单片机系统设计研究

一、单片机系统设计简述

经过几十年的发展，现在的单片机技术已经非常的成熟，相关的系统设计软件也有很多，目前在进行单片机系统设计时，通常采用C语言进行程序的编写，为了满足不同工业生产的需要，单片机中的功能模块会有一些差别，目前市场上使用最多的单片机就是Atmel公司生产的AT89SC51和AT89SC52，根据单片机型号的不同，相应引脚的功能也会有所变化，而在系统的设计时，首先要明确的就是单片机各个引脚对应的功能。虽然单片机型号的不同，相应程序编写时引脚的代码会有所变化，但是在所有单片机系统设计中，最小系统的设计与调试都是非常重要的，单片机的最小系统是调试程序和单片机工作的基础，通常情况下，一个最小系统包括了单片机芯片、电源模块、时钟模块、复位模块几个部分，在进行单片机系统的设计时，由于单片机自身没有人机交互模块，因此必须借助一些辅助设备才能完成，通常情况下都是从硬件和软件两个方面来考虑辅助设备，硬件方面需要计算机、数据线和万用表等必要的辅助工具，软件方面就需要Keil等程序编写软件和必要的下载软件，随着单片机自身的不断进步，现在已经出现了ISP在线编程功能，传统的单片机系统设计中，要想向单片机中写入程序，必须将单片机从系统中拿下，放到指定的系统中，然后与计算机进行连接，通过下载程序进行写入，而现在的工业生产开始向多样化发展，甚至在一些工业生产中，需要不断的对程序进行修改，如果每次修改都需要对单片机进行拆卸和安装，不但会影响生产的效率，单片机的接口也会受到一定的损坏，而ISP在线编程就不需要以上的步骤，单片机在电路板上时，依然可以对程序进行修改和重新下载等操作。

二、单片机系统设计的方法和步骤

随着单片机应用的范围越来越广，相应的系统设计也越来越多样化，因此在进行单片机系统开始时，第一个要明确的就是设计的目的和可行性分析，首先应该了解单片机要控制的对象，对控制系统的要求进行深入的分析，对系统的整体有一个充分的了解，只有在明确了以上的信息后，才能进行总体方案的设计，在总体方案的设计中，应该根据分析的结果，对单片机系统的构成方式进行确定，进而确定系统的信号检测方式等，以上两个步骤属于理论上的设计，在理论设计完成后，就要从硬件和软件两个方面来进行实际的设计，一般情况下，都是按照先硬件后软件的顺序进行，在硬件设计中，首先要做的就是原理图的设计，目前市场上有很多原理图设计的软件，例如英国Labcenterelectronics公司研发的Proteus等，然后在原理图的基础上进行元件的选择，这些都可以在Proteus软件内完成，用元件连接出一个原理图之后，可以选择直接制作电路板，然后再进行软件的设计，但是在实际的生产过程中，这样的过程经常会发现印制出的电路板存在问题，软件的设计无法正常进行，从而需要重新制作电路板，针对这种情况，Proteus等软件都集成了仿真的功能，因此可以在连接完原理图之后，就进行软件的编写，如果采用51系列单片机，程序的编写可以采用美国KeilSoftware公司开发的Keil系列软件，软件调试成功后，就可以利用软件的仿真功能，对设计的单片机系统进行功能的调试，如果没有发现任何问题，再进行电路板的印制，那么将会极大的减少错误的出现率。

