基于模塊數據庫的51單片機系統原理圖自動生成軟件的研究

袁曉駿，路林吉

0 引言

當今，在基于單片機的系統設計過程中，各主流 EDA軟件只是停留在提供最基本的繪圖、編輯工具階段，而不涉及包括器件選取和連接的人腦思考環節。針對這一現狀，本文研究的目標是：設計并實現一個計算機軟件，該軟件的潛在用戶是單片機系統設計人員，設計人員通過使用該軟件，只需進行相對簡單的需求錄入，就能得到其所需的單片機系統的原理圖，從而代替設計人員的原理圖設計工作。本軟件從基于51系列單片機的系統設計入手，將來可擴展到支持多種單片機。

1 總體設計方案

單片機系統的設計遵循著一種“模塊化”的設計思想：所有的單片機系統均可分解為兩個部分：一是單片機本身，二是圍繞著單片機的外圍部分。其中，外圍部分按照功能的不同，可劃分為相對獨立的功能模塊，各模塊均通過導線與單片機或其它模塊相連。設計人員按照所需的功能不同，逐個設計單片機的外圍功能模塊，最終形成完整的系統。

基于上述思想，本文所研究之軟件的總體實現方案是：首先構建出由標準、常用電路組成的完成不同的系統功能的通用模塊數據庫；其次設計出人機交互界面，通過預置的規則將用戶的需求與數據庫內的對應模塊建立聯系；然后編制出模擬設計人員思考過程的程序，將系統所需的各功能模塊與單片機進行自動連接；最后將以結構化數據表述的系統原理圖用圖形方式輸出。軟件的架構，如圖1所示：

圖1 軟件架構圖

該軟件各組成部分描述如下：

1) 數據庫：是存放基礎數據的容器，同時也是程序運行中的工作空間。該軟件將完整的單片機系統按照功能的不同，分為不同種類的模塊，數據庫中預存了大量的各類功能模塊。

2) 人機交互界面：是用戶與軟件進行交互的媒介，用戶通過此界面進行系統需求錄入、查看和保存生成的原理圖、維護數據庫等操作。

3) 用戶需求處理程序：接收用戶錄入的原始需求，從數據庫的基礎數據中選取所需的單片機、功能模塊數據，并形成臨時數據表存放在在數據庫中。

4) 自動連接程序：對用戶需求處理程序產生的臨時數據進行進一步的處理，從而形成完整的單片機系統原理圖數據。

5) 原理圖輸出程序：將最終生成的單片機系統原理圖繪制到人機交互界面上，并根據用戶的要求將原理圖以文件形式保存到軟件外部。

6) 數據庫維護程序：根據用戶的要求，對數據庫進行模塊的添加、刪除和修改等相關操作。

2 數據庫設計

數據庫的用途有兩個方面：一是預存設計好的各類單片機外圍功能模塊的數據，包括每個模塊的外部視圖和內部結構。二是作為軟件運行是的程序工作空間，暫存和處理臨時數據。

數據庫表的設計如下：

1) 模塊總表：該表列出了所有設計好的模塊，每個模塊用表中的一條記錄來描述。每個模塊通過編號、名稱、類型等字段來描述。

2) 模塊的外部視圖表：該表屏蔽了模塊內部的結構，僅描述模塊的外部端口，該表用來完成對單片機系統的模塊化構建。模塊的每一個外部端口均用表中的一條記錄來描述，每條記錄由模塊編號、模塊端口編號、模塊端口名稱等字段組成。

3) 模塊的內部結構表：該表列出了每個模塊內部所有的器件及其之間的連線，是進行原理圖繪制的依據，并可保存到軟件外部的文件中。表中，每個模塊內的每一個器件、每一條連線均用表中的一條記錄來描述。

4) 器件表：該表列出了所有預設模塊中用到的所有器件，描述了每個器件的外部管腳。用來在進行原理圖繪制時標明器件的管腳編號。

3 人機交互界面設計

通過人機交互界面，軟件向用戶提供了需求錄入、原理圖管理和數據庫維護等操作功能。人機交互界面分為：需求錄入頁面，原理圖管理頁面和數據庫維護頁面。

需求錄入頁面是整個人機交互界面中最主要的部分，其布局遵循“模塊化”的思想，將頁面劃分為多個操作區域，每個操作區域對應一類功能模塊；每一類模塊提供多個參數供設置，參數的設置可通過勾選或下拉菜單選擇的方式操作。

