第2部分硬件设计及仪表线路2003.ppt

单片机,第二级,第三级,第四级,第五级,单片机,第,*,页,MCS-51应用系统组成,前向通道,后向通道,后向通道,人,机,通,道,1前向通道的组成及其特点,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的输入通道。来自被控对象的现场信息有多种多样。按物理量的特征可分为,模拟量,和,数字（或开关量）,两种。,(1)与现场采集对象相连，是,现场干扰,进入的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位。,(2)输入信号来自现场，许多信号不能满足单片机输入的要求，所以要有形式多样的,信号变换调节电路,。（如测量放大器、I/F变换、A/D转换、放大、整形电路等）,(3)前向通道是一个模拟、数字混合电路系统，其电路,功耗小,，一般没有功率驱动要求。,特点：,硬件的测试与调试,智能仪表线路原理图,第七章 单片机系统硬件的测试与调试,7-1 单片机应用系统的一般调试方法,硬件调试,2.,软件调试,3.,系统联调,4.,现场调试,一、硬件调试方法,1.静态调试,第一步：目测,通过目测查出一些明显的器件、设备故障并及时排除。,第二步：万用表测试,用万用表复核目测中认为可疑的连接或接点，检查它们的通断状态是否与设计规定相符。,硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器(万用表、示波器等)，通过执行开发系统有关命令或运行适当的测试程序，检查用户系统硬件中存在的故障。,第三步：加电检查,加电时，首先检查所有插座或器件的电源端是否有符合要求的电压值。,第四步：联机检查,在静态检查印制板、连接、器件等部分无物理性故障后，即可将用户系统与单片机开发系统用仿真电缆连接起来。联机检查上述连接是否正确，是否连接畅通、可靠。,2.动态调试,动态调试是在开发系统的支持下完成的（如下图）。,它利用开发系统友好的人机界面，可以有效地对用户系统的各部分电路进行访问、控制，使系统在运行中暴露问题，从而发现故障。,动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。,伟 福,仿真器,1、先独立后联机,2、先分块后组合,3、先单步后连续,三、系统联调,系统联调主要解决以下问题：,(1)软、硬件能否按预定要求配合工作？如果不能，那么问题出在哪里？如何解决？,(2)系统运行中是否有潜在的设计时难以预料的错误？如硬件延时过长造成工作时序不符合要求，布线不合理造成有信号串扰等。,(3)系统的动态性能指标(包括精度、速度参数)是否满足设计要求？,二、软件调试,单片机AT89C51、键盘、25045等部分,A/D7109及串行通信部分,LED显示器部分,单片机,AT89C51,5位LED显示器,X25045看门狗,蜂鸣器（BEEP）,键盘、拨盘,A/D7109,串行通信,7-2 智能仪表线路原理图（重点内容）,一、AT89C51,AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。,AT89C51单片机在仪表线路中为,单片用法,与MCS-51 兼容,4K字节可编程闪烁存储器,寿命：1000写/擦循环,数据保留时间：10年,全静态工作：0Hz-24Hz,三级程序存储器锁定,128*8位内部RAM,主要特性,32可编程I/O线,两个16位定时器/计数器,5个中断源,可编程串行通道,低功耗的闲置和掉电模式,片内振荡器和时钟电路,二、仪表线路局部电路分析,1、蜂鸣器（BEEP）电路,实际BEEP,接到,P2.3,“0”,“1”,CLR P1.5,思考：,同学自己分析该电路的发声原理，各元件的作用？编写一段程序完成测试任务。,2、74LS138译码器的作用,【例7-4-11】试分析图7-14中74LS138译码器输入与输出的关系。,输出,输入,P2.5,C,P2.6,B,P2.7,A,控制端始终有效,SEL1-SEL5,显示器位选,SEL8,打开245输入,思考：下列程序中，哪段程序使SEL1、SEL4、SEL8有效？