第11章80C51應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法11.1單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)過程過程包括確定任務(wù)、總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試、產(chǎn)品化等幾個(gè)階段。但它們不是絕對分開的，有時(shí)是交叉進(jìn)行的或在幾個(gè)階段反復(fù)進(jìn)行。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)要求各不相同，針對具體的任務(wù)，設(shè)計(jì)方法和步驟也不完全相同。開發(fā)流程11.1.1確定系統(tǒng)的功能與性能由需求調(diào)查可以確定出單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，這一目標(biāo)包括系統(tǒng)功能和系統(tǒng)性能。系統(tǒng)功能主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制等。系統(tǒng)性能主要由精度、功耗、可靠性、速度、體積、重量、價(jià)格等技術(shù)指標(biāo)來衡量。系統(tǒng)研制前，要根據(jù)需求調(diào)查結(jié)果給出的上述各指標(biāo)來衡量系統(tǒng)性能。11.1.2確定系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)1．單片機(jī)選型①單片機(jī)性價(jià)比。②開發(fā)周期。2．存儲空間分配3．I/O通道劃分4．I/O方式的確定5．軟、硬件功能劃分11.1.3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)原則1．硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則盡可能選擇典型通用的電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法。擴(kuò)展與設(shè)備配置應(yīng)充分滿足當(dāng)前的功能要求，并留有適當(dāng)余地，便于以后擴(kuò)充。軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，但應(yīng)考慮系統(tǒng)響應(yīng)速度、實(shí)時(shí)要求等相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配?？煽啃约翱垢蓴_設(shè)計(jì)包括芯片、器件選擇、去耦濾波，印刷電路板布線、通道隔離等。單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。2.應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的原則軟件結(jié)構(gòu)清晰、簡潔，流程合理。各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化、系統(tǒng)化。程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)規(guī)劃合理。運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。經(jīng)過調(diào)試修改后的程序應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化，除去修改“痕跡”。實(shí)現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計(jì)。設(shè)置自診斷程序。11.1.4硬件設(shè)計(jì)圍繞著單片機(jī)功能擴(kuò)展和外圍設(shè)備配置及其接口而展開的。程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器I/O接口譯碼電路總線驅(qū)動(dòng)器抗干擾電路11.1.5軟件設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件一般是由系統(tǒng)的監(jiān)控程序和應(yīng)用程序兩部分構(gòu)成的。應(yīng)用程序是用來完成諸如測量、計(jì)算、顯示、打印、輸出控制等各種實(shí)質(zhì)性功能的軟件。系統(tǒng)監(jiān)控程序是控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定操作方式運(yùn)行的程序，它負(fù)責(zé)組織調(diào)度各應(yīng)用程序模塊，完成系統(tǒng)自檢、初始化、處理鍵盤命令、處理接口命令、處理?xiàng)l件觸發(fā)和顯示等功能。此外，監(jiān)控程序還用來監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對獨(dú)立的部分，并根據(jù)它們之間的聯(lián)系和時(shí)間上的關(guān)系，設(shè)計(jì)出合理的軟件總體結(jié)構(gòu)。11.1.6資源分配一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所擁有的硬件資源分片內(nèi)和片外兩部分。片內(nèi)資源是指本身包括的中央處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、I/O接口以及通信接口等。若片內(nèi)的這些硬件資源不夠使用，就需要在片外加以擴(kuò)展，通過系統(tǒng)擴(kuò)展，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具有了更多的硬件資源，因而有了更強(qiáng)的功能。1．ROM/EPROM資源的分配2．RAM資源的分配11.1.7單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)1．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的仿真在線仿真器應(yīng)具備的功能有：①能輸入和修改應(yīng)用程序；②能對用戶系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行檢查與診斷；③將程序代碼編譯為目標(biāo)碼并固化或下載到系統(tǒng)中；④能以單步、斷點(diǎn)和連續(xù)方式運(yùn)行程序，正確反映用戶程序執(zhí)行的中間結(jié)果；⑤最好不占用用戶單片機(jī)資源；⑥提供足夠的仿真RAM空間作為用戶的程序存儲器，并提供足夠的RAM空間作為用戶數(shù)據(jù)存儲器；⑦齊全的軟件開發(fā)工具，如交叉匯編、連接、固化和下載，甚至反編譯等。系統(tǒng)仿真調(diào)試的目的是檢測并排除故障，檢測并修正模塊化軟件。對于一些小系統(tǒng)，也可以不使用專門的仿真器，而是直接采用寫入裝置，將目標(biāo)代碼寫入到系統(tǒng)的程序存儲器中。如果采用具有Flash存儲器和支持ISP的單片機(jī)芯片，甚至只需要一個(gè)編程/下載電纜，利用專門的下載軟件，就可以通過ISP插座將目標(biāo)代碼下載到具有Flash存儲器的單片機(jī)芯片中，然后通過直接運(yùn)行判斷硬件/軟件的正確性。2．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的制版3．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試（1）靜態(tài)硬件調(diào)試①電路板質(zhì)量檢查，并確保沒有任何制造方面的錯(cuò)誤，如短路和斷路，尤其要避免電源短路；②元器件在安裝前要逐一檢查；③焊接后，應(yīng)先空載上電（芯片座上不插芯片），并檢查各引腳的電位是否正確。若一切正常，方可在斷電的情況下將芯片插入，再次檢查各引腳的電位及邏輯關(guān)系。（2）系統(tǒng)的調(diào)試可采用監(jiān)控命令法和程序調(diào)試法兩種，調(diào)試的內(nèi)容包括以下幾方面：①外部數(shù)據(jù)存儲器RAM的調(diào)試；②程序存儲器的調(diào)試；③輸出功能模塊的調(diào)試；④I/O接口芯片的調(diào)試；⑤外部中斷與定時(shí)器的調(diào)試；⑥鍵盤的調(diào)試；⑦顯示器的調(diào)試；⑧A/D和D/A的調(diào)試；⑨串行通信口的調(diào)試。4．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的編程、下載與運(yùn)行①應(yīng)用程序編程?？刹捎枚喾N形式編寫應(yīng)用程序的源程序，如采用文本編寫器、KeilC等②源程序的匯編?？刹捎镁幾g程序和交叉編譯程序進(jìn)行匯編。③目標(biāo)文件的下載與運(yùn)行。④經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)綜合驗(yàn)證沒問題后，將原理圖、PCB圖、程序等生成最終的生產(chǎn)或發(fā)行版本，去除各類調(diào)試痕跡。11.2提高系統(tǒng)可靠性的一般方法11.2.1電源干擾及其抑制1．交流電源干擾及其抑制

