基于模块数据库的51单片机系统原理图自动生成软件的研究

袁晓骏，路林吉

0 引言

当今，在基于单片机的系统设计过程中，各主流 EDA软件只是停留在提供最基本的绘图、编辑工具阶段，而不涉及包括器件选取和连接的人脑思考环节。针对这一现状，本文研究的目标是：设计并实现一个计算机软件，该软件的潜在用户是单片机系统设计人员，设计人员通过使用该软件，只需进行相对简单的需求录入，就能得到其所需的单片机系统的原理图，从而代替设计人员的原理图设计工作。本软件从基于51系列单片机的系统设计入手，将来可扩展到支持多种单片机。

1 总体设计方案

单片机系统的设计遵循着一种“模块化”的设计思想：所有的单片机系统均可分解为两个部分：一是单片机本身，二是围绕着单片机的外围部分。其中，外围部分按照功能的不同，可划分为相对独立的功能模块，各模块均通过导线与单片机或其它模块相连。设计人员按照所需的功能不同，逐个设计单片机的外围功能模块，最终形成完整的系统。

基于上述思想，本文所研究之软件的总体实现方案是：首先构建出由标准、常用电路组成的完成不同的系统功能的通用模块数据库；其次设计出人机交互界面，通过预置的规则将用户的需求与数据库内的对应模块建立联系；然后编制出模拟设计人员思考过程的程序，将系统所需的各功能模块与单片机进行自动连接；最后将以结构化数据表述的系统原理图用图形方式输出。软件的架构，如图1所示：

图1 软件架构图

该软件各组成部分描述如下：

1) 数据库：是存放基础数据的容器，同时也是程序运行中的工作空间。该软件将完整的单片机系统按照功能的不同，分为不同种类的模块，数据库中预存了大量的各类功能模块。

2) 人机交互界面：是用户与软件进行交互的媒介，用户通过此界面进行系统需求录入、查看和保存生成的原理图、维护数据库等操作。

3) 用户需求处理程序：接收用户录入的原始需求，从数据库的基础数据中选取所需的单片机、功能模块数据，并形成临时数据表存放在在数据库中。

4) 自动连接程序：对用户需求处理程序产生的临时数据进行进一步的处理，从而形成完整的单片机系统原理图数据。

5) 原理图输出程序：将最终生成的单片机系统原理图绘制到人机交互界面上，并根据用户的要求将原理图以文件形式保存到软件外部。

6) 数据库维护程序：根据用户的要求，对数据库进行模块的添加、删除和修改等相关操作。

2 数据库设计

数据库的用途有两个方面：一是预存设计好的各类单片机外围功能模块的数据，包括每个模块的外部视图和内部结构。二是作为软件运行是的程序工作空间，暂存和处理临时数据。

数据库表的设计如下：

1) 模块总表：该表列出了所有设计好的模块，每个模块用表中的一条记录来描述。每个模块通过编号、名称、类型等字段来描述。

2) 模块的外部视图表：该表屏蔽了模块内部的结构，仅描述模块的外部端口，该表用来完成对单片机系统的模块化构建。模块的每一个外部端口均用表中的一条记录来描述，每条记录由模块编号、模块端口编号、模块端口名称等字段组成。

3) 模块的内部结构表：该表列出了每个模块内部所有的器件及其之间的连线，是进行原理图绘制的依据，并可保存到软件外部的文件中。表中，每个模块内的每一个器件、每一条连线均用表中的一条记录来描述。

4) 器件表：该表列出了所有预设模块中用到的所有器件，描述了每个器件的外部管脚。用来在进行原理图绘制时标明器件的管脚编号。

3 人机交互界面设计

通过人机交互界面，软件向用户提供了需求录入、原理图管理和数据库维护等操作功能。人机交互界面分为：需求录入页面，原理图管理页面和数据库维护页面。

需求录入页面是整个人机交互界面中最主要的部分，其布局遵循“模块化”的思想，将页面划分为多个操作区域，每个操作区域对应一类功能模块；每一类模块提供多个参数供设置，参数的设置可通过勾选或下拉菜单选择的方式操作。

