第2章 单片机应用系统的开发过程

第2章单片机应用系统的开发过程单片机应用系统是指以单片机芯片为核心，配以一定的外围电路和软件，能实现某种或几种功能的应用系统。单片机应用系统的开发工作主要包括应用系统硬件电路的设计和单片机控制程序设计两个部分，其中又以单片机控制程序的设计为核心。第2章单片机应用系统的开发过程一般来说，单片机应用系统的开发过程主要包括：系统分析、单片机选型、程序设计、仿真测试并最终下载到实际硬件电路中执行。单片机应用系统开发的整个流程如图2.1所示。2.1单片机应用系统的设计要求不同的单片机应用系统由于应用目的不同，设计时自然要考虑其应用特点。如智能仪器仪表，要求有较高的测量精度，功能齐全；对工业实时控制系统，则要求有较强的实时控制能力，较完善的输入/输出设备；而对数据采集系统，则要求具有一定的精度和较强的数据处理能力等等。所以，设计一个符合生产要求的单片机应用系统，就必须要充分了解这个系统的应用目的和其特殊性，才能真正做到有的放矢，提出合理、可行的设计方案。2.1单片机应用系统的设计要求一般来说，单片机应用系统的设计原则是：1.系统功能应满足生产要求；2.系统运行应安全可靠；3.系统具有较高的性能价格比；4.系统易于操作和维护；5.系统功能应灵活，便于扩展；6.系统具有自诊断功能；7.系统能与上位机通信或并用。在这些原则中，适用、可靠、经济最为重要。对于一个应用系统的设计要求，应根据具体任务和实际情况进行具体分析后提出。2.2单片机应用系统的开发过程单片机应用系统类型很多，用途和功能各异，故构成系统的硬件和软件也不相同；但就应用系统的设计和开发过程来说，却是基本相同的。2.2.1系统分析设计者在开始单片机应用系统开发之前，除了需要掌握单片机的硬件及程序设计方法外，还需要对整个系统进行可行性分析和系统总体方案分析。这样，可以避免因盲目地工作而浪费宝贵的时间。可行性分析用于明确整个设计任务在现有的技术条件和个人能力上是可行的。2.2.1系统分析首先，要保证设计要求可以利用现有的技术来实现。一般可以通过查找相关文献、寻找类似设计等方法找到与该任务相关的设计方案。这样可以参考这些相关的设计，分析该项目是否可行以及如何实现。如果设计的是一个全新的项目，则需要了解该项目的功能需求、体积和功耗等，同时需要对当前的技术条件和器件性能非常熟悉，以确保合适的器件能够完成所有的功能。2.2.1系统分析其次，需要了解整个项目开发所需要的知识是否都具备。如果不具备，则需要估计在现有的知识背景和时间限制下能否掌握并完成整个设计。必要的时候，可以选用成熟的开发板来加快学习和程序设计的速度。完成可行性分析后，便进入系统总体方案设计阶段。设计者可参考前面可行性分析中查找到的相关资料及本系统的应用要求和现有条件，初步规划本设计所采用的器件以及实现的功能和技术指标。接着，再制定合理的时间计划表，编写设计的任务书，从而完成系统总体方案设计。2.2.2单片机的选型单片机应用系统的开发过程中，单片机是整个设计的核心。设计者需要为单片机安排合适的外部器件，同时还需要设计整个控制软件，因此选择合适的单片机型号很重要。目前，市场上的单片机种类繁多，在进行正式的单片机应用系统开发之前，需要根据不同单片机的特性，可以从中作出合理的选择。2.2.2单片机的选型一、单片机选型注意事项1.仔细调查市场，尽量选用主流的、货源充足的单片机型号，这些器件使用的比较广泛，有许多设计资料供学习或参考。2.尽量选择所需的硬件资源集成在单片机内部的型号，例如：ADC、DAC、I2C、SPI和USB等。这样便于整个控制系统的软件管理，减少外部硬件的投入，缩小整体电路板面积，从而减少总体投资等。2.2.2单片机的选型3.对于手持式设备、移动设备等需要低功耗设备，尽量选择低电压、低功耗单片机型号，这样可以减少能量的消耗，延长设备的使用寿命。4.在资金等条件允许的情况下，尽量选择功能丰富、扩展能力强的单片机，这样便于以后的功能升级和扩展。5.