應用系統(tǒng)的研制步驟和方法

1、2 0 1 4單片機應用系統(tǒng)的研制步驟和方法2015-10-14上海大學上海大學目錄 單片機應用系統(tǒng)設計概論1 1 單片機應用系統(tǒng)硬件設計2 2 單片機應用系統(tǒng)軟件設計3 3上海大學上海大學 單片機應用系統(tǒng)調試4 4上海大學上海大學單片機應用系統(tǒng)設計概論單片機應用系統(tǒng)設計概論 由于單片機應用系統(tǒng)的多樣性和技術指標不同，研制的方法、步驟不完全一樣。研制工作包括硬件和軟件兩個方面，硬件指單片機、外圍器件、I/O設備組成的機器，軟件是各種操作程序的總稱。硬件和軟件緊密配合、協(xié)調一致，才能組成一個高性能的應用系統(tǒng)。Add your title硬件設計在線調試總體設計軟件設計產品化上海大學上海大學應用系

2、統(tǒng)研制過程流程應用系統(tǒng)研制過程流程 上海大學上海大學應用系統(tǒng)的總體設計應用系統(tǒng)的總體設計1 確定功能技術指標確定功能技術指標 單片機應用系統(tǒng)的研制是從確定功能技術指標開始的，它是系統(tǒng)設計的依據和出發(fā)點，也是決定產品前途的關鍵。2 機型和器件選擇機型和器件選擇 選擇單片機機型依據是市場貨源、單片機性能、開發(fā)工具和熟悉程度。根據技術指標，選擇合適本系統(tǒng)的單片機型號。接著再選擇合適的傳感器、執(zhí)行機構和I/O設備。3 硬件和軟件功能劃分硬件和軟件功能劃分 系統(tǒng)硬件的配置和軟件的設計是緊密聯(lián)系的，有些功能可以由硬件實現也可以由軟件實現，如系統(tǒng)日歷時鐘，鍵盤的掃描。對于生產批量大的產品，能由軟件實現的功能

3、盡量由軟件完成，以利簡化硬件結構，降低成本。仔細劃分好軟、硬件的功能。 上海大學上海大學應用系統(tǒng)的硬件設計應用系統(tǒng)的硬件設計 單片機應用系統(tǒng)的硬件結構根據系統(tǒng)對硬件的需求，可分為小系統(tǒng)、緊湊系統(tǒng)、大系統(tǒng)三種結構模式。1、小系統(tǒng) 將程序存儲器和數據存儲器包含于單片機內，P0和P2口作為一般的I/0接口連接輸入/輸出設備或被控對象，這樣的單片機應用系統(tǒng)的結構稱為小系統(tǒng)。小系統(tǒng)模式是單片機應用系統(tǒng)最常用的硬件結構模式。上海大學上海大學2、大規(guī)模系統(tǒng) 系統(tǒng)中有大量的程序儲存器和數據存儲器在單片機外，P0和P2口作為系統(tǒng)擴展的外部地址總線和數據總線，這樣的單片機應用系統(tǒng)稱為大規(guī)模系統(tǒng)。3、緊湊系統(tǒng) 系統(tǒng)

4、中有少量的數據儲存器或I/O接口在單片機外，P0作為系統(tǒng)擴展的外部地址總線和數據總線，而P2口的一部分作為地址總線，另一部作為一般的輸入輸出接口，這樣的單片機應用系統(tǒng)稱為緊湊系統(tǒng)。上海大學上海大學應用系統(tǒng)的軟件設計應用系統(tǒng)的軟件設計單片機軟件研制過程流程圖單片機軟件研制過程流程圖上海大學上海大學應用系統(tǒng)的軟件設計應用系統(tǒng)的軟件設計1.首先根據總體設計的要求進行系統(tǒng)定義，即把軟件要完成工作劃分成一個個任務。2.根據軟件需要完成的各個任務，確定整個軟件結構。3.根據各任務的要求，建立相應的數學模型，行程算法。4.根據軟件結構和數學模型，畫出程序流程圖。5.根據程序流程圖編寫程序。6.對編寫的源程序

