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1、第 8 章 单片机应用系统开发,8.1 单片机应用系统开发过程 8.2 单片机开发工具及选择 8.3 系统可靠性设计,8.1 单片机应用系统开发过程,8.1.1 总体设计,1. 理解系统功能和技术指标 2. 选择单片机类型 货源充足、稳定。 (2) 性价比要高。 (3) 研制周期。 3. 关键器件的选择 4. 软硬件功能划分,图8-1 单片机应用系统开发过程,8.1.2 硬件设计,元器件选择原则,(1) 性能参数和经济性。在选择元器件时必须按照器件手册所提供的各种参数(如工作条件、电源要求、逻辑特性等)指标综合考虑，但不能单纯追求超出系统性能要求的高速、高精度、高性能。例如，一般10位精度的A
2、/D转换器价格远高于同类8位精度的A/D转换器；陶瓷封装(一般适用于-25+85或-55+125)的芯片价格略高于塑料封装(0+70)的同类型芯片。,(2) 通用性。在应用系统中，尽量采用通用的大规模集成电路芯片，这样可大大简化系统的设计、安装和调试，也有助于提高系统的可靠性。 (3) 型号和公差。在确定元器件参数之后，还要确定元器件的型号，这主要取决于电路所允许元器件的公差范围。如电解电容器可满足一般的应用，但对于电容公差要求高的电路，电解电容则不宜采用。,(4) 与系统速度匹配。单片机时钟频率一般可在一定范围内选择（如增强型MCS-51单片机芯片可在033 MHz之间任意选择），在不影响系
3、统性能的前提下，时钟频率选低些好，这样可降低系统内其他元器件的速度要求，从而降低成本和提高系统的可靠性。在选择比较高的时钟频率时，需挑选和单片机速度相匹配的元器件。另一方面，较低的时钟频率会降低晶振电路产生的电磁干扰。 (5) 电路类型。对于低功耗应用系统，必须采用CHMOS或CMOS芯片，如74HC系列、CD4000系列；而一般系统可使用TTL数字集成电路芯片。,2. 系统构成方式选择,专用系统。 (2) 模块化系统。 (3) 单片单板机系统。,3. 系统硬件电路设计原则 一般在系统硬件电路设计时应遵循以下原则： (1) 尽可能选择标准化、模块化的典型电路，且符合单片机应用系统的常规用法。
4、(2) 系统配置及扩展标准必须充分满足系统的功能要求，并留有余地，以利于系统的二次开发。 (3) 硬件结构应结合应用程序设计一并考虑。软件能实现的功能尽可能由软件来完成，以简化硬件结构。,(4) 系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。 (5) 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。 (6) 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分。 (7) TTL电路未用引脚的处理。 (8) 工艺设计，包括机架机箱、面板、配线、接插件等，必须考虑安装、调试、维护的方便。,4. 印制电路板设计 单片机应用系统产品在结构上离不开用于固定单片机芯片及其他元器件的印制板。通常这类印制板布线密度高、焊点分布
5、密度大，需要双面、甚至多层板才能满足电路要求。 在编辑印制板时，需要遵循下列原则： (1) 晶振必须尽可能靠近CPU晶振引脚，且晶振电路下方不能走线，最好在晶振电路下方放置一个与地线相连的屏蔽层。,(2) 电源、地线要求。在双面印制板上，电源线和地线应安排在不同的面上，且平行走线，这样寄生电容将起滤波作用。对于功耗较大的数字电路芯片，如CPU、驱动器等应采用单点接地方式，即这类芯片电源、地线应单独走线，并直接接到印制板电源、地线入口处。 电源线和地线宽度尽可能大一些，或采用微带走线方式。 (3) 模拟信号和数字信号不能共地，即采用单点接地方式。 (4) 在中低频应用系统(晶振频率小于20 MH
6、z)中，走线转角可取45；在高频系统中，必要时可选择圆角模式。尽量避免使用90转角。,(5) 对于输入信号线，走线尽可能短，必要时在信号线两侧放置地线屏蔽，防止可能出现的干扰；不同信号线避免平行走线，上下两面的信号线最好交叉走线，相互干扰可减到最小。 (6) 为减低系统功耗，对于未用TTL电路单元必须按如下方式处理： 在印制板设计时，最容易忽略未用单元电路输入端的处理(因为原理图中没有给出)。尽管它不影响电路的功能，但却增加系统的功耗，尤其是当系统靠电池供电时，就更应该注意未用单元引脚的连接。 在小规模TTL电路芯片中，同一芯片内常含有多套电路。例如，在74LS00芯片中， 就含有四套“2输入
7、与非门”。,8.1.3 资源分配,1. I/O引脚资源分配 单片机芯片各I/O引脚功能不完全相同，如部分引脚具有第二输入/输出功能；各I/O引脚输出级电路结构不尽相同，如8XC5X的P0口采用漏极开路输出方式，P1P3口采用准双向结构。此外，在87LPC76X系列中，P1.5引脚只能作为输入引脚使用。因此，在分配I/O引脚时，需要认真对待。 例如，在8XC5X系统中，当外中断不够用时，可使用定时器T2溢出率作为串行口发送、接收波特率，此时P1.1引脚就可以作为下降沿触发的外中断源使用。 又如，在P87LPC762/4中，当需要4根引脚作为直接编码输入键盘时，可考虑使用P0.3、P0.4、P0.