持續(xù)時(shí)間：幾毫秒幅度約在50V～4000V使系統(tǒng)的程序“跑飛”

抑制措施：（1）系統(tǒng)盡量遠(yuǎn)離干擾源。（2）采用電源濾波器，濾波器是按頻譜均衡原理設(shè)計(jì)的一種無源四端網(wǎng)絡(luò)。（3）采用交流穩(wěn)壓器，防止電源的過電壓和欠電壓。（4）采用1∶1隔離變壓器，防止干擾通過初次級間的電容效應(yīng)進(jìn)入單片機(jī)供電系統(tǒng)2．直流電源抗干擾措施

采用高質(zhì)量集成穩(wěn)壓電路單獨(dú)供電采用直流開關(guān)電源采用DC-DC變換器11.2.2地線干擾及其抑制一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的應(yīng)用

頻率小于1MHz時(shí)，采用一點(diǎn)接地；頻率高于10MHz時(shí)，采用多點(diǎn)接地；頻率處于1～10MHz之間時(shí)，若采用一點(diǎn)接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20。否則，應(yīng)采用多點(diǎn)接地。

數(shù)字地與模擬地的連接原則

數(shù)字地和模擬地應(yīng)分別接地。即使是一個(gè)芯片上有兩種地，也要分別接地，然后在一點(diǎn)處把兩種地連接起來。

印刷電路板的地線分布原則

TTL、CMOS器件的接地線要呈輻射網(wǎng)狀，避免環(huán)形；板上地線的寬度要根據(jù)通過的電流大小而定，最好不小于3mm。在可能的情況下，地線盡量加寬；旁路電容的地線不要太長；功率地通過電流信號較大，地線應(yīng)較寬，必須與小信號地分開。信號電纜屏蔽層的接地

雙絞線具有抑制電磁干擾的作用，屏蔽線具有抑制靜電磁感應(yīng)干擾的作用。對于屏蔽線，屏蔽層最佳的接地點(diǎn)是在信號源測（一點(diǎn)接地）。11.2.3其他提高系統(tǒng)可靠性的方法硬件抗干擾設(shè)計(jì)選擇抗干擾性能強(qiáng)的CPU數(shù)字量的光電隔離模擬量的光電隔離模擬量的通訊傳輸獨(dú)立的硬件“看門狗”采用RS232電平傳輸采用RS422/RS485電平傳輸單片機(jī)軟件抗干擾主要任務(wù)：①消除模擬輸入信號的噪聲；②程序運(yùn)行混亂時(shí)使程序進(jìn)入正軌。主要方法：

