淺談單片機硬件設計需要注意的問題

欒兵

摘要：單片機技術在各行各業(yè)的控制中有著較為廣泛的應用。硬件的設計在單片機開發(fā)過程中占有重要地位，如果設計合理得當，必然會取得事半功倍的效果。故文章對單片機硬件設計需要注意的問題進行了總結分析，以供參考。

關鍵詞：單片機硬件設計

1、引言

在進行單片機應用系統(tǒng)的硬件設計時，首要問題是確定電路的總體方案，并需進行詳細的技術論證。所謂硬件電路的總體設計，即是為實現(xiàn)該項目全部基本功能所需要的所有硬件的電氣連線原理圖。初次接觸這方面工作的設計人員，往往急于求在設計總體方案上不愿花更多的時間，過于他促地開始制版和調(diào)試。這種方法不僅不妥當，而且往往是得不償失效。因為就硬件系統(tǒng)來講，電路的各部分都是緊密相關、互相協(xié)調(diào)的，任何一部分電路的考慮不充分，都會給其它部分帶來難以預料的影響，輕則使系統(tǒng)整體結構受破壞，重則導致硬件總體大返工，由此造成的手果是可想而知的。

2、在條件允許的情況下，盡可能選用功能強、集成度高的電路或芯片

因為采用這種器件可能代替某一部分電路，不僅元件數(shù)量、接插件和相互連線減少，使系統(tǒng)可靠性增加，而且成本往往比用多個元件實現(xiàn)的電路要低。

注意選擇通用性強、市場貨源充足的元器件，尤其對需大批量生產(chǎn)的場合，更應注意這方面的問題。其優(yōu)點是：一旦某種元器件無法獲得，也能用其它元器件直接替換或?qū)﹄娐飞宰鞲膭雍笥闷渌骷妗?/p>

3、在對硬件系統(tǒng)總體結構考慮時，同樣要注意通用性的問題

對于一個較復雜的系統(tǒng)，設計者往往希望將其模塊化，即對中曲控制單元、輸入接口、輸出接口、人機接口等分塊進行設計，然后采用一定的邊接方式將其組合成一個完整的系統(tǒng)。在這種情況下，連接方式就顯得非常重要，有時可選用通用接口方式，如采用STD總線結構、PC總線結構、GPIB總線結構等。因為對于這些總線結構的邊接目前應用比較廣泛，不少廠家已開發(fā)出適合于這些總線結構的接口板，如輸入板、輸出板、A/D板等。在必要的情況下，選用現(xiàn)成的模塊板作為系統(tǒng)的一部分，盡管成本有些偏高，但會大大縮短研制周期，提高工作效率。當然，在有些特殊情況和小系統(tǒng)的場合，用戶必須自行設計接口，定義連線方式。此時要注意接口協(xié)議，一旦接口方式確定下來，各個模塊的設計者應遵守該接口方式。

4、系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設計在滿足應用系統(tǒng)功能要求的基礎上，應適當留有余地，以備將來修改、擴展之需

實際上，電路設計一次成功而不作任何修改的情況是很少的，如果在設計之初未留有任何余地，后期很可能因為一點小小的改動或擴展而被迫進行全面返工。舉例來說，在進行ROM擴展時，盡量選用2764以上的芯片，這樣不僅將來升級方便，成本也會降低；在進行RAM擴展時，為使系統(tǒng)升級或增加內(nèi)存方便，系統(tǒng)的RAM空間應留足位置，哪怕多設計一個RAM插座，不插芯片好；在進行IO口擴展時，也應給出一定的余量，這樣對臨時增加一些測量通道或被控對象就極為方便了。輯外在電路板設計時，可適當安排一些機動布線區(qū)，在此區(qū)域中安排若干集成芯片插座和金屬化孔，但不布線，這樣的樣機研制過程中，若發(fā)現(xiàn)硬件電路有不足之處，需增加元器件時，可在機動布線區(qū)臨時連線來完成，從而避免整個系統(tǒng)返工。在進行模擬信號處理電路設計時，尤其要注意這一點。因為在設計這類電路時，經(jīng)常會增加一些電容、電阻等元器件。當然，一旦試驗完成，制作正式電路板時，可以去掉機動布線區(qū)。

5、設計時應盡可能地作些調(diào)研，采用最新的技術

因為電子技術發(fā)展迅速，器件更新?lián)Q代很快，市場上不斷推出性能更優(yōu)、功能更強的芯片，只有時刻注意這方面的發(fā)展動態(tài)，采用新技術、新工藝，才能使產(chǎn)品具有最先進的性能，不落后于時代發(fā)展的潮流。

6、在電路設計時，要充分考慮應用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力

一些經(jīng)驗欠缺者往往忽視電路的驅(qū)動能力及時序問題，認為原理上通就行了，其實不然。因為不同的電路有不同的驅(qū)動能力，對后級系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣。如果阻抗匹配不當，系統(tǒng)驅(qū)動能力不夠，將導致系統(tǒng)工作不可靠甚至無法工作。值得注意的是，這種不可靠很難通過一般的測試手段來確定而排除這種故障往往需要對系統(tǒng)作較大的調(diào)整。因此，在電路設計時，要注意增加系統(tǒng)的驅(qū)動能力或減少系統(tǒng)的功耗。

7、結語

在進行硬件的總體方案設計時，所涉及到的具體電路可借鑒他人在這方面進行的工作。因為經(jīng)過別人調(diào)試和考驗過的電路往往具有一定的合理性(盡管這些電路常與教科書和手冊上提供的電路不完全一致，但這也可能正是經(jīng)驗所在)。如果在此基礎上，結合自己的設計目的進行一些修改，則是一種簡便、快捷的做法。當然，有些電路還需要自己設計，完全照搬是不太可能的。

在參考別人的電路時，需對其工作原理有較透徹的分析和理解，根據(jù)其工作機理了解其適用范圍，從而確定其移植的可能性和需要修改的地方；對于有些關鍵性和尚不完全理解的電路，需要仔細分析，在設計之前先進行試驗，以確定這部分電路的正確性，并在可靠性和精度等方面進行考驗，尤其是模擬電路部分，更需進行這方面的工作。

參考文獻

[1]彭秋紅,沈占彬.《基于單片機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計》.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010

[2]蔣萌輝.《基于單片機測控系統(tǒng)抗干擾的硬件設計》.微計算機信息(測控儀表自動化),2004

[3]石麗杰.《單片機控制系統(tǒng)硬件設計》.商品與質(zhì)量·理論研究,2011.

[4]王小建,胡長勝.《單片機設計與應用》.清華大學出版社,2011.

[5]張齊,朱寧西.《單片機系統(tǒng)設計與開發(fā)》.機械工業(yè)出版社,2008.

[6]張文祥.《單片機系統(tǒng)設計與開發(fā)教程》.電子工業(yè)出版社,2011.

[7]王秋爽.《單片機開發(fā)基礎與經(jīng)典設計實例》.機械工業(yè)出版社,2008.