单片机应用系统的开发过程单片机应用系统设计的基

第 7章 单片机应用系统设计与开发 7.1 单片机应用系统的开发过程 7.2 单片机应用系统设计的基本原则与方法 7.3 单片机应用系统的一般结构 7.4 单片机应用系统的调试 7.5 MCS-51单片机应用系统设计与 调试实例 电话留言机 第 7章 单片机应用系统设计与开发 第 7章 单片机应用系统设计与开发 7.1 单片机应用系统的开发过程 通常 ， 开发一个单片机应用系统需要经过以下几个过程： 系统需求调查； 可行性分析； 系统方案设计； 系统建造； 系统调试； 系统方案局部修改 、 再调试； 生成正式产品 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 1. 系统需求调查 做好详细的系统需求调查是对研制新系统准确定 位的关键 。 当你建造一个新的单片机应用系统时 ， 首 先要调查市场或用户的需求 ， 了解用户对未来新系统 的希望和要求 ， 通过对各种需求信息进行分析综合 ， 得出市场或用户是否需要新系统的结论 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 其次 ， 应对国内外同类系统的状况进行调查 。 调 查的主要内容包括： 原有系统的结构 、 功能以及存 在的问题； 国内外同类系统的最新发展情况以及与 新系统有关的各种技术资料； 同行业中哪些用户已 经采用了新的系统 ， 它们的结构 、 功能 、 使用情况以 及所产生的经济效益 。 经过需求调查 ， 整理出需求报告 ， 作为系统可行 性分析的主要依据 。 显然 ， 需求报告的准确性将左右 可行性分析的结果 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2.可行性分析 可行性分析将对新系统开发研制的必要性及可实 现性给出明确的结论 ， 根据这一结论决定系统的开发 研制工作是否进行下去 。 可行性分析通常从以下几个方面进行论证： 市 场或用户需求； 经济效益和社会效益； 技术支持 与开发环境； 现在的竞争力与未来的生命力 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 3. 系统方案设计 系统方案设计是系统实现的基础 ， 这项工作要十分 仔细 ， 考虑周全 。 方案设计的主要依据是市场或用户 的需求 、 应用环境状况 、 关键技术支持 、 同类系统经 验借鉴及开发人员设计经验等 。 主要内容包括： 系 统结构设计； 系统功能设计； 系统实现方法 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 4. 系统建造 这一阶段的工作是将前面产生的系统方案付诸实 施 ， 将硬件框图转化为具体电路 ， 软件流程用程序加 以实现 。 设计硬件电路时 ， 单片机的选用对电路结构 及复杂度有较大影响 。 一个合适的单片机将会最大限 度地降低其外围连接电路 ， 从而简化整个系统的硬件 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 5. 系统调试 系统调试检验所设计系统的正确与可靠 ， 从中发 现组装问题或设计错误 。 这里所指的设计错误 ， 是指 设计过程中所出现的小错误或局部错误 ， 决不允许出 现重大错误 。 6.系统方案局部修改 、 再调试 对于系统调试中发现的问题或错误以及出现的不 可靠因素要提出有效的解决方法 ， 然后对原方案做局 部修改 ， 再进入调试 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 7. 生成正式系统 (或产品 ) 作为正式系统 (或产品 )， 不仅要提供一个能正确可 靠运行的系统 (或产品 )， 而且还应提供关于该系统 (或 产品 )的全部文档 。 这些文档包括系统设计方案 、 硬件 电原理图 、 软件程序清单 、 软 /硬件功能说明 、 软 /硬件 装配说明书 、 系统操作手册等 。 在开发产品时 ， 还要 考虑到产品的外观设计 、 包装 、 运输 、 促销 、 售后服 务等商品化问题 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 7.2 单片机应用系统设计的 基本原则与方法 7.2.1 单片机应用系统的基本设计原则 单片机应用系统的基本设计原则是： 可靠性高； 性能价格比高； 操作简便； 设计周期短 。 1.