單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法研究

高瑞

【摘 要】單片機(jī)之所以能夠得到極為廣泛地應(yīng)用，是因?yàn)樗δ軓?qiáng)大，以及輕便靈活性能穩(wěn)定，對(duì)于這一控制系統(tǒng)來(lái)講最為關(guān)鍵的部分是它的設(shè)計(jì)，這是單片機(jī)的技術(shù)核心。本文通過(guò)對(duì)單片機(jī)結(jié)構(gòu)的深入研究和系統(tǒng)分析的同時(shí)，也探討了單片機(jī)軟硬件的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上著重介紹了對(duì)于它整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程，并參照相關(guān)資料以及大量案例總結(jié)出了系統(tǒng)調(diào)試的手段。

【關(guān)鍵詞】系統(tǒng)設(shè)計(jì)；單片機(jī)控制；調(diào)試手段

0 前言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的全面提升，為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)，在這個(gè)背景下，科學(xué)技術(shù)在不斷取得突破的同時(shí)，也推動(dòng)了電路系統(tǒng)的進(jìn)步，發(fā)展方向逐漸邁向了高度集成化，相關(guān)技術(shù)也不斷地成熟和完善，CPU制造領(lǐng)域中的技術(shù)手段和方法也變得越來(lái)越多樣化，并且能夠發(fā)揮出極高的實(shí)用價(jià)值。其中單片機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展最為突出，不僅在科技進(jìn)步的大趨勢(shì)下得到進(jìn)一步集成化的發(fā)展，同時(shí)還極大地精簡(jiǎn)了相關(guān)的技術(shù)成本，使得其在集成電路領(lǐng)域中得到了極為廣泛的普及。

1 單片機(jī)控制的系統(tǒng)

CPU是單片機(jī)系統(tǒng)的核心部分，在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著神經(jīng)中樞的作用，在這一部分進(jìn)行全方位的優(yōu)化和升級(jí)，將會(huì)使得控制整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單和方便。設(shè)計(jì)是這一系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)中不僅要對(duì)整體的方案進(jìn)行精密?chē)?yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)，與此同時(shí)還要進(jìn)行單片機(jī)以及變送器的選擇，除此之外還要在各類參數(shù)檢測(cè)構(gòu)件的同時(shí)進(jìn)行精確的建模，并且還要進(jìn)行階段性的設(shè)計(jì)部署，分別完成軟硬件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在最后的環(huán)節(jié)中調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要做到利弊權(quán)衡和綜合考量，不僅要參照實(shí)際的系統(tǒng)規(guī)格需求制定出科學(xué)的控制方案，還要依據(jù)控制系統(tǒng)的具體規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)確定工藝參數(shù)以及他的測(cè)量范圍。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不僅需要對(duì)硬件有著一定程度上的了解和研究，還需要具備靈活的應(yīng)變能力以便于針對(duì)不同的情況進(jìn)行不同形式的軟件設(shè)計(jì)，除此之外還有對(duì)工藝參數(shù)和相關(guān)性能的深入了解。在特殊情況下不僅學(xué)要了解控制對(duì)象的性能和現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，還需要對(duì)它的數(shù)學(xué)模型作深入的研究[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

在進(jìn)行系統(tǒng)總方案的具體設(shè)計(jì)之前，全面充分的了解和掌握被控對(duì)象的具體狀況，這與總方案的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)很大，會(huì)直接對(duì)系統(tǒng)的總體性能產(chǎn)生影響，還會(huì)導(dǎo)致實(shí)施細(xì)則產(chǎn)生差異。設(shè)計(jì)的方式有很多種：①根據(jù)具體的情況和實(shí)際的需求科學(xué)的選擇控制系統(tǒng)的最終種類，這其中不僅有閉環(huán)系統(tǒng)，還有開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，除此之外還包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在內(nèi)；②檢測(cè)元件在控制系統(tǒng)中存在較大的影響，會(huì)直接對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制精度產(chǎn)生決定性作用，在這種情況下必須科學(xué)的選擇出測(cè)量元件，這有這樣才能夠保證測(cè)量參數(shù)的精準(zhǔn)程度；③在微型機(jī)的整個(gè)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是其中最關(guān)鍵的部分，只有根據(jù)實(shí)際的需求將這一部分確定，并兼顧到其與控制算法的匹配與否，才能將系統(tǒng)的基礎(chǔ)打牢；④根據(jù)系統(tǒng)的整體規(guī)格，以及操作手法確定與其相匹配的外圍設(shè)施，并將系統(tǒng)運(yùn)作的原理描繪出來(lái)且制作成圖[2]。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)有著高度集成化的整體優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)的內(nèi)部不僅包含了I＼O控制線，還包括了存儲(chǔ)器，除此之外還有計(jì)算器的存在，盡管如此，依舊有擴(kuò)展接口的必要。購(gòu)買(mǎi)接口板是擴(kuò)展接口的方式之一，除此之外還可以通過(guò)設(shè)計(jì)匹配的芯片來(lái)進(jìn)行接口擴(kuò)展。

