第15章单片机应用系统的设计 与调试 1
1 第15章 单片机应用系统的设计 与调试 1
第15章单片机应用系统的设计与调试 15.1单片机应用系统的设计步骤 15.2单片机应用系统设计 15.2.1硬件设计应考虑的问题 15.2.2典型的单片机应用系统 15.2.3系统设计中的总线驱动 15.2.4软件设计考虑的问题 15.2.5软件的总体框架设计 15.3单片机应用系统的仿真开发与调试 2
2 第15章 单片机应用系统的设计与调试 15.1 单片机应用系统的设计步骤 15.2 单片机应用系统设计 15.2.1 硬件设计应考虑的问题 15.2.2 典型的单片机应用系统 15.2.3 系统设计中的总线驱动 15.2.4 软件设计考虑的问题 15.2.5 软件的总体框架设计 15.3 单片机应用系统的仿真开发与调试 2
【内容概要】 本章介绍单片机应用系统的设计，内容主要包括：应用系统 的设计步骤和方法，应用系统的硬件设计以及应用程序的总体 框架设计。此外，还介绍了目前流行的单片机应用系统的仿真 开发工具以及如何利用仿真开发工具对单片机应用系统进行开 发调试。 3
3 【内容概要】 本章介绍单片机应用系统的设计，内容主要包括：应用系统 的设计步骤和方法，应用系统的硬件设计以及应用程序的总体 框架设计。此外，还介绍了目前流行的单片机应用系统的仿真 开发工具以及如何利用仿真开发工具对单片机应用系统进行开 发调试
15.1单片机应用系统的设计步骤 单片机应用系统的设计工作，首先要经过深入细致的需求分 析，周密而科学的方案论证才能使系统设计工作顺利完成。一 个单片机应用系统设计，一般可分为4个阶段。 (1)明确任务和需求分析以及拟定设计方案阶段 明确系统所要完成的任务十分重要，它是设计工作的基础， 设计方案正确性的保证。 需求分析的内容主要包括：被测控参数的形式（电量、非电 量、模拟量、数字量等)、被测控参数的范围、性能指标、系 统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。 4
4 15.1 单片机应用系统的设计步骤 单片机应用系统的设计工作，首先要经过深入细致的需求分 析，周密而科学的方案论证才能使系统设计工作顺利完成。一 个单片机应用系统设计，一般可分为4个阶段。 （1）明确任务和需求分析以及拟定设计方案阶段 明确系统所要完成的任务十分重要，它是设计工作的基础， 设计方案正确性的保证。 需求分析的内容主要包括：被测控参数的形式（电量、非电 量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系 统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等
拟定设计方案是根据任务的需求分析，先确定大致方向和 准备采用的手段。注意，在进行设计方案确定的时候，简单 的方法往往可以解决大问题，切忌“将简单的问题复杂化” (2)硬件和软件设计阶段 根据拟定的设计方案，设计出相应的系统硬件电路。硬件 设计的前提是必须能够完成系统的要求和保证可靠性。在硬 件设计时，如果能够将硬件电路设计与软件设计结合起来考 虑效果会更好。因为当有些问题在硬件电路中无法完成时， 可直接由软件来完成（如某些软件滤波、校准功能等）；当 软件编写程序很麻烦的时候，通过稍稍改动硬件电路（或尽 可能不改动)可能会使软件变得十分简单。另外在一些要求 5
5 拟定设计方案是根据任务的需求分析，先确定大致方向和 准备采用的手段。注意，在进行设计方案确定的时候，简单 的方法往往可以解决大问题，切忌“将简单的问题复杂化” （2）硬件和软件设计阶段 根据拟定的设计方案，设计出相应的系统硬件电路。硬件 设计的前提是必须能够完成系统的要求和保证可靠性。在硬 件设计时，如果能够将硬件电路设计与软件设计结合起来考 虑效果会更好。因为当有些问题在硬件电路中无法完成时， 可直接由软件来完成（如某些软件滤波、校准功能等）；当 软件编写程序很麻烦的时候，通过稍稍改动硬件电路（或尽 可能不改动）可能会使软件变得十分简单。另外在一些要求 5
系统实时性强、响应速度快的场合，则往往必须用硬件代替软 件来完成某些功能。所以在硬件电路设计时，最好能够与软件 的设计结合起来，统一考虑，合理地安排软、硬件的比例，使 系统具有最佳的性/价比。当硬件电路设计完成后，就可进行硬 件电路板的绘制和焊接工作了。 接下来的工作就是软件设计。正确的编程方法就是根据需求 分析，先绘制出软件的流程图，该环节十分重要。流程图的绘 制往往不能一次成功，通常需要进行多次的修改。流程图的绘 制可按照由简到繁的方式再逐步细化，先绘制系统大体上需要 执行的程序模块，然后将这些模块按照要求组合在一起，在大 方向没有问题后，再将每个模块进行细化，最后形成软件流程 6
6 系统实时性强、响应速度快的场合，则往往必须用硬件代替软 件来完成某些功能。所以在硬件电路设计时，最好能够与软件 的设计结合起来，统一考虑，合理地安排软、硬件的比例，使 系统具有最佳的性/价比。当硬件电路设计完成后，就可进行硬 件电路板的绘制和焊接工作了。 接下来的工作就是软件设计。正确的编程方法就是根据需求 分析，先绘制出软件的流程图，该环节十分重要。流程图的绘 制往往不能一次成功，通常需要进行多次的修改。流程图的绘 制可按照由简到繁的方式再逐步细化，先绘制系统大体上需要 执行的程序模块，然后将这些模块按照要求组合在一起，在大 方向没有问题后，再将每个模块进行细化，最后形成软件流程 6
