一、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在的單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常的成熟，相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件也有很多，目前在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)，為了滿足不同工業(yè)生產(chǎn)的需要，單片機(jī)中的功能模塊會(huì)有一些差別，目前市場(chǎng)上使用最多的單片機(jī)就是Atmel公司生產(chǎn)的AT89SC51和AT89SC52，根據(jù)單片機(jī)型號(hào)的不同，相應(yīng)引腳的功能也會(huì)有所變化，而在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確的就是單片機(jī)各個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的功能。雖然單片機(jī)型號(hào)的不同，相應(yīng)程序編寫(xiě)時(shí)引腳的代碼會(huì)有所變化，但是在所有單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試都是非常重要的，單片機(jī)的最小系統(tǒng)是調(diào)試程序和單片機(jī)工作的基礎(chǔ)，通常情況下，一個(gè)最小系統(tǒng)包括了單片機(jī)芯片、電源模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊幾個(gè)部分，在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，由于單片機(jī)自身沒(méi)有人機(jī)交互模塊，因此必須借助一些輔助設(shè)備才能完成，通常情況下都是從硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)考慮輔助設(shè)備，硬件方面需要計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)線和萬(wàn)用表等必要的輔助工具，軟件方面就需要Keil等程序編寫(xiě)軟件和必要的下載軟件，隨著單片機(jī)自身的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了ISP在線編程功能，傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要想向單片機(jī)中寫(xiě)入程序，必須將單片機(jī)從系統(tǒng)中拿下，放到指定的系統(tǒng)中，然后與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，通過(guò)下載程序進(jìn)行寫(xiě)入，而現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)開(kāi)始向多樣化發(fā)展，甚至在一些工業(yè)生產(chǎn)中，需要不斷的對(duì)程序進(jìn)行修改，如果每次修改都需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行拆卸和安裝，不但會(huì)影響生產(chǎn)的效率，單片機(jī)的接口也會(huì)受到一定的損壞，而ISP在線編程就不需要以上的步驟，單片機(jī)在電路板上時(shí)，依然可以對(duì)程序進(jìn)行修改和重新下載等操作。

二、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和步驟

隨著單片機(jī)應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣，相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也越來(lái)越多樣化，因此在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)，第一個(gè)要明確的就是設(shè)計(jì)的目的和可行性分析，首先應(yīng)該了解單片機(jī)要控制的對(duì)象，對(duì)控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行深入的分析，對(duì)系統(tǒng)的整體有一個(gè)充分的了解，只有在明確了以上的信息后，才能進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)，在總體方案的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)分析的結(jié)果，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成方式進(jìn)行確定，進(jìn)而確定系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方式等，以上兩個(gè)步驟屬于理論上的設(shè)計(jì)，在理論設(shè)計(jì)完成后，就要從硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)，一般情況下，都是按照先硬件后軟件的順序進(jìn)行，在硬件設(shè)計(jì)中，首先要做的就是原理圖的設(shè)計(jì)，目前市場(chǎng)上有很多原理圖設(shè)計(jì)的軟件，例如英國(guó)Labcenterelectronics公司研發(fā)的Proteus等，然后在原理圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行元件的選擇，這些都可以在Proteus軟件內(nèi)完成，用元件連接出一個(gè)原理圖之后，可以選擇直接制作電路板，然后再進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)，但是在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，這樣的過(guò)程經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)印制出的電路板存在問(wèn)題，軟件的設(shè)計(jì)無(wú)法正常進(jìn)行，從而需要重新制作電路板，針對(duì)這種情況，Proteus等軟件都集成了仿真的功能，因此可以在連接完原理圖之后，就進(jìn)行軟件的編寫(xiě)，如果采用51系列單片機(jī)，程序的編寫(xiě)可以采用美國(guó)KeilSoftware公司開(kāi)發(fā)的Keil系列軟件，軟件調(diào)試成功后，就可以利用軟件的仿真功能，對(duì)設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行功能的調(diào)試，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，再進(jìn)行電路板的印制，那么將會(huì)極大的減少錯(cuò)誤的出現(xiàn)率。

三、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的誤區(qū)及對(duì)策

在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，CPU死機(jī)是一個(gè)重要的問(wèn)題，在出現(xiàn)了死機(jī)的情況后，系統(tǒng)整體后無(wú)法響應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤б恍┰骷挥型ㄟ^(guò)復(fù)位按鍵后，才能使系統(tǒng)恢復(fù)正常，針對(duì)這種情況，很多單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，都會(huì)添加一個(gè)定時(shí)器DogTimer，也就是人們俗稱的看門狗，這個(gè)DogTimer定時(shí)器是按照一定的速率來(lái)計(jì)時(shí)的，當(dāng)時(shí)間達(dá)到計(jì)時(shí)器設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)后，就會(huì)執(zhí)行復(fù)位的命令，單片機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際的工作過(guò)程中，CPU會(huì)定時(shí)的向這個(gè)定時(shí)器發(fā)出清零的命令，使DogTimer定時(shí)器不能滿足復(fù)位的要求，而造成CPU死機(jī)的主要原因就是執(zhí)行命令的過(guò)程中，CPU進(jìn)入了一個(gè)死循環(huán)，從而不能正常的執(zhí)行程序，如果添加了這個(gè)DogTimer定時(shí)器，CPU在進(jìn)入到死循環(huán)后，就不會(huì)對(duì)定時(shí)器發(fā)出清零的命令，那么定時(shí)器就會(huì)達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，然后自動(dòng)的執(zhí)行復(fù)位的命令，以這樣的方式來(lái)解決死機(jī)的問(wèn)題，由于這種方式非常簡(jiǎn)單，很多單片機(jī)自身就集成了這個(gè)功能，最大程度的降低CPU死機(jī)的次數(shù)，很多單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也認(rèn)為，有了這個(gè)定時(shí)器后，CPU就不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)際的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即使有了這個(gè)定時(shí)器的存在，也會(huì)因?yàn)楹芏嘣驅(qū)е翪PU死機(jī)，因此可以說(shuō)這是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)誤區(qū)，例如當(dāng)CPU進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)之后，會(huì)不斷的執(zhí)行死循環(huán)中的命令，如果這個(gè)死循環(huán)的命令剛好和定時(shí)器清零的命令一樣，那么導(dǎo)致的現(xiàn)象就是CPU不斷的向定時(shí)器發(fā)出清零的命令，這是CPU雖然已經(jīng)處于死機(jī)的狀態(tài)，但是定時(shí)器卻已經(jīng)失效了。

