单片机应用系统设计方法

张连华

（山西大学工程学院，山西 太原 030013）

1 单片机应用系统的设计过程

1.1 系统设计的基本要求

1.1.1 可靠性要高

单片机应用系统在满足使用功能的前提下，应具有较高的可靠性。这是因为单片机系统完成的任务是系统前端信号的采集和控制输出，一旦系统出现故障，必然造成整个过程的混乱和失控，从而产生严重后果。因此，对可靠性的考虑应贯穿于单片机应用系统设计的整个过程。

首先，在设计时对系统的应用环境要进行细致的了解，认真分析可能出现的各种影响系统可靠性的因素，采取切实可行的措施排除故障隐患；其次，在总体设计时应考虑系统的故障自动检测和处理功能。在系统正常运行时，定时地进行各个功能模块的自诊断，并对外界的异常情况做出快速处理。对于无法解决的问题，应及时切换后备装备或报警。

1.1.2 使用和维护要方便

在总体设计时，应考虑系统的使用和维修方便，尽量降低对操作人员的计算机专业知识的要求，以便于系统的广泛使用。

系统控制开关不能太多，不能太复杂，操作顺序应简单明了，参数的输入/输出应采用十进制，功能符号要简明直观。

1.1.3 为了使系统有良好的市场竞争力

在提高系统功能指标的同时，还要优化系统设计，采用硬件软化技术提高系统的性能价格比。

1.2 系统设计的步骤

1.2.1 确定任务

单片机应用系统可以分为智能仪器仪表和工业测控系统两大类。无论哪一类，都必须以市场需求为前提。所以，在系统设计前，首先要进行广泛的市场调查，了解该系统的市场应用概况，分析系统当前存在的问题，研究系统的市场前景，确定系统开发设计的目标。简单的说，就是通过调研克服旧缺点，开发新功能。

在确定了大的方向基础上，就应该对系统的具体实现进行规划，包括应该采集的信号的种类、数量、范围、输出信号的匹配和转换，控制算法的选择，技术指标的确定等。

1.2.2 方案设计

（1）确定了研制任务后，就可以进行系统的总体方案设计。包括：①性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲置；②性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比；③结构原理要熟悉，以缩短开发周期；④货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护。

（2）硬件与软件的功能划分。系统的硬件和软件要作统一的规划。因为一种功能往往是既可以由硬件实现，又可以由软件实现。要根据系统的实时性和系统的性能价格比综合确定。

一般情况下，用硬件实现速度比较快，可以节省CPU的时间，但系统的硬件接线复杂、系统成本较高。用软件实现则较为经济，但要更多地占用CPU的时间，所以，在CPU时间不紧张的情况下，应尽量采用软件。如果系统回路多、实时性要求强，则要考虑用硬件完成。例如，在显示接口电路设计时，为了降低成本可以采用软件译码的动态显示电路。但是，如果系统的采样路数多，数据处理量大时，则应该为硬件静态显示。

1.2.3 硬件设计

硬件的设计是根据总体设计要求，在选择完单片机机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元件，并设计出系统的电路原理图，经过必要的实验后完成工艺结构设计、电路板制作和样机的组装。主要硬件包括：

图1 单片机系统设计开发过程

（1）单片机电路设计。主要完成时钟电路、复位电路、共电电路的设计。

（2）扩展电路和输入/输出通道设计。主要完成程序存储器、数据存储器、I/O接口电路、传感器电路、放大电路、多路开关、A/D转换电路、D/A转换电路、开关量接口电路、驱动及执行机构的设计。

（3）控制面板设计。主要完成按键、开关、显示器、报警等电路的设计。

1.2.4 软件设计

单片机应用系统的设计中，软件设计占有重要的位置。应用软件包括数据采集和处理程序、控制算法实现程序、人机联系程序和数据管理程序。软件设计通常采用模块程序设计、自上向下的程序设计方法，见图1。

系统设计人员应该对当前流行的单片机主流机型充分了解，从而可以选择最为合适的机型。

[1]周航慈.《单片机应用程序设计技术》.北京航空航天大学出版社

[2]李权利.《单片机原理及应用技术》.高等教育出版社