论文部分内容阅读
【文章摘要】
本文通过对单片机小型应用系统设计与开发方面的分析，提出来设计思想与设计原则、设计流程与设计任务以及系统调试步骤与方法，目的是为了便于开发人员在单片机项目中充分利用有效资源，合理设计，以求得项目的系统性和完整性。
【关键词】
单片机；小型应用系统；设计；开发
单片机应用系统是嵌入在应用对象之中的电子系统或测试系统，具有硬件软件人机交互频繁、功耗和成本约束较大等特点。在熟悉了单片机芯片、指令系统和集成开发环境，具备了过程通道、人机界面和通信接口的概念及其设计技术的基础上，本文从宏观和微观两个层面，阐述单片机应用系统设计与实现的相关问题。
1 单片机小型应用系统设计思想与设计原则
根据单片机应用系统功能复杂和软硬件结合的特点，为获得结构优化、功能完善、运行可靠、低功耗和低成本的单片机应用系统，只要应遵循以下三个方面的设计思想和设计原则。
1.1 自顶向下与自底向上相结合
单片机应用系统总体上应采用自顶向下（Top-Down）的设计方法，即从总体到局部，再到设计和实现的具体细节。通常从总体目标着眼、先明确整体总任务，再将整体任务分解成为子任务，将较大、较复杂、较难的问题分解成若干小的、简单的、易解决的问题。同时注意子任务间的联系和互动。
1.2 软硬件合理分工、相互分配
单片机应用系统具有硬件与软件紧密结合的特点。有些功能（如数据处理）只能由软件来实现，另一些功能（如A/D转换）则只能通过硬件来实现，而还有许多功能（如数字滤波）即可由软件实现，也可通过硬件来完成。软件可完成许多复杂的运算、系统的管理和控制等，具有设计灵活、修改方便的特点，但执行速度相对硬件慢很多。硬件是各种电子元器件通过特定线路构成的实体，具有很高的执行速度，但灵活性差，设计一旦完成就不易改动。
1.3 跟踪技术发展、坚持器件解决问题
随着模拟和数字集成电路技术的发展和新型电路模块的不断出现，使扩展单片机外部功能、过程通道、人机界面和通信接口等设计而面临多重选择。选择先进适用的电路模块，对于保证系统性能、降低系统成本和提高系统可靠性都十分重要，随时掌握新型电路芯片技术信息和市场信息，在这几种突出体现“器件解决问题”的原则，即尽量选择适用、集成度搞的芯片完成系统的设计。
2 单片机小型应用系统设计流程与设计任务
设计开发单片机应用系统一般需要经过三个阶段：首先，明确应用对象的各项要求、拟定总体设计方案；其次，划分硬件和软件各自实现的功能，分别开展设计工作；最后，单片机应用系统总体调试及性能测试。以上三个阶段通常不能严格区分，往往循环往复，历经多次修改才能完成。
单片机小型应用系统设计开发阶段的任务和工作内容如下：
2.1 明确设计任务、拟制总体设计方案
（1）根据应用对象要求确定单片机应用系统的功能、技术指标及相应设计任务；
（2）通过调查研究和认真论证，拟定总体设计方案，并将总体设计分解成若干个子任务，确定子任务的设计内容和技术要求。
2.2 硬件和软件并行设计与调试
在单片机应用系统设计过程中，硬件设计和软件设计应并行展开。即在设计各部分硬件电路过程中，同时开展相应软件功能模块的设计，并使硬软件设计相互配合、相辅相成、齐头并进，以达到提高设计质量和缩短设计周期效果。
2.3 硬件和软件联调
硬软件各功能模块独立设计、调试和测试完成之后，需适时进入硬件软件联调阶段。这个阶段的主要任务有两项。一是在相关软件的支持下对各硬件功能模块进行调试（重点是前一阶段未能调试和测试的功能模块），确认硬软件各功能模块在静态环境下均能正常工作；二是在软件运行中，对硬软件各功能模块进行调试，确认在动态环境下都能够正常工作。
2.4 编制设计文件
编制单片机应用系统设计文件对于系统硬软件维护非常重要。设计文件通常包括：设计任务书、系统元件布置图及说明、系统接线图及说明、软件框图和流程图、软件模块设计说明、源程序清单、系统测试报告。
3 单片机小型应用系统调试步骤与调试方法
在单片机应用系统设计开发过程中，需要对各单元电路和相应软件进行调试，以排除软硬件错误和各类故障，使所设计的单片机应用系统（样机）能够正常工作并符合设计任务书的要求。系统调试包括硬件电路调试、软件调试和系统（样机）调试三部分。
3.1 硬件电路静态调试
