单片机原理与应用第第章单片机应用系统

第7章

单片机应用系统开发

由于单片机应用系统种类繁多，技术要求及指标各不相同，因此设计方案、设计步骤、开发过程不完全相同，但也存在着一些共性问题。本章针对大多数应用场合，介绍单片机应用系统的一般开发过程和软硬件设计的基本方法。5/21/2023单片机原理与应用7.1单片机应用系统开发过程单片机应用系统的开发过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试、可靠性实验和产品化等几个阶段，但各阶段不是绝对分开的，有时是交叉进行的。图8-1描述了单片机应用系统开发的一般过程。

图7-1单片机应用系统开发过程5/21/2023单片机原理与应用7.1.1总体设计

设计人员在接到某项单片机应用系统的研制任务后，一般先进行总体设计。总体设计包括以下内容：

1.理解系统功能和技术指标

设计人员在接到某项单片机应用系统的研制任务后，先对用户提出的任务进行深入细致的分析和研究，参考国内外同类或相关产品的有关资料、标准，根据系统的工作环境、具体用途、功能和技术指标，拟定出性能／价格比最高的一套方案，这是系统设计的依据和出发点，也是决定系统设计是否成功的关键。5/21/2023单片机原理与应用2.

选择单片机类型一般来说，在选择单片机类型时，主要综合考虑以下几个问题：(1)

货源充足、稳定所选单片机芯片在国内元器件市场上货源要稳定、充足，且有成熟的开发设备。(2)

性价比要高在保证性能指标情况下，所用芯片价格要尽可能低，使系统有较高的性价比。(3)

研制周期在研制任务重、时间紧的情况下，应考虑采用自己比较熟悉的系列，这样可以较快地进行系统设计。最好选择用户广泛、技术成熟、性能稳定而自己又熟悉的系列、型号。5/21/2023单片机原理与应用3.关键器件的选择

在选定单片机类型后，通常还要对一些严重影响系统性能指标的器件（如传感器等）进行选择。例如，一个设计合理的测控系统往往因传感器件的精度或使用条件等因素的限制而达不到应有的效果。4.软硬件功能划分

同一般的计算机系统一样，单片机应用系统的软件和硬件在逻辑功能上是等效的。具有相同功能的单片机应用系统，其软硬件功能可以在很宽的范围内变化。一些硬件电路的功能可以由软件来实现，反之亦然。例如，系统日历时钟可以用实时时钟／日历芯片（如MC146818、PCF8563），也可以用定时中断方式实现；又如无线或红外解码电路，既可由PT2272解码器完成，也可以通过软件定时方式实现。在应用中，系统的软、硬件功能划分要根据系统要求而定，多用硬件来实现一些功能，可以提高系统反应速度、减少存储容量和软件开发的工作量，但会增加硬件成本、降低硬件的利用率，使系统的灵活性与适应性变差。相反，若用软件来实现某些硬件功能，可以节省硬件开支，增强灵活性和适应性，但反应速度会下降。软件设计费用和所需存储器容量要增加。在总体设计时，必须权衡利弊，仔细划分好硬件和软件的功能。5/21/2023单片机原理与应用7.1.2硬件设计

硬件设计的任务是根据总体设计要求，在所选定的单片机类型的基础上，具体确定系统中所用的元器件及系统构成方式，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以验证电路图的正确性、可靠性。当然也包括工艺结构设计、印制板设计等。1.元器件选择原则2.系统构成方式选择3.系统硬件电路设计原则

4.印制电路板设计5/21/2023单片机原理与应用7.1.3资源分配一个单片机应用系统所拥有的硬件资源分片内和片外两部分。片内资源是指单片机本身所包含的中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时器／计数器、中断源、I/O接口以及串行通信接口等。这部分硬件资源的种类和数量，不同公司不同类型的单片机之间差别很大，当设计人员选定某种型号的单片机进行系统设计时，应充分利用片内的各种硬件资源。但若在应用中，片内的这些硬件资源不够使用，就需要在片外加以扩展。通过系统扩展，单片机应用系统具有了更多的硬件资源，因而有了更强的功能。由于定时器/计数器、中断源等资源的分配比较容易，下面主要介绍ROM资源和RAM资源的分配。

5/21/2023单片机原理与应用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，而P1～P3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。5/21/2023单片机原理与应用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。5/21/2023单片机原理与应用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，尽可能重叠使用，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00H～7FH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。

5/21/2023单片机原理与应用7.2单片机开发工具及选择7.2.1仿真器1.仿真器种类

单片机仿真器也称为单片机仿真开发器，是单片机开发的重要工具，种类很多。根据使用的仿真技术，可将仿真器分为HOOKS仿真器和Bondout仿真器两大类。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设计配套的仿真芯片。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CPU的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、P2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MCS-51系列芯片的P0、P2口，与实际CPU的P0、P2口尚有区别（如I/O负载能力），仿真频率也不能太高。5/21/2023单片机原理与应用2.仿真器的选择