針對(duì)這種現(xiàn)象，可以對(duì)定時(shí)器進(jìn)行必要的完善，例如可以做雙保險(xiǎn)，即設(shè)計(jì)兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)定時(shí)器和傳統(tǒng)的定時(shí)器一樣，執(zhí)行對(duì)CPU看護(hù)的功能，而第二個(gè)定時(shí)器就是防止前面所說(shuō)定時(shí)器失效問(wèn)題，第二個(gè)定時(shí)器可以設(shè)置為執(zhí)行一個(gè)主循環(huán)清零一次，對(duì)于清零的命令兩個(gè)定時(shí)器是獨(dú)立的，這樣即使CPU進(jìn)入到了一個(gè)死循環(huán)，死循環(huán)中又包涵了一個(gè)定時(shí)器的清零命令，那么另一個(gè)計(jì)時(shí)器也會(huì)檢測(cè)出來(lái)，從而對(duì)CPU執(zhí)行復(fù)位，這種雙保險(xiǎn)的設(shè)計(jì)就有效的解決了定時(shí)器失效的問(wèn)題，使單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中CPU死機(jī)的幾率將到最低，通過(guò)實(shí)際的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前很多設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到單片機(jī)已經(jīng)集成了一個(gè)防止死機(jī)的定時(shí)器，在設(shè)計(jì)中就不再進(jìn)行防死機(jī)定時(shí)器的設(shè)計(jì)，這樣完全依賴CPU集成定時(shí)器的做法，是不科學(xué)的，從實(shí)際應(yīng)用的效果來(lái)看，CPU集成的定時(shí)器對(duì)防止死機(jī)能起到一定的效果，但是這種效果沒(méi)有最大化，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，很多生產(chǎn)線對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的要求是百分之百不死機(jī)，這樣僅僅依靠單片機(jī)集成的定時(shí)器顯然無(wú)法完成，因此在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)論有沒(méi)有集成的防死機(jī)定時(shí)器，都應(yīng)該針對(duì)性的設(shè)計(jì)一個(gè)科學(xué)合理的定時(shí)器，最大程度的保證CPU不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象。

在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還有一個(gè)很大的誤區(qū)就是PCB布線中，由于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)存在了幾十年，經(jīng)過(guò)多年的積累，有很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒，但是由于電子行業(yè)的特殊性，摩爾定律揭示了每個(gè)十八個(gè)月，電子行業(yè)的技術(shù)就會(huì)翻倍，正是這種更新的頻繁化，導(dǎo)致了一些過(guò)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)還被人們使用，例如在PCB布線中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，都喜歡橫平豎直的去布線，而且認(rèn)為粗線比細(xì)線好，在傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)中，這樣的布線的確能夠帶來(lái)很多方便，但是隨著PCB電路板的進(jìn)步，層數(shù)越來(lái)越多，線路之間的電磁干擾已經(jīng)成為了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，在這種背景下，傳統(tǒng)的PCB布線方式無(wú)疑就是錯(cuò)誤的，是目前單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的一個(gè)誤區(qū)，為了使電路具有良好的抗電磁干擾能力，在PCB布線時(shí)首先應(yīng)該做好地線層，在布線的過(guò)程中盡量保持線路之間的距離，現(xiàn)在看來(lái)這樣的布線方式才科學(xué)、合理。

四、總結(jié)

總之，在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，要注重對(duì)誤區(qū)的認(rèn)識(shí)，從而提高其開(kāi)發(fā)的效率和質(zhì)量。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，也需要通過(guò)不斷的改進(jìn)和測(cè)試，保證其結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)全文的分析可以知道，在電子設(shè)備已經(jīng)普及應(yīng)用的今天，單片機(jī)作為一種控制系統(tǒng)，越來(lái)越受到人們的重視，而根據(jù)單片機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也會(huì)有較大的差異，要想讓單片機(jī)更好的在不同領(lǐng)域中使用，就要做出一個(gè)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，但是通過(guò)實(shí)際的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，雖然設(shè)計(jì)的方法和步驟已經(jīng)有了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還是存在一些誤區(qū)，這些誤區(qū)很容易使設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)無(wú)法正常的工作，相信隨著時(shí)間的推移，人們對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的深入，這些誤區(qū)都會(huì)得到很好的解決。

作者：劉穎 單位：長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物技術(shù)分院