5、進行匯編、調試、修改。7.將調好的程序用編程器固化在程序存儲器中。上海大學上海大學在軟件設計中一般需考慮以下幾個方面：（1）根據要求確定軟件的具體任務細節(jié)，然后確定合理的軟件結構。一般系統(tǒng)軟件由主程序和若干個子程序及中斷服務程序組成，要確定各個中斷的優(yōu)先級。在子程序和中斷服務程序中，要考慮現場的保護和恢復以及它們和主程序之間的信息交換方法。（2）程序的結構一般常用模塊化結構，即把監(jiān)控程序分解為若干個功能相對獨立的較小的程序模塊分別設計，以便于調試。具體設計時可采用自底向上或自頂向下的方法。（3）在程序設計完成后，利用相應的開發(fā)工具和軟件進行程序的匯編（或編譯），生成程序的機器碼。 軟件結構設計

6、軟件結構設計上海大學上海大學軟件結構設計軟件結構設計 盡管單片機應用系統(tǒng)中的程序是千差萬別的，可是整個軟件結構基本上是相同的，整個軟件結構主要有三部分組成。1.初始化程序：對單片機應用系統(tǒng)的硬 件和軟件進行初始化。2.巡視程序：巡視各操作要求。3.處理程序：完成各事件所要求的操作。上海大學上海大學 軟件結構設計軟件結構設計(b) 中斷程序結構 (a) 主程序結構 上海大學上海大學 系統(tǒng)的調試技術系統(tǒng)的調試技術 系統(tǒng)調試包括硬件調試、軟件調試和軟、硬件系統(tǒng)聯(lián)調。根據調試環(huán)境不同，系統(tǒng)調試又分為模擬調試與現場調試。各種調試所起的作用是不同的，它們所處的時間段也不一樣，不過它們的目的都是為了查出用戶

7、系統(tǒng)中存在的錯誤或缺陷。系統(tǒng)調試的一般過程如下圖。 上海大學上海大學 單片機應用系統(tǒng)調試工具單片機應用系統(tǒng)調試工具 當用戶樣機完成硬件和軟件設計，全部元器件安裝完畢后，在用戶樣機的程序存儲器中放入編寫好的應用程序，系統(tǒng)即可運行。但應用程序運行一次性成功幾乎是不可能的，多少會存在一些軟件、硬件上的錯誤，需借助單片機的系統(tǒng)調試工具進行調試，發(fā)現錯誤并加以改正。最常用的調試工具有單片機開發(fā)系統(tǒng)、萬用表、邏輯筆、邏輯脈沖發(fā)生器與模擬信號發(fā)生器、示波器和邏輯分析儀等幾種。其中，萬用表、示波器及開發(fā)系統(tǒng)是最基本的、必備的調試工具。上海大學上海大學 單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介 單片機只是一

8、個芯片，既沒有鍵盤，又沒有CRT、LED顯示器，無法進行軟件的開發(fā)（如編輯、匯編、調試程序等），必須借助某種開發(fā)工具（也稱為仿真開發(fā)系統(tǒng)）所提供的開發(fā)手段。一般來說，仿真開發(fā)工具應具有如下最基本功能：1）用戶樣機程序的輸入與修改；2）程序的運行、調試（單步運行、設置斷點運行）、排錯、狀態(tài)查詢等功能；3）用戶樣機硬件電路的診斷與檢查；4）有較全的開發(fā)軟件。用戶可用匯編語言或C語言編制應用程序；由開發(fā)系統(tǒng)編譯連接生成目標文件、可執(zhí)行文件。配有反匯編軟件，能將目標程序轉換成匯編語言程序；有豐富的子程序可供用戶選擇調用；5）將調試正確的程序寫入到程序存儲器中。 上海大學上海大學單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介單