由于一個實際的單片機系統不可能同時涵蓋所有類型的功能模塊，而僅僅是其中的數個，因此除了復位、時鐘等幾個必備模塊外，其余的非必選模塊在界面上均有“選中”與“不選中”的控制措施。頁面剛啟動時，所有非必選模塊的操作區域均處于不可編輯的狀態；只有在“選中”該模塊后，其操作區域才變為可編輯狀態，以供用戶繼續進行參數的設置。

4 用戶需求處理程序的設計

用戶需求處理程序根據用戶錄入的需求，從數據庫的基礎數據中自動選取所需的數據，并形成臨時數據暫存在庫中，供后續的自動連接程序使用。為使軟件能夠識別和處理用戶需求，程序將用戶錄入的需求轉化為程序的變量值：每個可選模塊的選中與否各由一個變量控制，初值為0，代表未選中；用戶如果在界面上選中了該模塊，則變量值變為1。

為每個模塊的每個參數各設置一個變量，變量初始值為1，代表默認選項；用戶如果在界面更改了該參數，則變量值相應的改變。

有了以程序變量形式表達的用戶需求后，程序即可以按照一套既定的規則，自動進行模塊的選取。本程序的處理結果是：在數據庫中生成臨時數據性質的“模塊總表”和“模塊外部視圖表”，表中內容為本次工作所需的所有模塊。

5 自動連接程序的設計

在用戶需求處理程序自動生成了所需模塊之后，自動鏈接程序即投入運行，它將生成的模塊與單片機進行自動鏈接，它分為以下幾個順序執行的過程：

(一) 過程1：先期預處理

本過程是自動連接程序執行的必經第一步，其總體思路是：模塊的某些端口必須使用單片機特定P3端口的第二功能，如WR、RD、INT等；某些端口必須利用單片機的P0端口進行并行數據和地址的分時傳輸，并還可能利用P2端口進行高位地址的傳輸。故為了防止單片機的 P3、P0、P2端口被其它普通I/O需求占用，首先應為上述模塊端口分配單片機資源，然后再為其余的模塊端口分配資源。

如果發現單片機所能提供的I/O端口數量不能滿足原始各模塊的需求，則跳出本過程，然后由用戶決定是繼續進入后續的過程2或過程3，還是退出自動連接程序返回用戶需求錄入界面。

過程1的工作步驟，如圖2所示：

圖2 先期預處理流程圖

(二) 過程2：數據端口復用預處理

由于單片機所能提供的I/O端口數量不能滿足原始各模塊的需求，本過程嘗試采用數據端口復用的方法。對于同時存在的多個輸出/輸入類模塊，可為其各配置一個數據鎖存器或三態緩沖器，再將它們的并行數據端口全部復接到單片機P0.0～P0.7端口，從而節省了對單片機I/O端口的占耗。相應的，應采取片選控制的方法來對上述模塊進行選通。過程2的工作步驟，如圖3所示：

圖3 數據端口復用預處理流程圖

(三) 過程3：模塊并行改串行預處理

由于單片機所能提供的I/O端口數量不能滿足原始各模塊的需求，同時數據端口復用預處理也失敗，本過程嘗試采用并行改串行的方法。首先找到可以將并行數據端口改為串行數據端口的模塊，然后逐一將其替換為相應的串行模塊。每替換完一個模塊后，就重新核算單片機端口數是否夠用。若夠用則不再繼續更改，若仍不夠用就繼續更改下一個可改模塊。如果所有可改的模塊均改完，而單片機的I/O端口數仍不滿足需求，則意味著并行改串行預處理失敗，同時也意味著自動連接程序無法完成模塊與單片機的連接，則中斷退出，返回用戶需求錄入界面，重新進行需求錄入。過程 3的工作步驟，如圖4所示：

圖4 并行改串行預處理流程圖

6 結束語

為驗證軟件可用性，特選取已經設計完成的實際系統，以系統需求提出者的角色通過人機交互界面錄入需求，然后將自動生成的原理圖與實際系統原理圖進行比較。測試用例包括：基于單片機溫度采集系統、基于單片機的數字鬧鐘系統等。測試結果表明，該軟件自動生成的系統原理圖與實例設計者繪制的原理圖大體一致，具備正確性和可用性；而在元器件選擇上，可能存在各自選取的型號不同但功能相同的情況；此外，在保證單片機端口使用正確的前提下，在被占用的端口編號、順序上軟件生成結果與人工設計結果有所不同。

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