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1、單片機(jī)原理與應(yīng)用,2020/8/28,第7章 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā),由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)種類繁多，技術(shù)要求及指標(biāo)各不相同，因此設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)步驟、開(kāi)發(fā)過(guò)程不完全相同，但也存在著一些共性問(wèn)題。本章針對(duì)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般開(kāi)發(fā)過(guò)程和軟硬件設(shè)計(jì)的基本方法。,7.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試、可靠性實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品化等幾個(gè)階段，但各階段不是絕對(duì)分開(kāi)的，有時(shí)是交叉進(jìn)行的。圖8-1描述了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一般過(guò)程。,圖7-1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程,單片機(jī)原理與應(yīng)用,2020/8/28,7.1.1 總體設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)人員在接到某項(xiàng)單片
2、機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制任務(wù)后，一般先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：,1. 理解系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo),設(shè)計(jì)人員在接到某項(xiàng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制任務(wù)后，先對(duì)用戶提出的任務(wù)進(jìn)行深入細(xì)致的分析和研究，參考國(guó)內(nèi)外同類或相關(guān)產(chǎn)品的有關(guān)資料、標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境、具體用途、功能和技術(shù)指標(biāo)，擬定出性能價(jià)格比最高的一套方案，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)，也是決定系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵。,2020/8/28,單片機(jī)原理與應(yīng)用,2.選擇單片機(jī)類型,一般來(lái)說(shuō)，在選擇單片機(jī)類型時(shí)，主要綜合考慮以下幾個(gè)問(wèn)題： (1) 貨源充足、穩(wěn)定 所選單片機(jī)芯片在國(guó)內(nèi)元器件市場(chǎng)上貨源要穩(wěn)定、充足，且有成熟的開(kāi)發(fā)設(shè)備。 (2) 性價(jià)比要高
3、 在保證性能指標(biāo)情況下，所用芯片價(jià)格要盡可能低，使系統(tǒng)有較高的性價(jià)比。 (3) 研制周期 在研制任務(wù)重、時(shí)間緊的情況下，應(yīng)考慮采用自己比較熟悉的系列，這樣可以較快地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最好選擇用戶廣泛、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定而自己又熟悉的系列、型號(hào)。,3. 關(guān)鍵器件的選擇,在選定單片機(jī)類型后，通常還要對(duì)一些嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能指標(biāo)的器件（如傳感器等）進(jìn)行選擇。例如，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的測(cè)控系統(tǒng)往往因傳感器件的精度或使用條件等因素的限制而達(dá)不到應(yīng)有的效果。,4. 軟硬件功能劃分,同一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件和硬件在邏輯功能上是等效的。具有相同功能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其軟硬件功能可以在很寬的范圍內(nèi)變化。