单片机应用系统硬件电路的静态调试是为了排除明显的硬件故障。双列直插集成电路器件未插入电路板之前，必须仔细检查线路连接是否正确（使用万用表或蜂音测试器）。重点短路，特别要防止电源短路。确认电路连接线无误，再插入芯片（注意方向）、接通电源，并用电压表检查各集成电路芯片插座上的电压值和极性是否正确。
3.2 软件调试
程序编写可借助开发系统提供的编辑工具或其他编辑软件，按照所用语言（C、汇编）规定的格式、语法规则等将源程序输入到开发系统中，并利用编译或汇编软件将源程序变为可执行的目标代码（可执行文件）。此阶段，编译或汇编软件会查出源程序的语法错误（显示错误代码），提示编程者修改。软件调试可利用软件模拟开发系统进行。通常这种系统是由个人计算机（PC）加模拟开发软件构成的一种完全依靠软件手段进行开发的系统，开发系统与用户系统在硬件上无任何联系。软件调试完成即可将机器码固化或下载（针对89S51/2等具有ISP功能的单片机），并安置在完成静态调试的硬件电路系统上实验。
3.3 动态在线调试
单片机应用系统配件电路的静态调试只是初步调试，仅排除了明显的静态故障。由于软件和硬件密切相关，对硬件电路动态故障的检测盒诊断，动态软件的调试等必须在联机状态下进行。动态在线调试一般借助于仿真开发工具完成。许多单片机应用系统的硬件故障（如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误）只能依靠在线仿真来排除。应用程序通常可分为与硬件无关和与硬件紧密关联两部分。对于与硬件无关的应用程序，如各种计算程序、数据处理程序等，在编译（汇编）阶段消除了语法错误，还需要在软件模拟调试阶段进一步消除逻辑错误。而对于与样机硬件紧密相关的应用程序，如借口哦驱动程序等，则必须将硬件与软件配合起来进行动态在线调试（单步运行、设置断点、全速运行），许多硬件错误只有通过与软件联合动态调试才能发现和纠正。
【参考文献】
[1]老杨.51单片机工程师是怎样炼成的-基于C语言+Proteus仿真，电子工业出版社，2012.
[2]王文杰等.单片机原理与接口技术，哈尔滨工业大学出版社，2013
[3]赵俊生等.单片机技术项目化原理与实训，电子工业出版社，2009
本文通过对单片机小型应用系统设计与开发方面的分析，提出来设计思想与设计原则、设计流程与设计任务以及系统调试步骤与方法，目的是为了便于开发人员在单片机项目中充分利用有效资源，合理设计，以求得项目的系统性和完整性。
【关键词】
单片机；小型应用系统；设计；开发
单片机应用系统是嵌入在应用对象之中的电子系统或测试系统，具有硬件软件人机交互频繁、功耗和成本约束较大等特点。在熟悉了单片机芯片、指令系统和集成开发环境，具备了过程通道、人机界面和通信接口的概念及其设计技术的基础上，本文从宏观和微观两个层面，阐述单片机应用系统设计与实现的相关问题。
1 单片机小型应用系统设计思想与设计原则
根据单片机应用系统功能复杂和软硬件结合的特点，为获得结构优化、功能完善、运行可靠、低功耗和低成本的单片机应用系统，只要应遵循以下三个方面的设计思想和设计原则。
1.1 自顶向下与自底向上相结合
单片机应用系统总体上应采用自顶向下（Top-Down）的设计方法，即从总体到局部，再到设计和实现的具体细节。通常从总体目标着眼、先明确整体总任务，再将整体任务分解成为子任务，将较大、较复杂、较难的问题分解成若干小的、简单的、易解决的问题。同时注意子任务间的联系和互动。
1.2 软硬件合理分工、相互分配
单片机应用系统具有硬件与软件紧密结合的特点。有些功能（如数据处理）只能由软件来实现，另一些功能（如A/D转换）则只能通过硬件来实现，而还有许多功能（如数字滤波）即可由软件实现，也可通过硬件来完成。软件可完成许多复杂的运算、系统的管理和控制等，具有设计灵活、修改方便的特点，但执行速度相对硬件慢很多。硬件是各种电子元器件通过特定线路构成的实体，具有很高的执行速度，但灵活性差，设计一旦完成就不易改动。
1.3 跟踪技术发展、坚持器件解决问题
随着模拟和数字集成电路技术的发展和新型电路模块的不断出现，使扩展单片机外部功能、过程通道、人机界面和通信接口等设计而面临多重选择。选择先进适用的电路模块，对于保证系统性能、降低系统成本和提高系统可靠性都十分重要，随时掌握新型电路芯片技术信息和市场信息，在这几种突出体现“器件解决问题”的原则，即尽量选择适用、集成度搞的芯片完成系统的设计。
