第 10 章 微机接口开发技术教 案作者：李芷
2003.5.10
《微机原理与接口技术》
第 10章 微机接口开发技术
10.1 应用系统设计概要
10.2 微机应用系统设计实例
10.3 抗干扰技术
10.1 应用系统设计概要计算机应用系统的设计,一般要经过以下六个步骤：
1,确定系统的功能和性能指标合理地确定系统的功能和性能指标,是系统设计和实现之前最重要的一步 。
2,硬件和软件功能的划分一个计算机应用系统的功能都是由硬件和软件两部分协同完成的 。 硬件,或者说接口电路的基本任务是实现信号的变换和传输,
而软件则是在硬件实现功能的基础上,最终实现该应用系统的全部任务 。
应用系统硬件和软件功能的划分，并不是固定不变的。理论上说，
计算机的硬件功能和软件功能是具有互换性的。所以，应用系统设计的第一步，就是合理地划分系统中硬件和软件的功能。
10.1 应用系统设计概要
3,系统硬件设计
⑴ 选定硬件平台 。
⑵ 把硬件的任务划分为若干个任务单一的模块 。
⑶ 确定每个模块的工作方式,以及相关控制电路的类型 。
⑷ 如需自行或部分设计组装,则进一步进行逻辑设计,并要验证设计的正确性 （ 可用软件仿真,电路实验等方法 ） 。
⑸ 综合各个模块设计,得到整个系统的逻辑设计 。
⑹ 组装硬件系统并测试,确定性能和可靠性能否满足系统要求 。
4,系统软件设计
⑴ 确定软件的运行环境和选择软件的开发平台 。
⑵ 根据系统需要完成的任务列举出全部的程序模块清单 。
⑶ 确定每个模块的工作方式,编制流程图和源程序 。
⑷ 测试每一个模块的功能和正确性 。
⑸ 装配各程序模块,得到系统可执行机器代码 。
10.1 应用系统设计概要
5,系统测试系统测试主要是在硬件,软件两方面对正确性和性能指标的测试 。
系统测试过程与开发过程恰恰相反,强调自低向上进行,即先进行模块测试,然后进行系统整体测试 。
测试的顺序原则是：先硬件,后软件,最后综合测试；先测试其正确性,后测试其性能指标 。
每项测试之前要制订测试方案,准备测试数据,测试过程要记录,
测试完成之后要总结,得出测试结论 。
6,编制相关文档和使用说明研制过程要编制文档,加以整理和保管 。 一套有良好风格的文档资料不但是系统交付所必须的,也给研制过程,系统维护提供很大的方便,更是科研资料的积累,能提高应用系统开发的科研水平 。
10.2 微机应用系统设计实例
10.2.1 应用系统分析
10.2.2 硬件设计
10.2.3 软件设计
10.2.4 系统测试
10.2.1 应用系统分析
1,系统需求某精密车床需要精确地控制刀架上车刀横向 （ X向 ） 和纵向 （ Y向 ） 的移动速度和位置 。 因此,要求用计算机控制两台步进电机,分别控制该刀架两个方向的运动 。
◆ 在刀架正常工作区间的外侧设置一个行程开关,刀架到达该开关时的位置设为零点 。 从这一点向工作区移动时,位置值增加 。 刀架在工作区内的位置均是正值 。
◆ 利用操作现场的计算机 （ 称为现场机 ） 控制步进电机的前进,后退,
停止；用指定速度正转,反转,同时显示步进电机的位置 。
◆ 在控制室的计算机 （ 称为上位机 ） 向现场机发布对步进电机的控制命令,接收现场机发来的步进电机位置信息,并显示 。
◆ 要求该系统造价低,能够适应生产现场温度,湿度,灰尘和电磁干扰环境,能长时间连续工作,具有较高的可靠性 。
10.2.1 应用系统分析
2,系统分析