8、5、P0.6引脚作为键盘输入引脚，这样基本保留了模拟比较器2的资源。,2. 程序存储器资源分配 片内ROM存储器用于存放程序和数据表格。按照MCS-51单片机的复位及中断入口的规定，002FH以前的地址单元都作为中断、复位入口地址区。在这些单元中一般都设置了转移指令，转移到相应的中断服务程序或复位启动程序。当程序存储器中存放的功能程序及子程序数量较多时，应尽可能为它们设置入口地址表。一般的常数、表格集中设置表格区。二次开发扩展区应尽可能放在高位地址区。,3. RAM资源分配 RAM分为片内RAM和片外RAM。片外RAM的容量比较大，通常用来存放批量大的数据，如采样结果数据；片内RAM容量较少，
9、尽可能重叠使用，如数据暂存区与显示、打印缓冲区重叠。 对于MCS-51单片机来说，片内RAM是指00H7FH单元，这128个单元的功能并不完全相同，分配时应注意发挥各自的特点，做到物尽其用。,001FH这32个字节可以作为工作寄存器组，在工作寄存器的8个单元中，R0和R1具有指针功能，是编程的重要角色，应充分发挥其作用。系统上电复位时，置PSW=00H，SP=07H，则RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)位均为0，CPU自动选择工作寄存器组0作为当前工作寄存器，而工作寄存器组1为堆栈，并向工作寄存器组2、3延伸。例如，此时当CPU执行诸如MOV R1，#2FH指令时，R1即是指01H单元
10、。在中断服务程序中，如果也要使用R1寄存器且不将原来的数据冲掉，则可在主程序中先将堆栈空间设置在其他位置，然后在进入中断服务程序后选择工作寄存器组1、2或3，这时若再执行诸如MOV R1，#00H指令时，就不会冲掉R1(01H单元)中原来的内容了，因为这时R1的地址已改变为09H、11H或19H。在中断服务程序结束时，可重新选择工作寄存器组0。因此，通常可在应用程序中安排主程序及其调用的子程序使用工作寄存器组0，而安排定时器溢出中断、外部中断、串行口中断使用工作寄存器组1、2或3。,20H2FH这16个字节具有位寻址功能，可用来存放各种软件标志、逻辑变量、位输入信息、位输出信息副本、状态变量、
11、逻辑运算的中间结果等。当这些项目全部安排好后，保留一两个字节备用，剩下的单元可改作其他用途。 30H7FH为一般通用寄存器，只能存入整字节信息。通常用来存放各种参数、指针、中间结果，或用作数据缓冲区。此外，也常将堆栈安放在片内RAM的高端，如60H7FH；设置堆栈区时应事先估算出子程序和中断嵌套的级数以及程序中栈操作指令使用情况，其大小应留有余量。当系统中扩展了RAM，应把使用频率最高的数据缓冲区安排在片内RAM中，以提高处理速度。,8.2 单片机开发工具及选择,8.2.1 仿真器,1. 仿真器种类 基于Bondout仿真技术的仿真器使用专门设计的仿真芯片，能真实地仿真某一特定厂家、系列的单片
12、机芯片不占用硬件资源、仿真频率高。但这类仿真器的缺点是通用性差（某一专用的仿真芯片只能仿真某一系列的单片机CPU），价格高，开发设备更新换代速度慢新单片机CPU出现后，开发商才会根据市场需要来设计配套的仿真芯片。以前国内开发的普及型MCS-51仿真器大多采用价格低廉、仅支持标准MCS-51系列的仿真芯片；而支持增强型MCS-51或更高档次CPU的专用仿真芯片价格昂贵，一般用户很难接受。,HOOKS 仿真技术由Philips公司开发，该技术的核心是通过分时复用I/O引脚方式来重构MCS-51系列P0、P2口，使支持HOOKS技术的MCS-51芯片进入HOOKS仿真状态后，通过硬件将复用的P0、P