可靠性高 高可靠性是系统应用的前提 ， 在系统设计的每一个 环节 ， 都应该将可靠性作为首要的设计准则 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 通常 ， 高可靠性可从以下 5个方面进行考虑： (1)使用可靠性高的元器件； (2)严格安装硬件设备及电路； (3)采取必要的抗干扰措施 ， 以防止环境干扰 (如空 间电磁辐射 、 强电设备启停 、 酸碱环境腐蚀等 )、 信号 串扰 、 电源或地线干扰等影响系统的可靠性； (4)请专家和有经验的设计人员对系统的设计方案 严格把关； (5)作必要的冗余设计或增加自诊断功能。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2. 性能价格比高 单片机除体积小 、 功耗低等特点外 ， 最大的优势在 于高性能价格比 。 3.操作简便 如果所设计的产品人机交互过多 ， 必然会给用户操 作带来一定困难 ， 也不利于最大限度地降低劳动强度 。 4.设计周期短 只有缩短设计周期 ， 才能有效地降低设计费用 ， 充 分发挥新系统的技术优势 ， 及早占领市场并具有一定的 竞争力 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 7.2.2 单片机应用系统的一般设计方法 在进行单片机应用系统方案设计时 ， 可以下述一 般设计方法作为指导 。 1.确定系统功能与性能 由需求调查可以确定出单片机应用系统的设计目 标 ， 这一目标包括系统功能与性能 。 系统功能主要有 数据采集 、 数据处理 、 输出控制等 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2. 确定系统基本结构 单片机应用系统结构一般是以单片机为核心外部 扩展相关电路的形式 。 确定了系统中的单片机 、 存储 器分配及输入 /输出方式就可大体确定出单片机应用系 统的基本组成 。 1)单片机 在系统详细方案设计时 ， 先要确定单片机的型号 。 所选单片机的型号不同 ， 组成的系统结构也就不同 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 选择单片机的原则是： 有供货渠道； 最适宜实现系统的功能与性能； 有开发手段 。 以下列出较有影响的单片机型号及厂家 ， 供选型参考 。 8位机 MCS-51系列 Intel(美国英特尔公司 ) SUPER8,Z8系列 Zilog(美国 ) F8,3870系列 Fairchild(美国仙童公司 ) 68HC05,68HC11系列 Motorola(美国摩托罗拉公司 ) 第 7章 单片机应用系统设计与开发 6500/1系列 Rockwell(美国洛克威尔公司 ) TMS700系列 TI(美国得克萨斯仪器公司 ) NS8070系列 NS(美国国家半导体公司 ) CDP1800系列 RCA(美国无线电公司 ) MN6800系列 National(日本松下公司 ) COM87(PD7800)系列 NEC(日本电气公司 ) HD6301， HD6305， HD63L05Hitachi(日本日立公司 ) AT89C系列 ATMEL公司 第 7章 单片机应用系统设计与开发 16位机 8096(8098)系列 Intel(美国英特尔公司 ) MK68200系列 Mostek(美国莫斯特公司 ) TMS-9900系列 TI公司 HPC1604系列 NS公司 PD78300系列 NEC公司 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2)存储器分配 不同的单片机具有不同的存储器组织 。 MCS-51单 片机的程序存储器与数据存储器空间相互独立 ， 工作 寄存器与内部数据存储器共用一个存储空间 ， I/O端口 则与外部数据存储器共用一个存储空间 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 3) I/O方式 采用不同的输入 /输出方式 ， 对于单片机应用系统 的软 、 硬件结构有直接的影响 。 在单片机应用系统中 ， 常用的 I/O方式主要有： 无条件传送方式 (同步传送方式 )； 查询方式； 中断方式 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 3.硬件设计 单片机应用系统的硬件设计是围绕着单片机做外部 功能扩展而展开的 ， 其结构如图 7 1所示 ， 它主要涉 及以下扩展部分的设计 。 1)程序存储器 若单片机内无片内程序存储器或存储容量不够时 ， 需外部扩展程序存储器 。 外部扩展的存储器通常选用 EPROM或 E 2PROM。 EPROM集成度高 、 价格便宜 ， E 2PROM则编程容易 。 