单片机应用系统的设计 与调试 11PPT学习交流第第15章章单片机应用系统的设计与调试单片机应用系统的设计与调试15.1单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统的设计步骤15.2单片机应用系统设计单片机应用系统设计15.2.1硬件设计应考虑的问题硬件设计应考虑的问题15.2.2典型的单片机应用系统典型的单片机应用系统15.2.3系统设计中的总线驱动系统设计中的总线驱动15.2.4软件设计考虑的问题软件设计考虑的问题15.2.5软件的总体框架设计软件的总体框架设计15.3单片机应用系统的仿真开发与调试单片机应用系统的仿真开发与调试22PPT学习交流【内容概要内容概要】 本本章章介介绍绍单单片片机机应应用用系系统统的的设设计计，内内容容主主要要包包括括：应应用用系系统统的的设设计计步步骤骤和和方方法法，应应用用系系统统的的硬硬件件设设计计以以及及应应用用程程序序的的总总体体框框架架设设计计。此此外外，还还介介绍绍了了目目前前流流行行的的单单片片机机应应用用系系统统的的仿仿真真开开发发工工具具以以及及如如何何利利用用仿仿真真开开发发工工具具对对单单片片机机应应用用系系统统进进行行开开发调试。发调试。3PPT学习交流15.1 单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统的设计步骤 单片机应用系统的设计工作，首先要经过深入细致的需求分单片机应用系统的设计工作，首先要经过深入细致的需求分析，周密而科学的方案论证才能使系统设计工作顺利完成。一析，周密而科学的方案论证才能使系统设计工作顺利完成。一个单片机应用系统设计，一般可分为个单片机应用系统设计，一般可分为4个阶段。个阶段。（1）明确任务和需求分析以及拟定设计方案阶段）明确任务和需求分析以及拟定设计方案阶段 明确系统所要完成的任务十分重要，它是设计工作的基础，明确系统所要完成的任务十分重要，它是设计工作的基础，设计方案正确性的保证。设计方案正确性的保证。 需求分析的内容需求分析的内容主要包括：被测控参数的形式（电量、非电主要包括：被测控参数的形式（电量、非电量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。4PPT学习交流拟定设计方案是根据任务的需求分析，先确定大致方向和准备采拟定设计方案是根据任务的需求分析，先确定大致方向和准备采用的手段。注意，在进行设计方案确定的时候，简单的方法往往可用的手段。注意，在进行设计方案确定的时候，简单的方法往往可以解决大问题，切忌以解决大问题，切忌“将简单的问题复杂化将简单的问题复杂化”（2）硬件和软件设计阶段）硬件和软件设计阶段根据拟定的设计方案，设计出相应的系统硬件电路。硬件设计的根据拟定的设计方案，设计出相应的系统硬件电路。硬件设计的前提是必须能够完成系统的要求和保证可靠性。在硬件设计时，如前提是必须能够完成系统的要求和保证可靠性。在硬件设计时，如果能够将硬件电路设计与软件设计结合起来考虑效果会更好。因为果能够将硬件电路设计与软件设计结合起来考虑效果会更好。因为当有些问题在硬件电路中无法完成时，可直接由软件来完成（如某当有些问题在硬件电路中无法完成时，可直接由软件来完成（如某些软件滤波、校准功能等）；当软件编写程序很麻烦的时候，通过些软件滤波、校准功能等）；当软件编写程序很麻烦的时候，通过稍稍改动硬件电路（或尽可能不改动）可能会使软件变得十分简单。稍稍改动硬件电路（或尽可能不改动）可能会使软件变得十分简单。另外在一些要求另外在一些要求55PPT学习交流系统实时性强、响应速度快的场合，则往往必须用硬件代替软件系统实时性强、响应速度快的场合，则往往必须用硬件代替软件来完成某些功能。所以在硬件电路设计时，最好能够与软件的设来完成某些功能。所以在硬件电路设计时，最好能够与软件的设计结合起来，统一考虑，合理地安排软、硬件的比例，使系统具计结合起来，统一考虑，合理地安排软、硬件的比例，使系统具有最佳的性有最佳的性/价比。当硬件电路设计完成后，就可进行硬件电路价比。当硬件电路设计完成后，就可进行硬件电路板的绘制和焊接工作了。板的绘制和焊接工作了。接下来的工作就是软件设计。正确的编程方法就是根据需求接下来的工作就是软件设计。正确的编程方法就是根据需求分析，先绘制出软件的流程图，该环节十分重要。流程图的绘制分析，先绘制出软件的流程图，该环节十分重要。流程图的绘制往往不能一次成功，通常需要进行多次的修改。流程图的绘制可往往不能一次成功，通常需要进行多次的修改。流程图的绘制可按照由简到繁的方式再逐步细化，先绘制系统大体上需要执行的按照由简到繁的方式再逐步细化，先绘制系统大体上需要执行的程序模块，然后将这些模块按照要求组合在一起，在大方向没有程序模块，然后将这些模块按照要求组合在一起，在大方向没有问题后，再将每个模块进行细化，最后形成软件流程问题后，再将每个模块进行细化，最后形成软件流程66PPT学习交流图，这样程序的编写速度就会很快，同时程序流程图还会为图，这样程序的编写速度就会很快，同时程序流程图还会为后面的调试工作带来很多方便，如程序调试中某个模块不正后面的调试工作带来很多方便，如程序调试中某个模块不正常，就可以通过流程图来查找问题的原因。软件编写者一定常，就可以通过流程图来查找问题的原因。软件编写者一定要克服不绘制流程图直接在计算机上编写程序的习惯。要克服不绘制流程图直接在计算机上编写程序的习惯。设计者也可以先使用虚拟仿真开发工具设计者也可以先使用虚拟仿真开发工具Proteus来进行单片来进行单片机系统的仿真设计。使用机系统的仿真设计。使用Proteus完成的单片机系统设计与用完成的单片机系统设计与用户样机在硬件上无任何联系，这是一种完全用软件手段来对户样机在硬件上无任何联系，这是一种完全用软件手段来对单片机硬件电路和软件来进行设计、开发与仿真调试的开发单片机硬件电路和软件来进行设计、开发与仿真调试的开发工具。