單片機應用系統設計方法

張連華

（山西大學工程學院，山西 太原 030013）

1 單片機應用系統的設計過程

1.1 系統設計的基本要求

1.1.1 可靠性要高

單片機應用系統在滿足使用功能的前提下，應具有較高的可靠性。這是因為單片機系統完成的任務是系統前端信號的采集和控制輸出，一旦系統出現故障，必然造成整個過程的混亂和失控，從而產生嚴重后果。因此，對可靠性的考慮應貫穿于單片機應用系統設計的整個過程。

首先，在設計時對系統的應用環境要進行細致的了解，認真分析可能出現的各種影響系統可靠性的因素，采取切實可行的措施排除故障隱患；其次，在總體設計時應考慮系統的故障自動檢測和處理功能。在系統正常運行時，定時地進行各個功能模塊的自診斷，并對外界的異常情況做出快速處理。對于無法解決的問題，應及時切換后備裝備或報警。

1.1.2 使用和維護要方便

在總體設計時，應考慮系統的使用和維修方便，盡量降低對操作人員的計算機專業知識的要求，以便于系統的廣泛使用。

系統控制開關不能太多，不能太復雜，操作順序應簡單明了，參數的輸入/輸出應采用十進制，功能符號要簡明直觀。

1.1.3 為了使系統有良好的市場競爭力

在提高系統功能指標的同時，還要優化系統設計，采用硬件軟化技術提高系統的性能價格比。

1.2 系統設計的步驟

1.2.1 確定任務

單片機應用系統可以分為智能儀器儀表和工業測控系統兩大類。無論哪一類，都必須以市場需求為前提。所以，在系統設計前，首先要進行廣泛的市場調查，了解該系統的市場應用概況，分析系統當前存在的問題，研究系統的市場前景，確定系統開發設計的目標。簡單的說，就是通過調研克服舊缺點，開發新功能。

在確定了大的方向基礎上，就應該對系統的具體實現進行規劃，包括應該采集的信號的種類、數量、范圍、輸出信號的匹配和轉換，控制算法的選擇，技術指標的確定等。

1.2.2 方案設計

（1）確定了研制任務后，就可以進行系統的總體方案設計。包括：①性能特點要適合所要完成的任務，避免過多的功能閑置；②性能價格比要高，以提高整個系統的性能價格比；③結構原理要熟悉，以縮短開發周期；④貨源要穩定，有利于批量的增加和系統的維護。

（2）硬件與軟件的功能劃分。系統的硬件和軟件要作統一的規劃。因為一種功能往往是既可以由硬件實現，又可以由軟件實現。要根據系統的實時性和系統的性能價格比綜合確定。

一般情況下，用硬件實現速度比較快，可以節省CPU的時間，但系統的硬件接線復雜、系統成本較高。用軟件實現則較為經濟，但要更多地占用CPU的時間，所以，在CPU時間不緊張的情況下，應盡量采用軟件。如果系統回路多、實時性要求強，則要考慮用硬件完成。例如，在顯示接口電路設計時，為了降低成本可以采用軟件譯碼的動態顯示電路。但是，如果系統的采樣路數多，數據處理量大時，則應該為硬件靜態顯示。

1.2.3 硬件設計

硬件的設計是根據總體設計要求，在選擇完單片機機型的基礎上，具體確定系統中所要使用的元件，并設計出系統的電路原理圖，經過必要的實驗后完成工藝結構設計、電路板制作和樣機的組裝。主要硬件包括：

圖1 單片機系統設計開發過程

（1）單片機電路設計。主要完成時鐘電路、復位電路、共電電路的設計。

（2）擴展電路和輸入/輸出通道設計。主要完成程序存儲器、數據存儲器、I/O接口電路、傳感器電路、放大電路、多路開關、A/D轉換電路、D/A轉換電路、開關量接口電路、驅動及執行機構的設計。

（3）控制面板設計。主要完成按鍵、開關、顯示器、報警等電路的設計。

1.2.4 軟件設計

單片機應用系統的設計中，軟件設計占有重要的位置。應用軟件包括數據采集和處理程序、控制算法實現程序、人機聯系程序和數據管理程序。軟件設計通常采用模塊程序設計、自上向下的程序設計方法，見圖1。

系統設計人員應該對當前流行的單片機主流機型充分了解，從而可以選擇最為合適的機型。

[1]周航慈.《單片機應用程序設計技術》.北京航空航天大學出版社

[2]李權利.《單片機原理及應用技術》.高等教育出版社