9.2 硬 件 设 计
硬件电路是指为实现该项目全部功能所需要的所有硬件的电气连接原理图。尽管单片机集成度高，内部含有I/O控制线、ROM、RAM和定时器/计数器，但在组成单片机系统时，扩展若干接口仍是设计者必不可少的任务。通过系统扩展，构成一个完善的计算机系统，是单片机应用系统的核心部分。系统的扩展方法、内容、规模与所选用的单片机系列，及其供应状态有关。不同系列的单片机，内部结构、外部总线特征均不相同。扩展部分设计包括存储器扩展和接口扩展。
扩展接口有两种方案：一种是购置现成的接口板，如A/D转换接口板、D/A转换接口板、开关量I/O接口板（带光电隔离或不带光电隔离）、实时时钟板、步进电机控制板、可控硅控制板等，扩展的接口板数量及品种视系统而论；另一种方案是根据系统的实际需要，选用适合的芯片进行设计，这在后面进行详细讲述。
在设计具体电路时，可借鉴他人在这方面已做的工作。因为经过别人调试和实际考验过的电路往往具有一定的合理性。在参考别人的电路时，需对其工作原理有较透彻的分析和理解，根据其工作机理了解其适用范围，从而确定其移植的可能性和需要修改的地方；对于有些关键性和尚不完全理解的电路，需要仔细分析，在设计之前先进行试验，以确定这部分电路的正确性，并在可靠性和精度等方面进行考验，尤其是模拟电路部分，更需进行这方面的工作。
为使硬件设计具有先进性、合理性，还应注意以下一些原则。
（1）尽可能选择典型电路，尤其是要优先选用符合单片机常规用法的标准化、模块化的典型电路，这样可提高设计的成功率和结构的灵活性。
（2）系统的扩展及各功能模块的设计应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。
（3）硬件设计要结合应用软件方案一并考虑。硬件电路结构与软件方案会产生相互影响，综合考虑的原则是：能用软件实现的功能尽可能由软件来实现，以便简化硬件电路，但必须注意系统对速度与实时性的要求。
（4）应用系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，例如当选用的晶振频率较高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片，又如选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。
（5）在电路设计时，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠甚至无法工作，而这种不可靠很难通过一般的测试手段来确定。因此，要重视这一问题。
（6）可靠性与系统的抗干扰设计应贯穿应用系统设计的全过程，它包括芯片、器件的选择、去耦滤波、印制电路板布线、通道隔离等。
（7）设计时要尽可能掌握最新器件与最新技术，并把它们用于设计中。因为电子技术发展很快，各种新器件层出不穷，各种实用技术日新月异，只有时刻跟踪其发展动态，才能使设计出的系统具有最先进的性能。
（8）工艺设计，包括机箱、面板、配线、接插件等，这也是一个初次进行系统设计的设计者容易疏忽但又十分重要的问题。在设计时要充分考虑到使安装、调试和维修时尽量方便。
系统硬件设计主要包括以下几方面的内容。
1．存储器扩展
由于单片机有4种不同的存储器，且程序存储器和数据存储器是分别编址的，所以单片机的存储器容量与同样位数的微型机相比扩大了一倍多。扩展时，首先要注意单片机的种类（内部是否含有ROM或EPROM），另一方面要把程序存储器和数据存储器分开。
2．模拟量输入通道的扩展
模拟量输入通道的扩展主要有下面两个问题。
（1）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，可先把模拟量就地进行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，共享用放大器、S/H和A/D的所谓低电平多路切换形式。
（2）A/D转换器的选择。
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。近年来，又研制出一些新型的高精度廉价A/D转换器，如V/F变换器。由于单片机（MCS-51）内含有两个16位定时器/计数器及现成的串行口，因而采用V/F变换器更有其独特的优点。另一方面，近年来发展起来的数据采集芯片，如AD363、DASll28等，在一个芯片中集成了多路开关（16路）、放大器、S/H和12位A/D等多种电路，给模拟通道的设计带来极大的方便，但相比之下这种芯片价格要贵一些。
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。对于那些可直接接收数字量的执行机构，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（如电动、气动、执行机构、液压伺服阀等），则需要用D/A转换器把数字量变成模拟量，再带动执行机构。