如果一个单片机的软硬件系统，先使用软件虚拟仿真工具。如果一个单片机的软硬件系统，先使用软件虚拟仿真工具进行系统设计并仿真调试通过，虽然还不能完全说工具进行系统设计并仿真调试通过，虽然还不能完全说77PPT学习交流明实际系统就完全通过，但至少在逻辑上是行得通的。系统虚拟仿明实际系统就完全通过，但至少在逻辑上是行得通的。系统虚拟仿真通过后，再进行实际的软硬件设计与实现，可大大减少设计上所真通过后，再进行实际的软硬件设计与实现，可大大减少设计上所走的弯路，软件编写调试可与硬件设计同步进行，可大大提高设计走的弯路，软件编写调试可与硬件设计同步进行，可大大提高设计效率，这也是目前世界上广泛流行的一种开发设计方法。效率，这也是目前世界上广泛流行的一种开发设计方法。（3）硬件与软件联合调试阶段）硬件与软件联合调试阶段上述的软硬件系统虚拟设计仿真调试通过后，再使用硬件仿真开上述的软硬件系统虚拟设计仿真调试通过后，再使用硬件仿真开发工具（在线仿真器）与用户样机来进行实际调试，具体的调试方发工具（在线仿真器）与用户样机来进行实际调试，具体的调试方法和过程，将在本章的后面进行介绍。法和过程，将在本章的后面进行介绍。所有的软件和硬件电路全部调试通过，并不意味着单片机系统的设所有的软件和硬件电路全部调试通过，并不意味着单片机系统的设计成功，还需要通过实际运行来调整系统的运行状计成功，还需要通过实际运行来调整系统的运行状88PPT学习交流态，例如系统中的态，例如系统中的A/D转换结果是否正确，如果不正确，是否转换结果是否正确，如果不正确，是否要调零和调整基准电压等。要调零和调整基准电压等。（4）资料与文件整理编制阶段）资料与文件整理编制阶段当系统全部调试通过后，就进入资料与文件整理编制阶段。当系统全部调试通过后，就进入资料与文件整理编制阶段。资料与文件包括：任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、资料与文件包括：任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、性能测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料（流程性能测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料（流程图、子程序使用说明、地址分配、程序清单）、硬件资料（电图、子程序使用说明、地址分配、程序清单）、硬件资料（电原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注意事项）。文件不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维意事项）。文件不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维修以及进一步再设计的依据。因此，一定要精心编写，描述清修以及进一步再设计的依据。因此，一定要精心编写，描述清楚，使数据及资料齐全。楚，使数据及资料齐全。99PPT学习交流15.2单片机应用系统设计单片机应用系统设计本节介绍如何进行单片机应用系统的设计。主要从硬件设本节介绍如何进行单片机应用系统的设计。主要从硬件设计和软件设计两个方面考虑。计和软件设计两个方面考虑。15.2.1硬件设计应考虑的问题硬件设计应考虑的问题在硬件设计时，应重点首先考虑以下几个问题。在硬件设计时，应重点首先考虑以下几个问题。1尽可能采用高集成度功能强的芯片尽可能采用高集成度功能强的芯片（1）单片机的选型）单片机的选型。随着集成电路技术的飞速发展，单片。随着集成电路技术的飞速发展，单片机的集成度越来越高，许多外围部件都已集成在芯片内，有机的集成度越来越高，许多外围部件都已集成在芯片内，有许多单片机本身就是一个系统，这样可以省去许多外围部件许多单片机本身就是一个系统，这样可以省去许多外围部件的扩展工作，使设计工作大大简化。在第的扩展工作，使设计工作大大简化。在第1章中，已经介绍章中，已经介绍1010PPT学习交流了目前较为流行的各种单片机机型，用户可根据任务的需求，了目前较为流行的各种单片机机型，用户可根据任务的需求，选择合适的机型。例如，目前市场上较为流行的美国选择合适的机型。例如，目前市场上较为流行的美国Cygnal公司的公司的C8051F0208位单片机，片内集成有位单片机，片内集成有8通道通道A/D、两路、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和数字交叉开关和64个通用个通用I/O口、电源监测、看门狗、多种口、电源监测、看门狗、多种类型的串行总线（两个类型的串行总线（两个UART、SPI）等。使用）等。使用1片片C8051F0208位单片机，就构成了一个应用系统。再如，如位单片机，就构成了一个应用系统。再如，如果系统需要较大的果系统需要较大的I/O驱动能力和较强的抗干扰能力，可考驱动能力和较强的抗干扰能力，可考虑选用虑选用PIC单片机或单片机或AVR单片机。单片机。（2）优先选用片内带有较大容量）优先选用片内带有较大容量Flash存储器的产品存储器的产品。例如，。例如，使用使用ATMEL公司的公司的AT89S52/AT89S53/AT89S54/1111PPT学习交流AT89S55系列产品，系列产品，PHILIPS公司的公司的89C58（内有（内有32KB的的Flash存储器）等，可省去扩展片外程序存储器的工作，减少芯片数存储器）等，可省去扩展片外程序存储器的工作，减少芯片数量，缩小系统的体积。量，缩小系统的体积。（3）RAM容量的考虑容量的考虑。大多数单片机片内的。