（1）指令冗余技術(shù)：通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個(gè)字節(jié)以上的NOP。

當(dāng)“亂飛”程序進(jìn)入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。通常還可以采用軟件鎖設(shè)計(jì)、程序陷阱設(shè)計(jì)。這一類方法主要是針對程序跑飛的情況而采用的。當(dāng)系統(tǒng)在干擾信號的作用下發(fā)生程序跑飛時(shí)，程序指針有可能指向兩個(gè)區(qū)域：一種可能正好轉(zhuǎn)到程序區(qū)的其他地址進(jìn)行執(zhí)行；另一種可能轉(zhuǎn)移到程序空間的盲區(qū)進(jìn)行執(zhí)行。所謂盲區(qū)，就是說那里并沒有存放有效的程序指令。對于第一種情況，可以采取軟件鎖加以抑制。例如，為保證對外操作的安全，在軟件鎖設(shè)計(jì)中，對于每一個(gè)相對獨(dú)立的程序塊在其執(zhí)行以前或執(zhí)行中對一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的密碼進(jìn)行校驗(yàn)，只有當(dāng)這一密碼相符時(shí)執(zhí)行才真正有效，也只有程序是通過正常的轉(zhuǎn)移途徑轉(zhuǎn)移過來時(shí)，才會由上一級的程序設(shè)定正確的密碼；否則，會根據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)而使程序強(qiáng)制發(fā)生轉(zhuǎn)移，錯(cuò)誤狀態(tài)得到處理，并恢復(fù)程序的正常運(yùn)行狀態(tài)。SPRO1: PUSHACCMOVA,#N-CODE1CJNEA,SAFE-CODE,ERROR1POPACC… ;塊處理程序部分(此處省略)MOVSAFE-CODE,#N-CODE2SJMPSPRO2ERROR1:POPACC

… ;錯(cuò)誤處理程序部分(此處省略)SPRO2: PUSHACCMOVA,#N-CODE2 CJNEA,SAFE-CODE,ERROR2 POP ACC

… ;塊處理程序部分(此處省略)MOV SAFE-CODE,#S-CODE3SJMPSPRO3ERROR2:POPACC… ;錯(cuò)誤處理程序部分(此處省略)SPRO3: PUSHACCMOV A,#N-CODE3CJNEA,SAFE-CODE,ERROR3POP ACC

… ;塊處理程序部分(此處省略)MOV SAFE-CODE,#N-CODE4SJMPSPRO4ERROR3:POPACC

… ;錯(cuò)誤處理程序部分(此處省略)軟件陷阱是指用來將捕獲的“亂飛”程序引向復(fù)位入口地址（一般為0000H）的指令。通過設(shè)置軟件陷阱，攔截“亂飛”程序，將其引向指定位置，再進(jìn)行出錯(cuò)處理。這主要是為了防止程序跑飛到程序盲區(qū)進(jìn)行執(zhí)行。一般情況下，對于程序代碼空間以外的ROM空間的處理是采用空置的方法。固化程序時(shí)，這些空置空間被全寫為1或全寫為0，這樣程序跳入這一區(qū)域?qū)⒉豢煽?。為了捕獲跳入此區(qū)的程序，可以采用程序陷阱來予以實(shí)現(xiàn)。例：假設(shè)某系統(tǒng)程序空間為32KB，程序編譯后共生成18KB的代碼，那么，還有14KB的程序空間未被使用，可以在該區(qū)域放置下面的陷阱程序：NULL-PRO: NOPNOP…LJMP0000H…NOP指令放置的越多捕獲的成功率就越高，但花費(fèi)的時(shí)間就越長，程序失控的時(shí)間也越長。

在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。當(dāng)使用的中斷因干擾而開放時(shí)，在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，能及時(shí)捕獲錯(cuò)誤的中斷。如某應(yīng)用系統(tǒng)雖未用到外部中斷1，外部中斷1的中斷服務(wù)程序可為如下形式：NOPNOPRETI返回指令可用RETI，也可用LJMP0000H。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復(fù)程序的設(shè)計(jì)可靠、完善，用LJMP0000H作返回指令可直接進(jìn)入故障診斷程序，盡早地處理故障并恢復(fù)程序的運(yùn)行。考慮到程序存儲器的容量，軟件陷阱一般1KB空間有2～3個(gè)就可以進(jìn)行有效攔截。（3）軟件“看門狗”技術(shù)也叫作程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng),當(dāng)程序運(yùn)行受到干擾，程序飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中時(shí)，系統(tǒng)將完全癱瘓，軟件陷阱也無能為力了，這時(shí)就需要人工復(fù)位或硬件復(fù)位；如果沒有人工操作和硬件復(fù)位系統(tǒng)，采用軟件看門狗技術(shù)同樣也能使系統(tǒng)復(fù)位，恢復(fù)正常。軟件看門狗的特性如下：

