單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā).

1、7.1 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程 7.2 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的基本原則與方法 7.3 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)7.4 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試7.5 MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與 調(diào)試實例 留言機第7章 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā) 7.1 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程 通常，開發(fā)一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)需要經(jīng)過以下幾個過程：系統(tǒng)需求調(diào)查；可行性分析；系統(tǒng)方案設(shè)計；系統(tǒng)建造；系統(tǒng)調(diào)試；系統(tǒng)方案局部修改、再調(diào)試；生成正式產(chǎn)品。 1. 系統(tǒng)需求調(diào)查 做好詳細(xì)的系統(tǒng)需求調(diào)查是對研制新系統(tǒng)準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵。當(dāng)你建造一個新的單片機應(yīng)用系統(tǒng)時，首先要調(diào)查市場或用戶的需求，了解用戶對未來新系統(tǒng)的希望和要求，通過對各種需求信

2、息進(jìn)行分析綜合，得出市場或用戶是否需要新系統(tǒng)的結(jié)論。 其次，應(yīng)對國內(nèi)外同類系統(tǒng)的狀況進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查的主要內(nèi)容包括：原有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及存在的問題；國內(nèi)外同類系統(tǒng)的最新發(fā)展情況以及與新系統(tǒng)有關(guān)的各種技術(shù)資料；同行業(yè)中哪些用戶已經(jīng)采用了新的系統(tǒng)，它們的結(jié)構(gòu)、功能、使用情況以及所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。 經(jīng)過需求調(diào)查，整理出需求報告，作為系統(tǒng)可行性分析的主要依據(jù)。顯然，需求報告的準(zhǔn)確性將左右可行性分析的結(jié)果。 可行性分析將對新系統(tǒng)開發(fā)研制的必要性及可實現(xiàn)性給出明確的結(jié)論，根據(jù)這一結(jié)論決定系統(tǒng)的開發(fā)研制工作是否進(jìn)行下去。 可行性分析通常從以下幾個方面進(jìn)行論證：市場或用戶需求；經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；技術(shù)支持與

3、開發(fā)環(huán)境；現(xiàn)在的競爭力與未來的生命力。 3. 系統(tǒng)方案設(shè)計 系統(tǒng)方案設(shè)計是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，這項工作要十分仔細(xì)，考慮周全。方案設(shè)計的主要依據(jù)是市場或用戶的需求、應(yīng)用環(huán)境狀況、關(guān)鍵技術(shù)支持、同類系統(tǒng)經(jīng)驗借鑒及開發(fā)人員設(shè)計經(jīng)驗等。主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計；系統(tǒng)功能設(shè)計；系統(tǒng)實現(xiàn)方法。 4. 系統(tǒng)建造 這一階段的工作是將前面產(chǎn)生的系統(tǒng)方案付諸實施，將硬件框圖轉(zhuǎn)化為具體電路，軟件流程用程序加以實現(xiàn)。設(shè)計硬件電路時，單片機的選用對電路結(jié)構(gòu)及復(fù)雜度有較大影響。一個合適的單片機將會最大限度地降低其外圍連接電路，從而簡化整個系統(tǒng)的硬件。 5. 系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試檢驗所設(shè)計系統(tǒng)的正確與可靠，從中發(fā)現(xiàn)組裝問題或設(shè)

4、計錯誤。這里所指的設(shè)計錯誤，是指設(shè)計過程中所出現(xiàn)的小錯誤或局部錯誤，決不允許出現(xiàn)重大錯誤。 6.系統(tǒng)方案局部修改、再調(diào)試 對于系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題或錯誤以及出現(xiàn)的不可靠因素要提出有效的解決方法，然后對原方案做局部修改，再進(jìn)入調(diào)試。 7. 生成正式系統(tǒng)(或產(chǎn)品) 作為正式系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，不僅要提供一個能正確可靠運行的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，而且還應(yīng)提供關(guān)于該系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的全部文檔。這些文檔包括系統(tǒng)設(shè)計方案、硬件電原理圖、軟件程序清單、軟/硬件功能說明、軟/硬件裝配說明書、系統(tǒng)操作手冊等。在開發(fā)產(chǎn)品時，還要考慮到產(chǎn)品的外觀設(shè)計、包裝、運輸、促銷、售后服務(wù)等商品化問題。7.2 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的 基本原