9、片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介通用機仿真開發(fā)系統(tǒng)目前國內使用較多的仿真開發(fā)系統(tǒng)大致分為如下兩類：1）通用機仿真開發(fā)系統(tǒng)）通用機仿真開發(fā)系統(tǒng) 目前設計者使用最多的一類開發(fā)裝置，是一種通過PC機的并行口、串行口或USB口，外加在線仿真器的仿真開發(fā)系統(tǒng)，如下圖所示。上海大學上海大學單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介2）軟件仿真開發(fā)工具）軟件仿真開發(fā)工具Proteus 它是一種完全用軟件手段對單片機應用系統(tǒng)進行仿真開發(fā)的。軟件仿真開發(fā)工具與用戶樣機在硬件上無任何聯(lián)系。通常這種系統(tǒng)是由PC機上安裝仿真開發(fā)工具軟件構成，可進行應用系統(tǒng)的設計、仿真、開發(fā)與調試。 上海大學上海大學 盡管Proteus軟件具有

10、開發(fā)效率高，不需要附加的硬件開發(fā)裝置成本。但是軟件模擬器是使用純軟件來對用戶系統(tǒng)仿真，對硬件電路的實時性還不能完全準確地模擬，不能進行用戶樣機硬件部分的診斷與實時在線仿真。因此，在系統(tǒng)開發(fā)中，一般是先用Proteus設計出系統(tǒng)的硬件電路，編寫程序，然后在Proteus環(huán)境下仿真調試通過。然后依照仿真的結果，完成實際硬件設計。再將仿真通過的程序燒錄到編程器中，然后安裝到用戶樣機硬件板上去觀察運行結果，如有問題，再連接硬件仿真器去分析、調試。 上海大學上海大學 硬件調試硬件調試 單片機應用系統(tǒng)的軟硬件調試是分不開的，通常是先排除明顯的硬件故障后再和軟件結合起來進行調試。常見的硬件故障有邏輯錯誤、元

11、器件失效、可靠性差和電源故障等。 硬件調試可分靜態(tài)調試與動態(tài)調試兩步進行。其中，靜態(tài)調試是在用戶系統(tǒng)未工作時的一種硬件檢查；動態(tài)調試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內部故障、器件間連接邏輯錯誤等的一種硬件檢查。由于單片機應用系統(tǒng)的硬件動態(tài)調試是在開發(fā)系統(tǒng)的支持下完成的，故又稱為聯(lián)機仿真或聯(lián)機調試。 上海大學上海大學 在進行硬件調試時先進行靜態(tài)調試，主要有以下幾個工作。 1.在樣機加電前根據原理圖和裝配圖仔細檢查線路，核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否正確。2.加電檢查各點電位是否正常3.借助仿真器進行聯(lián)機調試，分別測試擴展的RAM、I/O口、I/O設備、程序存儲器以及晶

12、振和復位電路，改正其中的錯誤。 上海大學上海大學 軟件調試軟件調試 軟件調試就是排查系統(tǒng)軟件中的錯誤。常見的軟件錯誤有程序失控、中斷錯誤（不響應中斷或循環(huán)響應中斷）、輸入/輸出錯誤和處理結果錯誤等類型。通常是把各個程序模塊分別進行調試，通過后再組合到一塊進行綜合調試。1) 先獨立后聯(lián)機從宏觀來說，單片機應用系統(tǒng)中的軟件與硬件是密切相關、相輔相成的。通過對用戶程序的仔細分析，把與硬件無關的、功能相對獨立的程序段抽取出來，形成與硬件無關和依賴于硬件的兩大類用戶程序塊。這一劃分工作在軟件設計時就應充分考慮。2) 先分塊后組合如但這兩部分程序仍較為龐大的話，常規(guī)的調試方法是分別對兩類程序塊進一步采用分

13、模塊調試，以提高軟件調試的有效性。 3) 先單步后連續(xù)調試好程序模塊的關鍵是實現對錯誤的正確定位。準確發(fā)現程序(或硬件電路)中錯誤的最有效方法是采用單步加斷點運行方式調試程序。上海大學上海大學系統(tǒng)聯(lián)調系統(tǒng)聯(lián)調 系統(tǒng)聯(lián)調主要解決以下問題：（1） 軟、硬件能否按預定要求配合工作？如果不能，那么問題出在哪里？如何解決？（2） 系統(tǒng)運行中是否有潛在的設計時難以預料的錯誤？如硬件延時過長造成工作時序不符合要求，布線不合理造成有信號串擾等。（3） 系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(包括精度、速度參數)是否滿足設計要求？ 上海大學上海大學 現場調試現場調試 一般情況下，通過系統(tǒng)聯(lián)調后，用戶系統(tǒng)就可以按照設計目標正常工作了