⑴ 现场机的任务,接收上位机的命令；把步进电机位置传到上位机并显示；控制步进电机的启停,方向,速度等 。
⑵ 上位机的任务,从键盘上接收命令；发送命令到现场机；接收现场机送来的步进电机位置并显示 。
⑶ 分析二级计算机的任务,可以得出如下结论,二级计算机的软,硬件规模均不大；均需要具备双向通信功能；需要配置 LED显示器；系统要求低造价,高可靠性,能连续工作 。
⑷ 考虑系统硬件构成,由于系统规模小,硬件设计成专用系统,按照系统需要配置各种资源 （ 量体裁衣 ） 。
⑸ 考虑系统软件构成,由于硬件采用专用计算机系统,没有必要使用通用的操作系统,编制专用的用户程序实现系统功能 。
综述：该应用系统优点是结构简单,使用方便,造价低,稳定性好；
缺点是系统功能难以扩展 。
10.2.2 硬件设计
1,现场机的 硬件设计
⑴ 现场机的配置
⑵ 现场机主要功能模块的工作方式
⑶ 现场机的逻辑结构行程开关归零信号
INTR
步进电机
PA
8255
PB
PC
1
3
2
DB7~0,IOW,IOR,A1,A0
8088系统
（ 8088，
8284，
8282，
RAM，
ROM）
PCLK(1.33MHz)
地址译码
8MHz
8251
8253
8259
TxD
RxD
LED显示器
10.2.2 硬件设计
2,上位机的 硬件设计
⑴ 上位机的配置
⑵ 上位机主要功能模块的工作方式
⑶ 上位机的逻辑结构
16键专用键盘
74LS377
INTR
PA
8255
PB
PC
1
2
DB7~0,IOW,IOR,A1,A0
8088系统
（ 8088，
8284，
8282，
RAM，
ROM）
PCLK(1.33MHz)
地址译码
8MHz
8251
8253
8259
TxD
RxD
LED显示器
10.2.3 软件设计
1,现场机的 程序模块
⑴ 现场机主程序,系统启动与初始化、变量赋初值、对 8251,8253，
8255,8259初始化、装载中断向量,LED驱动、设置结束控制等。
⑵ 8251接收中断程序,负责接收，并执行来自上位机的命令。当收到一个命令之后，将命令代码送入马达命令字单元。
STEP命令,步数送马达计数器,向 8253写步进状态标准时间常数 。
SPEED命令,计算出步进间隔所需要的时间常数送 8253。
STOP命令,设置马达停机标志 。
EXIT命令,设置结束标记,由主程序读取该单元并执行 。
⑶ 8253中断程序,根据电机当前工作状态，驱动电机前进或后退一步，
修改当前位置计数器的值；如果处于停止状态，则恢复现场返回；如果发送缓冲区空，则将电机的最新位置写入缓冲区，并将第一个字符送 8251，启动发送过程。
⑷ 8251发送中断程序,将发送缓冲区尚有字符发送出去。
⑸ 行程开关归零中断程序,把步进电机当前位置清零。
10.2.3 软件设计
2,上位机的 程序模块
⑴ 上位机主程序,系统启动和初始化，变量赋初值，对 8251,8253，
8255,8259初始化；装载中断向量；扫描键盘；启动命令发送；结束控制。
⑵ 8253通道 1定时中断程序,负责向 LED接口发送下一个要显示的字符的七段码，并移动指针。
⑶ 8251发送中断程序,发送下一字符，修改发送字符计数器和发送指针；对 EXIT命令，置位结束标志。
⑷ 8251接收中断程序,接收一个字符存入接收缓冲区，修改指针；接收完一组信息把接收信息传送到数码管显示缓冲区。