对于体积有限制的产品，尽量选择贴片封装的单片机型号，这样可以减少电路板面积，从而降低硬件成本，同时也有助于电磁兼容设计。2.2.2单片机的选型二、各大公司单片机简介目前，市场上的单片机种类很多，不同厂商均推出很多不同侧重功能的单片机类型。设计者需要了解目前主流的一些单片机，这样便于选择合适的芯片进行设计。2.2.2单片机的选型1.Atmel单片机介绍Atmel的产品非常丰富，除基本的51系列单片机外，还包括针对不同设计领域的专用51内核单片机。Atmel的51内核单片机有如下几类：□单周期8051内核单片机。例如AT89LP213、AT89LP214、AT89LP216、AT89LP2052、4052等。□FlashISP在系统编程单片机。例如：AT89C51、AT89LS51、AT89LS52、AT89S2051、AT89S4051、AT89S51、AT89S52、AT89S8253等。□USB接口单片机。AT83C5134、AT83C5135、AT83C5136、AT89C5130、AT89C5131、AT89C5132。2.2.2单片机的选型□智能卡接口的单片机。例如：AT83C5121、AT83C5122、AT83C5123、AT83C5127、AT85C5121、AT85C5122、AT89C5121等。□MP3专用单片机。例如：AT85C51SND3、AT89C51SND2C、AT89C51SND1C、AT83SND2C、AT83SND1C。2.2.2单片机的选型2.Cypress单片机介绍Cypress公司的51内核单片机主要扩展了USB接口。其中包括USB嵌入式主机、USB低速、全速和高速设备等，其中典型的USB嵌入式主机为SL811HST，典型的USB全速设备为AN21xx系列，使用最为广泛的USB高速设备为CY7C68013等。2.2.2单片机的选型3.Infineon单片机介绍Infineon公司的产品包括标准的8051内核以及符合工业标准的8051单片机，主要包括XC800系列和C500/C800系列。其中，新型的XC800系列单片机采用高性能8051内核、片上集成闪存和ROM存储器以及功能强大的外设组，如增强型CAPCOM6(CC6)、CAN、LIN和10位ADC，包括XC886/888CLM、XC886/888LM、XC866等。C500/C800系列单片机是基于工业标准8051架构的微处理器，具有CAN、SPI等资源，包括C515C、C505CA、C868等。2.2.2单片机的选型4.Silicon单片机介绍SiliconLaboratories公司的C8051F系列单片机，集成了一流的模拟功能、Flash、JTAG的调试功能最高可达100MIPS的8051CPU以及系统内现场可编程性。C8051F系列单片机有如下几类。□USB混合信号微处理器。例如C8051F340、C8051F341、C8051F342、C8051F343、C8051F344、C8051F345、C8051F320、C8051F321等。□精密混合信号微处理器。例如C8051F120、C8051F121、C8051F130、C8051F133、C8051F350、C8051F020、C8051F021、C8051F064等。□CAN接口的混合信号微处理器。例如：C8051F040、C8051F041、C8051F060、C8051F061、C8051F062、C8051F063等。2.2.2单片机的选型5.Maxim单片机介绍Maxim产品线很丰富，其8051兼容微控制器主要有如下几类：□高速微处理器。这类微处理器每机器周期使用一个时钟，速度是标准8051的33倍。例如：DS89C450、DS87C530、DS87C520、DS83C520、DS80CH11、DS80C323、DS80C320等。□安全微控制器。具有防篡改能力的微控制器，例如：DS5250、DS5000、DS2250、DS2252T、DS907X、DS2252T等。