大多数单片机片内的RAM单元有限，单元有限，当需增强软件数据处理功能时，往往觉得不足，这时可选用片当需增强软件数据处理功能时，往往觉得不足，这时可选用片内具有较大内具有较大RAM容量的单片机，例如容量的单片机，例如PIC18F452。（4）对）对I/O端口留有余地端口留有余地。在用户样机研制出来进行现场试用。在用户样机研制出来进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题是不能单靠软时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题是不能单靠软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在1212PPT学习交流硬件设计之初就多设计留有一些硬件设计之初就多设计留有一些I/O端口，这些问题就会迎刃端口，这些问题就会迎刃而解了。而解了。（5）预留）预留A/D和和D/A通道通道。与上述的。与上述的I/O端口同样的原因，留端口同样的原因，留出一些出一些A/D和和D/A通道将来可能会解决大问题。通道将来可能会解决大问题。2以软代硬以软代硬原则上，只要软件能做到且能满足性能要求，就不用硬件。原则上，只要软件能做到且能满足性能要求，就不用硬件。硬件多了不但增加成本，而且系统故障率也会提高。以软件代硬件多了不但增加成本，而且系统故障率也会提高。以软件代硬件的实质，就是以时间换空间，软件执行过程需要消耗时间，硬件的实质，就是以时间换空间，软件执行过程需要消耗时间，因此这种替代带来的问题是实时性下降。在实时性满足要求的因此这种替代带来的问题是实时性下降。在实时性满足要求的场合，以软代硬是合算的。场合，以软代硬是合算的。1313PPT学习交流3工艺设计工艺设计工艺设计包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安工艺设计包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试、维修的方便。另外，硬件抗干扰措施（将在本章的装、调试、维修的方便。另外，硬件抗干扰措施（将在本章的后面介绍）也必须在硬件设计时一并考虑进去。后面介绍）也必须在硬件设计时一并考虑进去。15.2.2典型的单片机应用系统典型的单片机应用系统典型的单片机应用系统框图如典型的单片机应用系统框图如图图15-1所示。所示。典型的单片机应用系统主要由单片机基本部分、输入部分和典型的单片机应用系统主要由单片机基本部分、输入部分和输出部分组成。输出部分组成。（1）单片机基本部分）单片机基本部分基本部分由单片机及其扩展的外设及芯片，如键盘、显示器、基本部分由单片机及其扩展的外设及芯片，如键盘、显示器、打印机、数据存储器、程序存储器以及数字打印机、数据存储器、程序存储器以及数字I/O等组成。等组成。1414PPT学习交流图15-1 单片机典型片机典型应用系用系统框框图 15PPT学习交流（2）输入部分）输入部分这是这是“测测”的部分，被的部分，被“测测”的信号类型有：数字量、模拟的信号类型有：数字量、模拟量和开关量。模拟量输入检测的主要包括信号调理电路以及量和开关量。模拟量输入检测的主要包括信号调理电路以及A/D转换器。转换器。A/D转换器中都集成了包括多路切换、采样保持、转换器中都集成了包括多路切换、采样保持、A/D转换等电路，转换等电路，A/D转换器或者直接集成在单片机片内。转换器或者直接集成在单片机片内。连接传感器与连接传感器与A/D转换器之间的桥梁是信号调理电路，传感转换器之间的桥梁是信号调理电路，传感器输出的模拟信号要经过信号调理电路对信号进行放大、滤波、器输出的模拟信号要经过信号调理电路对信号进行放大、滤波、隔离、量程调整等，变换成适合隔离、量程调整等，变换成适合A/D转换的电压信号。信号放转换的电压信号。信号放大通常由单片式仪表放大器承担。仪表放大器对信号进行放大大通常由单片式仪表放大器承担。仪表放大器对信号进行放大比普通运算放大器具有更优异的性能。如何根据不同的传感器比普通运算放大器具有更优异的性能。如何根据不同的传感器1616PPT学习交流正确地选择仪表放大器来进行信号调理电路的设计，请读者参正确地选择仪表放大器来进行信号调理电路的设计，请读者参阅有关资料和文献。阅有关资料和文献。（3）输出部分）输出部分这部分是应用系统这部分是应用系统“控控”的部分，包括数字量、开关量控制信的部分，包括数字量、开关量控制信号的输出和模拟量控制信号（常用于伺服控制）的输出。号的输出和模拟量控制信号（常用于伺服控制）的输出。15.2.3系统设计中的总线驱动系统设计中的总线驱动一个一个AT89S52单片机应用系统有时往往是多芯片系统，如何单片机应用系统有时往往是多芯片系统，如何实现实现AT89S52单片机对多片芯片的驱动的问题。单片机对多片芯片的驱动的问题。1717PPT学习交流在在AT89S52单片机扩展多片芯片时，要注意单片机扩展多片芯片时，要注意AT89S52单片单片机机4个并行双向口的个并行双向口的P0P3口的驱动能力。下面首先讨论这口的驱动能力。下面首先讨论这个问题。个问题。AT89S52的的P0、P2口通常作为总线端口，当系统扩展的芯口通常作为总线端口，当系统扩展的芯片较多时，可能造成负载过重，致使驱动能力不够，系统不片较多时，可能造成负载过重，致使驱动能力不够，系统不能可靠地工作，所以通常要附加总线驱动器或其他驱动电路。能可靠地工作，所以通常要附加总线驱动器或其他驱动电路。因此在多芯片应用系统设计中首先要估计总线的负载情况，因此在多芯片应用系统设计中首先要估计总线的负载情况，以确定是否需要对总线的驱动能力进行扩展。以确定是否需要对总线的驱动能力进行扩展。图图15-2为为AT89S52单片机总线驱动扩展原理图。单片机总线驱动扩展原理图。P2口需要口需要单向驱动，常见的单向驱动，常见的单向总线驱动器单向总线驱动器为为74LS244。