10.2.4 系统测试
◆ 系统测试要先硬件测试,后软件测试,先模块 （ 局部 ） 测试,后总体测试 。
◆ 硬件测试,
⑴ 应强调以静态检查为主的原则,对照电路图和逻辑图反复核对 。
⑵ 硬件加电测试：独立的硬件系统加电调试需要使用开发平台进行；
电源连接正确性测试；系统连接正确性检查；硬件功能测试。
◆ 软件测试,
⑴ 先要对各模块测试,在确定各模块的功能实现后再测试系统的综合性能 。
⑵ 模块测试要尽量隔离各模块,独立进行 。 通过对科学编制的测试数据的检测,保证各程序模块基本功能的正确性 。
⑶ 应用系统的软件综合测试必须在线测试，这也需要使用开发平台实现。
10.3 抗干扰技术电器设备工作时,不可避免地会受到各种干扰信号的影响 。 各种干扰信号有来自自然界的,如雷电,射线,静电等干扰信号；有来自其它电器设备的,如电动机启动时产生的电源回路中的反电势信号,通过空气传播的电磁信号,一些高频电子设备的高频干扰信号
（ 电子计算机本身也是一个干扰信号源 ） 等；有来自设备内部的,
如数字电路的脉冲电流对放大器工作产生的干扰信号等 。
10.3.1 干扰的产生
10.3.2 干扰信号隔离技术
10.3.1 干扰的产生
N1
N2
干扰源 T
1
T2
传输机构耦合机构 接收机构
Σ1
Σ2
R1
R2
┋
┋
┋
┋ ┋┋
干扰的侵入和传输作用过程如图所示。其中,N1,N2,… 表示干扰源，如电动机，高频设备等； T1,T2,… 表示传输机构，如大气，
导线，电缆，机箱等； Σ1,Σ2,… 表示耦合机构，有电容性耦合（电场），电感性耦合（磁场），电阻性耦合（接地电阻中的电压）；
R1,R2,… 表示干扰信号的接收机构。
10.3.2 干扰信号隔离技术
◆ 减少干扰信号强度干扰信号是不可避免的，要尽量减少干扰信号的强度。
◆ 进行光电隔离光电隔离元件把信号源输入的电信号转换成光信号，通过光敏三极管或光敏电阻再生出与信号源同步的输入信号。经过光电隔离之后，
信号处理电路与信号源电路没有电气连接，可以有效地保证信号处理电路的安全。同时，光电隔离元件使用能量转换的方式，也有效地抑制了干扰信号的不良作用 。
◆ 可靠地接地（ 接地隔离技术 ）
◆ 屏蔽 （ 三条基本规则 ）
规则 1：必须将屏蔽罩与屏蔽罩内的任何电路的零基准电位 （ 即信号地 ） 连接在一起 。
规则 2：屏蔽应当在输人信号零电压基准点处接地 。
规则 3：在使用电源变压器驱动屏蔽内部的电子元件时,将变压器的次级置于屏蔽罩内,初级放在屏蔽罩外 。
接地隔离技术机壳与,地”的连接
A设备 B设备 A设备 B设备
⑴ 机壳的连接和接地 。
为了消除连接电缆带来的影响，设备外壳的正确连接和接地十分重要。
两台设备相隔距离较远时，一般可以采取以下三种解决办法：
◆ 采用光纤传输；
◆ 采用光电隔离；
◆ 采用平衡连接。
接地隔离技术
⑵ 模拟电路接地 。
采用并联供电方式 （ 给每个电路提 供了不同的电源电压 ） 。
采用分别供电方式 （ 每个电路用一根导线单独供给电源,用另一根导线单独接地 ） 。
采用多个电源分开供电方式 （ 各电源需要具有公共接地点 ） 。
I1
(a) 并联供电
I2
电源 电路 1 电路 2
Rx Rx
Rx Rx
(b) 分别供电电源 电路 2电路 1
Rx
Rx
Rx
Rx
接地隔离技术
⑶ 模拟一数字混合电路的接地 。
⑷ 计算机系统和其它机器设备的接地 。