三、单片机系统设计的误区及对策

在单片机系统的设计中，CPU死机是一个重要的问题，在出现了死机的情况后，系统整体后无法响应，严重时甚至会烧毁一些元器件，只有通过复位按键后，才能使系统恢复正常，针对这种情况，很多单片机系统设计时，都会添加一个定时器DogTimer，也就是人们俗称的看门狗，这个DogTimer定时器是按照一定的速率来计时的，当时间达到计时器设定的标准后，就会执行复位的命令，单片机系统在实际的工作过程中，CPU会定时的向这个定时器发出清零的命令，使DogTimer定时器不能满足复位的要求，而造成CPU死机的主要原因就是执行命令的过程中，CPU进入了一个死循环，从而不能正常的执行程序，如果添加了这个DogTimer定时器，CPU在进入到死循环后，就不会对定时器发出清零的命令，那么定时器就会达到设定的标准，然后自动的执行复位的命令，以这样的方式来解决死机的问题，由于这种方式非常简单，很多单片机自身就集成了这个功能，最大程度的降低CPU死机的次数，很多单片机系统设计人员也认为，有了这个定时器后，CPU就不会出现死机的问题，通过实际的调查发现，即使有了这个定时器的存在，也会因为很多原因导致CPU死机，因此可以说这是单片机系统设计的一个误区，例如当CPU进入一个死循环之后，会不断的执行死循环中的命令，如果这个死循环的命令刚好和定时器清零的命令一样，那么导致的现象就是CPU不断的向定时器发出清零的命令，这是CPU虽然已经处于死机的状态，但是定时器却已经失效了。

针对这种现象，可以对定时器进行必要的完善，例如可以做双保险，即设计两个定时器，一个定时器和传统的定时器一样，执行对CPU看护的功能，而第二个定时器就是防止前面所说定时器失效问题，第二个定时器可以设置为执行一个主循环清零一次，对于清零的命令两个定时器是独立的，这样即使CPU进入到了一个死循环，死循环中又包涵了一个定时器的清零命令，那么另一个计时器也会检测出来，从而对CPU执行复位，这种双保险的设计就有效的解决了定时器失效的问题，使单片机系统设计中CPU死机的几率将到最低，通过实际的调查发现，目前很多设计人员在进行系统设计时，考虑到单片机已经集成了一个防止死机的定时器，在设计中就不再进行防死机定时器的设计，这样完全依赖CPU集成定时器的做法，是不科学的，从实际应用的效果来看，CPU集成的定时器对防止死机能起到一定的效果，但是这种效果没有最大化，随着工业生产水平的提高，很多生产线对单片机系统的要求是百分之百不死机，这样仅仅依靠单片机集成的定时器显然无法完成，因此在进行单片机系统设计时，无论有没有集成的防死机定时器，都应该针对性的设计一个科学合理的定时器，最大程度的保证CPU不会出现死机的现象。

在单片机系统设计中，还有一个很大的误区就是PCB布线中，由于单片机系统设计已经存在了几十年，经过多年的积累，有很多宝贵的经验值得我们借鉴，但是由于电子行业的特殊性，摩尔定律揭示了每个十八个月，电子行业的技术就会翻倍，正是这种更新的频繁化，导致了一些过实的经验还被人们使用，例如在PCB布线中，设计人员根据以往的经验，都喜欢横平竖直的去布线，而且认为粗线比细线好，在传统的单片机系统中，这样的布线的确能够带来很多方便，但是随着PCB电路板的进步，层数越来越多，线路之间的电磁干扰已经成为了一个严重的问题，在这种背景下，传统的PCB布线方式无疑就是错误的，是目前单片机系统设计中存在的一个误区，为了使电路具有良好的抗电磁干扰能力，在PCB布线时首先应该做好地线层，在布线的过程中尽量保持线路之间的距离，现在看来这样的布线方式才科学、合理。

四、总结

总之，在进行单片机系统开发的过程中，要注重对误区的认识，从而提高其开发的效率和质量。在实际的工业生产中，也需要通过不断的改进和测试，保证其结果的准确性。通过全文的分析可以知道，在电子设备已经普及应用的今天，单片机作为一种控制系统，越来越受到人们的重视，而根据单片机应用的领域不同，系统设计也会有较大的差异，要想让单片机更好的在不同领域中使用，就要做出一个科学合理的设计，但是通过实际的调查发现，目前的单片机系统设计中，虽然设计的方法和步骤已经有了一定的标准，但是在设计的过程中还是存在一些误区，这些误区很容易使设计出来的系统无法正常的工作，相信随着时间的推移，人们对单片机系统设计研究的深入，这些误区都会得到很好的解决。

作者：刘颖 单位：长春职业技术学院食品与生物技术分院