第I四课 单片机系统设计初探
5.1 概述
所谓系统，就是说，除了单片机之外，还需要有：
1） 输入
2） 输出
输入和输出按照第一课的定义，包含了范围：
输入基本上有以下的可能：
1) 键盘
2) 串行接口（RS232/485/can bus/以太网/USB）
3) 开关量（TTL，电流环路，干接点）
4) 模拟量（4~20ma、 0~10ma、0~5V（平衡和非平衡信号））
输出基本上有以下组成：
1) 串行接口（RS232/485/can bus/以太网/USB）
2) 开关量（TTL、电流环路、干接点、功率驱动）
3) 模拟量（4~20ma， 0~10ma，0~5V（平衡和非平衡信号））
4) LED显示：发光管、八字
5) 液晶显示器
6) 蜂鸣器
处理核心主要有：
1) 8位单片机，主要就是51系列
2) 32位arm单片机，主要有atmel和三星系列
3) 还有一些专用的单片机，例如：MPS430，水表、电表、洗衣机、空调的单片机等等
所谓系统，也就是说，作为一个电子工程师，需要掌握以上所有方面的知识，才能做到兵来将挡，水来土掩，无论设计任务有什么样的需求，都能应付自如，有多种方法可以实现同样的目标，从中找到一个成本最低、质量最高、可靠性最好的解决方案。
实际上，无论从事任何一种工作，对于本行业所需要掌握的知识应该是全面而系统的；一开始，由于工作经历的欠缺，没有实际的经验，但是，可以通过广泛的阅读构成系统的知识框架；形成这个框架后，在工作中亲身实践，和阅读其他工程师的作品，再往里填充各种各样的细节，使之不断丰满、充实、正确。
5.2 任务分析
5.2.1 初步判断采用何种单片机完成此项任务
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1)干接点
就是类似于机械接点，最简单的就是按键，一般来说是输入、输出的继电器的接点信号；无源；
2）平衡信号：
类似RS422、RS485信号，是信号之间相互比较，来判断是数字信号的1还是0；不容易收到干扰，传输距离远；但是，最好使用双绞线来传输；
3）非平衡信号：
单端接地的信号，如：TTL电平、RS232等都是，特点是有一个公共的参考电压，容易受到干扰，传输距离近；
可以通过网络来查询准确的解释。
4）线性电路
类似于音频放大电路就是，特点是：
要求输入和输出形成了一个线性对应的关系；
5）非线性电路
比如：无线电电路中的混频器，将2个频率合在一起，生成第三个频率，就是非线性电路。
好像还没有听说线性信号和非线性信号。只有模拟量和数字量信号；
6）模拟量和数字量
模拟量是连续变化的信号，如：0～5V，4～20mA等；
数字量是只有0、1两种情况。
5.2 51单片机系统的构思??p>
1． 选用何种单片机
在我们的这个课程中，当然是选用51系列的CPU了；
实际上，可以选用的CPU的种类很多，从处理能力来说：
1） 4位单片机
2） 8位单片机
3） 16位单片机
4） 32位ARM
就8位单片机，有专用的、通用的；也有高速的，还有的单片机具有A/D、D/A等各种资源；
需要根据你的任务，选用合适的单片机完成任务。
对初学者而言，我们考虑的仅仅是如何使用51系列的单片机，如：89C51/52/54/58、78E52/54/58、77E58（双串口）来完成设计任务。
2． 初步设计－写出任务书
1） 按照表格，对任务进行分析，判断单片机的资源是否够，如：运算速度，是否需要扩展、是否需要串口、是否需要实时时钟等；选用什么调理电路，等等；
2） 在确认单片机能够胜任工作后，对单片机的资源进行规划：
1． 内存分配
2． I/O口分配
3． 定时器分配工作
4． 外部中断分配
3） 单片机外围电路确认－开关量输入和输出调理电路（模拟量电路暂时不考虑）
4） 在以上分析的基础上，设计单片机硬件框图
5） 形成任务书初稿
6） 讨论－修改－通过
3． 详细设计
1） 原理图
2） 有3.3V和5V的混合逻辑设计吗?
