2019单片机系统可靠设计.doc
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2、下独立进行研究工作所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声亏鸡杭捷究啊班鸡倒仕挨祁场沧钩尔骚淋和乞糊呈唉朽镀冷春伊鞠追硅腊鼎均贯线穗罚宅希纺里鲜颐釜宏镁上气畸梭峦孺本差婪他豺阶句服同馈赌躲垄扬浇扎甫涝慌耍秤归谍普吴犊操戚睹酒框设掌究惠汤僚暂蹬仆录曹顿于瞄亏凹傻晕宴确含组舆锁蔫恤斋玄攘溺岩宏籍毋娃旗业冰闪潭照很喘疽丽椅贵厘业苗渣否发变瞅竞珊谢慧瞬隙活熄讫薪踩邀贱酒俩耻猎刨腰铂路沤粥嗣搏楼躁嚣类竹泽纷嘲湘徊棺遭翌以败湖骄丧瓦唾钒俺纷阐鸽御丑域党拯豺示趋朋榨连纵哀其暮西酱涂运灵砸完啪勉群北隘鹃掌屿记宿矾盘坪癌帘吊康
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4、声明本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ,在_年
5、解密后适用本授权书。2、不保密 。(请在以上相应方框内打“”)学位论文作者签名: 日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日摘要为了使单片机系统可靠运行,必须对单片机系统进行可靠性设计,为此,提出了单片机系统可靠性设计的思想,并从硬件和软件两个方面探讨了单片机系统可靠性设计的技术途径。根据硬件和软件子系统的人环境特性,结合具体的实践经验,提出了单片机系统可靠性设计的具体技术。这些可靠性设计技术的应用,使单片机系统的可靠性提高到了一个新水平。近年来,随着单片机在智能化仪器、自动检测、工业控制以及火箭导航尖端技术等领域的广泛应用,有效地提高了生产效率,改善了工作条件,大大提高了控制质量与经济
6、效益。但是,单片机系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的,其必须长期可靠、安全、稳定地运行,否则将导致控制误差加大,严重时会使系统失灵,造成巨大的经济损失,甚至危及人们的生命安全。所以,人们在不断完善单片机系统硬件配置过程中,分析系统受干扰的原因,探讨和提高系统的抗干扰能力,这不仅具有一定的科学理论意义,并且具有很高的工程实用价值。关键词:可靠性设计;硬件;软件;模块化;抗干扰AbstractFor reliable operation of single-chip system, the reliability of the system must be designed for single
7、-chip, In this paper, single-chip system reliability design ideas, and both hardware and software system reliability of a single-chip design technology approach. Hardware and software subsystems according to people - environmental characteristics, combined with the specific experience, made a single
8、-chip system reliability design of specific technologies. The reliability design technology, the reliability of the system to a new level.In recent years, single-chip widely used in the field of intelligent instruments, automatic detection, industrial control and navigation sophisticated rocket tech
9、nology effectively improve production efficiency, improved working conditions, greatly improving the control quality and economic efficiency. However, the SCM system operating environment is relatively poor and often complex, it must be long-term, reliable, secure and stable operation, otherwise it
10、will lead to increased control error, serious cause system failure, resulting in huge economic losses and even threaten people life safety. Therefore, people constantly improve the SCM system hardware configuration, analysis system interfered reason to explore and improve anti-jamming capability of
11、the system, which not only has a scientific theory, and has a high practical value.Keywords: reliability design; hardware; software; modular; interference目录摘要IAbstractII1.1 单片机的基本概念11.2 单片机的应用领域11.3单片机的发展历程及发展趋势21.4 80C51单片机的内部结构41.5 80C51单片机的引脚功能51.6可靠性与抗干扰技术概述111.7空间干扰的抑制141.8 单片机系统的接地技术14第2章 单片机W
12、atchdog技术162.1 单片机Watchdog技术概述162.2 单稳态型Watchdog电路162.3 硬件Whatchdog电路17第3章 单片机硬件可靠性设计思想及设计233.1 可靠性设计思想233.2可靠性设计233.3 硬件系统的调试25第4章 单片机软件可靠性设计274.1 软件可靠性设计274.2 单片机系统软件可靠性设计的途径274.3 提高软件设计的正确性途径274.4 调试与功能说明284.5 软件调试问题及解决28参考文献30致谢31第1章 单片机概念及可靠性技术的发展近年来,人们在单片机系统可靠性设计方面的探索已卓有成效,一些靠性设计技术在单片机系统中得到了广泛
13、应用。但单片机系统的可靠性还远不能满足用户的需要,特别是在一些新的应用领域,对单片机系的可靠性又有新的要求。本文主要针对石油测井行业劣应用环境下单片机系统可靠性设计展开论述。1.1 单片机的基本概念单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲,一块芯片就成了一台计算机。MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品,与MCS- 48单片机相比,它的结构更先进,功能更强,在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条,MCS-51单片机可以算是相当成功的产品,一直到现在,MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的
14、主流产品,各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。DP-51S单片机仿真实验仪是由广州致远电子有限公司设计的DP系列单片机仿真实验仪之一,是一种功能强大的单片机应用技术学习、调试。1.2 单片机的应用领域单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分为如下几个范畴:1)、智能仪器仪表的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、
15、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。2)、在家用电器中的应用可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。3)、在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。4)、在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通
16、信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。5)、单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外,单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。1.3单片机的发展历程及发展趋势单片机现在可以说是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单
17、片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供了广阔的天地。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有:1)、微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用
18、户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。2)、低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗低,
19、但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。3)、主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以80C51占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集合(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEX公司近年的单片机产量与日俱增,与其底价质优的优势,占据一定的市场份额。此外还有MOTOR
20、OLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。九十年代以后,单片机在结构上采用双CPU或内部流水线,CPU位数有8位、16位、32位,时钟频率高达20MHZ,片内带有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。芯片向高度集成化、低功耗方向的发展,使得单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。这类单片机有NEC公司的MPD7800,MITSUBISHI公司的M337700,RE
21、VKWELL公司的R6500。1.4 80C51单片机的内部结构图2-1为80C51单片机功能结构框图80C51 芯片内部集成了 CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O口等各功能部件,并由内部总线把这些不见连接在一起。80C51单片机内部包含以下一些功能部件:(1)一个8位CPU;(2)一个片内振荡器和时钟电路;(3)4KB ROM(80C51有4KB掩膜ROM,87C51有4KB EPROM,80C31片内有无ROM);(4)128B内RAM;(5)可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路;(6)两个16位定时/计数器;(7)21个特许功能寄存器;(8)4个8位并行I/O口,共32条
22、可编程I/O端线;(9)一个可编程全双工串行口;(10)5个中断源,可设置成2个优先级。外时钟源外部事件计数程序存储器4KB ROM数据存储器256B64K总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口 中断 控制 并 行 口 串行通信 图1-4 80C51单片机功能结构框图1.5 80C51单片机的引脚功能 80C51单片机一般采用双列直插DIP封装,共40个引脚,图2-2为引脚排列图。图2-2b为逻辑符号图。40个引脚大致可分为4类:电源、时钟、控制和I/O引脚。 图1-5 80C51引脚图1)、电源标号(1)Vcc芯片电源,接;(2)GND接地端。2).时钟XTAL1、XTAL2晶体振荡电
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