,A）SETB P2.5 B）SETB P2.5 C）SETB P2.5 D）SETB P2.5,SETB P2.6 SETB P2.6 CLR P2.6 CLR P2.6,SETB P2.7 CLR P2.7 SETB P2.7 CLR P2.7,E）CLR P2.5 F）CLR P2.5 G）CLR P2.5 H）CLR P2.5,SETB P2.6 SETB P2.6 CLR P2.6 CLR P2.6,SETB P2.7 CLR P2.7 SETB P2.7 CLR P2.7,SEL1有效,SEL4有效,SEL8有效,3、ULN2803反相驱动器,信号输入端,信号输出端,0,1,适用于低逻辑电平数字电路和照明，继电器，或其他用于计算机工作上和消费应用的大范围的类似负载要求的大电流/高电压之间的接口。,【例7-4-12】试分析图7-15中ULN2803的作用。,思考：当P0.0=“0”；P0.1=“1”时，7SEG7=？7SEG6=？,电阻RP1的作用（上拉电阻）,当P0口作为通用I/O接口时,要注意两点:,在输出数据时,由于V2截止,输出级是漏极开路电路,要使“1”信号正常输出，,必须外接上拉电阻,。,P0口是准双向口。其特点是在输入数据时，应,先把口置1,(写1)，才可作高阻输入。,电阻R1-R8（510,）的作用（限流电阻）,七段LED,显示器,+5V,2803,7SEG7,R1,I7mA,4、键盘、拨盘电路,思考题,(1)74HC245L 三态输出八总线收发器,DIR,：方向控制端；,A0A7,：数据输入/输出端口；,：输出允许端（低电平有效）；,B0B7：数据输入/输出端口。,功能表,控制输入端,B数据到A总线,A数据到B总线,隔离,L L,L H,H X,操作,DIR,可直接驱动总线或最多可驱动15个LSTTL负载。,(2)键定义,K1-K4仪表键盘（用户使用）,SW1-SW4拨盘（自检开关）,通过上拉电阻使：K（SW）,闭合为“0”,K（SW）,打开为“1”,(3)思考题,结合图7-17和下列程序分析SW1的采样过程。,KR245:MOV P0,#0,LCALL SEL8,MOV P1,#0FFH,MOV A,P1,LCALL SEL7,RET,SEL7:CLR P2.7 ；P2.5-P2.7 110(SEL7),SETB P2.6,SETB P2.5,RET,SEL8:SETB P2.7 ；KR245 E P2.5-P2.7 111(SEL8),SETB P2.6,SETB P2.5,RET,电路图,采样SW1与K1-K4程序相同吗？为什么？,答：,硬件电路相同,所以采样程序相同。,单片机上电复位时，74HC245三态门的状态是什么？,答：,单片机上电复位时，P2口为高电平，,SEL8有效，所以74HC245三态门状,态为打开状态。,在KR245子程序中，调用SEL7子程序的作用是什么？,KR245:MOV P0,#0,LCALL SEL8,MOV P1,#0FFH,MOV A,P1,LCALL SEL7,RET,答：关闭74HC245三态门。,问题：采集的开关值存在A寄存器中，如何处理？,5、A/D转换器ICL7109,1,2,3,4,（1）ICL7109芯片,功能简介,ICL7109是一种高精度，低噪声，低漂移双斜率积分型,12位A/D转换器,。另有一位符号位，一位溢出标志位，实际上具有14位A/D的精度。ICL7109转换速度较低，但内藏基准电压源，且价格便宜，适用于低速度，高精度的测量场合。,主要管脚,模拟量输入端：,INLO,，,INHI,分别为差动输入电压的正负极。,数字量输出端：B1-B12,POL，标志位,OR，溢出位,思考：,8位单片机如何采集,12（14）位数字量。,ICL7109,的模拟输入可接成单端输入方式，也可接成差动输入方式。其模拟转换及数字信号输出方式受,RUN/,HOLD,，MODE，,CE/,LOAD,，,HBEN，LBEN,，脚的信号及状态控制,RUN/HOLD 接“H”则连续进行A/D转换，接“L”则停止转换，上一次转换的的数据得以保持。,智能仪表线路中接“H”。,MODE端接低电平，则工作在直接输出方式下；接高电平，则工作在手动模式下。,智能仪表线路中接“L”。,STATUS（状态信号），采用直接方式接口时，由此脚给微机发中断，请求立即接收数据。,在直接输出模式下采样控制,CE作为输出使能端，低电平有效；,HBEN，LBEN分别为高位和低位字节允许端。