单片机控制技术：应用系统设计方法

单片机控制系统的开发是一个综合运用知识的过程，其开发步骤一般可分为六个步骤：拟制设计任务书、系统总体设计、硬件设计与调试、软件设计与调试、样机功能联调与性能测试、工艺文件编制。

这几个设计阶段并不是相互独立的，它们之间相辅相成、联系紧密，在设计过程中应综合考虑、相互协调、各阶段交叉进行。单片机系统设计研制的基本过程如图2-35所示。

图2-35　单片机系统设计研制的基本过程

1.拟制设计任务书

在设计一个实际的单片机应用系统时，设计者首先应对系统的任务、控制对象、硬件资源和工作环境做出周密的调查研究，必要时还要勘察工业现场，进行系统试验，明确各项指标的要求。例如，对被控对象的调节精度、跟踪速度、可靠性等级，各种待测参数的形式，根据被控对象的动态行为寻找必需的测控点等。在此基础上，设计者还需组织有关专家对系统的技术性能、技术指标和可行性做出论证，并在分析研究基础上对设计目标、系统功能、处理方案、控制速度、输入／输出速度、存储容量、地址分配、I／O接口和出错处理等给出符合实际的明确定义，以拟制出完整无缺的设计任务书。

2.系统总体设计

总体方案设计是在设计任务书的基础上进行的，也是一个能影响单片机应用系统功能指标的至关重要的问题。设计中最重要的问题是：一要根据系统的目标、复杂程度、可靠性、精度和速度要求来选择一种性价比合理的单片机机型。二要慎重选购传感器。因为工业控制系统中所用的各类传感器至今还是影响系统性能的重要瓶颈。一个设计合理的工业测控系统常因传感器精度和环境条件制约而达不到预定的设计指标。

在设计总体方案时，设计者必须对所选各部分电路、元器件和各实测点传感器进行综合比较。这种比较应在局部试验的基础上进行。研制大型工业测控系统时，往往需多方协作，联合攻关，因此总体方案中应当大致规定出接口电路地址、监控程序结构、用户程序要求、上下位机的通信协议、系统软件的内存驻留区域以及采样信号的缓冲区域等。

系统总体设计是单片机系统设计的前提，合理的总体设计是系统成败的关键。总体设计的关键在于对系统功能和性能的认识和合理分析，系统单片机及关键芯片的选型，系统基本结构的确立和软、硬件功能的划分。选择芯片时主要考虑的因素为容量、速度、接口数量、综合功能等。

3.硬件设计与调试

硬件设计的任务是根据总体设计给出的系统结构框图，逐个设计每一个功能单元的详细电路原理图，最后综合成为一个完整的硬件系统。(www.xing528.com)

硬件电路设计包含两部分内容：

（1）系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I／O、定时器／计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。

（2）系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A／D或D／A转换器等，设计合适的接口电路。

4.软件设计与调试

软件是单片机应用系统中的一个重要组成部分，在单片机应用系统研制过程中，软件设计部分是工作量最大，也是最困难的任务。一般计算机软件包括系统软件和用户软件两种，而单片机应用系统中的软件只有用户软件，即应用系统软件。软件设计的关键是确定软件应完成的任务及选择相应的软件结构。

软件设计通常分为系统定义、软件结构设计和程序设计三个步骤。

5.样机功能联调与性能测试

单片机应用系统的总体调试是系统开发的重要环节。当完成了单片机应用系统的硬件、软件设计和硬件组装后，便可进入单片机应用系统调试阶段。系统调试的目的是要查出用户系统中硬件设计与软件设计中存在的错误及可能出现的不协调问题，以便修改设计，最终使用户系统能正确可靠地工作。

6.工艺文件编制

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，对工艺文件一定要精心编写、描述清楚，使数据及资料齐全。

文件应包括：设计任务书（任务描述、设计的指导思想及方案论证）、性能测定及现场使用报告与说明、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（电路原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注意事项）等。