應(yīng)用系統(tǒng)的研制步驟和方法

1、2 0 1 4單片機應(yīng)用系統(tǒng)的研制步驟和方法2015-10-14上海大學(xué)上海大學(xué)目錄 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概論1 1 單片機應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計2 2 單片機應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計3 3上海大學(xué)上海大學(xué) 單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試4 4上海大學(xué)上海大學(xué)單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概論單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計概論 由于單片機應(yīng)用系統(tǒng)的多樣性和技術(shù)指標(biāo)不同，研制的方法、步驟不完全一樣。研制工作包括硬件和軟件兩個方面，硬件指單片機、外圍器件、I/O設(shè)備組成的機器，軟件是各種操作程序的總稱。硬件和軟件緊密配合、協(xié)調(diào)一致，才能組成一個高性能的應(yīng)用系統(tǒng)。Add your title硬件設(shè)計在線調(diào)試總體設(shè)計軟件設(shè)計產(chǎn)品化上海大學(xué)上海大學(xué)應(yīng)用系

2、統(tǒng)研制過程流程應(yīng)用系統(tǒng)研制過程流程 上海大學(xué)上海大學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計1 確定功能技術(shù)指標(biāo)確定功能技術(shù)指標(biāo) 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的研制是從確定功能技術(shù)指標(biāo)開始的，它是系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)和出發(fā)點，也是決定產(chǎn)品前途的關(guān)鍵。2 機型和器件選擇機型和器件選擇 選擇單片機機型依據(jù)是市場貨源、單片機性能、開發(fā)工具和熟悉程度。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，選擇合適本系統(tǒng)的單片機型號。接著再選擇合適的傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和I/O設(shè)備。3 硬件和軟件功能劃分硬件和軟件功能劃分 系統(tǒng)硬件的配置和軟件的設(shè)計是緊密聯(lián)系的，有些功能可以由硬件實現(xiàn)也可以由軟件實現(xiàn)，如系統(tǒng)日歷時鐘，鍵盤的掃描。對于生產(chǎn)批量大的產(chǎn)品，能由軟件實現(xiàn)的功能

3、盡量由軟件完成，以利簡化硬件結(jié)構(gòu)，降低成本。仔細(xì)劃分好軟、硬件的功能。 上海大學(xué)上海大學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)對硬件的需求，可分為小系統(tǒng)、緊湊系統(tǒng)、大系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)模式。1、小系統(tǒng) 將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器包含于單片機內(nèi)，P0和P2口作為一般的I/0接口連接輸入/輸出設(shè)備或被控對象，這樣的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)稱為小系統(tǒng)。小系統(tǒng)模式是單片機應(yīng)用系統(tǒng)最常用的硬件結(jié)構(gòu)模式。上海大學(xué)上海大學(xué)2、大規(guī)模系統(tǒng) 系統(tǒng)中有大量的程序儲存器和數(shù)據(jù)存儲器在單片機外，P0和P2口作為系統(tǒng)擴展的外部地址總線和數(shù)據(jù)總線，這樣的單片機應(yīng)用系統(tǒng)稱為大規(guī)模系統(tǒng)。3、緊湊系統(tǒng) 系統(tǒng)

4、中有少量的數(shù)據(jù)儲存器或I/O接口在單片機外，P0作為系統(tǒng)擴展的外部地址總線和數(shù)據(jù)總線，而P2口的一部分作為地址總線，另一部作為一般的輸入輸出接口，這樣的單片機應(yīng)用系統(tǒng)稱為緊湊系統(tǒng)。上海大學(xué)上海大學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計單片機軟件研制過程流程圖單片機軟件研制過程流程圖上海大學(xué)上海大學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計1.首先根據(jù)總體設(shè)計的要求進行系統(tǒng)定義，即把軟件要完成工作劃分成一個個任務(wù)。2.根據(jù)軟件需要完成的各個任務(wù)，確定整個軟件結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)各任務(wù)的要求，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，行程算法。4.根據(jù)軟件結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，畫出程序流程圖。5.根據(jù)程序流程圖編寫程序。6.對編寫的源程序