2 单片机小型应用系统设计流程与设计任务
设计开发单片机应用系统一般需要经过三个阶段：首先，明确应用对象的各项要求、拟定总体设计方案；其次，划分硬件和软件各自实现的功能，分别开展设计工作；最后，单片机应用系统总体调试及性能测试。以上三个阶段通常不能严格区分，往往循环往复，历经多次修改才能完成。
单片机小型应用系统设计开发阶段的任务和工作内容如下：
2.1 明确设计任务、拟制总体设计方案
（1）根据应用对象要求确定单片机应用系统的功能、技术指标及相应设计任务；
（2）通过调查研究和认真论证，拟定总体设计方案，并将总体设计分解成若干个子任务，确定子任务的设计内容和技术要求。
2.2 硬件和软件并行设计与调试
在单片机应用系统设计过程中，硬件设计和软件设计应并行展开。即在设计各部分硬件电路过程中，同时开展相应软件功能模块的设计，并使硬软件设计相互配合、相辅相成、齐头并进，以达到提高设计质量和缩短设计周期效果。
2.3 硬件和软件联调
硬软件各功能模块独立设计、调试和测试完成之后，需适时进入硬件软件联调阶段。这个阶段的主要任务有两项。一是在相关软件的支持下对各硬件功能模块进行调试（重点是前一阶段未能调试和测试的功能模块），确认硬软件各功能模块在静态环境下均能正常工作；二是在软件运行中，对硬软件各功能模块进行调试，确认在动态环境下都能够正常工作。
2.4 编制设计文件
编制单片机应用系统设计文件对于系统硬软件维护非常重要。设计文件通常包括：设计任务书、系统元件布置图及说明、系统接线图及说明、软件框图和流程图、软件模块设计说明、源程序清单、系统测试报告。
3 单片机小型应用系统调试步骤与调试方法
在单片机应用系统设计开发过程中，需要对各单元电路和相应软件进行调试，以排除软硬件错误和各类故障，使所设计的单片机应用系统（样机）能够正常工作并符合设计任务书的要求。系统调试包括硬件电路调试、软件调试和系统（样机）调试三部分。
3.1 硬件电路静态调试
单片机应用系统硬件电路的静态调试是为了排除明显的硬件故障。双列直插集成电路器件未插入电路板之前，必须仔细检查线路连接是否正确（使用万用表或蜂音测试器）。重点短路，特别要防止电源短路。确认电路连接线无误，再插入芯片（注意方向）、接通电源，并用电压表检查各集成电路芯片插座上的电压值和极性是否正确。
3.2 软件调试
程序编写可借助开发系统提供的编辑工具或其他编辑软件，按照所用语言（C、汇编）规定的格式、语法规则等将源程序输入到开发系统中，并利用编译或汇编软件将源程序变为可执行的目标代码（可执行文件）。此阶段，编译或汇编软件会查出源程序的语法错误（显示错误代码），提示编程者修改。软件调试可利用软件模拟开发系统进行。通常这种系统是由个人计算机（PC）加模拟开发软件构成的一种完全依靠软件手段进行开发的系统，开发系统与用户系统在硬件上无任何联系。软件调试完成即可将机器码固化或下载（针对89S51/2等具有ISP功能的单片机），并安置在完成静态调试的硬件电路系统上实验。
3.3 动态在线调试
单片机应用系统配件电路的静态调试只是初步调试，仅排除了明显的静态故障。由于软件和硬件密切相关，对硬件电路动态故障的检测盒诊断，动态软件的调试等必须在联机状态下进行。动态在线调试一般借助于仿真开发工具完成。许多单片机应用系统的硬件故障（如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误）只能依靠在线仿真来排除。应用程序通常可分为与硬件无关和与硬件紧密关联两部分。对于与硬件无关的应用程序，如各种计算程序、数据处理程序等，在编译（汇编）阶段消除了语法错误，还需要在软件模拟调试阶段进一步消除逻辑错误。而对于与样机硬件紧密相关的应用程序，如借口哦驱动程序等，则必须将硬件与软件配合起来进行动态在线调试（单步运行、设置断点、全速运行），许多硬件错误只有通过与软件联合动态调试才能发现和纠正。
【参考文献】
[1]老杨.51单片机工程师是怎样炼成的-基于C语言+Proteus仿真，电子工业出版社，2012.
[2]王文杰等.单片机原理与接口技术，哈尔滨工业大学出版社，2013
[3]赵俊生等.单片机技术项目化原理与实训，电子工业出版社，2009