单片机应用系统的开发方法

维普资讯 http://www.cqvip.com ＼．开发研究与设计技术．．．．．．　本栏目赉任编辑：谢媛媛　单片机应用系统的开发方法　金仁贵　（安徽工业经济职业技术学院，安徽合肥２３０Ｏ５１）　摘要：单片机系统的电子产品已广泛的应用于各行各业。本文从单片机应用系统设计的一般流程、研制方法及其所使用的开发工具　几个方面采浅谈单片机应用系统的开发方法。　，　关键词：单片机系统；调试；开发方法　中圈分类号：ＴＰ３１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—３０４４（２００６）３５—０１０２—０２　Ｔｈｅ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｈｉｐ　Ｍｉｃｒｏ－ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＪＩＮ　Ｒｅｎ。。ｇｕｉ　（Ａｎｈ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｉｔｕｔｔｅ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｌａ　Ｅｃｏｎｏｍｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３００５１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｎ　ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｌｒｅａｄｙ　ｉｎ　ｅｖｅｒｙ　ｔｒａｄｅ，Ｔｈｉｓ　ｔｅｘｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｍｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｃｒｏ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｒｏｍ　ｈｔｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｉｈｐ、ｄｅｖｅｌｏｐ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｏｏｌ　ｉｌｓｅ　ｂｙ　ｉｔ　ａ　ｆｅｗ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｓｈａｌｌｏｗ　ｔａｌｋ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｉｈｐ　ｍｉｃｒｏ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏ　。ｃｏｍｐｕｔｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ａｄｊｕｓｔ　ｔｏ　ｔｒｙ；ｄｅｖｅｌｏｐ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　１引育　系统的工作速度。因此，在进行系统功能的软、硬件划分时，一定　目前单片机的应用领域很广，控制形式多种多样，不同的场　要依据系统性能指标综合考虑，合理搭配软硬件的比重。　合技术要求各不相同，它由硬件部分和软件部分组成。硬件是系　２．２确定系统基本结构　统的基础，软件则是在硬件的基础上对其合理的调配和使用。从　（１１单片机选型　　。而完成应用系统所要完成的任务。　（ａ）单片机性价比；ｎ））开发周期。　２单片机应用系统设计的一般流程　在选择单片机芯片时．一般选择内部不舍ＲＯＭ的芯片比较　２．１确定系统的功能与性能　合适．如８０３１，通过外部扩展ＥＰＲＯＭ和ＲＡＭ即可构成系统，这　对一个待开发的单片机应用系统，收集相关的技术资料，确　样不需专门的设备即可固化应用程序。但是当设计的应用系统批　定系统的功能与性能．系统功能主要有数据采集、数据处理、输出　量比较大时．则可选择带ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＯＴＰＲＯＭ或ＥＥＰＲＯＭ等　控制等。每一个功能又可细分为若干个子功能。比如数据采集可　的单片机．这样可使系统更加简单。通常的做法是在软件开发过　分为模拟信号采样与数字信号采样。模拟信号采样与数字信号采　程中采用ＥＰＲＯＭ型：芒：片，提高产品的性能价格比。　样在硬件支持与软件控制上是有明显差异的。数据处理可分为预　ｆ２１软、硬件功能划分　处理、功能性处理、抗干扰等子功能，而功能性处理还可以继续划　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　分为各种信号处理等。输出控制按控制对象不同可分为各种控制　逻辑上是等效的。具有相同功能的单片机应用系统，其软、硬件功　功能．