5、則與方法 7.2.1 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的基本設(shè)計原則 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的基本設(shè)計原則是：可靠性高；性能價格比高；操作簡便；設(shè)計周期短。 高可靠性是系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計準(zhǔn)則。 通常，高可靠性可從以下5個方面進(jìn)行考慮： (1)使用可靠性高的元器件； (2)嚴(yán)格安裝硬件設(shè)備及電路； (3)采取必要的抗干擾措施，以防止環(huán)境干擾(如空間電磁輻射、強電設(shè)備啟停、酸堿環(huán)境腐蝕等)、信號串?dāng)_、電源或地線干擾等影響系統(tǒng)的可靠性； (4)請專家和有經(jīng)驗的設(shè)計人員對系統(tǒng)的設(shè)計方案嚴(yán)格把關(guān)； (5)作必要的冗余設(shè)計或增加自診斷功能。 2. 性能價格比高 單片機除體積小、功耗

6、低等特點外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。 如果所設(shè)計的產(chǎn)品人機交互過多，必然會給用戶操作帶來一定困難，也不利于最大限度地降低勞動強度。 只有縮短設(shè)計周期，才能有效地降低設(shè)計費用，充分發(fā)揮新系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，及早占領(lǐng)市場并具有一定的競爭力。 7.2.2 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的一般設(shè)計方法 在進(jìn)行單片機應(yīng)用系統(tǒng)方案設(shè)計時，可以下述一般設(shè)計方法作為指導(dǎo)。 由需求調(diào)查可以確定出單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，這一目標(biāo)包括系統(tǒng)功能與性能。系統(tǒng)功能主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制等。 2. 確定系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 單片機應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般是以單片機為核心外部擴展相關(guān)電路的形式。確定了系統(tǒng)中的單片機、存儲器分配及輸入/輸出方式

7、就可大體確定出單片機應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成。 1)單片機 在系統(tǒng)詳細(xì)方案設(shè)計時，先要確定單片機的型號。所選單片機的型號不同，組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也就不同。 選擇單片機的原則是：有供貨渠道；最適宜實現(xiàn)系統(tǒng)的功能與性能；有開發(fā)手段。以下列出較有影響的單片機型號及廠家，供選型參考。8位機MCS-51系列Intel(美國英特爾公司)SUPER8,Z8系列Zilog(美國)F8,3870系列Fairchild(美國仙童公司)68HC05,68HC11系列Motorola(美國摩托羅拉公司)6500/1系列Rockwell(美國洛克威爾公司)TMS700系列TI(美國得克薩斯儀器公司)NS8070系列NS(美國國家

8、半導(dǎo)體公司)CDP1800系列RCA(美國無線電公司)MN6800系列National(日本松下公司)COM87(PD7800)系列NEC(日本電氣公司)HD6301，HD6305，HD63L05Hitachi(日本日立公司)AT89C系列ATMEL公司16位機8096(8098)系列Intel(美國英特爾公司)MK68200系列Mostek(美國莫斯特公司)TMS-9900系列TI公司HPC1604系列NS公司PD78300系列NEC公司 2)存儲器分配 不同的單片機具有不同的存儲器組織。MCS-51單片機的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器空間相互獨立，工作寄存器與內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器共用一個存儲空間，I/

