湖南工大单片机课件第10章单片机应用系统的开发环境.ppt

第10章 单片机应用系统的开发环境,本章内容,单片机应用系统的开发方法 单片机应用系统的仿真调试 KEIL Vision2集成开发环境 PROTEUS 仿真软件,10.1 单片机应用系统开发方法,单片机的应用系统随着用途的不同，它们的硬件和软件结构差别很大，但系统研制的方法和步骤是基本相同的。,1. 调研工作,调研工作的目的，是分析完成这个项目的可行性，重点应放在能否实现这个环节。,首先从理论上进行分析，探讨实现的可能性，所要求的客观条件是否具备(如环境、测试手段、仪器设计、资金等)，然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。,确定任务和技术指标之后，下一步便是 这个阶段的任务是通过调查研究和查阅资料来完成系统的总体设计。 1) 整体方案设计 2）机型和元器件选择,总体设计,市场的货源,选择最熟悉的机种,考虑性/价比,2. 总体设计,3）硬件和软件的功能划分,硬件和软件具有一定的互换性 应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； 若用软件代替某些硬件的功能，可使硬件成本降低，但软件的工作量增加。,总体设计时，必须在硬件和软件之间均衡。一般的原则是看所设计的目标系统的生产量，如果成产量比较大，则能用软件实现的功能由软件完成，以便硬件结构简化。,3. 硬件设计,硬件设计的任务是根据总体设计要求，在所选定的单片机类型的基础上，具体确定系统中所用的元器件及系统构成方式 。 一个单片机应用系统的硬件设计包括两大部分内容：一是单片机系统的扩展部分设计。二是各功能模块的设计。,系统的电路设计应注意以下几个方面：, 尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性；, 在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高的电路或芯片。, 注意选择通用性强、市场货源充足的元器件，尤其对需大批量生产的场合，更应注意这方面的问题。, 在对硬件系统总体结构考虑时，同样要注意通用性的问题。, 系统的扩展及各功能模块的设计在满足应用系统功能要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。, 设计时应尽可能地作些调研，采用最新的技术。, 在电路设计时，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力。, 工艺设计，包括机箱、面板、配线、接插件等，,4. 软件设计,软件设计过程,1）问题定义 问题定义是进一步明确系统对软件的要求，把软件承担的任务明确的定义出来。 定义输入/输出。 确定对输入数据进行哪些处理。把输入数据转变为输出结果的基本点过程，主取决于对算法的确定。 问题定义的基础，是建立在对系统应用环境的正确 了解程度和正确的工程判断上的，它对软件设计和硬件设计提供指导。,2）软件结构设计 在问题定义的基础上，将软件分解为几个相对独立的任务，并根据这些任务的联系和时间关系，设计一个合理的软件结构，使CPU有条不紊地对这些任务进行处理。 软件结构设计还包括程序设计技术选择、程序设计技术、模块程序设计、自顶向下的程序设计和结构程序设计等。在单片机的软件设计中，模块程序设计是最常用方法。,程序模块的划分没有一定的标准，一般可参考以下原则： 每个模块的程序不宜太长； 力求使每个模块之间界限明确，而且在逻辑上相 对独立； 对一些简单的任务不必模块化； 尽量地利用现成的模块程序。,3）建立数学模型,建立数学模型是根据问题的定义，描叙出各个输入变量和输出变量之间的数学关系。在单片机应用系统中，数学模型的正确程度，是系统性能好坏的决定性因素。,例如，在直接数字控制系统中，最简单的方法是数字PID控制算法及其改进形式。在测量系统中，从模拟输入通道得到的温度，流量，压力等现场信息与该信号对应的实际值往往存在非线性关系，则需要进行线性处理。为了削弱或消除干扰信号的影响，提高系精度，常采用算平均发，中值法，惯性数字滤波方法等等。,4）绘制程序流程图,查询程序功能流程图,先分配单片机内部的RAM，指定工作寄存器，配标 志位，再估算子程序和中断嵌套的最大级数以及程序中 栈操作指令使用情况，指定堆栈区，栈区的大小应留有 余量，最后剩下部分作为数据缓冲器。若有扩展RAM存 贮器，应把使用频率最高的数据缓冲器设在内部RAM， 以利提高处理速度。在充分利用内部RAM基础上，再分 配外部的数据存贮器。