,AD1:CLRP2.0,CLRP2.1 ；,读高位,MOVA,P1,MOVB,A,SETBP2.1,CLRP2.2 ；,读低位,MOVA,P1,SETBP2.2,SETBP2.0,思考：8位单片机如何采集 12（14）位数字量。,接口电路,智能仪表中ICL7109工作在直接输出方式下；,每次转换结束时，STATUS脚输出一个负脉冲，向AT89C51发出中断申请。单片机系统响应中断后，执行读数据服务子程序：按照先低后高（或先高后低）分两次读入低位字节和高位字节数据。,中断读数据时不影响ICL7109的A/D连续转换。,（2）思考题,ICL,7109的,STATUS,端经RC电路接到单片机，RC电路的作用是什么？,答：微分电路，保证中断申请一次有效。,电路图,ICL7660的作用是什么？,ICL7660 通用型负电流/电压转换器,ICL7660工作时只需外接两个电容器，便可将1.5 V-10.0V范围的,正电压转换为相同幅值的负电压,，为A/D、D/A转换器，运算放大器，模拟开关等提供工作所需的正、负电源。,答：提供7109所需的-5V电源。,电路图,电路中VR1可调电位器的作用是什么？,REF IN+和REF IN-分别为差动参考电压的正负极。,电路图,答：一般调整参考电压等于1/2满度输入电压。,当P2.0=P2.1=0时，从P1口读入的数据中，P1.4和P1.5的值分别表示什么含义？,电路图,；-,；功能：外部中断0完成A/D采样任务，每次采1个数。,；使用：“1”区RO-R7,；出口参数：AD_BUF开始的6个单元,；-,AD_BUF EQU 0AH,；数据区A/D采样值3次（占6字节）0AH-0FH,AD_NUM EQU 27H,；采样次数,INT00:PUSH A,PUSH PSW,；保护现场,CLR RS1,；选“1”区,SETB RS0,CLR EA,；关闭中断,MOV R0,#AD_BUF,AD1:,CLR P2.0,CLR P2.1,；读高8位,MOV A,P1,SETB P2.1,MOV C,ACC.4,；判断输入是否溢出？0R=P1.4=1 溢出,(POL=P1.5=1 输入电压为+),JC AD3,ANL A,#3FH,MOV R0,A,INC R0,CLR P2.2,；读低8位,MOV A,P1,SETB P2.2,SETB P2.0,MOV R0,A,INC R0,INC AD_NUM,MOV A,AD_NUM,CJNE A,#3,AD2,AD3:MOV AD_NUM,#0,MOV R0,#AD_BUF,AD2:SETB EA,POP PSW,POP A,RETI,电路中的ICL7109大约多长时间完成一次模数转换？,电路图,答:ICL7109是双积分型A/D转换器(慢速)，由使用说明书知自零阶段,2048时钟；积分阶段2048时钟；保持阶段4096时钟；共8192个时,钟周期进行一次A/D转换操作。,仪表振荡频率3.58MHZ,则时钟频率为：3.58/58=61.72KHZ,转换一次时间为：8192/61.72=0.1327（S），即每秒转换7.5次。,6、5位LED显示器,3,LED显示器等效电路,R,R,.,a,b,h,COM,a,f b,g,e,c,d h,反,相,驱,动,器,2803,P,0.7,P,0.0,P0,+5V,Q1,DT1,SEL1,A Y0,B Y1,C Y2,138,Y7,P2.7,P2.6,P2.5,思考题：（1）LED显示器是共阴，还共阳？,共阳极,阳极,+5V,a,b,c,d,e,f,g,h,阴极,a,b,c,d,e,f,g,h,共阴极,答：由等效电路知，LED显示器共阳。,（2）当执行下面的程序后，三极管Q1-Q5哪一个导通？DT1-DT5各是什么电平？,CLR P2.7,SETB P2.6,CLR P2.5,+5v,“1”,（3）当执行下面的程序后，5个LED显示器哪一个亮？显示什么字型？,CLR P2.7,CLR P2.6,SETB P2.5,MOV A，#0FFH,MOV P0，A,答：执行下面的程序后，SEL5有效，Q5导通，DT5为高,电平，最低位LED被选中，从字型口输出FFH，反相,后为00H，LED七段显示器全亮。,电路图,（4）写出字型为“0”到“9”的七段码。,（5）根据图7-20，判断LED显示器电路采用动态扫描显示，还是静态显示？