如继电器控制、Ｄ／Ａ转换控制、数码管显示控制等。　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　系统性能主要由精度、速度、功耗、体积、重量、价格、可靠性　实现．反之亦然。在应用系统设计中，系统的软、硬件功能划分要　的技术指标来衡量。系　根据系统的要求而定，多用硬件来实现一些功能，可以提高速度，　统研制前。要根据需求　减少存储容量和软件研制的工作量，但会增加硬件成本，降低硬　调查结果给出上述各　件的利用率和系统的灵活性与适应性。相反，若用软件来实现某　指标的。定额。一旦这些　些硬件功能可以节省硬件开支，提高灵活性和适应性，但相应速　指标被确定下来．整个　度要下降，软件设计费用和所需存储容量要增加。因此，在总体设　系统将在这些指标限　计时，必须权衡利弊，仔细划分应用系统中的硬件和软件的功能。　定下进行设计。系统的　２．３硬件设计　速度、体积、重量　、价　硬件设计的任务是根据总体设计要求，确定系统扩展所需的　格、可靠性等指标会左　扩展部分和各功能模块，包括存储器的扩展、ＦＯ电路、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ　右系统软、硬件的功能　电路以及有关外围电路等，然后设计出系统的硬件电路原理图。　的划分。系统功能尽可　（１）存储器　能用硬件完成。这样可　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　提高系统的工作速度．　展程序存储器。外部扩展的存储器通常选用ＥＰＲＯＭ或ＥＥＰ．　－但系统的体积、重量、　ＲＯＭ。ＥＰＲＯＭ集成度高、价格便宜，ＥＥＰＲＯＭ则编程容易。当程　功耗、硬件成本都相应　序量较小时，使用ＥＥＰＲＯＭ较方便；当程序量较大时，采用Ｅ，　地增大。而且还增加了　ＰＲＯＭ更经济。　硬件所带来的不可靠　数据存储器利用ＲＡＭ构成。大多数单片机都提供了小容量　因素。用软件功能尽可　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　能地代替硬件功能．可　数据存储器。存储器的设计原则是：在存储容量满足要求的前提　使系统体积、重量、功　下．尽可能以够用为度。　耗、硬件成本降低，并　ｆ２）Ｉ／０接１２１　～　‘　可提高硬件系统的可　在选择Ｉ／Ｏ接口电路时，应从体积、价格、功能、负载等方面考　图１单片机应用系统开发流程图　靠性．但是可能会降低　虑。可优先选用标准的可编程接口电路８２５５和８１５５，对要求口线　收稿日期：２００６－１１－２２　１０２　１Ｉ　电＿知识与技术　维普资讯 http://www.cqvip.com 本栏目责任编辑：谢嫒嫒　扩充较少的系统，则可用１１　或ＣＭＯＳ电路，以提高口线的利用　率。对于Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ电路芯片的选择原则。应根据系统对它的速　度、精度和价格的要求来确定。外围模拟电路应根据系统的要求，　在速度、精度和价格等方面选用．同时还应注意它们与传感器等　的匹配问题。　ｆ３１总线驱动能力　．．．。．．开发研究与设计技术．　目测查出一些明显的器件、设备故障并及时排除。　第二步为万用表测试。目测检查后。可进行万用表测试。先用万　用表复核目测中认为可疑的连接或接点．检查它们的通断状态是否　与设计规定相符。再检查各种电源线与地线之间是否有短路现象。　，第三步为加电检查。当给印制板加电时。首先检查所有插座　或器件的电源端是否有符合要求的电压值。接地端电压值是否接　近于零，接固定电平的引脚端是否电平正确。然后在断电状态下　将芯片逐个插入印制板上的相应插座中。每插入一块做一遍上述　的检查．特别要检查电源到地是否短路，这样就可以确定电源错　误或与地短路发生在哪块芯片上。　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。比如．ＭＣＳ一５ｌ单片机的Ｐ０口负载能力为８个ｒＩｒｒＬ　芯片。Ｐ２口负载能力为４个ｒＩｒｒＬ芯片。如果Ｐ０、Ｐ２实际连接的芯　片数目超出上述定额。就必须在Ｐ０、Ｐ２口增加总线驱动器来提高　它们的驱动能力。Ｐ０口应使用双向数据总线驱动器（如７４ＬＳ２４５），　Ｐ２　１３可使用单向总线驱动器ｆ如７４ＬＳ２４４）。　２．４软件设计　整个单片机应用系统是一个整体。在进行应用系统总体设计　时，软件设计和硬件设计应统一考虑，相结合进行。当系统的硬件　电路设计定型后，软件的任务也就明确了。　个应用系统中的软件一般是由系统的监控程序和应用程　序两部分构成的。其中，应用程序是用来完成诸如计算、显示、打　一第四步是联机检查。因为只有用单片机开发系统才能完成对　用户系统的调试．而动态测试也需要在联机仿真的情况下进行。　因此，在静态检查印制板、连接、器件等部分无物理性故障后。即　可将用户系统与单片机开发系统用仿真电缆连接起来。联机检查　上述连接是否正确。是否连接畅通、可靠。　（２）联机仿真、在线动态调试。