14、。但在某些情況下，由于用戶系統(tǒng)運行的環(huán)境較為復雜(如環(huán)境干擾較為嚴重、工作現場有腐蝕性氣體等)，在實際現場工作之前，環(huán)境對系統(tǒng)的影響無法預料，只能通過現場運行調試來發(fā)現問題，找出相應的解決方法；或者雖然已經在系統(tǒng)設計時考慮到抗干擾的對策，但是否行之有效，還必須通過用戶系統(tǒng)在實際現場的運行來加以驗證。另外，有些用戶系統(tǒng)的調試是在用模擬設備代替實際監(jiān)測、控制對象的情況下進行的，這就更有必要進行現場調試，以檢驗用戶系統(tǒng)在實際工作環(huán)境中工作的正確性。上海大學上海大學 單片機應用系統(tǒng)實例單片機應用系統(tǒng)實例簡易數字電壓表的設計簡易數字電壓表的設計系統(tǒng)的功能要求系統(tǒng)的功能要求 簡易數字電壓表可以測量05 V

15、的8路輸入電壓值，并在四位LED數碼管上輪流顯示或單路選擇顯示。測量最小分辨率為0. 019 V，測量誤差約為士0.02 V。 系統(tǒng)的方案論證系統(tǒng)的方案論證按系統(tǒng)功能實現要求，決定控制系統(tǒng)采用AT89C52單片機，A/D轉換采用ADC0809。系統(tǒng)除能確保實現要求的功能外，還可以方便地進行8路其它A/D轉換量的測量、遠程測量結果傳送等擴展功能。數字電壓表系統(tǒng)設計方案框圖如圖9-7。上海大學上海大學 數字電壓表系統(tǒng)設計方案 上海大學上海大學 數字電壓表電路原理圖上海大學上海大學 系統(tǒng)的系統(tǒng)的硬件電路設計硬件電路設計 簡易數字電壓測量電路由A/D轉換、數據處理及顯示控制等組成。A/D轉換由集成電路

16、0809完成。0809具有8路模擬輸入端口，地址線（2325腳）可決定對哪一路模擬輸入作A/D轉換。單片機的P1、P3.0P3.3端口作為四位LED數碼管顯示控制。P3.5端口用作單路顯示/循環(huán)顯示轉換按鈕，P3.6端口用作單路顯示時選擇通道。P0端口作A/D轉換數據讀入用，P2端口用作0809的A/D轉換控制。 上海大學上海大學系統(tǒng)的軟件程序設計 1初始化程序 系統(tǒng)上電時，初始化程序將70H77H內存單元清0，P2口置12主程序 在剛上電時，系統(tǒng)默認為循環(huán)顯示8個通道的電壓值狀態(tài)當進行一次測量后， 將顯示每一通道的A/D轉換值，每個通道的數據顯示時間為1s左右，主程序在調用顯示子程序和測試子

17、程序之間循環(huán)。3顯示子程序 顯示子程序采用動態(tài)掃描法實現四位數碼管的數值顯示。測量所得的A/D轉換數據放在70H77H內存單元中，測量數據在顯示時需轉換成為十進制BCD碼放在78H7BH單元中，其中7BH存放通道標志數。寄存器R3用作8路循環(huán)控制，R0用作顯示數據地址指針。4模/數轉換測量子程序 模/數轉換測量子程序用來控制對0809八路模擬輸入電壓的A/D轉換，并將對應的數值移入70H77H內存單元。其程序流程見圖(b)。 上海大學上海大學(a) 主程序流程圖 (b) A/D轉換流程圖 上海大學上海大學 系統(tǒng)的性能分析 1制作測試 程序經編譯及仿真調試，同時進行硬件電路板的設計制作，程序固化后進行軟硬件聯(lián)調，最后進行電壓的對比測