,R,R,.,a,b,h,COM,a,f b,g,e,c,d h,反,相,驱,动,器,2803,P,0.7,P,0.0,P0,+5V,Q1,DT1,SEL1,A Y0,B Y1,C Y2,138,Y7,P2.7,P2.6,P2.5,答：动态扫描显示。,（6）分析下列程序段的功能。,；-,LED0 EQU 30H ；显示缓冲区（7段码）LED0-LED4,LED1 EQU 31H ；显示的高位-低位,LED2 EQU 32H,LED3 EQU 33H,LED4 EQU 34H,EXER4：,MOV R0,#LED0 ；预存显示字型,MOV A,#0 ；显示 8.？,MOV R0,A,INC R0,MOV A,#7EH ；？,MOV R0,A,INC R0,MOV A,#0CH ；？,MOV R0,A,INC R0,MOV A,#0B6H ；？,MOV R0,A,INC R0,MOV A,#9EH ；？,MOV R0,A,MOV R7,#40,EXER41:PUSH 06H,LCALL DISPLAY ；显示缓冲区的内容,POP 06H,DJNZ R7,EXER41,SJMP EXER4,；-,；显示子程序：用“0”区的R0-R7,；-,DISPLAY：PUSH A,PUSH PSW,CLR RS0,CLR RS1,MOV A,LED0 ；送字形(符号位),MOV P0,A,LCALL SEL1 ；字位口左1位P2.7-P2.5 000(SEL1),LCALL D5MS ；延时5ms子程序,MOV P0,LED1 ；送字形（数据的最高位）,LCALL SEL2 ；字位2 001,LCALL D5MS,MOV P0,LED2 ；字形,LCALL SEL3 ；字位3 010,LCALL D5MS,MOV P0,LED3 ；字形,LCALL SEL4 ；字位4 011,LCALL D5MS,MOV P0,LED4 ；送字形（数据的最低位）,LCALL SEL5 ；字位4 111,LCALL D5MS,POP PSW,POP A,RET,7、X25045,（1）功能,EEPROM存储器功能,X25045的存储部分是COMS的4089位串行EEPROM，它的内部按5128来组织。一次最多可写4个字节。,电压监控功能,上电时，电压电源超过4.5V后，经过约200ms的稳定时间后RESET信号由高电平变为低电平。掉电时，电源电压低于4.5V时，RESET信号立刻变为高电平并一直保持到电源恢复到稳定为止。,看门狗功能,定时器对微控制器提供了独立的保护系统。它提供了三种定时时间，可编程选择200ms，600ms和1.4s。,（2）外部引脚,SO：串行输出,SI：串行输入,SCK：串行时钟。,CS：,片选,WP：,写保护,RESET：复位,（3）工作原理,X25045的6条操作指令,读/写操作时序,读时序,(A)把CS拉低以选择芯片;,(B)发送8位的读(READ)指令;,(C)送8位的字节地址;,(D)读出数据。,写时序,在写时序之前,必须先发出WREN指令使“写使能”锁存器置位。,(A)CS先被拉到低电平;,(B)由时钟同步送入WREN指令.,(C)将CS变为高电平;,写数据到EEPROM操作为,(A),拉低CS并保持在低电平;,(B)发送写指令(WRITE);,(X)写数据.可以连续写多达4个字节的数据,但必须是这4个字节驻留在同一页上.,WRREN:PUSH A;保护现场,PUSH 05H,PUSH PSW,CLR RS0 ;选择“0”区,CLR RS1,CLR P3.4;片选有效,CLR P3.5;准备发,串行时钟,MOV A,#06H,;设置,WREN,允许写操作命令字,MOV R5,#8 ;发送写允许命令字,WRREN3:RLC A,MOV P3.6,C;送输入端,SETB P3.5,;发,串行时钟,CLR P3.5,DJNZ R5,WRREN3,;命令字未发完继续,SETB P3.4 ;写操作命令结束 CS 必须变高.,POP PSW;恢复现场返回,POP 05H,POP A,RET,思考：分析下列程序的功能。