电源模拟电路模拟电路 数字电路 数字电路
2003.5.10
《微机原理与接口技术》
第 10章 微机接口开发技术
10.1 应用系统设计概要
10.2 微机应用系统设计实例
10.3 抗干扰技术
10.1 应用系统设计概要计算机应用系统的设计,一般要经过以下六个步骤：
1,确定系统的功能和性能指标合理地确定系统的功能和性能指标,是系统设计和实现之前最重要的一步 。
2,硬件和软件功能的划分一个计算机应用系统的功能都是由硬件和软件两部分协同完成的 。 硬件,或者说接口电路的基本任务是实现信号的变换和传输,
而软件则是在硬件实现功能的基础上,最终实现该应用系统的全部任务 。
应用系统硬件和软件功能的划分，并不是固定不变的。理论上说，
计算机的硬件功能和软件功能是具有互换性的。所以，应用系统设计的第一步，就是合理地划分系统中硬件和软件的功能。
10.1 应用系统设计概要
3,系统硬件设计
⑴ 选定硬件平台 。
⑵ 把硬件的任务划分为若干个任务单一的模块 。
⑶ 确定每个模块的工作方式,以及相关控制电路的类型 。
⑷ 如需自行或部分设计组装,则进一步进行逻辑设计,并要验证设计的正确性 （ 可用软件仿真,电路实验等方法 ） 。
⑸ 综合各个模块设计,得到整个系统的逻辑设计 。
⑹ 组装硬件系统并测试,确定性能和可靠性能否满足系统要求 。
4,系统软件设计
⑴ 确定软件的运行环境和选择软件的开发平台 。
⑵ 根据系统需要完成的任务列举出全部的程序模块清单 。
⑶ 确定每个模块的工作方式,编制流程图和源程序 。
⑷ 测试每一个模块的功能和正确性 。
⑸ 装配各程序模块,得到系统可执行机器代码 。
10.1 应用系统设计概要
5,系统测试系统测试主要是在硬件,软件两方面对正确性和性能指标的测试 。
系统测试过程与开发过程恰恰相反,强调自低向上进行,即先进行模块测试,然后进行系统整体测试 。
测试的顺序原则是：先硬件,后软件,最后综合测试；先测试其正确性,后测试其性能指标 。
每项测试之前要制订测试方案,准备测试数据,测试过程要记录,
测试完成之后要总结,得出测试结论 。
6,编制相关文档和使用说明研制过程要编制文档,加以整理和保管 。 一套有良好风格的文档资料不但是系统交付所必须的,也给研制过程,系统维护提供很大的方便,更是科研资料的积累,能提高应用系统开发的科研水平 。
10.2 微机应用系统设计实例
10.2.1 应用系统分析
10.2.2 硬件设计
10.2.3 软件设计
10.2.4 系统测试
10.2.1 应用系统分析
1,系统需求某精密车床需要精确地控制刀架上车刀横向 （ X向 ） 和纵向 （ Y向 ） 的移动速度和位置 。 因此,要求用计算机控制两台步进电机,分别控制该刀架两个方向的运动 。
◆ 在刀架正常工作区间的外侧设置一个行程开关,刀架到达该开关时的位置设为零点 。 从这一点向工作区移动时,位置值增加 。 刀架在工作区内的位置均是正值 。
◆ 利用操作现场的计算机 （ 称为现场机 ） 控制步进电机的前进,后退,
停止；用指定速度正转,反转,同时显示步进电机的位置 。
◆ 在控制室的计算机 （ 称为上位机 ） 向现场机发布对步进电机的控制命令,接收现场机发来的步进电机位置信息,并显示 。
◆ 要求该系统造价低,能够适应生产现场温度,湿度,灰尘和电磁干扰环境,能长时间连续工作,具有较高的可靠性 。
10.2.1 应用系统分析
2,系统分析