①本身獨(dú)立工作，基本上不依賴CPU；②CPU在一個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)和系統(tǒng)打一次交道，以表明系統(tǒng)目前工作正常；③當(dāng)CPU陷入死循環(huán)后，能及時(shí)發(fā)覺并使系統(tǒng)復(fù)位。若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間超過最大循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯(cuò)處理?！翱撮T狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會破壞中斷方式控制，關(guān)閉中斷。則系統(tǒng)無法定時(shí)“喂狗”，硬件“看門狗”電路失效，而軟件“看門狗”可有效地解決這類問題。實(shí)際應(yīng)用中，可采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)：用定時(shí)器T0監(jiān)視定時(shí)器T1，用定時(shí)器T1監(jiān)視主程序，主程序監(jiān)視定時(shí)器T0。采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能，大大提高了系統(tǒng)可靠性。對于需經(jīng)常使用T1定時(shí)器進(jìn)行串口通信的測控系統(tǒng)，則定時(shí)器T1不能進(jìn)行中斷，可改由串口中斷進(jìn)行監(jiān)控（如果用的是MCS-52單片機(jī)，也可用T2代替T1進(jìn)行監(jiān)視）。

監(jiān)視原理：

在主程序、T0中斷服務(wù)程序、T1中斷服務(wù)程序中各設(shè)一運(yùn)行觀測變量，假設(shè)為MWatch、T0Watch、T1Watch，主程序每循環(huán)一次，MWatch加１，同樣T0、T1中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次，T0Watch、T1Watch加１。在T0中斷服務(wù)程序中通過檢測T1Watch的變化情況判定T1運(yùn)行是否正常，在T1中斷服務(wù)程序中檢測MWatch的變化情況判定主程序是否正常運(yùn)行，在主程序中通過檢測T0Watch的變化情況判別T0是否正常工作。若檢測到某觀測變量變化不正常，比如應(yīng)當(dāng)加1而未加1，則轉(zhuǎn)到出錯(cuò)處理程序作排除故障處理。當(dāng)然，對主程序最大循環(huán)周期、定時(shí)器T0和T1定時(shí)周期應(yīng)予以全盤合理考慮。當(dāng)程序陷入死循環(huán)后，定時(shí)器溢出，產(chǎn)生高優(yōu)先級中斷，從而跳出死循環(huán)。還可以在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中放置一條LJMP

ERR指令，即可使程序轉(zhuǎn)向出錯(cuò)處理程序；由出錯(cuò)程序來完成以后的工作，并用軟件的方法使系統(tǒng)復(fù)位。用定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0作軟件看門狗的完整程序：ORG0000H

AJMPMAIN

ORG 000BH

LJMPERR

MAIN： MOV SP,#60H

MOV PSW,#00H

MOV SCON,#00H

MOV TMOD,#01H ;設(shè)置T0為16位定時(shí)器

SETBET0

;允許T0中斷

SETBPT0

;設(shè)置T0中斷為高級中斷

MOV TL0,#00H ;設(shè)定T0的定時(shí)初值,定時(shí)時(shí)間約為16ms(6MHz晶振）

MOV TH0,#0B0H

SETBEA

;開中斷

SETBTR0

;啟動(dòng)T0LOOP: …

;主程序開始

LCALLWATCHDOG

;調(diào)用喂狗子程序

…

LJMPLOOP

WATCHDOG:MOV TL0,#00H ;喂狗子程序

MOV TH0,#0B0H

SETBTR0

RET

ERR: POP ACC

;定時(shí)器中斷

POP ACC

;看門狗軟件復(fù)位程序

CLR A

PUSHACC

PUSHACC

RETI

在程序中，由于執(zhí)行了中斷服務(wù)程序，PC的指針已經(jīng)指向0000H，從而實(shí)現(xiàn)了軟件復(fù)位的目的。（4）系統(tǒng)故障處理、自恢復(fù)程序的設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)因干擾復(fù)位或掉電后復(fù)位均屬非正常復(fù)位，應(yīng)進(jìn)行故障診斷并能自動(dòng)恢復(fù)非正常復(fù)位前的狀態(tài)。程序的執(zhí)行總是從0000H開始，導(dǎo)致程序從0000H開始執(zhí)行有4種可能：系統(tǒng)開機(jī)上電復(fù)位；軟件故障復(fù)位；看門狗超時(shí)未喂狗硬件復(fù)位；任務(wù)正在執(zhí)行中掉電后來電復(fù)位。4種情況中除第一種情況外均屬非正常復(fù)位，需加以識別。①硬件復(fù)位與軟件復(fù)位的識別硬件復(fù)位指開機(jī)復(fù)位與看門狗復(fù)位，硬件復(fù)位對寄存器有影響，如復(fù)位后PC=0000H，SP=07H，PSW=00H等；而軟件復(fù)位則對SP、PSW無影響。故對于微機(jī)測控系統(tǒng)，當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，將SP設(shè)置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶標(biāo)志位在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)設(shè)為1。那么系統(tǒng)復(fù)位時(shí)只需檢測PSW.5標(biāo)志位或SP值便可判此是否硬件復(fù)位。