1818PPT学习交流图15-2 AT89S52单片机片机总线驱动扩展原理展原理图 19PPT学习交流图图15-3为为74LS244引引脚脚图图和和逻逻辑辑图图。8个个三三态态驱驱动动器器分分成成两两组组，分别由分别由1G*和和2G*控制。控制。P0口作为数据总线，是双向传输，驱动器应为双向驱动、三口作为数据总线，是双向传输，驱动器应为双向驱动、三态输出，并由两个控制端来控制数据传送方向。如态输出，并由两个控制端来控制数据传送方向。如图图15-2所示，所示，数据输出允许控制端数据输出允许控制端DBEO有效时，数据总线输入为高阻态，输有效时，数据总线输入为高阻态，输出为开通状态；数据输入允许控制端出为开通状态；数据输入允许控制端DBEI有效时，则状态与上有效时，则状态与上相反。常见的相反。常见的双向驱动器双向驱动器为为74LS245，图图15-4为其引脚和逻辑为其引脚和逻辑图。图。16个三态门中每两个三态门组成一路双向驱动。驱动方向个三态门中每两个三态门组成一路双向驱动。驱动方向由由G*、DIR两个控制端控制驱动器有效或高阻态，在控制端有两个控制端控制驱动器有效或高阻态，在控制端有效（效（G*=0）时，）时，DIR控制端控制驱动器的驱动方向，控制端控制驱动器的驱动方向，DIR=0时时驱动方向为从驱动方向为从B至至A，DIR=1时则相反。时则相反。2020PPT学习交流21图15-3 单向向驱动器器74LS244引脚引脚图和和逻辑图 21PPT学习交流图15-4 74LS245的引脚的引脚图和和逻辑图22PPT学习交流图图15-5所所示示为为AT89S52单单片片机机应应用用系系统统总总线线驱驱动动扩扩展展电电路路图图。P0口口的的双双向向驱驱动动采采用用74LS245，如如图图15-5（a）所所示示；P2口口的的单单向向驱驱动动器器采采用用74LS244，如如图图15-5（b）所所示示。P0口口的的双双向向驱驱动动器器74LS245的的G*接接地地，保保证证芯芯片片一一直直处处于于工工作作状状态态，而而输输入入/输输出出的的方方向向控控制制由由单单片片机机的的数数据据存存储储器器的的“读读”控控制制引引脚脚（RD*）和和程程序序存存储储器器的的取取指指控控制制引引脚脚（PSEN*）通通过过与与门门控控制制DIR引引脚脚实实现现。这这种种连连接接方方法法无无论论是是“读读”数数据据存存储储器器中中数数据据（RD*有有效效）还还是是从从程程序序存存储储器器中中取取指指令令（PSEN*有有效效），都都能能保保证证对对P0口口的的输输入入驱驱动动；除除此此以以外外的的时时间间（RD*及及PSEN*均均无无效效），保保证证对对P0口口的的输输出出驱驱动动。对对于于P2口口，因因为为只只用用作作单单向向的的地地址址输输出出，故故74LS244的的驱驱动动门门控控制制端端1G*、2G*接地。接地。2323PPT学习交流24图15-5 AT89S52单片机片机应用系用系统中的中的总线驱动扩展展电路路图24PPT学习交流15.2.4软件设计考虑的问题软件设计考虑的问题在进行应用系统的总体设计时，软件设计和硬件设计应统一在进行应用系统的总体设计时，软件设计和硬件设计应统一考虑，相互结合进行。当系统的硬件电路设计定型后，软件的考虑，相互结合进行。当系统的硬件电路设计定型后，软件的任务也就明确了。任务也就明确了。一般来说，软件的功能分为两大类。一类是执行软件，它能一般来说，软件的功能分为两大类。一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控制等；另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操制等；另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度的角色。设计人员在作者的关系，在系统软件中充当组织调度的角色。设计人员在进行程序设计时应从以下几个方面加以考虑。进行程序设计时应从以下几个方面加以考虑。（1）根据软件功能要求，将系统软件分成若干相对独立的部）根据软件功能要求，将系统软件分成若干相对独立的部分，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简洁、流程合理。分，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简洁、流程合理。2525PPT学习交流（2）各功能程序实行模块化、子程序化。既便于调试、链接，）各功能程序实行模块化、子程序化。既便于调试、链接，又便于移植、修改。又便于移植、修改。（3）在编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。多花一些）在编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。多花一些时间来设计程序流程图，就可以节约几倍于源程序的编辑和调时间来设计程序流程图，就可以节约几倍于源程序的编辑和调试时间。试时间。（4）要合理分配系统资源，包括）要合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时器、定时器/计数计数器、中断源等。其中最关键的是片内器、中断源等。其中最关键的是片内RAM分配。对分配。对AT89S52单片机来讲，片内单片机来讲，片内RAM指指00HFFH单元，这单元，这256个字节的功个字节的功能不完全相同，分配时应充分发挥其特长，做到物尽其用。例能不完全相同，分配时应充分发挥其特长，做到物尽其用。