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1、重点内容：单片机系统的基本开发过程系统的优化设计本章小结,第13章51单片机系统开发基础,一、单片机系统的基本开发过程,1、系统开发概述,一、单片机系统的基本开发过程,1、系统开发概述,应用系统研制主要可以分为如下几个主要阶段：(1)总体方案的确定：主要包括可行性调研、技术指标的确定、器件的选择和软硬件功能的划分等。(2)系统设计：主要包括硬件设计和软件设计。其中硬件设计主要包括键盘、显示、A/D电路等外围扩展电路的设计和地址译码、总线驱动等电路的设计。软件设计则主要包括定义系统功能、画出程序流程图和编写代码等。另外特别重要的是，作为实际的产品，除了满足基本的功能外，还必须考虑可靠性设计的问题
2、。(3)系统调试：主要包括硬件调试、软件调试以及软硬件的联合调试。硬件的调试主要包括静态调试和动态调试。软件调试则主要是在线的仿真调试。调试中一般软件和硬件不可能完全分开，软件调试和硬件调试通常要协同完成。(4)固化和运行：完成系统调试之后，反复运行正常则可将用户系统程序固化到EPROM之类的存储器上，单片机脱离开发系统独立工作，并在试运行阶段观测所设计的系统是否满足设计要求。,一、单片机系统的基本开发过程,2、总体方案设计,(1)可行性调研可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可能性。进行这方面的工作，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作。若有，则分析他人是如何进行这方面工作的，
3、达到了什么样的技术水平，有什么样的优点，还存在什么样的缺点，是否可以借鉴等；若没有，则需要进一步调研，首先从理论上分析用户所提的技术指标是否具有实现的可能性。然后还要充分了解用户的需求及应用系统可能的工作环境，确定项目能否立项。在可行性调研完成之后，必须明确任务，确定产品的技术指标，包括产品必须具有哪些功能。这是产品设计的依据和出发点，它将贯穿于产品设计的全过程，也是整个研制工作成败、好坏的关键。,一、单片机系统的基本开发过程,2、总体方案设计,(2)器件选型在产品设计任务和技术指标确定以后，应在此基础上选择所需的器件。器件的选择首先是确定最核心的芯片即单片机。单片机芯片的选择应适合于应用系统
4、的要求，不仅要考虑单片机芯片本身的性能是否能够满足系统的需要，如：执行速度、中断功能、I/O驱动能力与数量、系统功耗以及抗干扰性能等，同时还要考虑开发和使用是否方便、市场供应情况与价格、封装形式等其它因素。如果要求研制周期短，则应选择熟悉的机种，并尽量利用现有的开发工具。,一、单片机系统的基本开发过程,2、总体方案设计,(3)方案设计明确任务要求并选定合适的器件之后，要编写任务书，将应用系统要完成的各项任务转换为对单片机的各种输入输出。将一个大的系统划分为多个子系统，明确各个子系统之间的电气接口和通信协议。合理安排人员，确定工作进度。在方案设计时，特别要注意合理协调软硬件的任务。因为。单片机嵌
5、入式系统中的硬件和软件具有一定的互换性，有些功能可以用硬件实现，也可以用软件来实现，因此，在方案设计阶段要认真考虑软、硬件的分工和配合。采用软件实现功能可以简化硬件结构，降低成本，但软件系统则相应的复杂化，增加了软件设计的工作量。而用硬件实现功能则可以缩短系统的开周期，使软件设计简单，相对提高了系统的可靠性，但可能提高了成本。在设计过程中，软、硬件的分工与配合需要取得协调，才能设计出好的应用系统。,一、单片机系统的基本开发过程,3、硬件设计,单片机应用系统典型的硬件结构如图13.2所示。硬件设计的主要任务是根据总体设计要求，在所选器件的基础上，确定系统扩展所要用的存储器、I/O电路、A/D及有
6、关外围电路等。另外，为了使系统稳定可靠地工作，在满足功能之余，还必须进行硬件的可靠性设计。,一、单片机系统的基本开发过程,3、硬件设计,硬件设计的具体步骤如下：(1)绘制硬件框图：根据给定的总体任务，确定数字电路和模拟电路所需要的模块，画出总体的硬件框图，确定硬件的总体方案。(2)确定数据输入输出的方式：确定各输入输出数据的传送方式是中断方式、查询方式还是无条件方式等。(3)硬件资源分配：各输入输出信号分别使用哪个并行口、串行口、中断、定时器/计数器等。(4)绘制原理图：根据以上各步的分析结果完成硬件的电气连接原理图。(5)制作电路板：根据绘制的电路原理图，绘制出PCB图，并送厂家生产，得到实
7、际的电路板。(6)器件焊接：将所有的元器件焊接到制出的电路板上。,一、单片机系统的基本开发过程,3、硬件设计,在单片机应用系统硬件设计中，还应注意下列事项：(1)尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。(2)系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。,一、单片机系统的基本开发过程,3、硬件
8、设计,(4)系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。如果即有CMOS电路，又有TTL电路时，要设计相应的电平兼容和转换电路。当有RS-232，RS-485接口时，还要实现电平兼容和转换。常用的集成电路有MAX232，MAX485等。(5)要考虑负载容限问题。单片机总线的负载能力是有限的。如MCS-51的P0口的负载能力为4mA，最多驱动8个TTL电路，P1P3口的负载能力为2mA，最多驱动4个TTL电路。若外接负载较多，则应采取总线驱动的方法提高系统的负载容限。常用驱动器有：单向驱动器74LS244，双向驱动器74
9、LS245等。(6)尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片内集成的功能越来越强，在设计中尽量选择性能更优、功能更强的芯片。,一、单片机系统的基本开发过程,4、软件设计,单片机系统软件的总体结构如图13.3所示。一般来说，单片机中的软件功能可分为两大类：一类是执行软件，它完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控制等；另一类是监控软件，它专门用来协调各执行模块和操作者之间的关系，充当组织调度的角色。,一、单片机系统的基本开发过程,4、软件设计,在软件设计中，还应注意如下列事项：(1)根据软件功能要