此外，由于硬件復(fù)位時(shí)片內(nèi)RAM狀態(tài)是隨機(jī)的，而軟件復(fù)位片內(nèi)RAM則可保持復(fù)位前狀態(tài)，因此可選取片內(nèi)某一個(gè)或兩個(gè)單元作為上電標(biāo)志。設(shè)40H用來作上電標(biāo)志，上電標(biāo)志字為78H，若系統(tǒng)復(fù)位后40H單元內(nèi)容不等于78H，則認(rèn)為是硬件復(fù)位，否則認(rèn)為是軟件復(fù)位，轉(zhuǎn)向出錯(cuò)處理。若用兩個(gè)單元作上電標(biāo)志，則這種判別方法的可靠性更高。硬、軟件復(fù)位識別流程②開機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位的識別開機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位因同屬硬件復(fù)位，所以要想予以正確識別，一般要借助非易失性RAM或者E2PROM。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)置一可掉電保護(hù)的觀測單元。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在定時(shí)喂狗的中斷服務(wù)程序中使該觀測單元保持正常值（設(shè)為AAH），而在主程中將該單元清零，因觀測單元掉電可保護(hù)，則開機(jī)時(shí)通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復(fù)位。③正常開機(jī)復(fù)位與非正常開機(jī)復(fù)位的識別

將控制過程分解為若干步或若干時(shí)間段，每執(zhí)行完一步或每運(yùn)行一個(gè)時(shí)間段則對監(jiān)測單元置為關(guān)機(jī)允許值，不同的任務(wù)或任務(wù)的不同階段有不同的值，若系統(tǒng)正在進(jìn)行測控任務(wù)或正在執(zhí)行某時(shí)間段，則將監(jiān)測單元置為非正常關(guān)機(jī)值。那么系統(tǒng)復(fù)位后可據(jù)此單元判別系統(tǒng)原來的運(yùn)行狀態(tài)，并跳到出錯(cuò)處理程序中恢復(fù)系統(tǒng)原運(yùn)行狀態(tài)。④非正常復(fù)位后系統(tǒng)自恢復(fù)運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)對順序要求嚴(yán)格的一些過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)非正常復(fù)位與否，一般都要求從失控的那一個(gè)模塊或任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。所以測控系統(tǒng)要做好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份，這些數(shù)據(jù)既要定時(shí)備份，同時(shí)若有修改也應(yīng)立即予以備份。當(dāng)在已判別出系統(tǒng)非正常復(fù)位的情況下，先要恢復(fù)一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如顯示模塊的初始化、片外擴(kuò)展芯片的初始化等。其次再對測控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等予以恢復(fù)，包括顯示界面等的恢復(fù)。之后再把復(fù)位前的任務(wù)、參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等恢復(fù)，再進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)說明:真實(shí)地恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)需要極為細(xì)致地對系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)予以備份，并加以數(shù)據(jù)可靠性檢查，以保證恢復(fù)的數(shù)據(jù)的可靠性。其次，對多任務(wù)、多進(jìn)程測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的恢復(fù)需考慮恢復(fù)的次序問題。

恢復(fù)系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)是指取出備份的數(shù)據(jù)覆蓋當(dāng)前的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)基本初始化是指對芯片、顯示、輸入/輸出方式等進(jìn)行初始化，要注意輸入/輸出的初始化不應(yīng)造成誤動(dòng)作。而復(fù)位前任務(wù)的初始化是指任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間等。系統(tǒng)自恢復(fù)程序流程

