湖南工大單片機課件第10章單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境.ppt

第10章 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境,本章內(nèi)容,單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的仿真調(diào)試 KEIL Vision2集成開發(fā)環(huán)境 PROTEUS 仿真軟件,10.1 單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方法,單片機的應(yīng)用系統(tǒng)隨著用途的不同，它們的硬件和軟件結(jié)構(gòu)差別很大，但系統(tǒng)研制的方法和步驟是基本相同的。,1. 調(diào)研工作,調(diào)研工作的目的，是分析完成這個項目的可行性，重點應(yīng)放在能否實現(xiàn)這個環(huán)節(jié)。,首先從理論上進行分析，探討實現(xiàn)的可能性，所要求的客觀條件是否具備(如環(huán)境、測試手段、儀器設(shè)計、資金等)，然后結(jié)合實際情況，再決定能否立項的問題。,確定任務(wù)和技術(shù)指標之后，下一步便是 這個階段的任務(wù)是通過調(diào)查研究和查閱資料來完成系統(tǒng)的總體設(shè)計。 1) 整體方案設(shè)計 2）機型和元器件選擇,總體設(shè)計,市場的貨源,選擇最熟悉的機種,考慮性/價比,2. 總體設(shè)計,3）硬件和軟件的功能劃分,硬件和軟件具有一定的互換性 應(yīng)用硬件完成某些功能，可以提高工作速度，但增加了硬件成本； 若用軟件代替某些硬件的功能，可使硬件成本降低，但軟件的工作量增加。,總體設(shè)計時，必須在硬件和軟件之間均衡。一般的原則是看所設(shè)計的目標系統(tǒng)的生產(chǎn)量，如果成產(chǎn)量比較大，則能用軟件實現(xiàn)的功能由軟件完成，以便硬件結(jié)構(gòu)簡化。,3. 硬件設(shè)計,硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在所選定的單片機類型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所用的元器件及系統(tǒng)構(gòu)成方式 。 一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括兩大部分內(nèi)容：一是單片機系統(tǒng)的擴展部分設(shè)計。二是各功能模塊的設(shè)計。,系統(tǒng)的電路設(shè)計應(yīng)注意以下幾個方面：, 盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性；, 在條件允許的情況下，盡可能選用功能強、集成度高的電路或芯片。, 注意選擇通用性強、市場貨源充足的元器件，尤其對需大批量生產(chǎn)的場合，更應(yīng)注意這方面的問題。, 在對硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)考慮時，同樣要注意通用性的問題。, 系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設(shè)計在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當留有余地，以備將來修改、擴展之需。, 設(shè)計時應(yīng)盡可能地作些調(diào)研，采用最新的技術(shù)。, 在電路設(shè)計時，要充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力。, 工藝設(shè)計，包括機箱、面板、配線、接插件等，,4. 軟件設(shè)計,軟件設(shè)計過程,1）問題定義 問題定義是進一步明確系統(tǒng)對軟件的要求，把軟件承擔的任務(wù)明確的定義出來。 定義輸入/輸出。 確定對輸入數(shù)據(jù)進行哪些處理。把輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鼋Y(jié)果的基本點過程，主取決于對算法的確定。 問題定義的基礎(chǔ)，是建立在對系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的正確 了解程度和正確的工程判斷上的，它對軟件設(shè)計和硬件設(shè)計提供指導。