,5）合理分配系统资源, 注意在程序的有关位置处写上功能注释，提高程序的可读性。 加强软件抗干扰设计，它是提高计算机应用系统可靠性的有力措施。,5. 仿真调试,单片机应用系统经过调研、总体设计、硬件设计、软件设计、制板、元器件安装后，在系统的程序存储器中固化编制好的应用程序，系统即可运行。但一次性成功几乎是不可能的，多少会出现一些硬件、软件上的错误。为了节约硬件成本，提高开发效率，可以通过仿真调试来发现错误并加以改正。单片机应用系统仿真调试的目的，是借助某种开发工具模拟用户实际的单片机，模仿现场的真实调试，进行系统软硬件统调，调试期间能随时观察运行的中间过程和相关数据结果，从而检查硬件、软件运行状态，及时发现并解决系统硬件、软件存在的问题。,逻辑错误,电源故障,元器件失效,可靠性问题,系统通过仿真调试后，还必须将应用程序固化在用户目标系统的程序存储器中，进行现场调试运行。,6. 现场调试,10.1.2 单片机应用系统的仿真调试,单片机本身并无开发能力，要借助开发工具才能实现系统设计。开发工具主要包括电脑、编程器(又称写入器)、仿真机。如果使用EPROM作为存储器还要配备紫外线擦除器。其中必不可少的工具是电脑和编程器(当然对于在线可编程（ISP）的单片机，如89S51，也可以不用编程器，而通过下载电缆下载)。,1. 借助仿真器调试,调试环境硬件由PC机、单片机仿真器、用户目标系统、编程器和连接电缆等组成。调试软件由PC机上的单片机程序集成开发环境软件、编程器软件等构成。, 单片机仿真器,单片机仿真器的工作步骤是：取下用户目标系统中的单片机芯片（目标系统CPU），把仿真器上的CPU仿真头插入用户目标系统CPU相应的位置，这样，就将仿真器中的CPU和程序存储器出借给了目标系统；PC机通过仿真器和目标系统建立起一种透明的联系，由仿真器向目标系统的应用电路部分提供各种信号、数据，从而进行调试。在这种仿真中，用户目标系统中的程序存储器是闲置的，程序员调试的是仿真器中的程序，仿真器中的程序运行完全受仿真器的监控程序控制。,（2）编程器,当我们编写好的程序在集成开发环境编译通过后，会形成一个二进制文件( .BIN)或十六进制文件(.HEX)，即形成所谓的目标程序。这个目标程序必须利用编程器才能将目标文件烧写到单片机的程序存储器中，从而让单片机系统的硬件和软件真正结合起来，组成一个完整的单片机系统。,仿真器硬件调试方法 1）静态调试,2）联机仿真 在静态调试中，对目标机硬件进行初步调试，只排除一些明显的静态故障。 目标样机中的硬件故障（如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误）主要是靠联机仿真来排除的。分别打开样机和仿真器电源后，便开始联机仿真调试。,用仿真机读出修改目标样机扩展RAM存贮器的操作命令 ，将一批数据写入样机的外部RAM存贮器，然后用读样机扩展RAM的命令读出检查，若读出和写入的内容一致（任意的数据写入任意的单元正确），则扩展RAM存贮器没有故障。若存在写不进，读不出现象，则有故障存在。此时编一段循环读写RAM存贮器程序，并用连续方式运行，用示波器观察样机RAM电路的选片信号和读写信号，进一步查明故障点。,测试扩展RAM存贮器,对于I/O口有输入和输出口之分，也有可编程接口的差别。应根据系统对I/O口的定义，先用仿真机的I/O写命令，把控制字写入可编程电路（如8255、8155等）的命令控制口，使之具有系统要求的逻辑结构。然后有用仿真机的I/O写命令将数据写入输出口，观察输出口和所连设备的状态。同时用 I/O口读或写命令读输入口的状态，观察读出内容和输入设备的状态是否一致（如拨盘开关，键盘等），用这种方法测试I/O接口和所连设备是否存在故障，并对故障进行定位。,测试I/O口和I/O设备,用仿真机ROM命令，使样机中的EPROM电路作为目标机的程序贮存器。再用I/O口读命令读程序存贮器，根据读出的内容和EPROMM的内容是否一致来判断样机的程序存贮器电路是否存在故障。,测试程序存贮器,许多仿真机是以单CPU方式开发51目标系统的，可以用开关选择，使目标机选用仿真机内晶振电路或样机内的晶振电路，通过使用样机内的晶振电路来测试它的功能。按下样机中复位开关（如果存在），正常情况下，系统应被复位。,晶振电路和复位电路,2. 单片机在线编程调试技术,一、ISP编程方式：ISP一般是通过单片机专用的串行编程接口对单片机内部的Flash存储器进行编程，ISP的实现一般只需要很少的外部电路，例如，目前在单片机应用系统开发中用得较多的JTAG编程方式。,二、IAP编程方式：在应用编程IAP是从结构上将Flash存储器映射为两个存储区，当运行一个存储区上的用户程