在静态调试中，仅对目标样机　硬件进行了初步调试．只是排除了一些明显的静态故障．而样机　中的硬件故障（如各部件内部存在的故障和部件之问连接的逻辑　错误）主要是靠联机仿真排除的。分别打开样机和仿真器电源后，　印、输出控制等各种实质性功能的软件；系统监控程序是控制单　片机系统接预定操作方式运行的程序．它负责组织调度各应用程　序模块。完成系统自检、初始化、处理键盘命令、处理接口命令、处　理条件触发和显示等功能。　系统软件设计时。应根据系统软件功能要求，将系统软件分成　若干个相对的部分．并根据它们之间的联系和时问上的关系，　设计出合理的软件总体结构。通常在编制程序前。先根据系统输入　和输出变量建立起正确的数学模型．然后画出程序流程框图。要求　流程框图结构清晰、简捷、合理。画流程框图时还要对系统资源作　具体的分配和说明。编制程序时一般采用自顶向下的程序设计技　术．先设计监控程序再设计各应用程序模块。各功能程序应模块　化，子程序化，这样不仅便于调试、连接，还便于修改和移植。　２＋５硬件调试、软件调试　２．５．１软件调试　ｆｌ１建立用户源程序。　（２）在单片机开发系统上，对用户源程序进行编译，直至错误　全部纠正为止。　便可开始联机仿真调试，排除硬件的故障。　３汇编或编译　单片机开发中除必要的硬件外．同样离不开软件．我们写的　汇编语言源程序要变为ＣＰＵ可以执行的机器码有两种方法，一种　是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方　法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于ＭＣＳ一　５１单片机的汇编软件有早期的Ａ５１．随着单片机开发技术的不断　发展．从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发。单片机的　开发软件也在不断发展。　・　单片机的程序设计可以使用机器语言、单片机汇编语言和高　级语言三种编程语言。机器语言是ＣＰＵ惟一能够识别的语言。其　他语言必须通过编译后形成机器码供ＣＰＵ识别．单片机只能执行　机器语言的程序。将源程序编写好并以扩展名．ＡＳＭ保存之后，应　将源程序编译成目标程序。在编译过程中。能够检验程序的正确　（３）调试。　ｆａ１先后联机、先分块后组合　对于用户系统规模较大、任务较多，即使先行将用户程序分为　与硬件无关和依赖于硬件两大部分，但这两部分程序仍较为庞大的　性。并能发现源程序中的语法错误和一般性的逻辑错误，但不能　检查结构上的错误。如果有错误。汇编程序会报告，指出错误位置　及错误类型。程序错误被纠正后，要重新进行编译调试，直至程序　汇编无误为止。’　使用单片机仿真器提供的软件包中的编辑器来编写单片机　话。采用对两类程序块进一步采用分模块调试，以提高软件调试的　有效性。在调试时所划分的程序模块应基本保持与软件设计时的程　序功能模块或任务一致，子模块的划分与一般模块的划分应一致。　ｆｂ１先单步后连续　调试好程序模块的关键是实现对错误的正确定位。准确发现　程序ｆ或硬件电路）中错误的最有效方法是采用单步加断点运行方　式调试程序。单步运行可以了解被调试程序中每条指令的执行情　况。分析指令的运行结果可以知道该指令执行的正确性，并进一　步确定是由于硬件电路错误、数据错误还是程序设计错误等引起　了该指令的执行错误，从而发现、排除错误。　ｆ４１将调试完毕的用户程序通过专用编程器固化在ＥＰＲＯＭ中。　２．５．２硬件调试　ｆ１）静态调试。对用户样机进行调试，首先要进行静态调试，静　程序，也可以使用ＰＣ的编辑程序编写程序经过编译、连接后形成　目标文件，并传送到目标机上直接运行的目标程序。该目标程序　可通过ＰＣ的串行通信接口直接传送到开发系统的ＲＡＭ中。　４程序的仿真调试　对源程序编译形成目标程序，只是排除了语法错误和一般性　的逻辑错误，只有将目标程序应用到目标样机中，经过仿真调试　满足功能要求才能最后写到程序存储器中。仿真调试是对程序功　能是否能实现所做的最后检查。　５结语　本文从单片机应用系统设计的一般流程、研制方法及其所使　用的开发工具几个方面来介绍单片机实用开发方法。从总体设　计、硬件设计、软件设计、仿真调试等这四个阶段来详细阐述。　参考文献：　『１１朱运利．单片机技术应ｍｔＭ］．北京：机械工业出版社，２００４．１０．　ｆ２】李全利．单片机原理及应用技术【Ｍ】．北京：高等教育出版社，　２ｏ０２．１１．　态调试是在用户系统未　作时的一种硬件检查。静态调试的目的　是排除明显的硬件故障。　静态调试的第一步为目测。单片机应用系统中大部分电路安　装在印制电路板上，因此对每一块加工好的印制电路板要进行仔　细的检查。检查它的印制线是否有断线、是否有毛刺、是否与其它　线或焊盘牯连、焊盘有否脱落、过孔是否有未金属化现象等。通过　【３１李叶紫，王喜斌，胡辉，等．ＭＣＳ一５１单片机应用教程【Ｍ】．北　京：清华大学出版社．２００４．０３．　『４】孙莉，蒋从根．单片机原理及应用【Ｍ】．北京：机械工业出版社，　２（）ｏ４．０４．　１ｏ３