10、求，将系统软件分成若干个相对独立的部分。根据它们之间的联系和时间上的关系，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简洁、流程合理。(2)培养结构化程序设计风格，各功能程序实行模块化、自程序化。既便于调试、连接，又便于移植、修改。(3)为提高软件设计的总体效率，以简明、直观的方法对任务进行描述，在编写应用软件前，应绘制出程序流程图。这不仅是程序设计的一个重要组成部分，而且是决定成败的关键部分。从某种意义上讲，多花一份时间来设计程序流程图，就可以节约几倍源程序编辑调试时间。(4)要合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源等。其中最关键的是片内RAM分配。当各种资源规划好后，应列出一
11、张资源详细分配表，以备编程查用。(5)注意在程序的有关位置写上功能注释，提高程序的可读性。,一、单片机系统的基本开发过程,5、系统调试,（1）硬件调试当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段。硬件调试的常用工具包括仿真器、万用表、逻辑笔、函数信号发生器、逻辑分析仪、示波器等。硬件调试可按静态调试和动态调试两步进行。静态调试静态调试是指在系统加电前的检查，主要是排除明显的硬件故障。静态调试的内容包括：(1)排除逻辑故障：这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图,看两者是否一致。应特别注意电源系
12、统检查,以防止电源短路和极性错误,并重点检查系统总线,一、单片机系统的基本开发过程,（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能,可以缩短排错时间。(2)排除元器件失效：造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了;另一个是由于安装错误,造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后,用替换方法排除错误。(3)排除电源故障：在通电前,一定要检查电源电压的幅值和极性,否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位,一般先检查VCC与GND之间电位,若在5V48V之间属正常。若有
13、高压,有时会使应用系统中的集成块发热损坏。,5、系统调试,一、单片机系统的基本开发过程,动态调试动态调试又称为联机调试，主要是在静态调试的基础上排除硬件系统中存在的其他问题。联机前先断电，将单片机仿真器的仿真头插到样机的单片机插座上，检查一下仿真器与样机之间的电源、接地是否良好。通电后执行开发机的读写指令，对用户样机的存储器、IO端口进行读写操作、逻辑检查，若有故障，可用示波器观察有关波形(如选中的译码器输出波形、读写控制信号、地址数据波形以及有关控制电平)。通过对波形的观察分析，寻找故障原因，并进一步排除故障。可能的故障有：线路连接上有逻辑错误、有开路或短路现象、集成电路失效等。在用户系统的
14、样机(主机部分)调试好后。可以插上用户系统的其他外围部件如键盘、显示器、输出驱动板、A/D、D/A板等，再将这些电路进行初步调试。,5、系统调试,一、单片机系统的基本开发过程,（2）软件调试软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关。如果采用模块程序设计技术，则逐个模块分别调试。调试各子程序时一定要符合现场环境，即入口条件和出口条件。调试的手段可采用单步或设断点运行方式，通过检查用户系统CPU的现场、RAM的内容和IO口的状态，检查程序执行结果是否符合设计要求。通过检测可以发现程序中的死循环错误、机器码错误及转移地址的错误，同时也可以发现用户系统中的硬件故障、软件算法及硬件设计错误。在调试过
15、程中不断调整用户系统的软件和硬件，逐步通过一个一个程序模块。各模块通过以后，可以把有关的功能块联合起来一起进行综合调试。在这个阶段若发生故障，可以考虑各子程序在运行时是否,5、系统调试,一、单片机系统的基本开发过程,破坏现场，缓冲单元是否发生冲突，标志位的建立和清除在设计上有没有失误，堆栈区域有无溢出，输入设备的状态是否正常等等。若用户系统是在开发机的监控程序下运行时，还要考虑用户缓冲单元是否和监控程序的工作单元发生冲突。单步和断点调试后，还应进行连续调试，这是因为单步运行只能验证程序的正确与否，而不能确定定时精度、CPU的实时响应等问题。待全部调试完成后应反复运行多次，除了观察稳定性之外，还
16、要观察用户系统的操作是否符合原始设计要求、安排的用户操作是否合理等，必要时再作适当的修正。如果采用实时多任务操作系统，一般是逐个任务进行调试调试方法与上基本相似，只是实时多任务操作系统的应用程序是由若干个任务程序组成，般是逐个任务进行调试，在调试某一个任务时，同时也调试相关的子程序、中断服务程序和一些操作系统的程序。调试好以后，再使各个任务程序同时运行，如果操作系统无错误，一般情况下系统就能正常运转。,5、系统调试,一、单片机系统的基本开发过程,（3）系统联调硬件和软件经调试完后，对用户系统要进行现场实验运行，检查软硬件是否按预期的要求工作，各项技术指标是否达到设计要求。一般而言，系统经过软硬件调试之后均可以正常工作。但在某些情况下，由于单片机应用系统运行的环境较为复杂，尤其在干扰较严重的场合下，在系统进行实际运行之前无法预料，只能通过现场运行来发现问题，以找出相应的解决办法。或者虽然已经在系统设计时采取了软硬件抗干扰措施，但效果如何，还需通过在现场运行才能得到验证。,5、系统调试,二、系统的优化设计,（1）硬件可靠性设计形成干扰的基本要素有三个：1
