单片机控制系统的设计与调试方法

以下2个问题：一个是数据采集通道的结构形式，一般单片机控制系统都是多通道系统。因此选用何种结构形式采集数据，是进行模拟量输入通道设计首先要考虑的问题。多数系统都采用共享A/D和S/H形式。但是当被测参数为几个相关量时，则需选用多路S/H，共享A/D形式。对于那些参数比较多的分布式控制系统，可把模拟量先就地进行A/D转换，然后再送到主机中处理。对于那些被测参数相同（或相似）的多路数据采集系统，为减少投资，可采用模拟量多路转换，共享仪用放大器、S/H和A/D的所谓地电平多路切换形式。另外一个问题是A/D转发器的选择，设计时一定要根据被控对象的实际要求选择A/D转换器，在满足系统要求的前提下，尽量选用位数比较低的A/D转换器。

(3)模拟量输出通道的扩展 模拟量输出通道是单片机控制系统与执行机构（或控制设备）连接的纽带和桥梁。设计时要根据被控对象的通道数及执行机构的类型进行选择。对于那些可直接接受数字量的执行机构，可由单片机直接输出数字量，如步进电机或开关、继电器系统等。对于那些需要接收模拟量的执行机构，则需要用D/A转化，即把数字量变成模拟量后，再带动执行机构。

(4)开关量的I/O接口设计 由于开关量只有2种状态“1”或“0”，所以，每个开关量只需一位二进制数表示即可。因为MCS—51系列单片机设有一个专用的布尔处理机，因而对于开关量的处理尤为方便。为了提高系统的抗干扰能力，通常采用光电隔离器把单片机与外部设备隔开。

(5)操作面板 操作面板是人机对话的纽带，它根据具体情况，可大可小。为了便于现场操作人员操作，单片机控制系统设计一个操作面板的要求： 操作方便、安全可靠、并具有自保功能，即使是误操作也不会给生产带来恶果。

(6)系统速度匹配 在不影响系统总功率的前提下，时钟频率选得低一些较好，这样可降低系统对其他元器件工作速度的要求，从而降低成本和提高系统的可靠性。但系统频率选的比较高时，要设法使其他元器件与主机匹配。

(7)系统负载匹配 系统中各个器件之间的负载匹配问题，主要表现在以下几个方面。

① 逻辑电路间的接口及负载：在进行系统设计时，有时需要采用TTL和CMOS混合电路，由于二者要求的电平不一样，因此一定要注意电流及负载的匹配问题。

② MCS—51系列单片及负载：8031的外部扩展功能是很强的，但是8031的P0口和P2口以及控制信号ALE的负载能力都是有限的，P0口能驱动8个 LSTTL电路，P2口能驱动4个LSTTL电路。硬件设计时应仔细核对8031的负载，使其不超过总的负载能力的70%。

3单片机控制系统的软件设计

单片机控制系统的软件设计一般分2类，系统软件和应用软件设计。系统软件的主要任务是：管理整个控制系统的全过程，比如，POWERUP自诊断功能，KEY INPIT 的管理功能，PRINTER OUTPUT报表功能，DISPLAY功能等等。是控制系统的核心程序，也称之为MONITER监控管理程序其作用类似PC机的DOS 系统。软件设计的几个方面如下：

(1)可靠性设计为保证系统软件的可靠性，通常设计一个自诊断程序，定时对系统进行诊断。在可靠性要求较高的场合，可以设计看门狗电路，也可以设计软件陷阱，防止程序跑飞。

(2)软件设计与硬件设计的统一性在单片机系统设计中，通常一个同样的功能，通过硬件和软件都可以实现，确定那些由硬件完成，那些由软件完成，这就是软件、硬件的折衷问题。一般来说，在系统可能的情况下，尽量采用软件，因为这样可以节省经费。若系统要求实时性比较强，则可采用硬件。

(3)应用软件的特点

①实时性：由于工业过程控制系统是实时控制系统，所以对应用软件的执行速度都有一定的要求，即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。换言之，要求整个应用软件必须在一个采样周期内处理完毕。所以一般都采用汇编语言编写应用软件。但是，对于那些计算工作量比较大的系统，也可以采用高级语言和汇编语言混合使用的办法，即数据采集、判断、及控制输出程序用汇编语言，而对于那些较为复杂的计算可采用高级语言。为了提高系统的实时性，对于那些需要随机间断处理的任务，通常采用中断系统来完成。

② 通用性：在应用程序设计中，为了节省内存和具有较强的适应能力，通常要求程序有一定的灵活性和通用性。为此，可以采用模块结构，尽量将共用的程序编写成子程序，如算术和逻辑运算程序、A/D、D/A转换程序、延时程序、PID运算程序、数字滤波程序、标度变换程序、报警程序等。

(4)软件开发步骤软件开发大体包括：划分功能模块及安排程序结构；画出各程序模