13、2口扩展为独立的仿真总线及用户P0、P2口。该方法的优点是无须专用的仿真芯片，如用普通的51系列即可进行相同芯片(或硬件资源兼容芯片)仿真，因此成本低，只要实时加入新型CPU数据资料，换上相应CPU即可仿真新的CPU，仿真开发设备更新速度快，投入少。但HOOKS仿真器通过硬件、软件模拟实际MCS-51系列芯片的P0、P2口，因此与实际CPU的P0、P2口尚有区别，另外仿真频率也不能太高。,目前国内仿真器开发商通过授权、转让的方式从Philips公司引进了HOOKS仿真技术，开发了基于HOOKS仿真技术的仿真器，如广州周立功单片机发展有限公司的TKS-HOOKS系列等。这些仿真器适应性广，通过更
14、改仿真头内的CPU芯片即可仿真不同系列的CPU。例如TKS-HOOKS系列内的TKS-668仿真器，更换仿真头内的CPU后，可仿真Philips公司的P8XC5X、P8XC5XX2、P89C6XX2、P89C51RX、P89C66X等系列芯片。,此外，根据仿真器的适应性，可把仿真器分为专用仿真器和通用仿真器。专用仿真器只能仿真某一系列的CPU，如南京伟福公司的K51系列和E51系列仿真器只能仿真MCS-51及兼容芯片，专用仿真器最大特点是价格低廉。通用仿真器适应性强，更换不同的仿真头，即可仿真不同种类的CPU，如南京伟福公司的E6000系列、E2000系列，更换不同仿真头后即可仿真Intel
15、MCS-51及兼容CPU、Philips公司增强型80C51内核CPU(包括8XC5X系列、89C51RX系列、552系列、592系列、76X系列等)以及Microchip 公司的PIC系列CPU。通用仿真器价格高，一次性投入较大，但与仿真器配套的各系列仿真头价格较低，更重要的是可在同一仿真开发环境下使用，也是物有所值。,2. 仿真器的选择,(1) 不占用硬件资源。一些低档的MCS-51仿真器(仿真头)只能将P0、P2口作为总线使用，不能作为I/O口使用。 (2) 随机浏览、修改内部RAM、特殊功能寄存器内容。 (3) 浏览、编辑程序存储器各存储单元内容。 (4) 随机修改程序计数器PC的值。
16、 (5) 浏览、修改外部RAM单元内容。 (6) 具备连续、单步、跟踪执行功能，以方便程序的调试。 (7) 灵活、方便的断点设置和取消功能。断点数目最好没有限制，以方便程序调试。,(8) 开发系统提供的汇编器(仿真开发软件)必须具备如下功能： 源程序编辑操作方式与用户熟悉的通用字处理软件(如Word)相同或相近。 方便、灵活的查找和定位功能，以便迅速找到源程序中特定字符串(如标号、变量、操作码或操作数助记符)。 (9) 汇编器(仿真开发软件)应具备一定的容错能力。由于MCS-51汇编指令助记符与Intel X86通用CPU相似，因此编辑源程序时，可能将MCS-51指令系统的“ANL”(与运算操作助记符)写成“AND”，“ORL”(或运算操作助记符)写成“OR”，“XRL”(异或运算操作助记符)写成“XOR”；又如将“PUSH Acc”指令写成“PUSH A”，“POP Acc”指令写成“POP A”等。汇编程序应该能够理解这样的错误。,(10) 汇编器最好支持“过程汇编”伪指令，这对于程序设计、编写将非常方便。采用过程伪指令后，过程