和输入通道一样，输出通道的设计也有两个方面的问题需要考虑。
（1）输出通道的连接方式。
模拟量输出通道除了可靠性和精度外，还必须使输出具有保持功能，以保证被控对象可靠地工作。保持器的主要作用是在新的信号到来之前，使本次控制信号保持不变。保持器有两种：数字保持器（即锁存器）和模拟保持器。因此，模拟量输出通道有两种结构形式。
① 每个通道设置一个D/A转换器形式。
这种结构形式，如图9-1所示。
图9-1 每通道一个ID/A转换器原理框图
图9-1中，每一个通道设置一个D/A转换器，这是一种数字保持的方案。其优点是可靠性高、速度快，即使某一路出现故障，也不会影响其他通路的工作，但它使用D/A转换器较多。单片多D/A转换器（如AD72260）结构的出现，给这种应用带来了极大的方便。
② 多通道共享D/A转换器形式。
这种结构形式，如图9-2所示。
图9-2 多通道共享D/A转换器原理框图
在这种结构中，由于共用一个D/A转换器，各通道必须分时进行工作，因而必须在每一个通道加上一个采样/保持器。这种结构形式的优点是可节省D/A转换器，但实时性及可靠性比较差，所以只适用于通道数比较少且对转换速度要求不太高的场合，或者是采用高精度D/A转换器时。
（2）D/A转换器的选择。
当系统中D/A转换器的输出只作为执行机构的控制信号时，相对来讲，精度要求不高，所以一般选用8位D/A转换器即可。但是，如果D/A转换器的输出用作显示X-Y记录或位置控制时，由于精度要求比较高，所以需选用10位或12位D/A转换器。另一方面，在进行D/A转换电路设计时，往往同时需要设计V/I或I/V变换电路。
4．开关量的I/O接口设计
在单片机控制系统中，除了模拟量输入/输出通道外，经常遇到的还有开关量I/O接口。由于开关量只有两种状态“1”或“0”，所以，每个开关量只需一位二进制数表示即可。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，控制系统通常采用光电隔离器与外部设备隔开，如图9-3所示。
图9-3 采用光电隔离器的I/O接口电路
5．操作面板
操作面板也叫操作台，它是人机对话的纽带。操作面板根据具体情况可大可小，可以是一个庞大的操作台，也可以只有几个功能键和开关。在智能化仪器中，操作面板都比较小，一般都需要自己设计。为了操作安全，很多操作面板上都设有电子锁。
操作面板主要有以下功能。
· 输送源程序到存储器，或者通过面板操作来监视程序的执行情况。
· 打印、显示中间结果或最终结果。
· 根据工艺要求，修改一些检测点和控制点的参数及给定值。
· 设置报警装置，选择工作方式以及控制回路等。
· 完成手动/自动无扰动切换。
· 进行现场手动操作。
· 完成各种画面显示。
为了完成上述功能，操作台上必须设置一些按键或开关，并通过接口与主机相连。此外，操作台上还需要报警及显示设备等。
一般情况下，为便于现场操作人员操作，单片机控制系统都要设计一个操作面板，而且要求使用方便、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．系统速度匹配问题
8051时钟频率可在1.2MHz～12MHz之间任意选择，在不影响系统总功率的前提下，时钟频率选择低一些为好，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。当系统频率选得比较高时，要设法使其他元器件与主机匹配。工业上常用的单片机其时钟频率大都为6MHz。
7．系统负载匹配
单片机系统设计除了从原理设计上着眼外，也需要注意系统中各个器件之间的负载匹配，主要表现在以下几个方面。
（1）逻辑电路间的接口及负载匹配。
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（TTL高电平为+5V，CMOS则为+10V～+18V），因此，一定要注意电流及负载的匹配。如果CMOS电源较高（+10V～+18V），则需要增加一些中间转换电路。例如，当TTL电路驱动CMOS电路时，需要增加如CC4049/CC4050或CC40107/74C906等器件作为中间接口。当所用TTL和CMOS器件带较大负载时，可在其输出端增加放大电路。
（2）MCS-51系列单片机负载匹配。
8051的外部扩展功能是很强的，但是8051的P0口和P2口以及控制信号（PSEN、ALE）的负载能力都是有限的，P0口最大能驱动8个LSTTL电路，P2口最大能驱动4个LSTTL电路。硬件设计时应仔细核对8051的负载，一般要求不超过其总负载能力的70%。若负载过重，则需要在P0口增加双向三态总线驱动器74LS245，在P2口和PSEN、ALE端口增加单向LS驱动器74LS07，或者用MOS电路代替TTL电路，80/85标准的外围接口电路均采用MOS电路。