單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

張連華

（山西大學(xué)工程學(xué)院，山西 太原 030013）

1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求

1.1.1 可靠性要高

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在滿足使用功能的前提下，應(yīng)具有較高的可靠性。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)完成的任務(wù)是系統(tǒng)前端信號(hào)的采集和控制輸出，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，必然造成整個(gè)過程的混亂和失控，從而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，對(duì)可靠性的考慮應(yīng)貫穿于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。

首先，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境要進(jìn)行細(xì)致的了解，認(rèn)真分析可能出現(xiàn)的各種影響系統(tǒng)可靠性的因素，采取切實(shí)可行的措施排除故障隱患；其次，在總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮系統(tǒng)的故障自動(dòng)檢測(cè)和處理功能。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，定時(shí)地進(jìn)行各個(gè)功能模塊的自診斷，并對(duì)外界的異常情況做出快速處理。對(duì)于無法解決的問題，應(yīng)及時(shí)切換后備裝備或報(bào)警。

1.1.2 使用和維護(hù)要方便

在總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)的使用和維修方便，盡量降低對(duì)操作人員的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)的要求，以便于系統(tǒng)的廣泛使用。

系統(tǒng)控制開關(guān)不能太多，不能太復(fù)雜，操作順序應(yīng)簡(jiǎn)單明了，參數(shù)的輸入/輸出應(yīng)采用十進(jìn)制，功能符號(hào)要簡(jiǎn)明直觀。

1.1.3 為了使系統(tǒng)有良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

在提高系統(tǒng)功能指標(biāo)的同時(shí)，還要優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用硬件軟化技術(shù)提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟

1.2.1 確定任務(wù)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可以分為智能儀器儀表和工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)兩大類。無論哪一類，都必須以市場(chǎng)需求為前提。所以，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，首先要進(jìn)行廣泛的市場(chǎng)調(diào)查，了解該系統(tǒng)的市場(chǎng)應(yīng)用概況，分析系統(tǒng)當(dāng)前存在的問題，研究系統(tǒng)的市場(chǎng)前景，確定系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。簡(jiǎn)單的說，就是通過調(diào)研克服舊缺點(diǎn)，開發(fā)新功能。

在確定了大的方向基礎(chǔ)上，就應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃，包括應(yīng)該采集的信號(hào)的種類、數(shù)量、范圍、輸出信號(hào)的匹配和轉(zhuǎn)換，控制算法的選擇，技術(shù)指標(biāo)的確定等。

1.2.2 方案設(shè)計(jì)

（1）確定了研制任務(wù)后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。包括：①性能特點(diǎn)要適合所要完成的任務(wù)，避免過多的功能閑置；②性能價(jià)格比要高，以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比；③結(jié)構(gòu)原理要熟悉，以縮短開發(fā)周期；④貨源要穩(wěn)定，有利于批量的增加和系統(tǒng)的維護(hù)。

（2）硬件與軟件的功能劃分。系統(tǒng)的硬件和軟件要作統(tǒng)一的規(guī)劃。因?yàn)橐环N功能往往是既可以由硬件實(shí)現(xiàn)，又可以由軟件實(shí)現(xiàn)。要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)的性能價(jià)格比綜合確定。

一般情況下，用硬件實(shí)現(xiàn)速度比較快，可以節(jié)省CPU的時(shí)間，但系統(tǒng)的硬件接線復(fù)雜、系統(tǒng)成本較高。用軟件實(shí)現(xiàn)則較為經(jīng)濟(jì)，但要更多地占用CPU的時(shí)間，所以，在CPU時(shí)間不緊張的情況下，應(yīng)盡量采用軟件。如果系統(tǒng)回路多、實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)，則要考慮用硬件完成。例如，在顯示接口電路設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低成本可以采用軟件譯碼的動(dòng)態(tài)顯示電路。但是，如果系統(tǒng)的采樣路數(shù)多，數(shù)據(jù)處理量大時(shí)，則應(yīng)該為硬件靜態(tài)顯示。

1.2.3 硬件設(shè)計(jì)

硬件的設(shè)計(jì)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在選擇完單片機(jī)機(jī)型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元件，并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖，經(jīng)過必要的實(shí)驗(yàn)后完成工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路板制作和樣機(jī)的組裝。主要硬件包括：

圖1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程

（1）單片機(jī)電路設(shè)計(jì)。主要完成時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、共電電路的設(shè)計(jì)。

（2）擴(kuò)展電路和輸入/輸出通道設(shè)計(jì)。主要完成程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路、傳感器電路、放大電路、多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量接口電路、驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（3）控制面板設(shè)計(jì)。主要完成按鍵、開關(guān)、顯示器、報(bào)警等電路的設(shè)計(jì)。

1.2.4 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，軟件設(shè)計(jì)占有重要的位置。應(yīng)用軟件包括數(shù)據(jù)采集和處理程序、控制算法實(shí)現(xiàn)程序、人機(jī)聯(lián)系程序和數(shù)據(jù)管理程序。軟件設(shè)計(jì)通常采用模塊程序設(shè)計(jì)、自上向下的程序設(shè)計(jì)方法，見圖1。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對(duì)當(dāng)前流行的單片機(jī)主流機(jī)型充分了解，從而可以選擇最為合適的機(jī)型。

[1]周航慈.《單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)》.北京航空航天大學(xué)出版社

[2]李權(quán)利.《單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)》.高等教育出版社