王高建

[摘 要]單片機硬件系統(tǒng)是實現(xiàn)某個項目或工程所需要的所有的硬件電氣連接線路，系統(tǒng)擴展方法與單片機所選的系列（如51系列、AVR系列、8086系列等）有關(guān)。不同系列的單片機，其內(nèi)部接口、總線設置是不同的，故硬件系統(tǒng)的設計也是不盡相同的。硬件系統(tǒng)的設計包括單片機基本系統(tǒng)設計、系統(tǒng)擴展、交互設備配置、信號采集配置四個基本方面。

[關(guān)鍵詞]單片機硬件系統(tǒng)；系統(tǒng)擴展；信號采集

1單片機的基本設計

單片機的基本設計包括單片機的選型和單片機最小系統(tǒng)設計。對單片機進行選型時就應當考慮所需要的功能資源，以及如何使用與擴展等問題。大部分情況下單片機本身的I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等資源不能滿足應用系統(tǒng)的需要，但它們畢竟可靠有效的核心資源，應當充分利用它們。片外存儲器建議盡量選用大容量的芯片。單片機最小系統(tǒng)需要在單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上添加常用的擴展電路，如晶振電路、復位電路等，這些電路和單片機的組合就構(gòu)成了單片機最小系統(tǒng)。

2單片機系統(tǒng)擴展

雖然單片機是個高度的集成芯片，芯片內(nèi)部具備I/O口、ROM程序存儲器、RAM數(shù)據(jù)存儲器和定時器、計數(shù)器，但還是需要對其進行擴展來完善單片機系統(tǒng)。擴展部分設計可以分為存儲器擴展和接口擴展。單片機系統(tǒng)擴展有兩種方法：一是選擇購買現(xiàn)成的專用功能模板或接口板，如各種開關(guān)量接口板、A/D轉(zhuǎn)換接口板、步進電機控制板、繼電器轉(zhuǎn)換接口板、CRT顯示板、通訊板等，這些模板可以通過總線直接與單片機系統(tǒng)接口連接，通過購置這些接口可以大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，但是由于購買來的，成本較高；二是根據(jù)系統(tǒng)的實際需求，選用合適的芯片進行設計，這種方式降低了設計的成本，但是同時增加了設計的周期。所有單片機應用系統(tǒng)硬件設計的時候，可根據(jù)實際需要設計系統(tǒng)擴展電路。

3交互設備配置

交互設備主要是指單片機和人之間的通訊，常用的設備有鍵盤、顯示器、打印機等。例如鍵盤可以完成人對機的控制，顯示器可以告訴人此時機器的工作狀態(tài)等。在這些設備的配置過程中，大部分的系統(tǒng)是要求配置專用控制面板的，同時它的組成材料、形狀和鍵位分布等都不能隨意設計，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：

3.1若干個數(shù)字鍵。以便對系統(tǒng)進行參數(shù)修改或?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)進行設置。

3.2若干個命令鍵。以便使用者向系統(tǒng)輸入各種控制命令。

3.3設置指示燈。以便使用者對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)管。

3.4設置必要的聲、光報警。如蜂鳴器、報警燈等，以便操作作者主要和處理。

4信號采集配置

測控對象的工作狀態(tài)或者其他信息通過傳感器等一系列電路傳人單片機，單片機的控制命令通過數(shù)模轉(zhuǎn)換等電路傳給執(zhí)行機構(gòu)，由執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)被測控對象的工作狀態(tài)。這兩組電路的配置決定了系統(tǒng)的測量精度和控制性能，它們的設計可分兩步進行。

4.1數(shù)字量輸入、輸出電路的設計。這部分是指數(shù)字信號的接收和執(zhí)行，這里重點考慮開關(guān)的防抖問題、電平的兼容問題、干擾問題和輸出的驅(qū)動問題。

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

硬件系統(tǒng)設計時的主要事項：

4.2.1盡量使硬件系統(tǒng)標準化、模塊化：盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法。這樣有利于系統(tǒng)的調(diào)試、修改、維護和以后的擴展。

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

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

4.2.4留有適當?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)動負載不能接近驅(qū)動能力的極限值，A/D和D/A的轉(zhuǎn)換精度也要高于任務書所規(guī)定的指標等。

4.2.5在設計過程中，還有考慮應用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力。如果驅(qū)動能力弱，系統(tǒng)可能工作不可靠甚至無法工作，而這種情況是很難解決的，必須通過相應的驅(qū)動電路來解決，所以在設計的過程中應該高度重視。

4.2.6相關(guān)器件的性能匹配：單片機晶振頻率較高時，應選擇存儲器速度較高的存儲器芯片；以CMOS型單片機構(gòu)成低功率系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應選擇低功率產(chǎn)品。

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

5結(jié)束語

單片機控制系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)安全可靠運行的基本保證，是系統(tǒng)開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)。 實踐證明，在認真分析控制系統(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和元器件，合理地設計印刷電路板， 合理設計電源、 輸入輸出通道控制電路等主動安全設計， 并結(jié)合應用電壓監(jiān)測與復位、 硬件看門狗復位等輔助芯片的被動安全設計應用， 能夠抑制絕大部分的噪聲， 而且由于采用了被動安全設計， 使得即使控制系統(tǒng)發(fā)生了失常，

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

參考文獻：

[1]楊立林.單片機原理與應用課程教學的實踐與思考[J].江蘇技術(shù)師范學院學報：自然科學版，2009，15（2）：62-66.

[2]陳衛(wèi)國.機械電子工程專業(yè)中單片機課程群設置的研究與實踐[J].當代教育理論與實踐，2011（5）：63-65.

[3]許超，吳新杰，張丹.基于 Proteus和keil的單片機課程教學改革[J].遼寧大學學報：自然科學版，2011，38（1）：27-29.□（編輯/穆楊）