展的途径是通过单片机的并行总线、串行总线或I/O口进行扩展。
接口的功能
接口是CPU与外界连接的电路部分，是CPU与外界进行信息交换的中转站； 单片机外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片，因此扩展电路及扩展方法都 较为典型、规范； 但也有一些外设不能直接与CPU相连，必须通过接口电路使CPU与外设之间 达到最佳耦合与匹配； 接口一般有如下功能：数据缓冲功能、设备选择功能和信号转换功能。
人机通道中最常用的输入设备是按键和键盘，拨码盘是对系统置入数据 的一种比较廉价、可靠的方法；
人机通道中最常用的输出设备有各种报警指示灯、LED/LCD显示器以及 打印机等。
直接利用已成熟原理或软件来替代硬件不受此限。
3. 根据可靠性要求
硬件线路越复杂，系统可靠性就越差； 采用软件替代硬件功能，是提高可靠性的一个好办法；
在一些特殊场合，如军用及各种恶劣环境中，往往采用硬件 冗余线路来提高系统可靠性。
4. 根据研制周期要求
为了加快单片机系统的研制速度，应尽量考虑采用各种标准 软硬件或利用已有成熟的软硬件来完成系统的功能，而不必 拘泥于前面所述细节。
信号锁存与缓冲
信号的锁存与缓冲的目的是解决主机高速与外设低速的矛盾，避免因速度不 一致而丢失数据。 锁存器的作用是把输入信号锁存起来，等待外设读取； 缓冲器的作用是在需要时通过选通信号来读取外设提供的信息；
常用的锁存器有74LS273，74LS373，74LS374，74LS377等，缓冲器有 74LS240，74LS241，74LS244，74LS245，74LS367等。
程序源自文库储器空间
存储空间
MCS－51系列单片机有三维存储空间：
存储空间
数据存储器空间
（内部、外部） I/O空间
程序存储器空间：使用MOVC A，@A＋DPTR等指令； 内部数据存储器空间：使用MOV A，DIRECT等指令； 外部数据存储器和I/O空间：使用MOVX A，@DPTR等指令。