9、O端口則與外部數(shù)據(jù)存儲器共用一個存儲空間。 3) I/O方式 采用不同的輸入/輸出方式，對于單片機應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)有直接的影響。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的I/O方式主要有： 無條件傳送方式(同步傳送方式)； 查詢方式； 中斷方式。 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計是圍繞著單片機做外部功能擴展而展開的，其結(jié)構(gòu)如圖71所示，它主要涉及以下擴展部分的設(shè)計。 1)程序存儲器 若單片機內(nèi)無片內(nèi)程序存儲器或存儲容量不夠時，需外部擴展程序存儲器。外部擴展的存儲器通常選用EPROM或E2PROM。EPROM集成度高、價格便宜，E2PROM則編程容易。當(dāng)程序量較小時，使用E2PROM較方便；當(dāng)程序量較大時，采用E

10、PROM更經(jīng)濟(jì)。圖71 單片機應(yīng)用系統(tǒng)硬件的一般結(jié)構(gòu) 2) 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器利用RAM構(gòu)成。大多數(shù)單片機都提供了小容量的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲區(qū)，只有當(dāng)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲區(qū)不夠用時才擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。存儲器的設(shè)計原則是：在存儲容量滿足的前提下，盡可能減少存儲芯片的數(shù)量。建議使用大容量的存儲芯片以減少存儲器芯片數(shù)目，但應(yīng)避免盲目地擴大存儲容量。 3) I/O接口 由于外設(shè)多種多樣，使得單片機與外設(shè)之間的接口電路也各不相同。因此，I/O接口常常是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)計最復(fù)雜也是最困難的部分之一。 4)譯碼電路 當(dāng)需要外部擴展電路時，就需要設(shè)計譯碼電路。譯碼電路要盡可能簡單，這就要求存儲器空間分配合理，譯碼方

11、式選擇得當(dāng)。 5)總線驅(qū)動器 如果單片機外部擴展的器件較多，負(fù)載過重，就要考慮設(shè)計總線驅(qū)動器。 6) 抗干擾電路 針對可能出現(xiàn)的各種干擾，應(yīng)設(shè)計抗干擾電路。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，一個不可缺少的抗干擾電路就是抗電源干擾電路。最簡單的實現(xiàn)方法是在系統(tǒng)弱電部分(以單片機為核心)的電源入口處對地跨接1個大電容(100f左右)與1個小電容(01f左右)，在系統(tǒng)內(nèi)部各芯片的電源端對地跨接1個小電容(001f0.1f)。 軟件是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的一個重要組成部分。一般計算機應(yīng)用系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶軟件，而單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件只有用戶軟件，即應(yīng)用系統(tǒng)軟件。軟件設(shè)計的關(guān)鍵是確定軟件應(yīng)完成的任務(wù)及選擇相應(yīng)

12、的軟件結(jié)構(gòu)。 1)任務(wù)確定 根據(jù)系統(tǒng)軟、硬件的功能分工，確定出軟件應(yīng)完成什么功能。作為實現(xiàn)控制功能的軟件應(yīng)明確控制對象、控制信號及控制時序；作為實現(xiàn)處理功能的軟件應(yīng)明確輸入是什么、要做什么樣的處理(即處理算法)、產(chǎn)生何種輸出。 2) 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計與程序設(shè)計技術(shù)密切相關(guān)。程序設(shè)計技術(shù)則提供了程序設(shè)計的基本方法。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的程序設(shè)計方法是模塊程序設(shè)計。模塊程序設(shè)計具有結(jié)構(gòu)清晰、功能明確、設(shè)計簡便、程序模塊可共享、便于功能擴展及便于程序維護(hù)等特點。為了編制模塊程序，先要將軟件功能劃分為若干子功能模塊，然后確定出各模塊的輸入、輸出及相互間的聯(lián)系。圖72 單片機應(yīng)用系統(tǒng)軟件

