單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)主要包括五部分內(nèi)容：方案論證，硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)仿真調(diào)試和脫機(jī)運(yùn)行。各部分詳細(xì)內(nèi)容如圖 1 所示。

一、方案論證

確定開發(fā)題目后，首先要進(jìn)行方案調(diào)研，這個(gè)過程至關(guān)重要，制定出一個(gè)好的方案，會(huì)使后面的開發(fā)工作較為順利。調(diào)研工作主要解決以下幾個(gè)問題：

(1) 了解用戶的需求，確定設(shè)計(jì)規(guī)模和總體框架。

(2) 摸清軟硬件技術(shù)難度，明確技術(shù)主攻問題。

(3) 針對主攻問題開展調(diào)研工作，查找中外有關(guān)資料，確定初步方案。

(4) 單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)是軟硬件結(jié)合的技術(shù)，方案設(shè)計(jì)要權(quán)衡任務(wù)的軟硬件分工。有時(shí)硬件設(shè)計(jì)會(huì)影響到軟件程序結(jié)構(gòu)。如果系統(tǒng)中增加某個(gè)硬件接口芯片，而給系統(tǒng)程序的模塊化帶來了可能和方便，那么這個(gè)硬件開銷是值得的。在無礙大局的情況下，以軟件代替硬件正是計(jì)算機(jī)技術(shù)的長處。

(5) 盡量采納可借鑒的成熟技術(shù)，減少重復(fù)性勞動(dòng)。

二、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可劃分為兩部分：一部分是與單片機(jī)直接接口的數(shù)字電路范圍的電路芯片的設(shè)計(jì)。如存儲(chǔ)器和并行接口的擴(kuò)展，定時(shí)系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)擴(kuò)展，一般的外部設(shè)備的接口，甚至于A/D、D/A 芯片的接口。另一部分是與模擬電路相關(guān)的電路設(shè)計(jì)，包括信號整形、變換 、隔離和選用傳感器;輸出通道中的隔離和驅(qū)動(dòng)以及執(zhí)行元件的選用。應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

(1) 從應(yīng)用系統(tǒng)的總線觀念出發(fā)，各局部系統(tǒng)和通道接口設(shè)計(jì)與單片機(jī)要做到全局一盤棋。例如，芯片間的時(shí)間是否匹配，電平是否兼容，能否實(shí)現(xiàn)總線隔離緩沖等，避免“拼 盤”戰(zhàn)術(shù)。

(2) 盡可能選用符合單片機(jī)用法的典型電路。

圖 1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)流程圖

(3) 盡可能采用新技術(shù)，選用新的元件及芯片。選用集成度高的芯片，以減少芯片數(shù)量，縮小印制板面積。例如，選用含有 51 內(nèi)核的擴(kuò)展多功能接口的單片機(jī)新機(jī)種 ，取代 8031 向外的一大片電路。選用無粘合接口，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等集成度高、功能強(qiáng)的數(shù)字或模擬電路芯片，取代許多小規(guī)模集成電路芯片的集合。選用 PLD 可編程邏輯器件，取代部分電路設(shè)計(jì)。

(4) 抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，如看門狗電路、去耦濾波、通道隔離、合理的印制板布線等。

(5) 當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展的各類接口芯片較多時(shí)，要充分考慮到總線驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)負(fù)載超過允許范圍時(shí)，為了保證系統(tǒng)可靠工作，必須加總線驅(qū)動(dòng)器。

(6) 可用印制板輔助設(shè)計(jì)軟件，如 PROTEL 進(jìn)行印制板的設(shè)計(jì)。

三、應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用系統(tǒng)中測控任務(wù)的實(shí)現(xiàn)最終是靠程序的執(zhí)行來完成的。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的如何，將決定系統(tǒng)的效率和它的優(yōu)劣。軟件設(shè)計(jì)需注意以下幾個(gè)方面：

