什么是单片机应用系统的开发过程

单片机应用系统的设计与开发主要包括五部分内容：方案论证，硬件系统的设计，系统软件的设计，系统仿真调试和脱机运行。各部分详细内容如图 1 所示。

一、方案论证

确定开发题目后，首先要进行方案调研，这个过程至关重要，制定出一个好的方案，会使后面的开发工作较为顺利。调研工作主要解决以下几个问题：

(1) 了解用户的需求，确定设计规模和总体框架。

(2) 摸清软硬件技术难度，明确技术主攻问题。

(3) 针对主攻问题开展调研工作，查找中外有关资料，确定初步方案。

(4) 单片机应用开发技术是软硬件结合的技术，方案设计要权衡任务的软硬件分工。有时硬件设计会影响到软件程序结构。如果系统中增加某个硬件接口芯片，而给系统程序的模块化带来了可能和方便，那么这个硬件开销是值得的。在无碍大局的情况下，以软件代替硬件正是计算机技术的长处。

(5) 尽量采纳可借鉴的成熟技术，减少重复性劳动。

二、硬件系统的设计

单片机应用系统的设计可划分为两部分：一部分是与单片机直接接口的数字电路范围的电路芯片的设计。如存储器和并行接口的扩展，定时系统、中断系统扩展，一般的外部设备的接口，甚至于A/D、D/A 芯片的接口。另一部分是与模拟电路相关的电路设计，包括信号整形、变换 、隔离和选用传感器;输出通道中的隔离和驱动以及执行元件的选用。应用系统的设计应注意以下几个方面：

(1) 从应用系统的总线观念出发，各局部系统和通道接口设计与单片机要做到全局一盘棋。例如，芯片间的时间是否匹配，电平是否兼容，能否实现总线隔离缓冲等，避免“拼 盘”战术。

(2) 尽可能选用符合单片机用法的典型电路。

图 1 单片机应用系统开发设计流程图

(3) 尽可能采用新技术，选用新的元件及芯片。选用集成度高的芯片，以减少芯片数量，缩小印制板面积。例如，选用含有 51 内核的扩展多功能接口的单片机新机种 ，取代 8031 向外的一大片电路。选用无粘合接口，如数据采集系统等集成度高、功能强的数字或模拟电路芯片，取代许多小规模集成电路芯片的集合。选用 PLD 可编程逻辑器件，取代部分电路设计。

(4) 抗干扰设计是硬件设计的重要内容，如看门狗电路、去耦滤波、通道隔离、合理的印制板布线等。

(5) 当系统扩展的各类接口芯片较多时，要充分考虑到总线驱动能力。当负载超过允许范围时，为了保证系统可靠工作，必须加总线驱动器。

(6) 可用印制板辅助设计软件，如 PROTEL 进行印制板的设计。

三、应用软件设计

应用系统中测控任务的实现最终是靠程序的执行来完成的。应用软件设计的如何，将决定系统的效率和它的优劣。软件设计需注意以下几个方面：

(1) 采用模块程序设计。模块程序是把一个较长的完整的程序，如监控程序，分成若干个小的功能程序模块，在分别进行独立设计、编程、调试之后，最终装配在一起，链接成一个完整的程序。模块化程序设计便于程序移植和修改。

(2) 采用自顶向下的程序设计。程序设计时，先从系统主程序开始设计，从属的程序或子程序用程序标志代替。当主程序编好后，再将标志扩展为从属程序或子程序。

(3) 外部设备和外部事件尽量采用中断方式与 CPU 联络，这样 ，既便于系统模块化，也可提高程序效率。

(4) 近几年推出的单片机开发系统，有些是支持高级语言的，如 C51 与 PL/M96 的编程和在线跟踪调试。与汇编语言编程相比，使用高级语言编程，可大大提高开发和调试效率，而得到的目标代码质量可与汇编语言相媲美。

(5) 目前已有一些实用子程序发表，程序设计时可适当使用，其中包括运行子程序和控制算法程序等。

(6) 系统的软件设计应充分考虑到软件抗干扰措施。如数字滤波，程序跑飞的软件陷阱，软件 WATCHDOG，软件的容错设计等。

四、软硬件调试

一个单片机应用系统，经过方案论证，硬件设计，印制板设计加工和焊接，软件的编写，还要进行软硬件的调试，验证理论设计的正确性。由于单片机没有自开发能力，其应用系统调试需借助于单片机开发系统。

单片机系统主要的功能是：

(1) 程序的录入、编辑和交叉汇编功能。

(2) 提供仿真 RAM 、仿真单片机。

(3) 支持用户汇编语言(有的同时支持高级语言) 源文件跟踪调试。

(4) 目前一般的开发装置都有与通用微机的联机接口，可以利用微机环境进行调试。

(5) EPROM 的写入功能。

在利用开发装置进行调试时，应先把硬件电路调通。硬件调试可采用分块调试的方法，先易后难，先局部调试，都通过后再总调。对硬件 的分块调试可编制相应模块的测试程序，有的测试程序稍加改动就可成为功能模块程序。

在硬件基本调通，验证存储空间分配可行时，进行自顶向下的主程序的设计调试。程序的调试需在 DEBUG 环境下进行，用断点调试或连续调试 的方法，通过程序执行过程中内存或有关寄存器的状态变化找出故障点，也可借助于仪器仪表测试电路的状态和波形来验证软硬件的正确性。

五、EPROM 固化

所有开发装置调试通过的程序，最终要脱机运行，即将仿真 ROM 中运行的程序固化到 EPROM 脱机运行。但在开发装置上运行正常的程序，固化后脱机运行并不一定同样正常。若脱机运行有问题，需分析原因，如是否总线驱动功能不够，或是对接口芯片操作的时间不匹配等。经修改的程序需再次写入。