13、的一般結(jié)構(gòu) 7.3 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 單機結(jié)構(gòu)是指在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中只有1個單片機。這種結(jié)構(gòu)是目前單片機應(yīng)用系統(tǒng)采用最多的一種結(jié)構(gòu)，它適用于小規(guī)模的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。 典型的單機結(jié)構(gòu)框圖見圖71與圖72。前面所敘述的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方法是針對單機結(jié)構(gòu)而言的。 單機結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是設(shè)計簡單、系統(tǒng)緊湊，對于小規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)具有最佳的性能/價格比。 但在大規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)中，由于單機結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)多任務(wù)處理及高速度運行，因而無法滿足系統(tǒng)功能與性能的要求。 2. 多機結(jié)構(gòu) 多機結(jié)構(gòu)是指在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中有多個單片機同時工作。這種結(jié)構(gòu)是面向大規(guī)模單片機應(yīng)用系統(tǒng)的。由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，多機結(jié)構(gòu)又分為多級多機分

14、散控制結(jié)構(gòu)與局部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中多級多機分散控制結(jié)構(gòu)在目前應(yīng)用較為廣泛。 多級多機分散控制結(jié)構(gòu)的典型代表是兩級多機分散控制系統(tǒng)。它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖73所示。 圖73 兩級多機分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖74 多端口共享存儲器互連結(jié)構(gòu) 多端口存儲器互連結(jié)構(gòu)如圖74所示。主機系統(tǒng)與單片機系統(tǒng)都可以對共享存儲器進(jìn)行讀寫操作，這樣，主機系統(tǒng)的信息與單片機系統(tǒng)的信息可以通過共享存儲器加以交換，實現(xiàn)其通信目的。為了防止數(shù)據(jù)沖突，對共享存儲器應(yīng)作如下處理： 給共享存儲器每個端口規(guī)定不同的優(yōu)先級，防止數(shù)據(jù)競爭。 對共享存儲器進(jìn)行分區(qū)，使得每個單片機系統(tǒng)與主機系統(tǒng)間交換的數(shù)據(jù)僅在它們擁有的固定存儲區(qū)上存儲，防止數(shù)據(jù)串?dāng)_。多端

15、口存儲器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以大大加快系統(tǒng)間的通信速度，不足之處是多于兩個端口的存儲器芯片目前尚屬少見，這給設(shè)計帶來了一定的難度。7.4 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試 單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試是系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)完成了單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計和硬件組裝后，便可進(jìn)入單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試階段。系統(tǒng)調(diào)試的目的是要查出用戶系統(tǒng)中硬件設(shè)計與軟件設(shè)計中存在的錯誤及可能出現(xiàn)的不協(xié)調(diào)問題，以便修改設(shè)計，最終使用戶系統(tǒng)能正確可靠地工作。 最好能在方案設(shè)計階段就考慮系統(tǒng)調(diào)試問題，如采取什么調(diào)試方法、使用何種調(diào)試儀器等，以便在系統(tǒng)方案設(shè)計時將必要的調(diào)試方法綜合進(jìn)軟、硬件設(shè)計中，或提早做好調(diào)試準(zhǔn)備工作。圖75 系統(tǒng)調(diào)試的一般過程

16、 7.4.1 單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試工具 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試中，最常用的調(diào)試工具有以下幾種。 單片機開發(fā)系統(tǒng)(又稱仿真器)的主要作用是：系統(tǒng)硬件電路的診斷與檢查；程序的輸入與修改；硬件電路、程序的運行與調(diào)試；程序在EPROM中的固化。由于單片機本身不具有調(diào)試及輸入程序的能力，因此單片機開發(fā)系統(tǒng)成為開發(fā)單片機應(yīng)用系統(tǒng)不可缺少的工具。 2 萬用表 萬用表主要用于測量硬件電路的通斷、兩點間阻值、測試點處穩(wěn)定電流或電壓值及其他靜態(tài)工作狀態(tài)。例如，當(dāng)給某個集成芯片的輸入端施加穩(wěn)定輸入時，可用萬用表來測試其輸出，通過測試值與預(yù)期值的比較，就可大致判定該芯片的工作是否正常。 邏輯筆可以測試數(shù)字電路中測試點的電