4、一些硬件電路的功能可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，反之亦然。例如，系統(tǒng)日歷時(shí)鐘可以用實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片（如MC146818、PCF8563），也可以用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)；又如無(wú)線或紅外解碼電路，既可由PT2272解碼器完成，也可以通過(guò)軟件定時(shí)方式實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)用中，系統(tǒng)的軟、硬件功能劃分要根據(jù)系統(tǒng)要求而定，多用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)一些功能，可以提高系統(tǒng)反應(yīng)速度、減少存儲(chǔ)容量和軟件開(kāi)發(fā)的工作量，但會(huì)增加硬件成本、降低硬件的利用率，使系統(tǒng)的靈活性與適應(yīng)性變差。相反，若用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)某些硬件功能，可以節(jié)省硬件開(kāi)支，增強(qiáng)靈活性和適應(yīng)性，但反應(yīng)速度會(huì)下降。軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用和所需存儲(chǔ)器容量要增加。在總體設(shè)計(jì)時(shí)，必須權(quán)衡利弊，仔細(xì)劃分好硬件和軟
5、件的功能。,單片機(jī)原理與應(yīng)用,2020/8/28,7.1.2硬件設(shè)計(jì),硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在所選定的單片機(jī)類型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所用的元器件及系統(tǒng)構(gòu)成方式，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖，必要時(shí)做一些部件實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證電路圖的正確性、可靠性。當(dāng)然也包括工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、印制板設(shè)計(jì)等。,1. 元器件選擇原則 2. 系統(tǒng)構(gòu)成方式選擇 3. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)原則 4. 印制電路板設(shè)計(jì),單片機(jī)原理與應(yīng)用,2020/8/28,7.1.3資源分配,一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所擁有的硬件資源分片內(nèi)和片外兩部分。片內(nèi)資源是指單片機(jī)本身所包含的中央處理器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、中斷源、I/O接口以
6、及串行通信接口等。這部分硬件資源的種類和數(shù)量，不同公司不同類型的單片機(jī)之間差別很大，當(dāng)設(shè)計(jì)人員選定某種型號(hào)的單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用片內(nèi)的各種硬件資源。但若在應(yīng)用中，片內(nèi)的這些硬件資源不夠使用，就需要在片外加以擴(kuò)展。通過(guò)系統(tǒng)擴(kuò)展，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具有了更多的硬件資源，因而有了更強(qiáng)的功能。 由于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷源等資源的分配比較容易，下面主要介紹ROM資源和RAM資源的分配。,2020/8/28,單片機(jī)原理與應(yīng)用,1. I/O引腳資源分配,單片機(jī)芯片各I/O引腳功能不完全相同，如部分引腳具有第二輸入/輸出功能；各I/O引腳輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)不盡相同，如8XC5X的P0口采用漏極開(kāi)路輸出方式
7、，而P1P3口采用準(zhǔn)雙向結(jié)構(gòu)。此外，在87LPC76X系列中，P1.5引腳只能作為輸入引腳使用。因此，在分配I/O引腳時(shí)，需要認(rèn)真對(duì)待。,2020/8/28,單片機(jī)原理與應(yīng)用,2. 程序存儲(chǔ)器資源分配,片內(nèi)ROM存儲(chǔ)器用于存放程序和數(shù)據(jù)表格。按照MCS-51單片機(jī)的復(fù)位及中斷入口的規(guī)定，002FH以前的地址單元都作為中斷、復(fù)位入口地址區(qū)。在這些單元中一般都設(shè)置了轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序或復(fù)位啟動(dòng)程序。當(dāng)程序存儲(chǔ)器中存放的功能程序及子程序數(shù)量較多時(shí)，應(yīng)盡可能為它們?cè)O(shè)置入口地址表。一般的常數(shù)、表格集中設(shè)置表格區(qū)。二次開(kāi)發(fā)擴(kuò)展區(qū)應(yīng)盡可能放在高位地址區(qū)。,2020/8/28,單片機(jī)原理與應(yīng)用
8、,3. RAM資源分配,RAM分為片內(nèi)RAM和片外RAM。片外RAM的容量比較大，通常用來(lái)存放批量大的數(shù)據(jù)，如采樣結(jié)果數(shù)據(jù)；片內(nèi)RAM容量較少，盡可能重疊使用，數(shù)據(jù)暫存區(qū)與顯示、打印緩沖區(qū)重疊。 對(duì)于MCS-51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，片內(nèi)RAM是指00H7FH單元，這128個(gè)單元的功能并不完全相同，分配時(shí)應(yīng)注意發(fā)揮各自的特點(diǎn)，做到物盡其用。,7.2單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具及選擇,7.2.1仿真器,1. 仿真器種類 單片機(jī)仿真器也稱為單片機(jī)仿真開(kāi)發(fā)器，是單片機(jī)開(kāi)發(fā)的重要工具，種類很多。根據(jù)使用的仿真技術(shù)，可將仿真器分為HOOKS仿真器和Bondout仿真器兩大類。 基于Bondout仿真技術(shù)的仿真器使用專門設(shè)計(jì)的仿