①擴(kuò)展存儲(chǔ)器：在單片機(jī)系統(tǒng)中所應(yīng)用的存儲(chǔ)器不僅需要進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，還需要存儲(chǔ)其中的運(yùn)作程序，所以相對(duì)于同種型號(hào)的微型機(jī)來(lái)講，單片機(jī)對(duì)存儲(chǔ)容量的要求更高，在對(duì)存儲(chǔ)器實(shí)施擴(kuò)展處理時(shí)，一定要充分的了解單片機(jī)的型號(hào)規(guī)格以及種類，而且要分別儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。

②擴(kuò)展模擬量輸入的通道：在對(duì)輸送通道實(shí)施擴(kuò)展處理時(shí)，必須要根據(jù)實(shí)際需要作出科學(xué)判斷，以此來(lái)確定數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)以及形式。人們使用系統(tǒng)中的絕大多數(shù)都是將S＼H形式結(jié)合起A＼D形式來(lái)使用，使兩者達(dá)到共享的狀態(tài)，但是當(dāng)涉及到相關(guān)的檢測(cè)時(shí)，卻只能夠?qū)＼D進(jìn)行共享，并對(duì)S＼H進(jìn)行多路選用；其次在選擇轉(zhuǎn)換器時(shí)要進(jìn)行慎重的考慮，并將其加入到設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)之中，在通常情況下，A＼D轉(zhuǎn)換器的具體位數(shù)越低與系統(tǒng)的匹配程度越高。

③擴(kuò)展模擬量輸出的通道：模擬量輸出的通道能夠起到很大的聯(lián)絡(luò)作用，能夠?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)的連接到單片機(jī)系統(tǒng)中，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要充分考慮到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體類型，除此之外還應(yīng)該兼顧到通道數(shù)量，步進(jìn)電機(jī)搜集數(shù)據(jù)的方式較為直接，只要單片機(jī)進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)輸出就能夠達(dá)到目的。但是很多執(zhí)行機(jī)構(gòu)做不到數(shù)據(jù)的直接搜集，只能夠通過(guò)轉(zhuǎn)換器的處理之后傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。

④設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)量接口：二進(jìn)制的數(shù)據(jù)通常只有兩種狀態(tài)，這種數(shù)據(jù)形式能夠很好地表示出開(kāi)關(guān)量，布爾處理機(jī)在單片機(jī)中占據(jù)著重要的位置，能夠?qū)﹂_(kāi)關(guān)量進(jìn)行極為方便的處理，從而達(dá)到阻止干擾的目的，這樣一來(lái)，將單片機(jī)分離于外圍設(shè)施的有效工具就是光電隔離器[3]。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)在單片機(jī)系統(tǒng)中起著神經(jīng)中樞的作用，在一定程度上控制著執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中包含了系統(tǒng)軟件，同時(shí)還存在著應(yīng)用軟件。在對(duì)軟件系統(tǒng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一定要保證它的穩(wěn)定性，使得系統(tǒng)在整個(gè)工作過(guò)程中的狀態(tài)能夠明顯的反映出來(lái)；一定要保證軟件的設(shè)計(jì)能夠與硬件的設(shè)計(jì)相互匹配，并最終達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不僅如此，要加強(qiáng)軟件的功能使其能夠發(fā)揮更大的實(shí)用價(jià)值，這樣能夠減小硬件的成本投入；應(yīng)用軟件的技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)該具備一定程度上的普遍性，不僅如此還應(yīng)該使應(yīng)用軟件的實(shí)用價(jià)值更強(qiáng)。開(kāi)發(fā)軟件的過(guò)程可以總體上分為幾個(gè)環(huán)節(jié)，首先是將模塊的功能屬性進(jìn)行劃分，并且將程序的形式結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同模塊制作出不同的流程圖，之后在程序的編寫(xiě)過(guò)程中科學(xué)的選擇出合適的程序語(yǔ)言，最后將所有的模塊勾連起來(lái)形成一個(gè)整體的運(yùn)作系統(tǒng)，構(gòu)架起一套完整的程序[4]。

5 系統(tǒng)調(diào)試

所謂的系統(tǒng)調(diào)試包含著兩方面的內(nèi)容，軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試是為了將設(shè)計(jì)工藝之中存在的硬性故障排查出去，除此之外，設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤也是硬件調(diào)試的排查目標(biāo)。對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試主要是為了掌握和測(cè)試目標(biāo)代碼，確定目標(biāo)代碼的準(zhǔn)確性之后，將代碼正常寫(xiě)入，系統(tǒng)就能夠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。在分別完成兩大系統(tǒng)的調(diào)試之后，就可以開(kāi)展兩者之間的配合調(diào)試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)行，在逐步完善過(guò)程中，使得軟硬件實(shí)現(xiàn)完美的吻合與匹配。

6 結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)技術(shù)在市場(chǎng)中的應(yīng)用范圍在逐漸的擴(kuò)大，在其中起到關(guān)鍵性作用的是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。對(duì)于專業(yè)的設(shè)計(jì)人員必須做好幾個(gè)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)備，首先要清楚整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成，除此之外就是對(duì)于軟硬件的分別設(shè)計(jì)，在這些基礎(chǔ)上通過(guò)正確的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的調(diào)試，只有從這幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行把關(guān)才能夠做好總體以及分步的設(shè)計(jì)工作。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]王麗維.基于單片機(jī)控制的種子包衣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（06）：01.

[4]薛龍，柳志成，楊震.步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究[J].新技術(shù)新工藝，2010（02）：25.

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