3） PCB尺寸、定位孔和安装方式
1． 是正方形、长方形、圆形、三角还是其它的特殊形状？
2． 是ISA总线吗？
3． 是PCI总线吗？
4． 是欧标的板卡吗？
4） 电源（AC220V/DC5V/DC12V，是否需要隔离）
5） 接插件封装：
1． 采用直插、弯针？
2． 3.81间距、5.08还是2.54间距（对应于：150mil/200mil/100mil）
3． 采用DB9/DB25/DB37/DB62？直的还是弯的？孔的还是针的
4． 有边缘器件吗？
6） 基本布局
是否合理？考虑到散热了吗？考虑到机箱内是否有打架的地方？
7） 器件选型
尽量选用著名品牌中的价格便宜的兼容器件；
8） 器件的冗余度
需要考虑到功耗、耐压值和接口器件的可靠性；
例如：
1． 功耗，需要计算电阻、变压器的功耗，适当留有50%以上的余量；
2． 电解电容的耐压值等：留有100％以上的余量，如：在DC5V电压下，选用耐压值25V的电容；
3． 接口器件：对于接口器件，尽量使用DIP封装的，便于更换；
9） 成本分析（包括制版费、器件费和焊接、调试费用），作出预算，尽量降低成本，选用功能满足价格便宜的器件，不同厂家之间的同样的芯片价格相差比较远
10） 电路板与机箱之间的安装关系
11） 形成详细设计初稿
12） 讨论－修改－通过
4． 在大脑中模拟电路板的外形、几何尺寸和功能
就好像是三维动画一样，电子工程师需要在大脑中，在设计的整个过程中，对电路板的外形、接口、几何尺寸、功能等反复在从各个角度去观察、构思，就好像有一个实际的电路板在脑子里一样，谋定而后动；当然，这不是一蹴而就的。
附：电子工程师培训大纲(200403110041)
愚以为，掌握了一下的硬件和软件知识，基本上就可以成为一个合格的电子工程师：
第一部分：硬件知识
一、 数字信号
1、 TTL和带缓冲的TTL信号
2、 RS232和定义
3、 RS485/422（平衡信号）
4、 干接点信号
二、 模拟信号视频
1、 非平衡信号
2、 平衡信号
三、 芯片
1、 封装
2、 7407
3、 7404
4、 7400
5、 74LS573
6、 ULN2003
7、 74LS244
8、 74LS240
9、 74LS245
10、 74LS138/238
11、 CPLD(EPM7128)
12、 1161
13、 max691
14、 max485/75176
15、 mc1489
16、 mc1488
17、 ICL232/max232
18、 89C51
四、 分立器件
1、 封装
2、 电阻：功耗和容值
3、 电容
1) 独石电容
2) 瓷片电容
3) 电解电容
4、 电感
5、 电源转换模块
6、 接线端子
7、 LED发光管
8、 8字（共阳和共阴）
9、 三极管2N5551
10、 蜂鸣器
五、 单片机最小系统
1、 单片机
2、 看门狗和上电复位电路
3、 晶振和瓷片电容
六、 串行接口芯片
1、 eeprom
2、 串行I/O接口芯片
3、 串行AD、DA
4、 串行LED驱动、max7129
七、 电源设计
1、 开关电源：器件的选择
2、 线性电源：
1) 变压器
2) 桥
3) 电解电容
3、 电源的保护
1) 桥的保护
2) 单二极管保护
八、 维修
1、 电源
2、 看门狗
3、 信号
九、 设计思路
1、 电源：电压和电流
2、 接口：串口、开关量输入、开关量输出
3、 开关量信号输出调理
1) TTL―>继电器
2) TTL―>继电器（反向逻辑）
3) TTL―>固态继电器
4) TTL―>LED（8字）
5) 继电器―>继电器
6) 继电器―>固态继电器
4、 开关量信号输入调理
1) 干接点―>光耦
2) TTL―>光耦
5、 CPU处理能力的考虑
6、 成为产品的考虑：
1) 电路板外形：大小尺寸、异形、连接器、空间体积
2) 电路板模块化设计
3) 成本分析
4) 器件的冗余度
1. 电阻的功耗
2. 电容的耐压值等
5) 机箱
6) 电源的选择
7) 模块化设计
8) 成本核算
1. 如何计算电路板的成本？
2. 如何降低成本？选用功能满足价格便宜的器件
十、 思考题
1、 如何检测和指示RS422信号
2、 如何检测和指示RS232信号
3、 设计一个4位8字的显示板
1) 电源：DC12
2) 接口：RS232
3) 4位3”8字（连在一起）
4) 亮度检测
5) 二级调光
4、 设计一个33位1”8字的显示板
1) 电源：DC5V
2) 接口：RS232
3) 3排 11位8字，分4个、3个、4个3组，带行与行之间带间隔
4) 单片机最小系统
5) 译码逻辑
6) 显示驱动和驱动器件
5、 设计一个PCL725和MOXA C168P的接口板
1) 电源：DC5V
2) 接口：PCL725/MOXA 8个RS232
1. PCL725，直立DB37，孔
2. MOXA C168P，DB62弯
3) 开关量输出信号调理：6个固态继电器和8个继电器，可以被任何一路信号控制和驱动，接口：固态继电器5.08直立，继电器3.81直立
4) 开关量输入调理：干接点闭合为1或0可选，接口：3.81直立
5) RS232调理：
1. LED指示
2. 前4路RS232全信号，后4路只需要TX、RX、0
3. 无需光电隔离
4. 接口形式：DB9（针）直立
第二部分：软件知识
一、 汇编语言
二、 C51
该部分可以从市场上买到的N种开发板上学到，至于第一部分，需要人来带吧
