单片机应用系统的基本组成

单片机的应用系统实际上是一个典型的测量与控制系统。其功能可能只有测量，或只有控制，或兼而有之。从单片机在其应用系统中所处的位置及功能来看，一个单片机应用系统不外乎以下几个部分：前向通道、后向通道、中央控制器、人机交互通道、信息交互通道。前向通道用于获取各种信息；后向通道用于输出控制作用；中央控制器完成整个应用系统数据处理、管理与控制；人机交互通道负责向用户输出各种信息，并接受相应命令；信息交互通道与其他设备的信息交换，与其他系统一起协同工作，完成某一任务。对于一个闭环控制系统，前向通道、后向通道和控制器一起构成一个闭环。通过前向通道反馈控制的结果，可以达到精确控制的目的。

1. 前向通道

前向通道是应用系统的数据采集输入通道。传感器处于前向通道的最前端。前向通道输入的信号包括模拟信号和数字信号两大类。广义来讲，开关信号、频率信号都属于数字信号的范畴。

对于模拟信号，先需要进行信号调理（包括放大、滤波等），然后经过模拟开关、采样保持器、A/D转换器等，最终将A/D得到的数字信号输入到计算机中进行数据处理。

对于数字信号，如是开关量，先要转换为标准数字信号，然后通过数字通道输入到单片机中；如果是频率信号，先要进行整形，将其变为矩形波，然后通过I/O口输入到单片机中；当然，如果是标准的数字信号，可直接通过计算机的I/O口输入到单片机中。

为了减少微弱模拟信号在传输过程中所受的干扰，有的传感器具有了前置放大和信号调理电路，有的甚至还有控制器。其输出形式有4~20mA电流、大电压信号（V级）、频率信号、数字信号等，可采取相应的处理，最后得到数字信号，输入到控制器中。

前向通道的信号一般是比较微小的，属于通常所说的“弱电”，其主要考虑的就是抗干扰问题。为此常采用前置放大、光电隔离、滤波、浮地、屏蔽、接地等措施，以减少干扰。

2. 后向通道

后向通道是输出控制信号产生控制作用的通道。与前向通道中的传感器对应，后向通道的末端是直接作用在被控对象上的驱动器、致动器或执行器。驱动器按照驱动方式可大致分为 a)电动，包括电磁铁、直流电机、交流电机、直流无刷电机、超声电机、激振器、扬声器等；b) 电热，包括电阻丝、正温度系数陶瓷（PTC）等； c)液压驱动，包括电磁阀、电液伺服阀等各种阀门； d)智能材料驱动，包括压电元件、电致/磁致伸缩材料、形状记忆合金（SMA），电流变/磁流变液等。

驱动器一般都是大功率器件，需要足够的功率才能驱动。如一个空调的压缩机，通常需要1kW级的功率驱动，属于“强电”。但是单片机输出的信号仍然是非常微弱的，仍是“弱电”，所以，后向通道中通常需要功率电路。功率电路放大电压的同时，也放大电流。功率电路常用的功率电子器件包括晶体管GTR、达林顿管、晶闸管SCR、GTO、功率MOS-FET、IGBT等。在功率电路中，这些器件工作在两种状态下：线形放大和开关。如推动扬声器工作的功放中的功率元件就工作在线形放大和开关。如推动扬声器工作的功放中的功率元件就工作在线形放大状态。大部分功率电路中，功率元件工作在开关状态，如直流无刷电机的驱动电路、变频调速驱动电路和开关电源电路等。线性放大下的功率元件本身消耗大量功率，效率很低，故一般尽量采用开关方式。

后向通道分为以下几种情况

（1）有的驱动器只需要一个通断控制信号，如启动和关闭一个交流异步电机，这时单片机可直接输出数字信号，经过放大后驱动一个继电器（机械的和固态的），由继电器控制通断。

（2）有的驱动器需要大功率模拟信号，这时有两种连接方式：a)单片机连接到D/A转换器，再连接到线性功率放大，然后是驱动器（如音响中的扬声器）;b)由单片机的PWM直接输出脉宽调制信号，控制功率管的开关时间，最后也是驱动器，如变频调速电机。

（3）有的驱动器都是集成式的，将功率电路、控制电路和驱动器三者集成在一起。继承有驱动电路的驱动器通常只需要小信号就可以控制其运行。如有的可直接接收数字信号，有的接收频率信号，有的接收脉冲，有的直接接收小模拟信号（如-5V~5V电压）。这时，单片机需要按照驱动器的要求输出相应信号。

后向通道由于需要大的功率，通常有大电流、高电压信号，特别是大电流的开关，会对单片机应用系统产生较大的干扰。因此，在后向通道中存在大功率器件的情况下，一定要才去有效的抗干扰措施，如光耦隔离、继电器隔离、变压器隔离等，进行强、弱电的隔离。

3. 中央控制器

对于一个单片机应用系统，中央控制器就是单片机本身。中央控制器是应用系统的大脑，负责对整个系统的管理与控制，其主要功能是控制前向通道的信号输入、后向通道的信号输出、实现人机对话和与其他应用系统的信息交换。更主要的是通过运行程序，完成对信号的分析处理，完成相应的控制算法（如果有）或控制逻辑。

4. 人机交互通道

单片机应用系统是为人服务的，因此，在自动完成测控任务的同时，也需要将某些信息反馈给用户，同时接受用户指令，以便对系统参数进行设置以及干预测控过程。该通道主要包括键盘、鼠标、触摸板、麦克风、显示器、打印机、扬声器等。

与大型的测控系统相比，单品机应用系统的人机通道通常比较简单、实用。有的只包含简单的几个按键和几个数码管。

5. 信息交互通道

对于多机协同工作的系统，信息交互通道是必要的。信息交互通道负责共享信息和与其他机器一起协同完成测控任务。其组成主要是各种通讯接口。

对于双机通讯的情况，采用通用的RS-232比较简单实用。当然其他连接方式也很多，这里不一一列举。

对于多机通讯的情况，所在的系统多属于分布式测控系统。需要多机组成分布式网络，这时要求单片机应用系统具有相应的网络接口，如现场总线（CAN、FF Bus、Lonworks、Profibus等）、RS-485/422、以太网接口甚至各种无线通讯接口等。

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