由于一个实际的单片机系统不可能同时涵盖所有类型的功能模块，而仅仅是其中的数个，因此除了复位、时钟等几个必备模块外，其余的非必选模块在界面上均有“选中”与“不选中”的控制措施。页面刚启动时，所有非必选模块的操作区域均处于不可编辑的状态；只有在“选中”该模块后，其操作区域才变为可编辑状态，以供用户继续进行参数的设置。

4 用户需求处理程序的设计

用户需求处理程序根据用户录入的需求，从数据库的基础数据中自动选取所需的数据，并形成临时数据暂存在库中，供后续的自动连接程序使用。为使软件能够识别和处理用户需求，程序将用户录入的需求转化为程序的变量值：每个可选模块的选中与否各由一个变量控制，初值为0，代表未选中；用户如果在界面上选中了该模块，则变量值变为1。

为每个模块的每个参数各设置一个变量，变量初始值为1，代表默认选项；用户如果在界面更改了该参数，则变量值相应的改变。

有了以程序变量形式表达的用户需求后，程序即可以按照一套既定的规则，自动进行模块的选取。本程序的处理结果是：在数据库中生成临时数据性质的“模块总表”和“模块外部视图表”，表中内容为本次工作所需的所有模块。

5 自动连接程序的设计

在用户需求处理程序自动生成了所需模块之后，自动链接程序即投入运行，它将生成的模块与单片机进行自动链接，它分为以下几个顺序执行的过程：

(一) 过程1：先期预处理

本过程是自动连接程序执行的必经第一步，其总体思路是：模块的某些端口必须使用单片机特定P3端口的第二功能，如WR、RD、INT等；某些端口必须利用单片机的P0端口进行并行数据和地址的分时传输，并还可能利用P2端口进行高位地址的传输。故为了防止单片机的 P3、P0、P2端口被其它普通I/O需求占用，首先应为上述模块端口分配单片机资源，然后再为其余的模块端口分配资源。

如果发现单片机所能提供的I/O端口数量不能满足原始各模块的需求，则跳出本过程，然后由用户决定是继续进入后续的过程2或过程3，还是退出自动连接程序返回用户需求录入界面。

过程1的工作步骤，如图2所示：

图2 先期预处理流程图

(二) 过程2：数据端口复用预处理

由于单片机所能提供的I/O端口数量不能满足原始各模块的需求，本过程尝试采用数据端口复用的方法。对于同时存在的多个输出/输入类模块，可为其各配置一个数据锁存器或三态缓冲器，再将它们的并行数据端口全部复接到单片机P0.0～P0.7端口，从而节省了对单片机I/O端口的占耗。相应的，应采取片选控制的方法来对上述模块进行选通。过程2的工作步骤，如图3所示：

图3 数据端口复用预处理流程图

(三) 过程3：模块并行改串行预处理

由于单片机所能提供的I/O端口数量不能满足原始各模块的需求，同时数据端口复用预处理也失败，本过程尝试采用并行改串行的方法。首先找到可以将并行数据端口改为串行数据端口的模块，然后逐一将其替换为相应的串行模块。每替换完一个模块后，就重新核算单片机端口数是否够用。若够用则不再继续更改，若仍不够用就继续更改下一个可改模块。如果所有可改的模块均改完，而单片机的I/O端口数仍不满足需求，则意味着并行改串行预处理失败，同时也意味着自动连接程序无法完成模块与单片机的连接，则中断退出，返回用户需求录入界面，重新进行需求录入。过程 3的工作步骤，如图4所示：

图4 并行改串行预处理流程图

6 结束语

为验证软件可用性，特选取已经设计完成的实际系统，以系统需求提出者的角色通过人机交互界面录入需求，然后将自动生成的原理图与实际系统原理图进行比较。测试用例包括：基于单片机温度采集系统、基于单片机的数字闹钟系统等。测试结果表明，该软件自动生成的系统原理图与实例设计者绘制的原理图大体一致，具备正确性和可用性；而在元器件选择上，可能存在各自选取的型号不同但功能相同的情况；此外，在保证单片机端口使用正确的前提下，在被占用的端口编号、顺序上软件生成结果与人工设计结果有所不同。

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