当程序量较小时 ， 使用 E 2PROM较方便；当程序量较大时 ， 采用 EPROM更经 济 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 图 71 单片机应用系统硬件的一般结构 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2) 数据存储器 数据存储器利用 RAM构成 。 大多数单片机都提供 了小容量的片内数据存储区 ， 只有当片内数据存储区 不够用时才扩展外部数据存储器 。 存储器的设计原则 是：在存储容量满足的前提下 ， 尽可能减少存储芯片 的数量 。 建议使用大容量的存储芯片以减少存储器芯 片数目 ， 但应避免盲目地扩大存储容量 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 3) I/O接口 由于外设多种多样 ， 使得单片机与外设之间的接 口电路也各不相同 。 因此 ， I/O接口常常是单片机应用 系统中设计最复杂也是最困难的部分之一 。 4)译码电路 当需要外部扩展电路时 ， 就需要设计译码电路 。 译码电路要尽可能简单 ， 这就要求存储器空间分配合 理 ， 译码方式选择得当 。 5)总线驱动器 如果单片机外部扩展的器件较多 ， 负载过重 ， 就 要考虑设计总线驱动器 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 6) 抗干扰电路 针对可能出现的各种干扰 ， 应设计抗干扰电路 。 在单片机应用系统中 ， 一个不可缺少的抗干扰电路就 是抗电源干扰电路 。 最简单的实现方法是在系统弱电 部分 (以单片机为核心 )的电源入口处对地跨接 1个大电 容 (100f左右 )与 1个小电容 (01f左右 )， 在系统内部各 芯片的电源端对地跨接 1个小电容 (001f0.1f)。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 4.软件设计 软件是单片机应用系统中的一个重要组成部分 。 一 般计算机应用系统的软件包括系统软件和用户软件 ， 而 单片机应用系统中的软件只有用户软件 ， 即应用系统软 件 。 软件设计的关键是确定软件应完成的任务及选择相 应的软件结构 。 1)任务确定 根据系统软 、 硬件的功能分工 ， 确定出软件应完成什 么功能 。 作为实现控制功能的软件应明确控制对象 、 控 制信号及控制时序；作为实现处理功能的软件应明确输 入是什么 、 要做什么样的处理 (即处理算法 )、 产生何种输 出 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2) 软件结构设计 软件结构设计与程序设计技术密切相关 。 程序设 计技术则提供了程序设计的基本方法 。 在单片机应用 系统中 ， 最常用的程序设计方法是模块程序设计 。 模 块程序设计具有结构清晰 、 功能明确 、 设计简便 、 程 序模块可共享 、 便于功能扩展及便于程序维护等特点 。 为了编制模块程序 ， 先要将软件功能划分为若干子功 能模块 ， 然后确定出各模块的输入 、 输出及相互间的 联系 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 图 72 单片机应用系统软件的一般结构 第 7章 单片机应用系统设计与开发 7.3 单片机应用系统的一般结构 1.单机结构 单机结构是指在单片机应用系统中只有 1个单片机 。 这种结构是目前单片机应用系统采用最多的一种结构 ， 它适用于小规模的单片机应用系统 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 典型的单机结构框图见图 7 1与图 7 2。 前面所 叙述的单片机应用系统的设计方法是针对单机结构而 言的 。 单机结构的优点是设计简单 、 系统紧凑 ， 对于小 规模应用系统具有最佳的性能 /价格比 。 但在大规模应用系统中 ， 由于单机结构难以实现 多任务处理及高速度运行 ， 因而无法满足系统功能与 性能的要求 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2. 多机结构 多机结构是指在单片机应用系统中有多个单片机 同时工作 。 这种结构是面向大规模单片机应用系统的 。 由于拓扑结构不同 ， 多机结构又分为多级多机分散控 制结构与局部网络结构 ， 其中多级多机分散控制结构 在目前应用较为广泛 。 多级多机分散控制结构的典型代表是两级多机分 散控制系统 。 