,2）軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 在問題定義的基礎(chǔ)上，將軟件分解為幾個相對獨立的任務(wù)，并根據(jù)這些任務(wù)的聯(lián)系和時間關(guān)系，設(shè)計一個合理的軟件結(jié)構(gòu)，使CPU有條不紊地對這些任務(wù)進行處理。 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計還包括程序設(shè)計技術(shù)選擇、程序設(shè)計技術(shù)、模塊程序設(shè)計、自頂向下的程序設(shè)計和結(jié)構(gòu)程序設(shè)計等。在單片機的軟件設(shè)計中，模塊程序設(shè)計是最常用方法。,程序模塊的劃分沒有一定的標準，一般可參考以下原則： 每個模塊的程序不宜太長； 力求使每個模塊之間界限明確，而且在邏輯上相 對獨立； 對一些簡單的任務(wù)不必模塊化； 盡量地利用現(xiàn)成的模塊程序。,3）建立數(shù)學模型,建立數(shù)學模型是根據(jù)問題的定義，描敘出各個輸入變量和輸出變量之間的數(shù)學關(guān)系。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)學模型的正確程度，是系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。,例如，在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，最簡單的方法是數(shù)字PID控制算法及其改進形式。在測量系統(tǒng)中，從模擬輸入通道得到的溫度，流量，壓力等現(xiàn)場信息與該信號對應(yīng)的實際值往往存在非線性關(guān)系，則需要進行線性處理。為了削弱或消除干擾信號的影響，提高系精度，常采用算平均發(fā)，中值法，慣性數(shù)字濾波方法等等。,4）繪制程序流程圖,查詢程序功能流程圖,先分配單片機內(nèi)部的RAM，指定工作寄存器，配標 志位，再估算子程序和中斷嵌套的最大級數(shù)以及程序中 棧操作指令使用情況，指定堆棧區(qū)，棧區(qū)的大小應(yīng)留有 余量，最后剩下部分作為數(shù)據(jù)緩沖器。若有擴展RAM存 貯器，應(yīng)把使用頻率最高的數(shù)據(jù)緩沖器設(shè)在內(nèi)部RAM， 以利提高處理速度。在充分利用內(nèi)部RAM基礎(chǔ)上，再分 配外部的數(shù)據(jù)存貯器。,5）合理分配系統(tǒng)資源, 注意在程序的有關(guān)位置處寫上功能注釋，提高程序的可讀性。 加強軟件抗干擾設(shè)計，它是提高計算機應(yīng)用系統(tǒng)可靠性的有力措施。,5. 仿真調(diào)試,單片機應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)研、總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、制板、元器件安裝后，在系統(tǒng)的程序存儲器中固化編制好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運行。但一次性成功幾乎是不可能的，多少會出現(xiàn)一些硬件、軟件上的錯誤。為了節(jié)約硬件成本，提高開發(fā)效率，可以通過仿真調(diào)試來發(fā)現(xiàn)錯誤并加以改正。單片機應(yīng)用系統(tǒng)仿真調(diào)試的目的，是借助某種開發(fā)工具模擬用戶實際的單片機，模仿現(xiàn)場的真實調(diào)試，進行系統(tǒng)軟硬件統(tǒng)調(diào)，調(diào)試期間能隨時觀察運行的中間過程和相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果，從而檢查硬件、軟件運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)硬件、軟件存在的問題。,邏輯錯誤,電源故障,元器件失效,可靠性問題,系統(tǒng)通過仿真調(diào)試后，還必須將應(yīng)用程序固化在用戶目標系統(tǒng)的程序存儲器中，進行現(xiàn)場調(diào)試運行。,6. 現(xiàn)場調(diào)試,10.1.2 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的仿真調(diào)試,單片機本身并無開發(fā)能力，要借助開發(fā)工具才能實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。