9、真芯片，能真實(shí)地仿真某一特定廠家、系列的單片機(jī)芯片不占用硬件資源、仿真頻率高。 但這類仿真器的缺點(diǎn)是通用性差，某一專用的仿真芯片只能仿真某一系列的單片機(jī)CPU，價(jià)格高，開(kāi)發(fā)設(shè)備更新?lián)Q代速度慢新單片機(jī)CPU出現(xiàn)后，開(kāi)發(fā)商才會(huì)根據(jù)市場(chǎng)需要設(shè)計(jì)配套的仿真芯片。 HOOKS 仿真技術(shù)由Philips公司開(kāi)發(fā)，該技術(shù)的核心是通過(guò)分時(shí)復(fù)用I/O引腳方式來(lái)重構(gòu)MCS-51系列CPU的P0、P2口，使支持HOOKS技術(shù)的MCS-51芯片進(jìn)入HOOKS仿真狀態(tài)后，通過(guò)硬件將復(fù)用的P0、P2口擴(kuò)展為獨(dú)立的仿真總線及用戶P0、P2口。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須專用的仿真芯片，如用普通的51系列即可進(jìn)行相同芯片（或硬件資源
10、兼容芯片）仿真，因此成本低，只要實(shí)時(shí)加入新型CPU數(shù)據(jù)資料，換上相應(yīng)CPU即可仿真新的CPU，仿真開(kāi)發(fā)設(shè)備更新速度快，投入少。但HOOKS仿真器通過(guò)硬件、軟件模擬MCS-51系列芯片的P0、P2口，與實(shí)際CPU的P0、P2口尚有區(qū)別（如I/O負(fù)載能力），仿真頻率也不能太高。,2020/8/28,單片機(jī)原理與應(yīng)用,2. 仿真器的選擇 仿真器功能越強(qiáng)，程序調(diào)試效率就越高，理想的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)必須具有如下功能： (1) 不占用硬件資源。一些低檔的MCS-51仿真器（仿真頭）只能將P0、P2口作為總線使用，不能作為I/O口使用。 (2) 隨機(jī)瀏覽、修改內(nèi)部RAM、特殊功能寄存器內(nèi)容。 (3) 瀏覽、編
11、輯程序存儲(chǔ)器各存儲(chǔ)單元內(nèi)容。 (4) 隨機(jī)修改程序計(jì)數(shù)器PC的值。 (5) 瀏覽、修改外部RAM單元內(nèi)容。 (6) 具備連續(xù)、單步、跟蹤執(zhí)行功能，以方便程序的調(diào)試。 (7)靈活、方便的斷點(diǎn)設(shè)置和取消功能。斷點(diǎn)數(shù)目最好沒(méi)有限制，以方便程序調(diào)試。,2020/8/28,單片機(jī)原理與應(yīng)用,(8) 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供的匯編器（仿真開(kāi)發(fā)軟件）必須具備如下功能： l 源程序編輯操作方式與用戶熟悉的通用字處理軟件，如Word相同或相近。 l方便、靈活的查找和定位功能，以便迅速找到源程序中特定字符串（如標(biāo)號(hào)、變量、操作碼或操作數(shù)助記符）。WAVE系列開(kāi)發(fā)系統(tǒng)附帶的編輯器的查找定位功能就很有特色，如將光標(biāo)移到源程序內(nèi)任
12、一字符串后，執(zhí)行“查找”命令，光標(biāo)下的字符串就自動(dòng)出現(xiàn)在查找對(duì)話框內(nèi)的“查找”文本盒里，無(wú)須重新輸入查找字符串，不僅提高了效率，也減少了輸入過(guò)程中的錯(cuò)漏。 (9) 匯編器（仿真開(kāi)發(fā)軟件）應(yīng)具備一定的容錯(cuò)能力。由于MCS-51匯編語(yǔ)言指令助記符與Intel X86通用CPU相似，因此編輯源程序時(shí)，可能將MCS-51指令系統(tǒng)的“ANL”（與運(yùn)算操作助記符）寫成“AND”，“ORL”（或運(yùn)算操作助記符）寫成“OR”，“XRL”（異或運(yùn)算操作助記符）寫成“XOR”；又如將“PUSH Acc”指令寫成“PUSH A”，“POP Acc”指令寫成“POP A”、“DJNZ ACC, LOOP”指令寫成“D
13、JNZ A, LOOP”等。這樣的錯(cuò)誤匯編程序應(yīng)該能夠理解。 (10) 設(shè)計(jì)良好的匯編器，允許將LJMP、SJMP指令統(tǒng)一寫做JMP指令，匯編時(shí)根據(jù)目標(biāo)地址遠(yuǎn)近，自動(dòng)翻譯為SJMP和LJMP。 (11) 匯編器最好支持“條件匯編”和“過(guò)程匯編”偽指令，這對(duì)于程序設(shè)計(jì)、編寫將非常方便。 (12) 除了支持A51匯編語(yǔ)言外，最好支持C語(yǔ)言。,7.2.2 其他工具,1.邏輯筆 邏輯筆主要用于判別電路中某點(diǎn)的電平狀態(tài)（高電平、低電平，還是脈沖），是數(shù)字電路系統(tǒng)常用的檢測(cè)工具。 2.萬(wàn)用表（數(shù)字或指針式） 萬(wàn)用表是最基本的電子測(cè)量工具，主要用于測(cè)量電路系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)間電壓或各節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓，電路中兩點(diǎn)通斷，