仿真器功能越强，程序调试效率就越高，理想的单片机开发系统必须具有如下功能：(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。(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。5/21/2023单片机原理与应用(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：l

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。l

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）。WAVE系列开发系统附带的编辑器的查找定位功能就很有特色，如将光标移到源程序内任一字符串后，执行“查找”命令，光标下的字符串就自动出现在查找对话框内的“查找”文本盒里，无须重新输入查找字符串，不仅提高了效率，也减少了输入过程中的错漏。(9)

汇编器（仿真开发软件）应具备一定的容错能力。由于MCS-51汇编语言指令助记符与IntelX86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“PUSHAcc”指令写成“PUSHA”，“POPAcc”指令写成“POPA”、“DJNZACC,LOOP”指令写成“DJNZA,LOOP”等。这样的错误汇编程序应该能够理解。(10)

设计良好的汇编器，允许将LJMP、SJMP指令统一写做JMP指令，汇编时根据目标地址远近，自动翻译为SJMP和LJMP。(11)汇编器最好支持“条件汇编”和“过程汇编”伪指令，这对于程序设计、编写将非常方便。(12)除了支持A51汇编语言外，最好支持C语言。5/21/2023单片机原理与应用7.2.2其他工具

1.

逻辑笔逻辑笔主要用于判别电路中某点的电平状态（高电平、低电平，还是脉冲），是数字电路系统常用的检测工具。2.

万用表（数字或指针式）万用表是最基本的电子测量工具，主要用于测量电路系统中各节点间电压或各节点对地电压，电路中两点通断，判别元器件的好坏。3.

通用编程器由于目前内置OTPROM、FlashROM存储器芯片的单片机CPU已成为主流芯片，程序调试结束后，需要在编程器上将调试好的程序代码写入CPU内的程序存储器中。4.

IC插座在单片机开发过程中，可能需要各种规格的IC插座。例如当遇到目标板上CPU插座周围的元器件，如电解电容、晶振等太高，妨碍仿真头插入时，可使用一到两块IC插座抬高CPU插座，以方便仿真头的插入。5/21/2023单片机原理与应用7.3系统可靠性设计

由于单片机芯片主要应用于工业控制、智能化仪器仪表和家用电器，因此，对单片机应用系统的可靠性提出了更高的要求。导致计算机系统出错，不可靠是由于电磁干扰、电源电压及温度波动、环境湿度大等原因使程序计数器PC“走飞”或内部RAM及寄存器数据出错。程序计数器PC“走飞”会导致：(1)

PC“走飞”，跳过部分程序段，如果跳过的部分正好是接收输入数据，则将造成随后的数据处理不正常。(2)

拆分多字节指令，即将一条指令的操作数部分当指令码执行，如果这一“指令码”属于多字节指令，又继续拆分了一指令，即把下一指令的操作码作为操作数。(3)

跳到数据区，把数据当指令执行。5/21/2023单片机原理与应用7.塞3.再1硬件捕可靠巾性设溪计在单温片机据应用触系统眼硬件闷设计幸时，饼常采真用的们一些泄可靠雷性措街施有租：1.提高病元器榴件的赵可靠饲性在系宫统硬忆件设辣计和加加工址时，躬应选车用质饿量好饥的接隆插件安，并蜂设计法好工忘艺结搭构；贡选用帖合格浸的元优器件留，并策进行吉严格拖的测疤试、挂筛选顾和老晌化；骗设计德时技泪术参剃数（哗如负估载）诸留有急一定委的余跳量或苗降额孤使用评元器治件；隐提高宿印制革板和挤组装镜的质浸量。2.冗余枣与容走错设域计要保限证单原片机蹈应用僻系统10照0%无故挡障是场不可浓能的寨，容敞错是告指当挨系统牛的某怕个部浓件发碍生故锁障时往，系发统仍汪能完已全正刮常的灿工作悼，即拒给系下统增礼加了害容忍翻故障嘴的能决力。泼为了替使系灵统具秘有容妥错能部力，赢必须逮在系膏统中改增加订适当今的冗朵余单勾元，平以保局证当营某个峡部件歇发生狡故障旋时能忘由冗夏余部肿件接踪蝶替其装工作弟，原绘部件纠修复析后再耍恢复冠出错毅前的秩状态窗。硬稀件冗望余设景计可肚以在把元件牌级、健子系充统级缴或系稻统级拘上进边行。戚例如轨，在堂系统怖级上冲可采刑用双砌机系赵统，臣两套争系统嘉可互浸为备城用地固工作驾。3.采用胶抗干捞扰措能施来自萄供电酸系统彼以及秤通过墓导线乘传输偿、电蹈磁耦兰合等良产生楼的电站磁干惨扰信疗号，妥是单浸