王高建

[摘 要]單片機(jī)硬件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)某個(gè)項(xiàng)目或工程所需要的所有的硬件電氣連接線(xiàn)路，系統(tǒng)擴(kuò)展方法與單片機(jī)所選的系列（如51系列、AVR系列、8086系列等）有關(guān)。不同系列的單片機(jī)，其內(nèi)部接口、總線(xiàn)設(shè)置是不同的，故硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是不盡相同的。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括單片機(jī)基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)擴(kuò)展、交互設(shè)備配置、信號(hào)采集配置四個(gè)基本方面。

[關(guān)鍵詞]單片機(jī)硬件系統(tǒng)；系統(tǒng)擴(kuò)展；信號(hào)采集

1單片機(jī)的基本設(shè)計(jì)

單片機(jī)的基本設(shè)計(jì)包括單片機(jī)的選型和單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)單片機(jī)進(jìn)行選型時(shí)就應(yīng)當(dāng)考慮所需要的功能資源，以及如何使用與擴(kuò)展等問(wèn)題。大部分情況下單片機(jī)本身的I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等資源不能滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的需要，但它們畢竟可靠有效的核心資源，應(yīng)當(dāng)充分利用它們。片外存儲(chǔ)器建議盡量選用大容量的芯片。單片機(jī)最小系統(tǒng)需要在單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上添加常用的擴(kuò)展電路，如晶振電路、復(fù)位電路等，這些電路和單片機(jī)的組合就構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)。

2單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展

雖然單片機(jī)是個(gè)高度的集成芯片，芯片內(nèi)部具備I/O口、ROM程序存儲(chǔ)器、RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，但還是需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展來(lái)完善單片機(jī)系統(tǒng)。擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)可以分為存儲(chǔ)器擴(kuò)展和接口擴(kuò)展。單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展有兩種方法：一是選擇購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的專(zhuān)用功能模板或接口板，如各種開(kāi)關(guān)量接口板、A/D轉(zhuǎn)換接口板、步進(jìn)電機(jī)控制板、繼電器轉(zhuǎn)換接口板、CRT顯示板、通訊板等，這些模板可以通過(guò)總線(xiàn)直接與單片機(jī)系統(tǒng)接口連接，通過(guò)購(gòu)置這些接口可以大大縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，但是由于購(gòu)買(mǎi)來(lái)的，成本較高；二是根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，選用合適的芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種方式降低了設(shè)計(jì)的成本，但是同時(shí)增加了設(shè)計(jì)的周期。所有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)擴(kuò)展電路。

3交互設(shè)備配置

交互設(shè)備主要是指單片機(jī)和人之間的通訊，常用的設(shè)備有鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)等。例如鍵盤(pán)可以完成人對(duì)機(jī)的控制，顯示器可以告訴人此時(shí)機(jī)器的工作狀態(tài)等。在這些設(shè)備的配置過(guò)程中，大部分的系統(tǒng)是要求配置專(zhuān)用控制面板的，同時(shí)它的組成材料、形狀和鍵位分布等都不能隨意設(shè)計(jì)，要從操作方便、安全可靠等方面統(tǒng)一安排。具體包括如下四點(diǎn)：

3.1若干個(gè)數(shù)字鍵。以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)修改或?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.2若干個(gè)命令鍵。以便使用者向系統(tǒng)輸入各種控制命令。

3.3設(shè)置指示燈。以便使用者對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管。

3.4設(shè)置必要的聲、光報(bào)警。如蜂鳴器、報(bào)警燈等，以便操作作者主要和處理。

4信號(hào)采集配置

測(cè)控對(duì)象的工作狀態(tài)或者其他信息通過(guò)傳感器等一系列電路傳人單片機(jī)，單片機(jī)的控制命令通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換等電路傳給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)被測(cè)控對(duì)象的工作狀態(tài)。這兩組電路的配置決定了系統(tǒng)的測(cè)量精度和控制性能，它們的設(shè)計(jì)可分兩步進(jìn)行。

4.1數(shù)字量輸入、輸出電路的設(shè)計(jì)。這部分是指數(shù)字信號(hào)的接收和執(zhí)行，這里重點(diǎn)考慮開(kāi)關(guān)的防抖問(wèn)題、電平的兼容問(wèn)題、干擾問(wèn)題和輸出的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。

4.2模擬量輸入、輸出通道的設(shè)計(jì)。這部分主要是指模擬信號(hào)的接收和執(zhí)行，對(duì)于模擬量輸入通道而言，這這里主要考慮傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等的設(shè)計(jì)與選擇。同時(shí)也要考慮模擬信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)的隔離和濾波等具體問(wèn)題。在模擬量輸出中，主要考慮D/A轉(zhuǎn)換器、模擬量放大器、光電隔離的設(shè)計(jì)與選擇問(wèn)題。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的主要事項(xiàng)：

4.2.1盡量使硬件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化：盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法。這樣有利于系統(tǒng)的調(diào)試、修改、維護(hù)和以后的擴(kuò)展。

4.2.2保證系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力：對(duì)元器件進(jìn)行選擇、去耦濾波、合理布線(xiàn)、通道隔離等。

4.2.3留有適當(dāng)?shù)墓δ苡嗔浚合到y(tǒng)擴(kuò)展和配置是不要只顧眼前，在充分滿(mǎn)足系統(tǒng)功能要求的前提下，為二次開(kāi)發(fā)留有余地。

4.2.4留有適當(dāng)?shù)男阅苡嗔浚弘娫垂β室哂谙到y(tǒng)最大功耗的一倍以上，電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載不能接近驅(qū)動(dòng)能力的極限值，A/D和D/A的轉(zhuǎn)換精度也要高于任務(wù)書(shū)所規(guī)定的指標(biāo)等。

4.2.5在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還有考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動(dòng)能力。如果驅(qū)動(dòng)能力弱，系統(tǒng)可能工作不可靠甚至無(wú)法工作，而這種情況是很難解決的，必須通過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)解決，所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)該高度重視。

4.2.6相關(guān)器件的性能匹配：?jiǎn)纹瑱C(jī)晶振頻率較高時(shí)，應(yīng)選擇存儲(chǔ)器速度較高的存儲(chǔ)器芯片；以CMOS型單片機(jī)構(gòu)成低功率系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)選擇低功率產(chǎn)品。

4.2.7傳感器選擇：主要考慮所需的量程范圍、線(xiàn)性度、穩(wěn)定性、信號(hào)輸出形式等因素。

5結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基本保證，是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的重要環(huán)節(jié)。 實(shí)踐證明，在認(rèn)真分析控制系統(tǒng)的工作環(huán)境、 性能要求的前提下，在硬件方面合理選擇單片機(jī)和元器件，合理地設(shè)計(jì)印刷電路板， 合理設(shè)計(jì)電源、 輸入輸出通道控制電路等主動(dòng)安全設(shè)計(jì)， 并結(jié)合應(yīng)用電壓監(jiān)測(cè)與復(fù)位、 硬件看門(mén)狗復(fù)位等輔助芯片的被動(dòng)安全設(shè)計(jì)應(yīng)用， 能夠抑制絕大部分的噪聲， 而且由于采用了被動(dòng)安全設(shè)計(jì)， 使得即使控制系統(tǒng)發(fā)生了失常，

也能夠確保系統(tǒng)快速地恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)， 提高了單片機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。

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