(1) 采用模塊程序設(shè)計(jì)。模塊程序是把一個(gè)較長的完整的程序，如監(jiān)控程序，分成若干個(gè)小的功能程序模塊，在分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試之后，最終裝配在一起，鏈接成一個(gè)完整的程序。模塊化程序設(shè)計(jì)便于程序移植和修改。

(2) 采用自頂向下的程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)時(shí)，先從系統(tǒng)主程序開始設(shè)計(jì)，從屬的程序或子程序用程序標(biāo)志代替。當(dāng)主程序編好后，再將標(biāo)志擴(kuò)展為從屬程序或子程序。

(3) 外部設(shè)備和外部事件盡量采用中斷方式與 CPU 聯(lián)絡(luò)，這樣 ，既便于系統(tǒng)模塊化，也可提高程序效率。

(4) 近幾年推出的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，有些是支持高級語言的，如 C51 與 PL/M96 的編程和在線跟蹤調(diào)試。與匯編語言編程相比，使用高級語言編程，可大大提高開發(fā)和調(diào)試效率，而得到的目標(biāo)代碼質(zhì)量可與匯編語言相媲美。

(5) 目前已有一些實(shí)用子程序發(fā)表，程序設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)使用，其中包括運(yùn)行子程序和控制算法程序等。

(6) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到軟件抗干擾措施。如數(shù)字濾波，程序跑飛的軟件陷阱，軟件 WATCHDOG，軟件的容錯(cuò)設(shè)計(jì)等。

四、軟硬件調(diào)試

一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，經(jīng)過方案論證，硬件設(shè)計(jì)，印制板設(shè)計(jì)加工和焊接，軟件的編寫，還要進(jìn)行軟硬件的調(diào)試，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性。由于單片機(jī)沒有自開發(fā)能力，其應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試需借助于單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。

單片機(jī)系統(tǒng)主要的功能是：

(1) 程序的錄入、編輯和交叉匯編功能。

(2) 提供仿真 RAM 、仿真單片機(jī)。

(3) 支持用戶匯編語言(有的同時(shí)支持高級語言) 源文件跟蹤調(diào)試。

(4) 目前一般的開發(fā)裝置都有與通用微機(jī)的聯(lián)機(jī)接口，可以利用微機(jī)環(huán)境進(jìn)行調(diào)試。

(5) EPROM 的寫入功能。

在利用開發(fā)裝置進(jìn)行調(diào)試時(shí)，應(yīng)先把硬件電路調(diào)通。硬件調(diào)試可采用分塊調(diào)試的方法，先易后難，先局部調(diào)試，都通過后再總調(diào)。對硬件 的分塊調(diào)試可編制相應(yīng)模塊的測試程序，有的測試程序稍加改動(dòng)就可成為功能模塊程序。

在硬件基本調(diào)通，驗(yàn)證存儲(chǔ)空間分配可行時(shí)，進(jìn)行自頂向下的主程序的設(shè)計(jì)調(diào)試。程序的調(diào)試需在 DEBUG 環(huán)境下進(jìn)行，用斷點(diǎn)調(diào)試或連續(xù)調(diào)試 的方法，通過程序執(zhí)行過程中內(nèi)存或有關(guān)寄存器的狀態(tài)變化找出故障點(diǎn)，也可借助于儀器儀表測試電路的狀態(tài)和波形來驗(yàn)證軟硬件的正確性。

五、EPROM 固化

所有開發(fā)裝置調(diào)試通過的程序，最終要脫機(jī)運(yùn)行，即將仿真 ROM 中運(yùn)行的程序固化到 EPROM 脫機(jī)運(yùn)行。但在開發(fā)裝置上運(yùn)行正常的程序，固化后脫機(jī)運(yùn)行并不一定同樣正常。若脫機(jī)運(yùn)行有問題，需分析原因，如是否總線驅(qū)動(dòng)功能不夠，或是對接口芯片操作的時(shí)間不匹配等。經(jīng)修改的程序需再次寫入。