例如，在工作寄存器的如，在工作寄存器的8个单元中，个单元中，R0和和R1具有指针功能，是编具有指针功能，是编程的重要角色，避免作为它用；程的重要角色，避免作为它用；20H2FH这这16个字节个字节2626PPT学习交流具有位寻址功能，用来存放各种标志位、逻辑变量、状态变量具有位寻址功能，用来存放各种标志位、逻辑变量、状态变量等；设置堆栈区时应事先估算出子程序和中断嵌套深度及程序等；设置堆栈区时应事先估算出子程序和中断嵌套深度及程序中堆栈操作指令使用情况，其大小应留有余量。若系统中扩展中堆栈操作指令使用情况，其大小应留有余量。若系统中扩展了了RAM存储器，应把使用频率最高的数据缓冲器安排在片内存储器，应把使用频率最高的数据缓冲器安排在片内RAM中，以提高处理速度。当中，以提高处理速度。当RAM资源规划好后，应列出一资源规划好后，应列出一张详细的张详细的RAM资源分配表，以备编程时查用方便。资源分配表，以备编程时查用方便。15.2.5软件的总体框架设计软件的总体框架设计设计者在软件设计时，感觉比较困难的是如何进行系统软件设计者在软件设计时，感觉比较困难的是如何进行系统软件的总体框架设计。下面给出一个典型的例子，供读者在软件设的总体框架设计。下面给出一个典型的例子，供读者在软件设计时参考。计时参考。2727PPT学习交流【例例15-1】有一个有一个AT89S52单片机的应用系统，假设单片机的应用系统，假设6个中个中断源都已用到，应用系统的程序框架如下：断源都已用到，应用系统的程序框架如下：2828PPT学习交流2929PPT学习交流30PPT学习交流31 上述程序框架上述程序框架仅供参考，当然在供参考，当然在实际设计中，中，6个中断源也个中断源也未必全用。未必全用。 31PPT学习交流15.3单片机应用系统的仿真开发与调试单片机应用系统的仿真开发与调试当一个单片机应用系统（用户样机）完成了硬件和软件设计，当一个单片机应用系统（用户样机）完成了硬件和软件设计，全部元器件安装完毕后，在用户样机的程序存储器中放入编写全部元器件安装完毕后，在用户样机的程序存储器中放入编写好的应用程序，系统即可运行。但应用程序运行一次性成功几好的应用程序，系统即可运行。但应用程序运行一次性成功几乎是不可能的，多少会存在一些软件、硬件上的错误，这就需乎是不可能的，多少会存在一些软件、硬件上的错误，这就需要借助单片机的仿真开发工具（在线仿真器）进行调试，发现要借助单片机的仿真开发工具（在线仿真器）进行调试，发现错误并加以改正。错误并加以改正。AT89S52单片机只是一个芯片，既没有键盘，单片机只是一个芯片，既没有键盘，又没有又没有CRT、LED显示器，也无法进行软件的开发（如编辑、汇显示器，也无法进行软件的开发（如编辑、汇编、调试程序等），因此，必须借助仿真开发工具所提供的开编、调试程序等），因此，必须借助仿真开发工具所提供的开发手段来进行。发手段来进行。一般来说，仿真开发工具应具有如下最基本的功能。一般来说，仿真开发工具应具有如下最基本的功能。3232PPT学习交流（1）用户样机程序的输入与修改。）用户样机程序的输入与修改。（2）程序的运行、调试（单步运行、设置断点运行）、排错、）程序的运行、调试（单步运行、设置断点运行）、排错、状态查询等功能。状态查询等功能。（3）用户样机硬件电路的诊断与检查。）用户样机硬件电路的诊断与检查。（4）有较全的开发软件。用户可用汇编语言或）有较全的开发软件。用户可用汇编语言或C语言编制应用语言编制应用程序；由开发系统编译连接生成目标文件、可执行文件。配有程序；由开发系统编译连接生成目标文件、可执行文件。配有反汇编软件，能将目标程序转换成汇编语言程序；有丰富的子反汇编软件，能将目标程序转换成汇编语言程序；有丰富的子程序可供用户选择调用。程序可供用户选择调用。（5）将调试正确的程序写入到程序存储器中。）将调试正确的程序写入到程序存储器中。下面介绍常用的仿真开发工具。下面介绍常用的仿真开发工具。3333PPT学习交流1. 仿真开发系统简介仿真开发系统简介 通用机仿真开发系统是目前设计者使用最多的一类开发装置，通用机仿真开发系统是目前设计者使用最多的一类开发装置，由在线仿真器与由在线仿真器与PC机上运行的仿真开发软件两部分组成。这是机上运行的仿真开发软件两部分组成。这是一种通过一种通过PC机的机的USB口，外加在线仿真器的在线仿真开发系统，口，外加在线仿真器的在线仿真开发系统，如如图图15-6所示。所示。 在调试用户程序时，在线仿真器一侧与在调试用户程序时，在线仿真器一侧与PC机的机的USB口相连，口相连，另一侧的仿真插头插入到用户样机的单片机插座上，来对样机另一侧的仿真插头插入到用户样机的单片机插座上，来对样机上的单片机进行上的单片机进行“仿真仿真”。从仿真插头向在线仿真器看去，看。从仿真插头向在线仿真器看去，看到的就是一个到的就是一个“单片机单片机”。 这个这个“单片机单片机”是是“出借出借”给用户给用户样机的，暂时代替用户样机上的单片机。仿真开发系统除了样机的，暂时代替用户样机上的单片机。仿真开发系统除了“出借出借”34PPT学习交流图15-6 通用机仿真开通用机仿真开发系系统 35PPT学习交流单单片片机机外外，还还“出出借借”仿仿真真用用的的RAM，来来暂暂收收代代替替用用户户样样机机上上的的程程序序存存储储器器，存存放放待待调调试试的的用用户户程程序序。但但是是这这个个“单单片片机机”片片内内程程序序的的运运行行是是可可以以跟跟踪踪、修修改改和和调调试试的的。由由于于有有PC机机上上强强大大的的仿仿真真开开发发软软件件支支持持，可可在在PC机机的的其其屏屏幕幕上上观观察察用用户户程程序序的的运运行行情情况况，当当按按照照图图15-6将将仿仿真真开开发发系系统统与与PC机机联联机机后后，用用户户可可利利用用PC机机上上的的仿仿真真开开发发软软件件，在在PC机机上上编编辑辑、修修改改源源程程序序，然然后后通通过过翻翻译译软软件件（汇汇编编语语言言编编程程翻翻译译软软件件为为汇汇编编程程序序，C51语语言言编编程程翻翻译译软软件件为为相相应应的的编编译译程程序序）将将其其汇汇编编成成机机器器代代码码，传传送送到到在在线线仿仿真真器器中中的的“仿仿真真RAM”中中，这这时时用用户户可使用在线仿真器，采用单步、断点、跟踪、全速等手段可使用在线仿真器，采用单步、断点、跟踪、全速等手段3636PPT学习交流调试用户程序，并进行修改和查找软、硬件故障，将系统状调试用户程序，并进行修改和查找软、硬件故障，将系统状态实时地显示在屏幕上。