3．采用備份系統(tǒng)提高可靠性

備份系統(tǒng)可根據(jù)具體的情況分為在線備份系統(tǒng)和后備備份系統(tǒng)。對于在線備份系統(tǒng)，系統(tǒng)中的兩個(gè)CPU均處于工作狀態(tài)，有可能兩個(gè)CPU處在對等的位置，也可能一個(gè)處在主CPU的位置，而另一個(gè)處在從CPU的位置。在對等的情況下，兩個(gè)CPU共同決定系統(tǒng)對外的操作，任何一個(gè)CPU出錯(cuò)都將引起對外操作的禁止。對于一主一從的情況，往往是主CPU負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制邏輯的實(shí)現(xiàn)，而從CPU負(fù)責(zé)對主CPU的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)控到主CPU工作異常時(shí)，從CPU通過強(qiáng)行復(fù)位主CPU等操作使主CPU恢復(fù)正常，同時(shí)，為確保從CPU工作正常，從CPU的工作狀態(tài)也被主CPU監(jiān)控；當(dāng)從CPU的工作狀態(tài)不正常時(shí)，主CPU也可采取措施使從CPU恢復(fù)正常工作，即實(shí)現(xiàn)互相監(jiān)控的目的。在具體的設(shè)計(jì)中，主從CPU進(jìn)行信息交換的途徑非常靈活、多樣。例如，采用公用的存儲器來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的交換（如把公用信息存入雙口RAM），采用握手信號的方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的交換等。11.3設(shè)計(jì)與制作實(shí)例

11.3.1單片機(jī)興趣實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)與制作1.設(shè)計(jì)任務(wù)

針對單片機(jī)初、中級學(xué)習(xí)者，提供一個(gè)幫助用戶快速開始單片機(jī)學(xué)習(xí)之旅的硬件平臺。本單片機(jī)學(xué)習(xí)板能進(jìn)行單片機(jī)基本資源實(shí)驗(yàn)，如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷、I/O口輸入輸出、按鍵、流程燈、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器等等。2.總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)主要由單片機(jī)、按鍵、數(shù)碼顯示、蜂鳴器、LED顯示、USB-RS232轉(zhuǎn)換電路組成。特點(diǎn)：單片機(jī)支持ISP下載，采用DIP40的IC鎖緊座，可隨時(shí)更換DIP40封裝的MCS-51單片機(jī)；

4個(gè)獨(dú)立按鍵；

14個(gè)由I/O口控制的LED燈；

1個(gè)8段數(shù)碼管；蜂鳴器；含USBRS-232轉(zhuǎn)換電路，可直接由USB線進(jìn)行ISP程序下載；

I/O全部引出，便于擴(kuò)展；直接用USB線供電。單片機(jī)：STC90C51系列，89C51的升級版，無法解密、低功耗、高速、高可靠、強(qiáng)抗靜電、強(qiáng)抗干擾等，內(nèi)部有256～4352字節(jié)的SRAM、4～61KB的內(nèi)部Flash、除P0～P3口外還多P4口（PLCC封裝），片內(nèi)自帶8路8位A/D（AD系列）、E2PROM、看門狗、雙倍速、雙數(shù)據(jù)、內(nèi)置復(fù)位等。支持ISP、IAP，可以通過單片機(jī)串口直接下載程序。USB-RS232接口：CH341USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，通過USB總線提供串口、打印口或者并口。該實(shí)驗(yàn)板只需一根USB線結(jié)合STC公司的ISP軟件，即可實(shí)現(xiàn)PC與單片機(jī)串口通信及下載單片機(jī)程序功能。3．硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路包括主機(jī)、USB轉(zhuǎn)串口電路、按鍵、蜂鳴器、顯示及I/O擴(kuò)展6個(gè)部分。

系統(tǒng)資源：1個(gè)共陽極數(shù)碼管1個(gè)無源蜂鳴器4個(gè)按鍵14個(gè)發(fā)光二極管串口轉(zhuǎn)USB接口I/O口全部引出直接由USB供電支持Atmel、SST、NXP等100多種目前最流行的51單片機(jī)支持串口燒寫的單片機(jī)（如STC公司的MCU），可通過USB線燒寫程序（ISP功能）除單片機(jī)串行口外，單片機(jī)的所有I/O均通過短線帽連接，這樣方便擴(kuò)展外接硬件4．軟件設(shè)計(jì)

IO口輸入、輸出實(shí)驗(yàn)定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)串行口通訊實(shí)驗(yàn)中斷實(shí)驗(yàn)八段數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)按鍵控制實(shí)驗(yàn)LED實(shí)驗(yàn)蜂鳴器實(shí)驗(yàn)蜂鳴器音樂實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)流水燈/花樣燈/跑馬燈實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)板測試程序流程圖11.3.2新型單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作1．設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一款有豐富的實(shí)驗(yàn)硬件資源和接口的單片機(jī)綜合接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，各個(gè)功能模塊各自獨(dú)立，并對外全部開放I/O口，默認(rèn)電路可簡單地使用短路帽連接即可，也可用戶自由用杜邦線搭建自己的電路.接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)板結(jié)構(gòu)框圖2．硬件設(shè)計(jì)