開發(fā)工具主要包括電腦、編程器(又稱寫入器)、仿真機。如果使用EPROM作為存儲器還要配備紫外線擦除器。其中必不可少的工具是電腦和編程器(當然對于在線可編程（ISP）的單片機，如89S51，也可以不用編程器，而通過下載電纜下載)。,1. 借助仿真器調(diào)試,調(diào)試環(huán)境硬件由PC機、單片機仿真器、用戶目標系統(tǒng)、編程器和連接電纜等組成。調(diào)試軟件由PC機上的單片機程序集成開發(fā)環(huán)境軟件、編程器軟件等構(gòu)成。, 單片機仿真器,單片機仿真器的工作步驟是：取下用戶目標系統(tǒng)中的單片機芯片（目標系統(tǒng)CPU），把仿真器上的CPU仿真頭插入用戶目標系統(tǒng)CPU相應(yīng)的位置，這樣，就將仿真器中的CPU和程序存儲器出借給了目標系統(tǒng)；PC機通過仿真器和目標系統(tǒng)建立起一種透明的聯(lián)系，由仿真器向目標系統(tǒng)的應(yīng)用電路部分提供各種信號、數(shù)據(jù)，從而進行調(diào)試。在這種仿真中，用戶目標系統(tǒng)中的程序存儲器是閑置的，程序員調(diào)試的是仿真器中的程序，仿真器中的程序運行完全受仿真器的監(jiān)控程序控制。,（2）編程器,當我們編寫好的程序在集成開發(fā)環(huán)境編譯通過后，會形成一個二進制文件( .BIN)或十六進制文件(.HEX)，即形成所謂的目標程序。這個目標程序必須利用編程器才能將目標文件燒寫到單片機的程序存儲器中，從而讓單片機系統(tǒng)的硬件和軟件真正結(jié)合起來，組成一個完整的單片機系統(tǒng)。,仿真器硬件調(diào)試方法 1）靜態(tài)調(diào)試,2）聯(lián)機仿真 在靜態(tài)調(diào)試中，對目標機硬件進行初步調(diào)試，只排除一些明顯的靜態(tài)故障。 目標樣機中的硬件故障（如各個部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯誤）主要是靠聯(lián)機仿真來排除的。分別打開樣機和仿真器電源后，便開始聯(lián)機仿真調(diào)試。,用仿真機讀出修改目標樣機擴展RAM存貯器的操作命令 ，將一批數(shù)據(jù)寫入樣機的外部RAM存貯器，然后用讀樣機擴展RAM的命令讀出檢查，若讀出和寫入的內(nèi)容一致（任意的數(shù)據(jù)寫入任意的單元正確），則擴展RAM存貯器沒有故障。若存在寫不進，讀不出現(xiàn)象，則有故障存在。此時編一段循環(huán)讀寫RAM存貯器程序，并用連續(xù)方式運行，用示波器觀察樣機RAM電路的選片信號和讀寫信號，進一步查明故障點。,測試擴展RAM存貯器,對于I/O口有輸入和輸出口之分，也有可編程接口的差別。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)對I/O口的定義，先用仿真機的I/O寫命令，把控制字寫入可編程電路（如8255、8155等）的命令控制口，使之具有系統(tǒng)要求的邏輯結(jié)構(gòu)。然后有用仿真機的I/O寫命令將數(shù)據(jù)寫入輸出口，觀察輸出口和所連設(shè)備的狀態(tài)。同時用 I/O口讀或?qū)懨钭x輸入口的狀態(tài)，觀察讀出內(nèi)容和輸入設(shè)備的狀態(tài)是否一致（如撥盤開關(guān)，鍵盤等），用這種方法測試I/O接口和所連設(shè)備是否存在故障，并對故障進行定位。,測試I/O口和I/O設(shè)備,用仿真機ROM命令，使樣機中的EPROM電路作為目標機的程序貯存器。再用I/O口讀命令讀程序存貯器，根據(jù)讀出的內(nèi)容和EPROMM的內(nèi)容是否一致來判斷樣機的程序存貯器電路是否存在故障。,測試程序存貯器,許多仿真機是以單CPU方式開發(fā)51目標系統(tǒng)的，可以用開關(guān)選擇，使目標機選用仿真機內(nèi)晶振電路或樣機內(nèi)的晶振電路，通過使用樣機內(nèi)的晶振電路來測試它的功能。按下樣機中復位開關(guān)（如果存在），正常情況下，系統(tǒng)應(yīng)被復位。,晶振電路和復位電路,2. 單片機在線編程調(diào)試技術(shù),一、ISP編程方式：ISP一般是通過單片機專用的串行編程接口對單片機內(nèi)部的Flash存儲器進行編程，ISP的實現(xiàn)一般只需要很少的外部電路，例如，目前在單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中用得較多的JTAG編程方式。,二、IAP編程方式：在應(yīng)用編程IAP是從結(jié)構(gòu)上將Flash存儲器映射為兩個存儲區(qū)，當運行一個存儲區(qū)上的用戶程