它的拓扑结构如图 7 3所示 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 图 7 3 两级多机分散控制系统结构 第 7章 单片机应用系统设计与开发 图 74 多端口共享存储器互连结构 第 7章 单片机应用系统设计与开发 多端口存储器互连结构如图 7 4所示 。 主机系统与 单片机系统都可以对共享存储器进行读写操作 ， 这样 ， 主机系统的信息与单片机系统的信息可以通过共享存储 器加以交换 ， 实现其通信目的 。 为了防止数据冲突 ， 对 共享存储器应作如下处理： 给共享存储器每个端口规定不同的优先级 ， 防止 数据竞争 。 对共享存储器进行分区 ， 使得每个单片机系统与 主机系统间交换的数据仅在它们拥有的固定存储区上存 储 ， 防止数据串扰 。 多端口存储器结构的优点是可以大 大加快系统间的通信速度 ， 不足之处是多于两个端口的 存储器芯片目前尚属少见 ， 这给设计带来了一定的难度 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 7.4 单片机应用系统的调试 单片机应用系统调试是系统开发的重要环节 。 当 完成了单片机应用系统的硬件 、 软件设计和硬件组装 后 ， 便可进入单片机应用系统调试阶段 。 系统调试的 目的是要查出用户系统中硬件设计与软件设计中存在 的错误及可能出现的不协调问题 ， 以便修改设计 ， 最 终使用户系统能正确可靠地工作 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 最好能在方案设计阶段就考虑系统调试问题 ， 如 采取什么调试方法 、 使用何种调试仪器等 ， 以便在系 统方案设计时将必要的调试方法综合进软 、 硬件设计 中 ， 或提早做好调试准备工作 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 图 75 系统调试的一般过程 第 7章 单片机应用系统设计与开发 7.4.1 单片机应用系统调试工具 在单片机应用系统调试中 ， 最常用的调试工具有 以下几种 。 1.单片机开发系统 单片机开发系统 (又称仿真器 )的主要作用是： 系 统硬件电路的诊断与检查； 程序的输入与修改； 硬件电路 、 程序的运行与调试； 程序在 EPROM中的 固化 。 由于单片机本身不具有调试及输入程序的能力 ， 因此单片机开发系统成为开发单片机应用系统不可缺 少的工具 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2 万用表 万用表主要用于测量硬件电路的通断 、 两点间阻 值 、 测试点处稳定电流或电压值及其他静态工作状态 。 例如 ， 当给某个集成芯片的输入端施加稳定输入时 ， 可用万用表来测试其输出 ， 通过测试值与预期值的比 较 ， 就可大致判定该芯片的工作是否正常 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 3.逻辑笔 逻辑笔可以测试数字电路中测试点的电平状态 (高 或低 )及脉冲信号的有无 。 假如要检测单片机扩展总线 上连接的某译码器是否有译码信号输出 ， 可编写一循 环程序使译码器对一特定译码状态不断进行译码 。 4.逻辑脉冲发生器与模拟信号发生器 逻辑脉冲发生器能够产生不同宽度 、 幅度及频率 的脉冲信号 ， 它可作为数字电路的输入源 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 5.示波器 示波器可以测量电平 、 模拟信号波形及频率 ， 还 可以同时观察两个或多个信号的波形及它们之间的相 位差 (双踪或多踪示波器 )。 它既可以对静态信号进行测 试 ， 也可以对动态信号进行测试 ， 而且测试准确性好 。 它是任何电子系统调试维修的一种必备工具 。 6. 逻辑分析仪 逻辑分析仪能够以单通道或多通道实时获取与触 发事件相关的逻辑信号 ， 可保存显示触发事件前后所 获取的信号 ， 供操作者随时观察 ， 并作为软 、 硬件分 析的依据 ， 以便快速有效地查出软 、 硬件中的错误 。 逻辑分析仪主要用于动态调试中信号的捕获 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 7.4.2 单片机应用系统的一般调试方法 1.硬件调试 硬件调试是利用开发系统 、 基本测试仪器 (万用表 、 示波器等 )， 通过执行开发系统有关命令或运行适当的 测试程序 (也可以是与硬件有关的部分用户程序段 )， 检 查用户系统硬件中存在的故障 。 硬件调试可分静态调试与动态调试两步进行 。 1)静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检查。