（1）單片機(jī)電路單片機(jī)座采用IC鎖緊座單片機(jī)接口全部引出（2）電源電路電源輸入方式有多種，通過JP10及PWR1進(jìn)行切換，可直接由DC+5V或DC+9V～+12V的電源適配器輸入（J2），也可直接由USB線提供，同時(shí)還可以向外提供DC+5V輸出。（3）USB-串口轉(zhuǎn)換電路CH341T是USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，通過USB總線提供串口、打印口或者并口。只需一根USB線結(jié)合STC公司的ISP軟件，即可實(shí)現(xiàn)PC與單片機(jī)串口通信及下載單片機(jī)程序功能?？赏ㄟ^USB直接給實(shí)驗(yàn)板供電。（4）數(shù)碼管和LED顯示電路由8個(gè)八段數(shù)碼管和16個(gè)LED組成，可以完成數(shù)碼管掃描、流水燈等。（5）鍵盤電路8個(gè)獨(dú)立鍵盤，兼顧普通I/O口及中斷識別按鍵的方式；4×4矩陣鍵盤（6）A/D及D/A轉(zhuǎn)換電路PCF8591：I2C總線接口，單電源、低功耗8位COMS型A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片，具有4路模擬量輸入通道、一路模擬量輸出通道。本設(shè)計(jì)中，PCF8591的4個(gè)A/D輸入通道，其中AIN0與電位器VR1相連用于測量電位器的輸出電壓，AIN1、AIN2和AIN3可測量通過JP2輸入不大于5V的外接電壓；輸出通道AOUT通過短路帽接有一個(gè)LED，可以由AOUT輸出模擬電壓控制該LED的亮度，也可由JP4輸出到外接擴(kuò)展設(shè)備中。（7）串并轉(zhuǎn)換電路采用74HC164芯片實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)并口功能，將J13用短路帽接上，則由單片機(jī)串口發(fā)送數(shù)據(jù)，點(diǎn)亮或熄滅74HC164的輸出端所連接的8個(gè)發(fā)光二極管D18～D25；同樣，也可將J14用短路帽接上，則可由串口讀回74HC165輸入端所連接的8位撥碼開關(guān)S27的狀態(tài)。串-并轉(zhuǎn)換電路74HC164串轉(zhuǎn)并，74HC165并轉(zhuǎn)串（8）紅外傳感器電路系統(tǒng)集成有一路一體化紅外接收頭T1838，接收遙控發(fā)射器所發(fā)射的信號，并負(fù)責(zé)紅外遙控信號的解調(diào)，并將解調(diào)信號送單片機(jī)的P3.2，既可使用中斷方式也可使用查詢方式來編程。（9）溫度傳感器電路

DS18B20，單總線（1-Wire）數(shù)字化溫度傳感器。測溫范圍為-55～125℃；轉(zhuǎn)換精度為9～12位（包括符號位）；測溫分辨率：9位精度為0.5℃，12位精度為0.0625℃；轉(zhuǎn)換時(shí)間：9位精度為93.75ms，12位精度為750ms；除此以外，DS18B20還具有非易失性，上、下報(bào)警設(shè)定功能。溫度傳感器電路（10）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用ULN2003芯片作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

（11）其他電路還有24C04存儲器擴(kuò)展、蜂鳴器、液晶顯示接口等電路。24C04、蜂鳴器接口電路圖3．軟件設(shè)計(jì)

上電測試流程

LED閃爍、流水燈、跑馬燈蜂鳴器控制實(shí)驗(yàn)數(shù)碼管顯示0-7位獨(dú)立按鍵/矩陣按鍵識別外部中斷實(shí)驗(yàn)1602/12864LCD顯示RS232串口通訊A/D、D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)

DS18B20溫度檢測與控制實(shí)驗(yàn)……可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目11.3.3用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度測量1．設(shè)計(jì)任務(wù)測溫范圍為-55°C-+125°C，在

-10-+85°C范圍內(nèi)，測溫精度為±0.5°C，2位溫度顯示?？傮w設(shè)計(jì)方案單片機(jī):STC89C51溫度傳感器:DS18B20

“1-Wire”接口3V~5.5V的電壓范圍

測溫范圍-55℃~+125℃

可設(shè)定9~12位的分辨率

及報(bào)警溫度輕觸按鍵來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的設(shè)置功能2位八段數(shù)碼管顯示溫度硬件設(shè)計(jì)電路軟件設(shè)計(jì)溫度測量系統(tǒng)軟件流程（1）DS18B20的初始化子程序主機(jī)總線t0時(shí)刻發(fā)送一復(fù)位脈沖（最短為480ms的低電平信號），接著在t1時(shí)刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)，DS18B20在檢測到總線的上升沿之后，等待15～60ms，接著DS18B20在t2時(shí)刻發(fā)出脈沖（低電平，持續(xù)60～240ms）。

