第14次：单片机应用系统的设计原则

单片机系统设计

教师：刘强

12.1 系统要求12.2 需求分析12.3 系统硬件设计12.4 系统软件设计

单片机应用系统的设计原则

1. 可靠性高

⑴在器件使用上，应选用可靠性高的元器件，以防止元器件的损坏影响系统的可靠运行；

⑵选用典型电路，排除电路的不稳定因素；

⑶采用必要的冗余设计或增加自诊断功能；

⑷采取必要的抗干扰措施，以防止环境干扰。可采用硬件抗干扰或软件抗干扰措施。

2. 性能价格比高

简化外围硬件电路，在系统性能许可的范围内尽可能用软件程序取代硬件电路，以降低系统的制造成本。

3. 操作维护方便

操作方便表现在操作简单、直观形象和便于操作。在系统设计时，在系统性能不变的情况下，应尽可能地简化人机交互接口。

4. 设计周期短

有效地降低系统设计成本，具有市场竞争力。

单片机应用系统的开发流程

1.确定任务

2.方案设计

开发流程图3.硬件设计与调试

4.软件设计与调试

5.系统联调

单片机应用系统的设计与开发流程图

单片机应用系统开发流程

系统的总体方案设计包括以下两个方面：

1．单片机机型和器件的选择

2．硬件与软件的功能划分

（1）性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲

置；

（2）性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比；

（3）结构原理要熟悉，以缩短开发周期；

（4）货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护。

在CPU 时间不紧张的情况下，应尽量采用软件。如果系统回路多、实时性要求强，则要考虑用硬件完成。

方案设计

硬件设计包括：

1．单片机电路设计

时钟电路、复位电路、供电电路的设计。

2．扩展电路设计

程序存储器、数据存储器、I ／O 接口电路的设计。

3. 输入输出通道设计

传感器电路、放大电路、多路开关、A ／D 转换电路、D ／A 转换电路、开关量接口电路、驱动及执行机构的设计。

4. 控制面板设计

按键、开关、显示器、报警等电路的设计。

注意：在单片机选型时，尽量考虑单片机内部有足够的程序存储器和数据存储器，以免增加系统的复杂度和硬件成本。

硬件设计

硬件调试(静态调试和动态调试）

（1）静态调试：

1）目测

2）采用万用表测试

3）加电检查

总之，静态调试是检查印制电路板、连接和元器件部分有无物理性故障，静态调试完成后，接着进行动态调试。

目测

检查印制电路板的印制线是否有断线、是否有毛刺、线与线和线与焊盘之间是否有粘连、焊盘是否脱落、过孔是否未金属化现象等。检查元器件是否焊接正确、焊点是否有毛刺、焊点是否有虚焊、焊锡是否使线与线或线与焊盘之间短路等。通过目测可以查出某些明确的器件、设计故障，并及时予以排除。

采用万用表测试

先用万用表复核目测中认为可疑的边线或接点，再

检查所有电源的电源线和地线之间是否有短路现象。这一点必须要在加电前查出，否则会造成器件或设备的毁坏。

加电检查

首先检查各电源的电压是否正常，然后检查各个芯片插座的电源端的电压是否在正常的范围内、固定引脚的电平是否正确。

然后在断电的状态下将集成芯片逐一插入相应的插座中，并加电仔细观察芯片或器件是否出现打火、过热、变色、冒烟、异味等现象，如有异常现象，应立即断电，找出原因予以排除。

（2）动态调试：

动态调试是在目标系统工作状态下，发现和排除硬件中存在的器件内部故障、器件间连接的逻辑错误等的一种硬件检查。硬件的动态调试必须在开发系统的支持下进行，故又称为联机仿真调试。

具体方法:

利用开发系统友好的交互界面，对目标系统的单片机外围扩展电路进行访问、控制，使系统在运行中暴露问题，从而发现故障予以排除。典型有效的访问、控制外围扩展电路的方法是对电路进行循环读或写操作。

软件设计与调试

单片机应用系统的软件设计通常包括数据采集和处理程序、控制算法实现程序、人机对话程序和数据处理与管理程序。

软件设计

软件设计步骤：

1.程序的总体设计

2.程序的编制

3.软件调试

程序的总体设计

程序的总体设计是指从系统高度考虑程序结构、数据格式和程序功能的实现方法和手段。程序的总体设计包括拟定总体设计方案，确定算法和绘制程序流程图等。

常用的程序设计方法：

1、模块化程序设计

2、自顶向下逐步求精程序设计

3、结构化程序设计

模块化程序设计

模块化程序设计的思想是将一个功能完整的较长的程序分解成若干个功能相对独立的较小的程序模块，各个程序模块分别进行设计、编程和调试，最后把各个调试好的程序模块装配起来进行联调，最终成为一个有实用价值的程序。

自顶向下逐步求精程序设计

自顶向下逐步求精程序设计要求从系统级的主干程序开始，从属的程序和子程序先用符号来代替，集中力量解决全局问题，然后再层层细化逐步求精，编制从属程序和子程序，最终完成一个复杂程序的设计。

结构化程序设计

结构化程序设计是一种理想的程序设计方法，它是指在编程过程中对程序进行适当限制，特别是限制转移指令的使用，对程序的复杂程度进行控制，使程序的编排顺序和程序的执行流程保持一致。

软件调试

1）先独立后联机

2）先分块后组合

3）先“单步”后“连续”

软件调试原则：

软件调试是通过对目标程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误，并加以排除纠正的过程。

系统联调问题主要解决以下问题：

（1）软、硬件是否按设计的要求配合工作；

（2）系统运行时是否有潜在的设计时难以预料的错误；

（3）系统的动态性能指标（包括精度、速度等参数）是否满足设计要求。

系统联调系统联调是指目标系统的软件在其硬件上实际运行，将软件和硬件联合起来进行调试，从中发现硬件故障或软、硬件设计错误。

单片机应用系统的开发模式

根据使用的开发工具不同可分为3种开发模式：

1、PC＋仿真器＋单片机应用系统板

可在线仿真、调试，开发效率高。但开发工具较昂贵，且仿真器通用性较差。

2、PC＋通用编程器＋单片机应用系统板

较廉价的开发模式，编程器价格较便宜，且通用性强。但开发效率低。

3、PC＋在线下载调试线＋单片机（含在线调试功能）应用系统板

可在线仿真、调试，开发效率高，同样也便于产品的后续升级。但含ISP功能的芯片价格较贵，会增加单片机应用系统板的成本，适用于后续需要不断升级的产品。