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2) 动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除 用户系统硬件中存在的器件内部故障 、 器件间连接逻 辑错误等的一种硬件检查 。 由于单片机应用系统的硬 件动态调试是在开发系统的支持下完成的 ， 故又称为 联机仿真或联机调试 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2. 软件调试 软件调试是通过对用户程序的汇编 、 连接 、 执行 来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除 纠正的过程 。 软件调试的一般方法是先独立后联机 、 先分块后组合 、 先单步后连续 。 1) 先独立后联机 2) 先分块后组合 3) 先单步后连续 第 7章 单片机应用系统设计与开发 3. 系统联调 系统联调是指让用户系统的软件在其硬件上实际运 行 ， 进行软 、 硬件联合调试 ， 从中发现硬件故障或软 、 硬件设计错误 。 这是对用户系统检验的重要一关 。 系统联调主要解决以下问题： (1)软 、 硬件能否按预定要求配合工作 ， 如果不能 ， 那么问题出在哪里 ?如何解决 ? (2)系统运行中是否有潜在的设计时难以预料的错 误 ， 如硬件延时过长造成工作时序不符合要求 、 布线 不合理造成有信号串扰等 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 (3)系统的动态性能指标 (包括精度 、 速度参数 )是否 满足设计要求 。 4. 现场调试 一般情况下 ， 通过系统联调后 ， 用户系统就可以按 照设计目标正常工作了 。 但在某些情况下 ， 由于用户系 统运行的环境较为复杂 (如环境干扰较为严重 、 工作现场 有腐蚀性气体等 )， 在实际现场工作之前 ， 环境对系统的 影响无法预料 ， 只能通过现场运行调试来发现问题 ， 找 出相应的解决办法；或者虽然已经在系统设计时考虑到 抗环境干扰的对策 ， 但是否行之有效 ， 还必须通过用户 系统在实际现场的运行来加以验证 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 7.5 MCS-51单片机应用系统设计与 调试实例 电话留言机 1.可行性分析 从当时国内电话机的发展状况来看 ， 电话留言机 在市场上品种很少 ， 进口的电话留言机价格较贵 ， 不 能被一般电话用户接受 ， 而国内对电话留言机已有较 大的需求 ， 因此 ， 研制电话留言机势在必行 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 2.系统设计 为了提出正确的设计方案 ， 首先要对电话机内部电 路作详细的分析 ， 找出单片机系统与电话机的连接接 口 ， 为整个方案制订打下良好的基础 。 在选择单片机 时 ， 首选 8031的理由是： (1) 价格便宜 ， 有开发环境； (2)采用语音芯片 T6668后 ， 语音处理功能全部由 T6668完成 ， 系统控制功能简单； (3)不需要单片机提供大量的程序 、 数据存储区 ， 也不需要单片机提供特殊功能服务 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 语音芯片采用 T6668的理由是： (1)价格便宜 ， 操作简单； (2)有很强的语音采集 、 压缩 、 存储 、 回放功能 ， 且所有功能由硬件自动完成 ， 简化了语音的繁琐处理； (3)能保证良好的语音质量 。 如果在方案论证过程中能掌握电话留言机的三大 核心：电话 、 单片机 、 语音处理芯片 ， 该系统设计也 就不成问题 。 系统的硬件框图见图 7 6。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 图 7 6 电话留言机硬件框图 第 7章 单片机应用系统设计与开发 3.系统调试 因为电话留言机采用 8031作为控制核心 ， 所以调试 工作可以在 SICE开发系统上进行 。 首先进行硬件调试 。 硬件调试一般包括对扩展数据 存储器 (RAM)、 程序存储器 (ROM)、 I/O口与 I/O设备 、 译码电路 、 晶振与复位电路等的测试 。 RAM测试常采 用写入读出加比较的方法检测； ROM测试常采用累加 和的方法检测； I/O测试通过观测输入与输出数据来完 成；译码器通过运行循环检测程序来检验；观察晶振 、 复位电路能否产生所需信号以确定其工作是否正常 。 第 7章 单片机应用系统设计与开发 图 77 电话留言机软件流程图