⑴ 现场机的任务,接收上位机的命令；把步进电机位置传到上位机并显示；控制步进电机的启停,方向,速度等 。
⑵ 上位机的任务,从键盘上接收命令；发送命令到现场机；接收现场机送来的步进电机位置并显示 。
⑶ 分析二级计算机的任务,可以得出如下结论,二级计算机的软,硬件规模均不大；均需要具备双向通信功能；需要配置 LED显示器；系统要求低造价,高可靠性,能连续工作 。
⑷ 考虑系统硬件构成,由于系统规模小,硬件设计成专用系统,按照系统需要配置各种资源 （ 量体裁衣 ） 。
⑸ 考虑系统软件构成,由于硬件采用专用计算机系统,没有必要使用通用的操作系统,编制专用的用户程序实现系统功能 。
综述：该应用系统优点是结构简单,使用方便,造价低,稳定性好；
缺点是系统功能难以扩展 。
10.2.2 硬件设计
1,现场机的 硬件设计
⑴ 现场机的配置
⑵ 现场机主要功能模块的工作方式
⑶ 现场机的逻辑结构行程开关归零信号
INTR
步进电机
PA
8255
PB
PC
1
3
2
DB7~0,IOW,IOR,A1,A0
8088系统
（ 8088，
8284，
8282，
RAM，
ROM）
PCLK(1.33MHz)
地址译码
8MHz
8251
8253
8259
TxD
RxD
LED显示器
10.2.2 硬件设计
2,上位机的 硬件设计
⑴ 上位机的配置
⑵ 上位机主要功能模块的工作方式
⑶ 上位机的逻辑结构
16键专用键盘
74LS377
INTR
PA
8255
PB
PC
1
2
DB7~0,IOW,IOR,A1,A0
8088系统
（ 8088，
8284，
8282，
RAM，
ROM）
PCLK(1.33MHz)
地址译码
8MHz
8251
8253
8259
TxD
RxD
LED显示器
10.2.3 软件设计
1,现场机的 程序模块
⑴ 现场机主程序,系统启动与初始化、变量赋初值、对 8251,8253，
8255,8259初始化、装载中断向量,LED驱动、设置结束控制等。
⑵ 8251接收中断程序,负责接收，并执行来自上位机的命令。当收到一个命令之后，将命令代码送入马达命令字单元。
STEP命令,步数送马达计数器,向 8253写步进状态标准时间常数 。
SPEED命令,计算出步进间隔所需要的时间常数送 8253。
STOP命令,设置马达停机标志 。
EXIT命令,设置结束标记,由主程序读取该单元并执行 。
⑶ 8253中断程序,根据电机当前工作状态，驱动电机前进或后退一步，
修改当前位置计数器的值；如果处于停止状态，则恢复现场返回；如果发送缓冲区空，则将电机的最新位置写入缓冲区，并将第一个字符送 8251，启动发送过程。
⑷ 8251发送中断程序,将发送缓冲区尚有字符发送出去。
⑸ 行程开关归零中断程序,把步进电机当前位置清零。
10.2.3 软件设计
2,上位机的 程序模块
⑴ 上位机主程序,系统启动和初始化，变量赋初值，对 8251,8253，
8255,8259初始化；装载中断向量；扫描键盘；启动命令发送；结束控制。
⑵ 8253通道 1定时中断程序,负责向 LED接口发送下一个要显示的字符的七段码，并移动指针。
⑶ 8251发送中断程序,发送下一字符，修改发送字符计数器和发送指针；对 EXIT命令，置位结束标志。
⑷ 8251接收中断程序,接收一个字符存入接收缓冲区，修改指针；接收完一组信息把接收信息传送到数码管显示缓冲区。
10.2.4 系统测试