图，这样程序的编写速度就会很快，同时程序流程图还会为 后面的调试工作带来很多方便，如程序调试中某个模块不正 常，就可以通过流程图来查找问题的原因。软件编写者一定 要克服不绘制流程图直接在计算机上编写程序的习惯。 设计者也可以先使用虚拟仿真开发工具Proteus来进行单 片机系统的仿真设计。使用Proteus完成的单片机系统设计 与用户样机在硬件上无任何联系，这是一种完全用软件手段 来对单片机硬件电路和软件来进行设计、开发与仿真调试的 开发工具。如果一个单片机的软硬件系统，先使用软件虚拟 仿真工具进行系统设计并仿真调试通过，虽然还不能完全说 7
7 图，这样程序的编写速度就会很快，同时程序流程图还会为 后面的调试工作带来很多方便，如程序调试中某个模块不正 常，就可以通过流程图来查找问题的原因。软件编写者一定 要克服不绘制流程图直接在计算机上编写程序的习惯。 设计者也可以先使用虚拟仿真开发工具Proteus来进行单 片机系统的仿真设计。使用Proteus完成的单片机系统设计 与用户样机在硬件上无任何联系，这是一种完全用软件手段 来对单片机硬件电路和软件来进行设计、开发与仿真调试的 开发工具。如果一个单片机的软硬件系统，先使用软件虚拟 仿真工具进行系统设计并仿真调试通过，虽然还不能完全说 7
明实际系统就完全通过，但至少在逻辑上是行得通的。系统 虚拟仿真通过后，再进行实际的软硬件设计与实现，可大大 减少设计上所走的弯路，软件编写调试可与硬件设计同步进 行，可大大提高设计效率，这也是目前世界上广泛流行的一 种开发设计方法。 (3)硬件与软件联合调试阶段 上述的软硬件系统虚拟设计仿真调试通过后，再使用硬件 仿真开发工具（在线仿真器）与用户样机来进行实际调试， 具体的调试方法和过程，将在本章的后面进行介绍。 所有的软件和硬件电路全部调试通过，并不意味着单片机系 统的设计成功，还需要通过实际运行来调整系统的运行状 8
8 明实际系统就完全通过，但至少在逻辑上是行得通的。系统 虚拟仿真通过后，再进行实际的软硬件设计与实现，可大大 减少设计上所走的弯路，软件编写调试可与硬件设计同步进 行，可大大提高设计效率，这也是目前世界上广泛流行的一 种开发设计方法。 （3）硬件与软件联合调试阶段 上述的软硬件系统虚拟设计仿真调试通过后，再使用硬件 仿真开发工具（在线仿真器）与用户样机来进行实际调试， 具体的调试方法和过程，将在本章的后面进行介绍。 所有的软件和硬件电路全部调试通过，并不意味着单片机系 统的设计成功，还需要通过实际运行来调整系统的运行状 8
态，例如系统中的AD转换结果是否正确，如果不正确，是否 要调零和调整基准电压等。 (4)资料与文件整理编制阶段 当系统全部调试通过后，就进入资料与文件整理编制阶段。 资料与文件包括：任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、 性能测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料（流程 图、子程序使用说明、地址分配、程序清单)、硬件资料（电 原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注 意事项)。文件不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维 修以及进一步再设计的依据。因此，一定要精心编写，描述清 楚，使数据及资料齐全。 9
9 态，例如系统中的A/D转换结果是否正确，如果不正确，是否 要调零和调整基准电压等。 （4）资料与文件整理编制阶段 当系统全部调试通过后，就进入资料与文件整理编制阶段。 资料与文件包括：任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、 性能测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料（流程 图、子程序使用说明、地址分配、程序清单）、硬件资料（电 原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注 意事项）。文件不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维 修以及进一步再设计的依据。因此，一定要精心编写，描述清 楚，使数据及资料齐全。 9
15.2单片机应用系统设计 本节介绍如何进行单片机应用系统的设计。主要从硬件设 计和软件设计两个方面考虑。 15.2.1硬件设计应考虑的问题 在硬件设计时，应重点首先考虑以下几个问题。 1.尽可能采用高集成度功能强的芯片 (1)单片机的选型。随着集成电路技术的飞速发展，单片 机的集成度越来越高，许多外围部件都已集成在芯片内，有 许多单片机本身就是一个系统，这样可以省去许多外围部件 的扩展工作，使设计工作大大简化。在第1章中，已经介绍 10
10 15.2 单片机应用系统设计 本节介绍如何进行单片机应用系统的设计。主要从硬件设 计和软件设计两个方面考虑。 15.2.1 硬件设计应考虑的问题 在硬件设计时，应重点首先考虑以下几个问题。 1．尽可能采用高集成度功能强的芯片 （1）单片机的选型。随着集成电路技术的飞速发展，单片 机的集成度越来越高，许多外围部件都已集成在芯片内，有 许多单片机本身就是一个系统，这样可以省去许多外围部件 的扩展工作，使设计工作大大简化。在第1章中，已经介绍 10