17、平狀態(tài)(高或低)及脈沖信號的有無。假如要檢測單片機擴展總線上連接的某譯碼器是否有譯碼信號輸出，可編寫一循環(huán)程序使譯碼器對一特定譯碼狀態(tài)不斷進(jìn)行譯碼。 邏輯脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生不同寬度、幅度及頻率的脈沖信號，它可作為數(shù)字電路的輸入源。 示波器可以測量電平、模擬信號波形及頻率，還可以同時觀察兩個或多個信號的波形及它們之間的相位差(雙蹤或多蹤示波器)。它既可以對靜態(tài)信號進(jìn)行測試，也可以對動態(tài)信號進(jìn)行測試，而且測試準(zhǔn)確性好。它是任何電子系統(tǒng)調(diào)試維修的一種必備工具。 6. 邏輯分析儀 邏輯分析儀能夠以單通道或多通道實時獲取與觸發(fā)事件相關(guān)的邏輯信號，可保存顯示觸發(fā)事件前后所獲取的信號，供操作者隨時觀察，并作

18、為軟、硬件分析的依據(jù)，以便快速有效地查出軟、硬件中的錯誤。邏輯分析儀主要用于動態(tài)調(diào)試中信號的捕獲。 7.4.2 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的一般調(diào)試方法 硬件調(diào)試是利用開發(fā)系統(tǒng)、基本測試儀器(萬用表、示波器等)，通過執(zhí)行開發(fā)系統(tǒng)有關(guān)命令或運行適當(dāng)?shù)臏y試程序(也可以是與硬件有關(guān)的部分用戶程序段)，檢查用戶系統(tǒng)硬件中存在的故障。 硬件調(diào)試可分靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試兩步進(jìn)行。 1)靜態(tài)調(diào)試 靜態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)未工作時的一種硬件檢查。 2) 動態(tài)調(diào)試 動態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內(nèi)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(yīng)用系統(tǒng)的硬件動態(tài)調(diào)試是在開發(fā)系統(tǒng)的支持下完

19、成的，故又稱為聯(lián)機仿真或聯(lián)機調(diào)試。 2. 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試是通過對用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。軟件調(diào)試的一般方法是先獨立后聯(lián)機、先分塊后組合、先單步后連續(xù)。 1) 先獨立后聯(lián)機 2) 先分塊后組合 3) 先單步后連續(xù) 3. 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是指讓用戶系統(tǒng)的軟件在其硬件上實際運行，進(jìn)行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，從中發(fā)現(xiàn)硬件故障或軟、硬件設(shè)計錯誤。這是對用戶系統(tǒng)檢驗的重要一關(guān)。 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)主要解決以下問題： (1)軟、硬件能否按預(yù)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(shè)計時難以預(yù)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?dāng)_等。 (3)系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)(包括精度、速度參數(shù))是否滿足設(shè)計要求。 4. 現(xiàn)場調(diào)試 一般情況下，通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后，用戶系統(tǒng)就可以按照設(shè)計目標(biāo)正常工作了。但在某些情況下，由于用戶系統(tǒng)運行的環(huán)境較為復(fù)雜(如環(huán)境干擾較為嚴(yán)重、工作現(xiàn)場有腐蝕性氣體等)，在實際現(xiàn)場工作之前，環(huán)境對系統(tǒng)的影響無法預(yù)料，只能通過現(xiàn)場運行調(diào)試來發(fā)現(xiàn)問題，找出相應(yīng)的解決辦法；或者雖然已經(jīng)在系統(tǒng)設(shè)計時考慮到抗環(huán)境干擾的對策，但是否行之有效，還必須通過用戶系統(tǒng)在實際現(xiàn)場的運行來加以驗證。 7.5 MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)