待程序调试通过后，再使用仿真开态实时地显示在屏幕上。待程序调试通过后，再使用仿真开发系统提供的编程器或专用编程器，把调试完毕的程序写入发系统提供的编程器或专用编程器，把调试完毕的程序写入到单片机片内的到单片机片内的Flash程序存储器中。此类仿真开发系统配置程序存储器中。此类仿真开发系统配置不同的在线仿真器，可仿真开发各种单片机。不同的在线仿真器，可仿真开发各种单片机。但是随着但是随着ISP技术的普及，对于技术的普及，对于AT89S5x单片机也可不使单片机也可不使用在线仿真器以及编程器，用户只需要在用在线仿真器以及编程器，用户只需要在PC机上修改程序，机上修改程序，然后将修改的程序直接写入用户样机的单片机的然后将修改的程序直接写入用户样机的单片机的Flash存储器存储器中，运行程序观察运行结果，如有问题可在中，运行程序观察运行结果，如有问题可在PC机上修改程序，机上修改程序，重新在线写入，直至运行结果满意为止。这样可省去在线仿重新在线写入，直至运行结果满意为止。这样可省去在线仿真器和编程器，但不足的是，不能对用户程序进行硬件单步、真器和编程器，但不足的是，不能对用户程序进行硬件单步、断点、跟踪、全速等手段来调试。断点、跟踪、全速等手段来调试。3737PPT学习交流在工业现场，往往没有在工业现场，往往没有PC机的支持，此时可使用独立型仿真机的支持，此时可使用独立型仿真器。该类仿真器采用模块化结构，配有不同外设，如外存板、器。该类仿真器采用模块化结构，配有不同外设，如外存板、打印机、键盘打印机、键盘/显示器等，用户可根据需要选用。由于没有显示器等，用户可根据需要选用。由于没有PC机，机，这时使用独立型仿真器来进行的仿真调试工作，要输入机器码，这时使用独立型仿真器来进行的仿真调试工作，要输入机器码，稍显麻烦一些。稍显麻烦一些。2.软件仿真开发工具软件仿真开发工具Proteus使用软件虚拟仿真开发工具使用软件虚拟仿真开发工具Proteus进行单片机系统的设计与进行单片机系统的设计与仿真，不需要在线仿真器，也不需要用户样机，直接就可以在仿真，不需要在线仿真器，也不需要用户样机，直接就可以在PC机上进行。调试完毕的软件可将其机器代码写入到片内机上进行。调试完毕的软件可将其机器代码写入到片内Flash程序存储器中，一般能直接投入运行。程序存储器中，一般能直接投入运行。但但Proteus是软件模拟器是使用纯软件来对用户系统仿真，是软件模拟器是使用纯软件来对用户系统仿真，3838PPT学习交流不能进行用户样机硬件部分的诊断与实时在线仿真。因此在不能进行用户样机硬件部分的诊断与实时在线仿真。因此在系统的开发中，一般是先用系统的开发中，一般是先用Proteus仿真软件设计出系统的虚拟仿真软件设计出系统的虚拟的硬件原理电路，编写程序，在的硬件原理电路，编写程序，在Proteus环境下仿真调试通过。环境下仿真调试通过。然后再依照仿真的结果，完成实际的硬件设计，再将仿真调试然后再依照仿真的结果，完成实际的硬件设计，再将仿真调试通过的程序写入到用户样机的通过的程序写入到用户样机的Flash存储器中，观察运行结果，存储器中，观察运行结果，如果有问题，再连接硬件仿真器去分析、调试。如果有问题，再连接硬件仿真器去分析、调试。3.用户样机的源程序调试用户样机的源程序调试下面介绍如何使用仿真开发工具进行汇编语言源程序编写、下面介绍如何使用仿真开发工具进行汇编语言源程序编写、调试以及与用户样机硬件联调工作。调试以及与用户样机硬件联调工作。用户源程序调试过程如用户源程序调试过程如图图15-7所示，可分为以下所示，可分为以下4个步骤。个步骤。3939PPT学习交流图15-7 用用户样机机软件件设计、调试的的过程程 40PPT学习交流（1）输入用户源程序。用户使用编辑软件，按照汇编语言源）输入用户源程序。用户使用编辑软件，按照汇编语言源程序要求的格式、语法规定，把源程序输入到程序要求的格式、语法规定，把源程序输入到PC机中，并保存机中，并保存在磁盘上。在磁盘上。（2）在）在PC机上，利用汇编程序对用户源程序进行汇编，直至机上，利用汇编程序对用户源程序进行汇编，直至语法错误全部纠正为止。如无语法错误，则进入下一个步骤。语法错误全部纠正为止。如无语法错误，则进入下一个步骤。（3）动态在线调试。这一步对用户的源程序进行调试。上述）动态在线调试。这一步对用户的源程序进行调试。上述的步骤（的步骤（1）、步骤（）、步骤（2）是一个纯粹的软件运行过程，而在这）是一个纯粹的软件运行过程，而在这一步，必须要有在线仿真器配合，才能对用户源程序进一步，必须要有在线仿真器配合，才能对用户源程序进行调试。行调试。用户程序中分为与用户样机硬件无关以及与用户样机紧密相关用户程序中分为与用户样机硬件无关以及与用户样机紧密相关的程序。的程序。4141PPT学习交流对于与用户样机硬件无关的程序，如计算程序，虽然已经没对于与用户样机硬件无关的程序，如计算程序，虽然已经没有语法错误，但可能存在逻辑错误，使计算结果不正确，此时有语法错误，但可能存在逻辑错误，使计算结果不正确，此时必须借助于在线仿真器的动态在线调试手段，如单步运必须借助于在线仿真器的动态在线调试手段，如单步运行、设行、设置断点等，发现逻辑错误，然后返回到步骤（置断点等，发现逻辑错误，然后返回到步骤（1）修改，直至逻）修改，直至逻辑错误纠正为止。辑错误纠正为止。