5、進行匯編、調(diào)試、修改。7.將調(diào)好的程序用編程器固化在程序存儲器中。上海大學(xué)上海大學(xué)在軟件設(shè)計中一般需考慮以下幾個方面：（1）根據(jù)要求確定軟件的具體任務(wù)細(xì)節(jié)，然后確定合理的軟件結(jié)構(gòu)。一般系統(tǒng)軟件由主程序和若干個子程序及中斷服務(wù)程序組成，要確定各個中斷的優(yōu)先級。在子程序和中斷服務(wù)程序中，要考慮現(xiàn)場的保護和恢復(fù)以及它們和主程序之間的信息交換方法。（2）程序的結(jié)構(gòu)一般常用模塊化結(jié)構(gòu)，即把監(jiān)控程序分解為若干個功能相對獨立的較小的程序模塊分別設(shè)計，以便于調(diào)試。具體設(shè)計時可采用自底向上或自頂向下的方法。（3）在程序設(shè)計完成后，利用相應(yīng)的開發(fā)工具和軟件進行程序的匯編（或編譯），生成程序的機器碼。 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

6、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計上海大學(xué)上海大學(xué)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 盡管單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的程序是千差萬別的，可是整個軟件結(jié)構(gòu)基本上是相同的，整個軟件結(jié)構(gòu)主要有三部分組成。1.初始化程序：對單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬 件和軟件進行初始化。2.巡視程序：巡視各操作要求。3.處理程序：完成各事件所要求的操作。上海大學(xué)上海大學(xué) 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(b) 中斷程序結(jié)構(gòu) (a) 主程序結(jié)構(gòu) 上海大學(xué)上海大學(xué) 系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù) 系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟、硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。根據(jù)調(diào)試環(huán)境不同，系統(tǒng)調(diào)試又分為模擬調(diào)試與現(xiàn)場調(diào)試。各種調(diào)試所起的作用是不同的，它們所處的時間段也不一樣，不過它們的目的都是為了查出用戶

7、系統(tǒng)中存在的錯誤或缺陷。系統(tǒng)調(diào)試的一般過程如下圖。 上海大學(xué)上海大學(xué) 單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試工具單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試工具 當(dāng)用戶樣機完成硬件和軟件設(shè)計，全部元器件安裝完畢后，在用戶樣機的程序存儲器中放入編寫好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運行。但應(yīng)用程序運行一次性成功幾乎是不可能的，多少會存在一些軟件、硬件上的錯誤，需借助單片機的系統(tǒng)調(diào)試工具進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)錯誤并加以改正。最常用的調(diào)試工具有單片機開發(fā)系統(tǒng)、萬用表、邏輯筆、邏輯脈沖發(fā)生器與模擬信號發(fā)生器、示波器和邏輯分析儀等幾種。其中，萬用表、示波器及開發(fā)系統(tǒng)是最基本的、必備的調(diào)試工具。上海大學(xué)上海大學(xué) 單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介 單片機只是一

8、個芯片，既沒有鍵盤，又沒有CRT、LED顯示器，無法進行軟件的開發(fā)（如編輯、匯編、調(diào)試程序等），必須借助某種開發(fā)工具（也稱為仿真開發(fā)系統(tǒng)）所提供的開發(fā)手段。一般來說，仿真開發(fā)工具應(yīng)具有如下最基本功能：1）用戶樣機程序的輸入與修改；2）程序的運行、調(diào)試（單步運行、設(shè)置斷點運行）、排錯、狀態(tài)查詢等功能；3）用戶樣機硬件電路的診斷與檢查；4）有較全的開發(fā)軟件。用戶可用匯編語言或C語言編制應(yīng)用程序；由開發(fā)系統(tǒng)編譯連接生成目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件。配有反匯編軟件，能將目標(biāo)程序轉(zhuǎn)換成匯編語言程序；有豐富的子程序可供用戶選擇調(diào)用；5）將調(diào)試正確的程序?qū)懭氲匠绦虼鎯ζ髦小?上海大學(xué)上海大學(xué)單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介單

9、片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介通用機仿真開發(fā)系統(tǒng)目前國內(nèi)使用較多的仿真開發(fā)系統(tǒng)大致分為如下兩類：1）通用機仿真開發(fā)系統(tǒng)）通用機仿真開發(fā)系統(tǒng) 目前設(shè)計者使用最多的一類開發(fā)裝置，是一種通過PC機的并行口、串行口或USB口，外加在線仿真器的仿真開發(fā)系統(tǒng)，如下圖所示。上海大學(xué)上海大學(xué)單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)簡介2）軟件仿真開發(fā)工具）軟件仿真開發(fā)工具Proteus 它是一種完全用軟件手段對單片機應(yīng)用系統(tǒng)進行仿真開發(fā)的。軟件仿真開發(fā)工具與用戶樣機在硬件上無任何聯(lián)系。通常這種系統(tǒng)是由PC機上安裝仿真開發(fā)工具軟件構(gòu)成，可進行應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、仿真、開發(fā)與調(diào)試。 上海大學(xué)上海大學(xué) 盡管Proteus軟件具有