14、判別元器件的好壞。 3. 通用編程器 由于目前內(nèi)置OTP ROM、Flash ROM存儲(chǔ)器芯片的單片機(jī)CPU已成為主流芯片，程序調(diào)試結(jié)束后，需要在編程器上將調(diào)試好的程序代碼寫入CPU內(nèi)的程序存儲(chǔ)器中。 4. IC插座 在單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可能需要各種規(guī)格的IC插座。例如當(dāng)遇到目標(biāo)板上CPU插座周圍的元器件，如電解電容、晶振等太高，妨礙仿真頭插入時(shí)，可使用一到兩塊IC插座抬高CPU插座，以方便仿真頭的插入。,單片機(jī)原理與應(yīng)用,2020/8/28,7.3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì),由于單片機(jī)芯片主要應(yīng)用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表和家用電器，因此，對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。 導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出錯(cuò)
15、，不可靠是由于電磁干擾、電源電壓及溫度波動(dòng)、環(huán)境濕度大等原因使程序計(jì)數(shù)器PC“走飛”或內(nèi)部RAM及寄存器數(shù)據(jù)出錯(cuò)。 程序計(jì)數(shù)器PC“走飛”會(huì)導(dǎo)致： (1) PC“走飛”，跳過(guò)部分程序段，如果跳過(guò)的部分正好是接收輸入數(shù)據(jù)，則將造成隨后的數(shù)據(jù)處理不正常。 (2) 拆分多字節(jié)指令，即將一條指令的操作數(shù)部分當(dāng)指令碼執(zhí)行，如果這一“指令碼”屬于多字節(jié)指令，又繼續(xù)拆分了一指令，即把下一指令的操作碼作為操作數(shù)。 (3) 跳到數(shù)據(jù)區(qū)，把數(shù)據(jù)當(dāng)指令執(zhí)行。,單片機(jī)原理與應(yīng)用,2020/8/28,7.3.1硬件可靠性設(shè)計(jì),在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，常采用的一些可靠性措施有： 1. 提高元器件的可靠性 在系統(tǒng)硬件設(shè)
16、計(jì)和加工時(shí)，應(yīng)選用質(zhì)量好的接插件，并設(shè)計(jì)好工藝結(jié)構(gòu)；選用合格的元器件，并進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試、篩選和老化；設(shè)計(jì)時(shí)技術(shù)參數(shù)（如負(fù)載）留有一定的余量或降額使用元器件；提高印制板和組裝的質(zhì)量。 2. 冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì) 要保證單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)100%無(wú)故障是不可能的，容錯(cuò)是指當(dāng)系統(tǒng)的某個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能完全正常的工作，即給系統(tǒng)增加了容忍故障的能力。為了使系統(tǒng)具有容錯(cuò)能力，必須在系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)娜哂鄦卧?，以保證當(dāng)某個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)能由冗余部件接替其工作，原部件修復(fù)后再恢復(fù)出錯(cuò)前的狀態(tài)。硬件冗余設(shè)計(jì)可以在元件級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)或系統(tǒng)級(jí)上進(jìn)行。例如，在系統(tǒng)級(jí)上可采用雙機(jī)系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)可互為備用地工作。 3. 采用抗干擾措施 來(lái)自供電系統(tǒng)以及通過(guò)導(dǎo)線傳輸、電磁耦合等產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)，是單片機(jī)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的重要因素，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須采取有效的干擾抑制措施，有關(guān)內(nèi)容詳見(jiàn)7.3.3節(jié)。,單片機(jī)原理與應(yīng)用,2020/8/28,7.3.2系統(tǒng)自診斷技術(shù),自診斷又稱“自檢”，是通過(guò)軟硬件配合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的自動(dòng)檢測(cè)，它有上電自檢、定時(shí)自檢和鍵控自檢三種形式。通過(guò)自檢可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問(wèn)題，防止系統(tǒng)病態(tài)運(yùn)行，從而增強(qiáng)了操作者對(duì)系統(tǒng)的可信度。,單片機(jī)原理與應(yīng)用,2020/8/28,7.3.3系統(tǒng)抗干擾性能,系統(tǒng)的抗干擾性能是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)，它設(shè)計(jì)的好壞影響著系統(tǒng)的可靠性。,
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