对于与用户样机硬件紧密相关的程序段（如接口驱动程序），对于与用户样机硬件紧密相关的程序段（如接口驱动程序），一定要先把在线仿真器的仿真插头插入用户样机的单片机插座一定要先把在线仿真器的仿真插头插入用户样机的单片机插座中（见中（见图图15-6），进行在线仿真调试，利用仿真开发系统提供），进行在线仿真调试，利用仿真开发系统提供单步、设置断点等调试手段，来进行系统的调试。单步、设置断点等调试手段，来进行系统的调试。有关部分程序段运行有可能不正常，可能是软件逻辑上有问有关部分程序段运行有可能不正常，可能是软件逻辑上有问题，也可能是硬件有故障，必须先通过在线仿真调试程序提题，也可能是硬件有故障，必须先通过在线仿真调试程序提4242PPT学习交流43供的调试手段，把硬件故障排除以后，再与硬件配合，对供的调试手段，把硬件故障排除以后，再与硬件配合，对用户用户程序进行动态在线调试。对于软件的逻辑错误，则返回到第一程序进行动态在线调试。对于软件的逻辑错误，则返回到第一步进行修改，直至逻辑错误消除为止。在调试这类程序时，硬步进行修改，直至逻辑错误消除为止。在调试这类程序时，硬件调试与软件调试是不能完全分开的。许多硬件错误是通过软件调试与软件调试是不能完全分开的。许多硬件错误是通过软件的调试而发现和纠正的。件的调试而发现和纠正的。（4）将调试完毕的用户程序通过编程器或）将调试完毕的用户程序通过编程器或ISP写入，固化在程写入，固化在程序存储器中。序存储器中。4用户样机的硬件调试用户样机的硬件调试 当用户样机全部焊接完毕，就可对用户样机的硬件进行调试。当用户样机全部焊接完毕，就可对用户样机的硬件进行调试。首先进行静态调试，静态调试的目的是排除明显的硬件故障。首先进行静态调试，静态调试的目的是排除明显的硬件故障。 43PPT学习交流44（1）用户样机的静态调试）用户样机的静态调试 静态调试工作分为两步。静态调试工作分为两步。 第一步第一步是在样机加电之前，根据硬件逻辑设计图，先用万是在样机加电之前，根据硬件逻辑设计图，先用万用表等工具，仔细检查样机线路是否连接正确，并核对元器用表等工具，仔细检查样机线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，应特别注意电源系统件的型号、规格和安装是否符合要求，应特别注意电源系统的检查，以防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总的检查，以防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线、控制总线）是否存在相互之间短线（地址总线、数据总线、控制总线）是否存在相互之间短路或与其他信号线的短路。路或与其他信号线的短路。 第二步第二步是加电后检查各芯片插座上有关引脚的电位，仔细是加电后检查各芯片插座上有关引脚的电位，仔细测量各点电平是否正常，尤其应注意测量各点电平是否正常，尤其应注意AT89S52插座的各点电插座的各点电位，若有高压，与在线仿真器联机调试时，将会损坏在线仿位，若有高压，与在线仿真器联机调试时，将会损坏在线仿真器。真器。44PPT学习交流45具体步骤如下。具体步骤如下。n 电源检查。电源检查。当用户样机板连接或焊接完成之后，先不插当用户样机板连接或焊接完成之后，先不插主要元器件，通上电源。通常用主要元器件，通上电源。通常用+5V直流电源（这是直流电源（这是TTL电电源），用万用表电压档测试各元器件插座上相应电源引脚电源），用万用表电压档测试各元器件插座上相应电源引脚电压数值是否正确，极性是否符合。如有错误，要及时检查、压数值是否正确，极性是否符合。如有错误，要及时检查、排除，以使每个电源引脚的数值都符合要求。排除，以使每个电源引脚的数值都符合要求。n 各元器件电源检查各元器件电源检查。断开电源，按正确的元器件方向插。断开电源，按正确的元器件方向插上元器件。最好是分别插入，分别通电，并逐一检查每个元上元器件。最好是分别插入，分别通电，并逐一检查每个元器件上的电源是否正确，直到最后全部插上元器件。通电后，器件上的电源是否正确，直到最后全部插上元器件。通电后，每个元器件上电源值应正确无误。每个元器件上电源值应正确无误。45PPT学习交流n 检检查查相相应应芯芯片片的的逻逻辑辑关关系系。检检查查相相应应芯芯片片逻逻辑辑关关系系通通常常采采用用静静态态电电平平检检查查法法，即即在在一一个个芯芯片片信信号号的的输输入入端端加加入入一一个个相相应应电电平平，检检查查输输出出电电平平是是否否正正确确。单单片片机机系系统统大大都都是是数数字字逻逻辑辑电电路路，使使用用电电平平检检查查法法可可首首先先检检查查出出逻逻辑辑设设计计是是否否正正确确，选选用用的的元元器器件件是是否否符符合合要要求求，逻逻辑辑关关系系是是否否匹匹配配，元元器器件件连连接关系是否符合要求等。接关系是否符合要求等。（2）用户样机的在线仿真调试）用户样机的在线仿真调试在静态调试中，对用户样机硬件进行初步调试，只能排除在静态调试中，对用户样机硬件进行初步调试，只能排除一些明显的静态故障。一些明显的静态故障。用户样机中的硬件故障（如各个部件内部存在的故障和部用户样机中的硬件故障（如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误）主要是靠联机在线仿真来排除的。件之间连接的逻辑错误）主要是靠联机在线仿真来排除的。4646PPT学习交流47 在断电情况下，除在断电情况下，除AT89S52单片机外，插上所有的元器件，单片机外，插上所有的元器件，并把在线仿真器的仿真插头插入样机上并把在线仿真器的仿真插头插入样机上AT89S52单片机的插单片机的插座（见图座（见图15-6），然后分别打开用户样机和仿真器电源后便），然后分别打开用户样机和仿真器电源后便可开始联机在线仿真调试。可开始联机在线仿真调试。 前面已经介绍，硬件调试和软件调试是不能完全分开的，前面已经介绍，硬件调试和软件调试是不能完全分开的，许多硬件错误是在软件调试中发现和被纠正的。