INIT_1820:SETB P3.3NOPCLRP3.3;主機(jī)發(fā)出延時(shí)540ms的復(fù)位低脈沖MOV R0,#36LCALL DELAYSETB P3.3 ;然后拉高數(shù)據(jù)線NOPNOPMOV R0,#36TSR2:JNBP3.3,TSR3;等待DS18B20回應(yīng)DJNZ R0,TSR2LJMP TSR4 ;延時(shí)初始化程序：（2）DS18B20讀溫度子程序主機(jī)總線t0時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)，總線只需保持低電平15ms。之后在t1時(shí)刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時(shí)間隙，讀時(shí)間隙在t1時(shí)刻后t2時(shí)刻前有效。T2距t0為15ms也就是說，t2時(shí)刻前主機(jī)必須完成讀位，并在t0后的60～120ms內(nèi)釋放總線。

GET_TEMPER: SETB P3.3LCALLINIT_1820 ;先復(fù)位DS18B20JB FLAG1,TSS2CLR P1.2RET;判斷DS1820是否存在?若不存在則返回TSS2: CLR P3.3;DS18B20已經(jīng)被檢測到!MOV A,#0CCH ;跳過ROM匹配LCALLWRITE_1820MOV A,#44H ;發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令LCALLWRITE_1820;這里通過調(diào)用顯示子程序?qū)崿F(xiàn)延時(shí)一段時(shí)間,等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,12位的話750ms讀位子程序：LCALL INIT_1820 ;準(zhǔn)備讀溫度前先復(fù)位MOV A,#0CCH ;跳過ROM匹配LCALL WRITE_1820MOV A,#0BEH ;發(fā)出讀溫度命令LCALL WRITE_1820LCALL READ_18200 ;將讀出的溫度數(shù)據(jù)保存到35H/36HCLR P3.3RETTSR3: SETB FLAG1;置標(biāo)志位,表示DS1820存在LJMP TSR5TSR4: CLR FLAG1;清標(biāo)志位,表示DS1820不存在LJMP TSR7TSR5: MOV R0,#06BHTSR6:DJNZR0,TSR6;復(fù)位成功!時(shí)序要求延時(shí)一段時(shí)間TSR7: SETB P3.3RET（3）DS18B20寫控制子程序當(dāng)主機(jī)總線t0時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)就產(chǎn)生寫時(shí)間隙，從t0時(shí)刻開始15ms之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DS1820在t0后15～60ms間對總線采樣。若低電平寫入的位是0，若高電平寫入的位是1，連續(xù)寫兩位間的間隙應(yīng)大于1ms。WRITEDS18: MOV R2,#8 ;寫一個(gè)字節(jié)CLR CW1: CLR P3.3MOV R3,#5DJNZ R3,$RRC AMOV P3.3,CMOV R3,#21DJNZ R3,$SETB P3.3NOPDJNZ R2,W1SETB P3.3 ;每位數(shù)據(jù)中恢復(fù)高電平RET11.3.4FLASH存儲器擴(kuò)展設(shè)計(jì)與制作1．設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)基于MCS-518位單片機(jī)與NANDFLASH存儲器(K9F4G08)的接口控制實(shí)例2．系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案K9F4G08工作電壓：+3.3V512M×8Bit8bit輸入輸出總線TSOP48封裝單片機(jī)STC89LE516工作電壓：+3.3V64KB的FLASH程序存儲器1280byte的SRAM支持串口ISP下載硬件電路4．軟件設(shè)計(jì)K9F4G08芯片尋址ColumnAddress：列地址（地址的低8位）RowAddress：

行地址PageAddress：

頁地址BlockAddress：

塊地址對于K9F4G08來講，地址和命令只能在I/O[7:0]上傳遞，數(shù)據(jù)寬度是8位，因此，整個(gè)512MB容量地址的傳遞過程需要5步才能完成。

I/O0I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O7地址類別第一同期A0A1A2A3A4A5A6A7行地址第二同期A8A9A10A11LowLowLowLow行地址第三同期A12A13A14A15A16A17A18A19列地址第四同期A20A21A22A23A24A25A26A27列地址第五同期A28A29LowLowLowLowLowLow列地址

K9F4G08的芯片尋址

K9F4G08芯片模式選擇K9F4G08