□网络微控制器。例如DS80C411、DS80C400、DS80C390等。2.2.2单片机的选型6.NXP单片机介绍NXP半导体公司的前身是Philips半导体公司，它推出了多种单片机微控制器。主要包括LPC7000系列单片机、LPC9000系列多用途Flash单片机和基本的80C51系列单片机。2.2.2单片机的选型7.Winbond单片机介绍Winbond系列单片机由中国台湾的华邦电子推出，具有丰富的产品线。主要有如下几类：□标准51单片机。如W78C32、W78E51B、W78E516、W78E858、W78C54、W78C801等。□宽电压单片机。如W78L32、W78L51、W78L801、W78LE51、W78LE82。□增强C51单片机。如W77C32、W77L32、W77E58、W77LE58等。□工业温度级单片机。如W78IE52、W78IE54、W77IC32、W77IE58等。2.2.2单片机的选型8.AnalogDevices单片机介绍美国ADI公司(AnalogDeviceInc)以其生产各种高性能的模拟器件著称，它先后推出了集成诸多精密模拟资源的ADuC800系列单片机。例如：ADuC812、ADuC824、ADuC831、ADuC832、ADuC836、ADuC841、ADuC842、ADuC848等。2.2.2单片机的选型9.TI单片机介绍美国德州仪器(TI)公司提供两类具有嵌入式8051/8052微控制器的产品系列。其中MicroSystems(MSC)产品系列包括嵌入式数据获取解决方案，例如MSC1200、MSC1201、MSC1202、MSC1210、MSC1211、MSC1212、MSC1213、MSC1214等。TUSB产品系列包括USB嵌入式连接解决方案，例如：TUSB2136、TUSB5052、TUSB6xxx等。2.2.2单片机的选型10.普芯达单片机介绍上海普芯达电子有限公司提供多种半导体器件，该公司新推出的CW89F系列和CW89FE系列单片机很有特色。其中CW89F系列单片机，具有标准的8051内核、大电流I/O端口，同时提供了VML虚拟固件库将常用的数字模块模拟模块、通信接口模块等集成在一起，减少客户的程序代码，方便了用户的使用。另外，CW89FE系列单片机具有6T8051内核，同样支持VML虚拟固件库。2.2.2单片机的选型除了上述介绍的单片机之外，还有很多其他的半导体厂商也提供了多种单片机。例如美国的Freescale、Motorola、Microchip等，日本的NEC、Hitachi、Renesas等。用户可以根据需要在其网站上查找最新的单片机型号及参数。这里所介绍的国内外众多单片机类型，都具有很多兼容的特性，同时又各有其突出特点，用户可以根据项目的需要选择相应类型的单片机。2.2.3程序设计当完成系统总体方案并确定单片机型号后，便可以开始电路和程序设计。在进行电路设计时，需要仔细规划整个硬件电路的资源分本以及扩展器件。同时，需要哪部分的功能用硬件来实现以及用什么器件来实现，哪部分的功能用软件来实现等。这里需要注意以下几点：1.如果所选单片机的硬件资源丰富且性能指标达到要求，则应尽量使用其内部集成的硬件资源来实现，这样可以减少额外的器件投资，同时提高系统的集成度和降低电路的复杂性。2.合理规划和使用单片机的硬件资源，充分发挥单片机的性能。2.2.3程序设计3.尽量选择一些标准化、模块化的典型电路，这样可以加速电路设计速度，提高设计的灵活性，确保成功率等。4.硬件电路上最好将不用的引脚留为扩展的接口，以方便后期的电路维护及硬件升级。5.要仔细考虑各部分硬件的功耗以及驱动能力，确保电源具有足够的驱动能力，同时也需要保证相连接的两个器件之间的驱动能力，否则将导致系统无法正确运行。2.2.3程序设计在整个单片机应用系统设计中，单片机的程序设计至关重要。在单片机程序设计时，主要需要从以