所以，在之许多硬件错误是在软件调试中发现和被纠正的。所以，在之前介绍的有关用户样机软件调试的第（前介绍的有关用户样机软件调试的第（3）步的动态在线调试）步的动态在线调试中，即包括联机仿真、硬件在线动态调试以及硬件故障的排中，即包括联机仿真、硬件在线动态调试以及硬件故障的排除。除。 下面介绍在仿真开发机上如何利用简单调试程序检查用户下面介绍在仿真开发机上如何利用简单调试程序检查用户样机。样机。47PPT学习交流 利用仿真开发系统对用户样机进行硬件检查，常常按其功能及利用仿真开发系统对用户样机进行硬件检查，常常按其功能及I/O通道分别编写相应简短的实验程序，来检查各部分功能及逻通道分别编写相应简短的实验程序，来检查各部分功能及逻辑是否正确，下面做简单介绍。辑是否正确，下面做简单介绍。 检查各地址译码输出检查各地址译码输出 通常，地址译码输出是一个低电平有效信号。因此在选到某通常，地址译码输出是一个低电平有效信号。因此在选到某一个芯片时（无论是内存还是外设），其片选信号用示波器检查一个芯片时（无论是内存还是外设），其片选信号用示波器检查应该是一个负脉冲信号。应该是一个负脉冲信号。 下面讨论如何检查地址译码器输出。例如，一片下面讨论如何检查地址译码器输出。例如，一片RAM 6116存存储芯片地址为储芯片地址为200027FFH，则在开发系统上执行如下程序：，则在开发系统上执行如下程序：LOOP：MOV DPTR，#2000H MOVX A，DPTR SJMP LOOP48PPT学习交流程序执行后，应该从程序执行后，应该从6116存储器芯片的片选端看到等间隔的一存储器芯片的片选端看到等间隔的一串负脉冲，说明该芯片片选信号连接是正确的，即使不插入该串负脉冲，说明该芯片片选信号连接是正确的，即使不插入该存储器芯片，只测量插座相应片选引脚也会有上述结果。存储器芯片，只测量插座相应片选引脚也会有上述结果。用同样方法，可将各内存及外设接口芯片的片选信号逐一进用同样方法，可将各内存及外设接口芯片的片选信号逐一进行检查。如出现不正确的现象，就要检查片选线连线是否正确，行检查。如出现不正确的现象，就要检查片选线连线是否正确，有无接触不良或错线、断线问题。有无接触不良或错线、断线问题。检查检查RAM存储器存储器检查检查RAM存储器时可编写程序，对存储器时可编写程序，对RAM存储器进行写入，然存储器进行写入，然后再读出，将写入和读出的数据进行比较，发现错误，立即停后再读出，将写入和读出的数据进行比较，发现错误，立即停止。将存储器芯片插上，执行如下程序：止。将存储器芯片插上，执行如下程序：49PPT学习交流5050PPT学习交流51 如一片如一片RAM 芯片的每个单元都出现问题，则有可能是某芯片的每个单元都出现问题，则有可能是某些控制信号连接不正确；如一片些控制信号连接不正确；如一片RAM芯片中一个或几个单元芯片中一个或几个单元出现问题，则有可能是这一芯片本身是不好的，可换一片再出现问题，则有可能是这一芯片本身是不好的，可换一片再测试一下。测试一下。 检查检查I/O扩展接口扩展接口 对可编程接口芯片，如对可编程接口芯片，如82C55，首先要对该接口芯片进行，首先要对该接口芯片进行初始化，再对其初始化，再对其I/O端口进行端口进行I/O操作。初始化要按系统设计操作。初始化要按系统设计要求进行，这个初始化程序调试好后就可作为正式编程的相要求进行，这个初始化程序调试好后就可作为正式编程的相应内容。程序初始化后，可对其端口进行读应内容。程序初始化后，可对其端口进行读/写。对开关量写。对开关量I/O来讲，在用户样机板上可利用钮子开关和发光二极管进行来讲，在用户样机板上可利用钮子开关和发光二极管进行模拟，也可直接接上驱动板进行检查。一般情况下，模拟，也可直接接上驱动板进行检查。一般情况下，51PPT学习交流52用户样机板先调试，驱动板单独进行调试，这样故障排除更方便用户样机板先调试，驱动板单独进行调试，这样故障排除更方便些。些。 如用自动程序检查端口状态不易观察时，可用开发系统的单步如用自动程序检查端口状态不易观察时，可用开发系统的单步功能，单步执行程序，检查内部寄存器的有关内容或外部相应信功能，单步执行程序，检查内部寄存器的有关内容或外部相应信号的状态，并确定开关量输入号的状态，并确定开关量输入/输出通道连接是否正确。输出通道连接是否正确。 若外扩一片若外扩一片82C55芯片，端口地址为芯片，端口地址为B000B003H，A口为口为方式方式0输入，输入，B口、口、C 口都为方式口都为方式0输出，则可用下述程序进行检输出，则可用下述程序进行检查：查：52PPT学习交流5353PPT学习交流54 对于锁存器和缓冲器，可直接对其端口进行读对于锁存器和缓冲器，可直接对其端口进行读/写，不存在初写，不存在初始化的问题。始化的问题。 通过上面介绍的调试用户样机过程，读者可以体会到离开仿真通过上面介绍的调试用户样机过程，读者可以体会到离开仿真开发系统就根本不可能进行用户样机的软硬件的联调，而调试的开发系统就根本不可能进行用户样机的软硬件的联调，而调试的关键步骤关键步骤动态在线仿真调试，又完全依赖于开发系统中的在线动态在线仿真调试，又完全依赖于开发系统中的在线仿真器。所以，开发系统的性能优劣，主要取决于在线仿真器的仿真器。所以，开发系统的性能优劣，主要取决于在线仿真器的性能优劣，在线仿真器所能提供的仿真开发手段，直接影响设计性能优劣，在线仿真器所能提供的仿真开发手段，直接影响设计者的设计、调试工作的效率。所以，对于设计者来说，在了解目者的设计、调试工作的效率。所以，对于设计者来说，在了解目前的开发系统的种类和性能之后，选择一个性前的开发系统的种类和性能之后，选择一个性/价比高的仿真开价比高的仿真开发系统，并能够熟练地使用它来调试用户样机是十分重要的。发系统，并能够熟练地使用它来调试用户样机是十分重要的。 54PPT学习交流