10、開發(fā)效率高，不需要附加的硬件開發(fā)裝置成本。但是軟件模擬器是使用純軟件來對用戶系統(tǒng)仿真，對硬件電路的實時性還不能完全準(zhǔn)確地模擬，不能進行用戶樣機硬件部分的診斷與實時在線仿真。因此，在系統(tǒng)開發(fā)中，一般是先用Proteus設(shè)計出系統(tǒng)的硬件電路，編寫程序，然后在Proteus環(huán)境下仿真調(diào)試通過。然后依照仿真的結(jié)果，完成實際硬件設(shè)計。再將仿真通過的程序燒錄到編程器中，然后安裝到用戶樣機硬件板上去觀察運行結(jié)果，如有問題，再連接硬件仿真器去分析、調(diào)試。 上海大學(xué)上海大學(xué) 硬件調(diào)試硬件調(diào)試 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試是分不開的，通常是先排除明顯的硬件故障后再和軟件結(jié)合起來進行調(diào)試。常見的硬件故障有邏輯錯誤、元

11、器件失效、可靠性差和電源故障等。 硬件調(diào)試可分靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試兩步進行。其中，靜態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)未工作時的一種硬件檢查；動態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內(nèi)部故障、器件間連接邏輯錯誤等的一種硬件檢查。由于單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件動態(tài)調(diào)試是在開發(fā)系統(tǒng)的支持下完成的，故又稱為聯(lián)機仿真或聯(lián)機調(diào)試。 上海大學(xué)上海大學(xué) 在進行硬件調(diào)試時先進行靜態(tài)調(diào)試，主要有以下幾個工作。 1.在樣機加電前根據(jù)原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查線路，核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否正確。2.加電檢查各點電位是否正常3.借助仿真器進行聯(lián)機調(diào)試，分別測試擴展的RAM、I/O口、I/O設(shè)備、程序存儲器以及晶

12、振和復(fù)位電路，改正其中的錯誤。 上海大學(xué)上海大學(xué) 軟件調(diào)試軟件調(diào)試 軟件調(diào)試就是排查系統(tǒng)軟件中的錯誤。常見的軟件錯誤有程序失控、中斷錯誤（不響應(yīng)中斷或循環(huán)響應(yīng)中斷）、輸入/輸出錯誤和處理結(jié)果錯誤等類型。通常是把各個程序模塊分別進行調(diào)試，通過后再組合到一塊進行綜合調(diào)試。1) 先獨立后聯(lián)機從宏觀來說，單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件與硬件是密切相關(guān)、相輔相成的。通過對用戶程序的仔細(xì)分析，把與硬件無關(guān)的、功能相對獨立的程序段抽取出來，形成與硬件無關(guān)和依賴于硬件的兩大類用戶程序塊。這一劃分工作在軟件設(shè)計時就應(yīng)充分考慮。2) 先分塊后組合如但這兩部分程序仍較為龐大的話，常規(guī)的調(diào)試方法是分別對兩類程序塊進一步采用分

13、模塊調(diào)試，以提高軟件調(diào)試的有效性。 3) 先單步后連續(xù)調(diào)試好程序模塊的關(guān)鍵是實現(xiàn)對錯誤的正確定位。準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)程序(或硬件電路)中錯誤的最有效方法是采用單步加斷點運行方式調(diào)試程序。上海大學(xué)上海大學(xué)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)主要解決以下問題：（1） 軟、硬件能否按預(yù)定要求配合工作？如果不能，那么問題出在哪里？如何解決？（2） 系統(tǒng)運行中是否有潛在的設(shè)計時難以預(yù)料的錯誤？如硬件延時過長造成工作時序不符合要求，布線不合理造成有信號串?dāng)_等。（3） 系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)(包括精度、速度參數(shù))是否滿足設(shè)計要求？ 上海大學(xué)上海大學(xué) 現(xiàn)場調(diào)試現(xiàn)場調(diào)試 一般情況下，通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后，用戶系統(tǒng)就可以按照設(shè)計目標(biāo)正常工作了