,；-,；写命令:入口B寄存器=发送首地址 CLK=0,；入口:数据首地址=R0 发送的字节数=R1不大于5,；-,WRCOMM:PUSH PSW,PUSH A,PUSH 05H,；发WRITE指令,CLR RS0,CLR RS1,CLR P3.4,CLR P3.5,MOV A,#02H,；地址选低半部,MOV R5,#8,；发送写操作命令,WRC3:RLC A,MOV P3.6,C,SETB P3.5,CLR P3.5,DJNZ R5,WRC3,MOV A,B,；发送首地址,MOV R5,#8,WRA3:RLC A,MOV P3.6,C,SETB P3.5,CLR P3.5,DJNZ R5,WRA3,WRDATA4:MOV R5,#8,；送数据 T0 EEPROM,MOV A,R0,WRDATA3:RLC A,MOV P3.6,C,SETB P3.5,CLR P3.5,DJNZ R5,WRDATA3,INC R0,DJNZ R1,WRDATA4,SETB P3.4,POP 05H,POP A,POP PSW,RET,；-,WATCHDOGST:PUSH 06H,PUSH 07H,PUSH A,PUSH PSW,CLR RS0,；设定看门狗时间为200MS,CLR RS1,CLR P3.4,CLR P3.5,MOV A,#01H,；WRSR写状态REG,MOV R7,#2,WRSR4:MOV R6,#8,；发送,WRSR3:RLC A,MOV P3.6,C,SETB P3.5,CLR P3.5,DJNZ R6,WRSR3,MOV A,#20H,；状态REG,DJNZ R7,WRSR4,SETB P3.4,POP PSW,POP A,POP 07H,POP 06H,RET,编程参考：,思考:,1、从25045中读出一个字节的数据应该如何编程？,2、在实际调试25045的读写程序时，应该先调试出读程序段？还是写程序段？为什么？,3、总结25045读写程序的编程顺序。,8、串行通信电路,此时为全双工方式,（1）MAX487,R0：接收数据端。,RE：允许接收数据，低电平有效。,DE：允许发送数据，高电平有效。,DI：发送数据端。,A：同相接收/发送数据端。,B：反相接收/发送数据端。,(2)RS-485,作为一种电气标准，规定了差分平衡的电气接口，且用于多点互连的场合，可联网构成分布式系统，可,并联32台驱动器和32台接收器,。,信号最高速率 10KB/S,最大传输距离 1200米,【例7-4-17】结合线路图分析下列程序的功能。,EX_SENT:MOV A,#55H；发送55H的实验程序,SETB P2.4；允许发送,ADD A,#0；产生奇偶检验码,MOV C,P,SETB TB8,MOV SBUF,A；发送数据55H,EX_S1:JNB TI,EX_S1；查询发送结束？,MOV R4,#0；延时,EX_S2:NOP,DJNZ R4,EX_s2,CLR TI；清发送标志返回,RET,；-,EX_RECIEVE:MOV R0,#30H；接收55H的实验程序,MOV R5,#8 ；接收8个字节,EX_R1:JNB RI,EX_R1；接收到数据了吗？,MOV A,SBUF ；取数据,CLR RI；清接收标志,MOV R0,A；存数据,INC R0,DJNZ R5,EX_R1,RET,7-3 智能仪表整机线路分析,一、整机线路框图,单片机,AT89C51,5位LED显示器,X25045看门狗,蜂鸣器（BEEP）,键盘、拨盘,A/D7109,串行通信,三块电路板,二、仪表的功能和工作原理,1、主要功能,该仪表是一种采用计算机技术的智能仪表。,仪表基本参数的设置可由4个用户键实现；,仪表采用双排数码管分别同时显示相关模拟量测量值,可与计算机RS485串口进行通讯。,2、工作原理,仪表使用前,首先利用,4个用户开关完成仪表参数的设定工作。,AT98C51根据仪表设定参数,由ICL7109 A/D转换器完成所采集任务,ICL7109工作在直接输出方式下，在这种方式下可自动将输入端的0-5伏模拟量转换为12位的数字量。转换结束后，ICL7109由status状态信号端发出中断申请（INT0），请求AT98C51采集数据，AT98C51响应中断申请后，在中断服务子程序中完成数据采集的任务。,AT98C51将采集的数据进行相关处理后，送给LED显示器显示。,根据需要AT89C51串口通过MAX487实现了RS-485通讯。,拨盘开关是为整个系统自检而设计的，又称自检开关，它提供了16种可选状态。,看门狗X25045用于存放用户设定的仪表参数，同时其看门狗功能和电压监控功能可提高整个系统的可靠性。,喇叭BEEP对AT89C51的错误或测量超限等情况进行声报警。,