本站原创【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