◆ 系统测试要先硬件测试,后软件测试,先模块 （ 局部 ） 测试,后总体测试 。
◆ 硬件测试,
⑴ 应强调以静态检查为主的原则,对照电路图和逻辑图反复核对 。
⑵ 硬件加电测试：独立的硬件系统加电调试需要使用开发平台进行；
电源连接正确性测试；系统连接正确性检查；硬件功能测试。
◆ 软件测试,
⑴ 先要对各模块测试,在确定各模块的功能实现后再测试系统的综合性能 。
⑵ 模块测试要尽量隔离各模块,独立进行 。 通过对科学编制的测试数据的检测,保证各程序模块基本功能的正确性 。
⑶ 应用系统的软件综合测试必须在线测试，这也需要使用开发平台实现。
10.3 抗干扰技术电器设备工作时,不可避免地会受到各种干扰信号的影响 。 各种干扰信号有来自自然界的,如雷电,射线,静电等干扰信号；有来自其它电器设备的,如电动机启动时产生的电源回路中的反电势信号,通过空气传播的电磁信号,一些高频电子设备的高频干扰信号
（ 电子计算机本身也是一个干扰信号源 ） 等；有来自设备内部的,
如数字电路的脉冲电流对放大器工作产生的干扰信号等 。
10.3.1 干扰的产生
10.3.2 干扰信号隔离技术
10.3.1 干扰的产生
N1
N2
干扰源 T
1
T2
传输机构耦合机构 接收机构
Σ1
Σ2
R1
R2
┋
┋
┋
┋ ┋┋
干扰的侵入和传输作用过程如图所示。其中,N1,N2,… 表示干扰源，如电动机，高频设备等； T1,T2,… 表示传输机构，如大气，
导线，电缆，机箱等； Σ1,Σ2,… 表示耦合机构，有电容性耦合（电场），电感性耦合（磁场），电阻性耦合（接地电阻中的电压）；
R1,R2,… 表示干扰信号的接收机构。
10.3.2 干扰信号隔离技术
◆ 减少干扰信号强度干扰信号是不可避免的，要尽量减少干扰信号的强度。
◆ 进行光电隔离光电隔离元件把信号源输入的电信号转换成光信号，通过光敏三极管或光敏电阻再生出与信号源同步的输入信号。经过光电隔离之后，
信号处理电路与信号源电路没有电气连接，可以有效地保证信号处理电路的安全。同时，光电隔离元件使用能量转换的方式，也有效地抑制了干扰信号的不良作用 。
◆ 可靠地接地（ 接地隔离技术 ）
◆ 屏蔽 （ 三条基本规则 ）
规则 1：必须将屏蔽罩与屏蔽罩内的任何电路的零基准电位 （ 即信号地 ） 连接在一起 。
规则 2：屏蔽应当在输人信号零电压基准点处接地 。
规则 3：在使用电源变压器驱动屏蔽内部的电子元件时,将变压器的次级置于屏蔽罩内,初级放在屏蔽罩外 。
接地隔离技术机壳与,地”的连接
A设备 B设备 A设备 B设备
⑴ 机壳的连接和接地 。
为了消除连接电缆带来的影响，设备外壳的正确连接和接地十分重要。
两台设备相隔距离较远时，一般可以采取以下三种解决办法：
◆ 采用光纤传输；
◆ 采用光电隔离；
◆ 采用平衡连接。
接地隔离技术
⑵ 模拟电路接地 。
采用并联供电方式 （ 给每个电路提 供了不同的电源电压 ） 。
采用分别供电方式 （ 每个电路用一根导线单独供给电源,用另一根导线单独接地 ） 。
采用多个电源分开供电方式 （ 各电源需要具有公共接地点 ） 。
I1
(a) 并联供电
I2
电源 电路 1 电路 2
Rx Rx
Rx Rx
(b) 分别供电电源 电路 2电路 1
Rx
Rx
Rx
Rx
接地隔离技术
⑶ 模拟一数字混合电路的接地 。
⑷ 计算机系统和其它机器设备的接地 。
电源模拟电路模拟电路 数字电路 数字电路