14、。但在某些情況下，由于用戶系統(tǒng)運行的環(huán)境較為復(fù)雜(如環(huán)境干擾較為嚴(yán)重、工作現(xiàn)場有腐蝕性氣體等)，在實際現(xiàn)場工作之前，環(huán)境對系統(tǒng)的影響無法預(yù)料，只能通過現(xiàn)場運行調(diào)試來發(fā)現(xiàn)問題，找出相應(yīng)的解決方法；或者雖然已經(jīng)在系統(tǒng)設(shè)計時考慮到抗干擾的對策，但是否行之有效，還必須通過用戶系統(tǒng)在實際現(xiàn)場的運行來加以驗證。另外，有些用戶系統(tǒng)的調(diào)試是在用模擬設(shè)備代替實際監(jiān)測、控制對象的情況下進行的，這就更有必要進行現(xiàn)場調(diào)試，以檢驗用戶系統(tǒng)在實際工作環(huán)境中工作的正確性。上海大學(xué)上海大學(xué) 單片機應(yīng)用系統(tǒng)實例單片機應(yīng)用系統(tǒng)實例簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計系統(tǒng)的功能要求系統(tǒng)的功能要求 簡易數(shù)字電壓表可以測量05 V

15、的8路輸入電壓值，并在四位LED數(shù)碼管上輪流顯示或單路選擇顯示。測量最小分辨率為0. 019 V，測量誤差約為士0.02 V。 系統(tǒng)的方案論證系統(tǒng)的方案論證按系統(tǒng)功能實現(xiàn)要求，決定控制系統(tǒng)采用AT89C52單片機，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809。系統(tǒng)除能確保實現(xiàn)要求的功能外，還可以方便地進行8路其它A/D轉(zhuǎn)換量的測量、遠程測量結(jié)果傳送等擴展功能。數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計方案框圖如圖9-7。上海大學(xué)上海大學(xué) 數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計方案 上海大學(xué)上海大學(xué) 數(shù)字電壓表電路原理圖上海大學(xué)上海大學(xué) 系統(tǒng)的系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計 簡易數(shù)字電壓測量電路由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示控制等組成。A/D轉(zhuǎn)換由集成電路

16、0809完成。0809具有8路模擬輸入端口，地址線（2325腳）可決定對哪一路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換。單片機的P1、P3.0P3.3端口作為四位LED數(shù)碼管顯示控制。P3.5端口用作單路顯示/循環(huán)顯示轉(zhuǎn)換按鈕，P3.6端口用作單路顯示時選擇通道。P0端口作A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用，P2端口用作0809的A/D轉(zhuǎn)換控制。 上海大學(xué)上海大學(xué)系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計 1初始化程序 系統(tǒng)上電時，初始化程序?qū)?0H77H內(nèi)存單元清0，P2口置12主程序 在剛上電時，系統(tǒng)默認(rèn)為循環(huán)顯示8個通道的電壓值狀態(tài)當(dāng)進行一次測量后， 將顯示每一通道的A/D轉(zhuǎn)換值，每個通道的數(shù)據(jù)顯示時間為1s左右，主程序在調(diào)用顯示子程序和測試子

17、程序之間循環(huán)。3顯示子程序 顯示子程序采用動態(tài)掃描法實現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。測量所得的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在70H77H內(nèi)存單元中，測量數(shù)據(jù)在顯示時需轉(zhuǎn)換成為十進制BCD碼放在78H7BH單元中，其中7BH存放通道標(biāo)志數(shù)。寄存器R3用作8路循環(huán)控制，R0用作顯示數(shù)據(jù)地址指針。4模/數(shù)轉(zhuǎn)換測量子程序 模/數(shù)轉(zhuǎn)換測量子程序用來控制對0809八路模擬輸入電壓的A/D轉(zhuǎn)換，并將對應(yīng)的數(shù)值移入70H77H內(nèi)存單元。其程序流程見圖(b)。 上海大學(xué)上海大學(xué)(a) 主程序流程圖 (b) A/D轉(zhuǎn)換流程圖 上海大學(xué)上海大學(xué) 系統(tǒng)的性能分析 1制作測試 程序經(jīng)編譯及仿真調(diào)試，同時進行硬件電路板的設(shè)計制作，程序固化后進行軟硬件聯(lián)調(diào)，最后進行電壓的對比測