單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的誤區(qū)與應(yīng)對策略

程泉

（湖北科技學(xué)院 湖北咸寧 437000）

摘要：電子設(shè)備是當(dāng)今人類生活不可或缺的一部分，大部分行業(yè)都難以脫離電子設(shè)備而存在，而單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，在電子設(shè)備領(lǐng)域扮演著重要的角色，在各行各業(yè)得到了較好的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計也逐漸吸引人們的眼球。但是，在單片機(jī)的設(shè)計過程中，容易受到傳統(tǒng)影響，產(chǎn)生了一些系統(tǒng)設(shè)計的誤區(qū)。本文首先介紹單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計特點(diǎn)，并闡述設(shè)計方法和程序，分析現(xiàn)存的誤區(qū)及誤區(qū)的原因，從而對癥下藥，探索出解決策略和措施。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；系統(tǒng)設(shè)計；誤區(qū)；策略

正文：單片機(jī)從出現(xiàn)以來，在電子行業(yè)中承擔(dān)著重要的角色，是一項偉大的進(jìn)步。集成電路在上個世紀(jì)80年代開始就不斷涌現(xiàn)，但隨著科技的發(fā)展，普通集成電路已無法滿足人類的需求，人們開始研究更大規(guī)模的集成電路。單片機(jī)其實是計算機(jī)的濃縮版，它的體積非常小，比傳統(tǒng)的計算機(jī)小得多，但卻能實現(xiàn)計算機(jī)的許多功能。因此，我們應(yīng)當(dāng)充分利用單片機(jī)的優(yōu)勢特點(diǎn)，將單片機(jī)應(yīng)用到生產(chǎn)設(shè)備中，通過系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)控制功能。

一、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計簡述

單片機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)類似于計算機(jī)。如今的計算機(jī)架構(gòu)包括了中央處理器（即運(yùn)算器和控制器）、存儲器及人機(jī)交互設(shè)備。單片機(jī)也是這種架構(gòu)，但單片機(jī)的獨(dú)特之處在于它的輸入和輸出設(shè)備均采用端口方式，對比起計算機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)，單片機(jī)缺少了人機(jī)交互的設(shè)備。但這并不意味著單片機(jī)無法實現(xiàn)人機(jī)交互功能，實際上，在單片機(jī)的使用過程中，將單片機(jī)的端口連接相應(yīng)的設(shè)備，也能同計算機(jī)一樣，實現(xiàn)人機(jī)交互功能。也就是說，單片機(jī)在縮小體積的同時，也能實現(xiàn)計算機(jī)的功能，以滿足許多行業(yè)的需求。

單片機(jī)技術(shù)隨著幾十年的發(fā)展，技術(shù)不斷成熟，也出現(xiàn)了許多相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計軟件。就現(xiàn)階段而言，主要是采用C語言進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的程序編寫。而且，單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計還因應(yīng)用領(lǐng)域的不同而對功能有不同的要求，也就是說，各類單片機(jī)的功能模塊難免存在差別，在設(shè)計之初，應(yīng)當(dāng)先明確單片機(jī)各個引腳對應(yīng)的功能。

單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計因功能實現(xiàn)的不同而有所差異，但在任何單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計過程中，最小系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試都是必不可少的。[1]單片機(jī)的最小系統(tǒng)通常包括電源模塊、時鐘模塊、芯片及復(fù)位模塊等幾大部分，是單片機(jī)工作的基礎(chǔ)。但由于單片機(jī)缺少人機(jī)交互的設(shè)備，因而需要借助其他設(shè)備來完成人機(jī)交互功能。從硬件方面分析，輔助工具主要為數(shù)據(jù)線、計算機(jī)等。而從軟件方面來講，輔助工具通常為程序編寫軟件。目前出現(xiàn)的ISP在線編程功能，符合了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的多樣化發(fā)展需求。在傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)中，尚未出現(xiàn)在線編程功能，如果要在單片機(jī)中寫入程序，必須將其取出，置于特定的系統(tǒng)中，連接計算機(jī)，再實現(xiàn)程序的寫入。但I(xiàn)SP在線編程功能改變了這一復(fù)雜的工序，即單片機(jī)在電路板上能夠直接進(jìn)行程序的修改等操作，提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。

二、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的步驟方法

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，單片機(jī)的應(yīng)用范圍越來越廣，系統(tǒng)設(shè)計也逐漸多樣化。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計之初，應(yīng)當(dāng)首先明確設(shè)計目的。也就是說，對單片機(jī)的控制對象要有所了解和認(rèn)識，深入分析系統(tǒng)的要求，明確單片機(jī)最終要實現(xiàn)的功能，在此基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行下一步——設(shè)計總體方案。在設(shè)計總體方案的過程中，根據(jù)前述對系統(tǒng)的深入分析得到的結(jié)果，確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式及信號檢測方法等。理論設(shè)計完成后，進(jìn)入實際設(shè)計階段。通常包括硬件和軟件兩個方面。首先，在硬件設(shè)計中，第一步是原理圖的設(shè)計。設(shè)計出原理圖后，在此基礎(chǔ)上選擇元件。目前市場上出現(xiàn)一些原理圖設(shè)計的軟件，利用這些軟件可以實現(xiàn)對元件的選擇，再連接出一個原理圖，可選擇直接制作電路板。[2]但在實際運(yùn)作過程中，如此得來的電路板存在問題，阻礙了軟件設(shè)計的正常進(jìn)行。為解決這一問題，目前英國Labcenterelectronics公司研發(fā)的Proteus軟件，集成了仿真的功能，也就是說，原理圖連接之后便可進(jìn)行軟件的編寫，這在一定程度上減低了錯誤的出現(xiàn)率。

三、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的誤區(qū)及應(yīng)對措施

在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中，我們面臨的一個重要問題就是CPU死機(jī)。死機(jī)情況出現(xiàn)后，只有通過復(fù)位按鍵，才能將無法響應(yīng)的系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。為解決這一問題，人們在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中添加了一個定時器DogTimer。這個DogTimer定時器講進(jìn)行計時，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的時間時，便會執(zhí)行復(fù)位命令，用這種方式來解決CPU死機(jī)的問題。許多單片機(jī)集成了這個功能，降低了CPU死機(jī)的次數(shù)。[3]因此，許多設(shè)計人員都認(rèn)為這種方式能夠徹底解決死機(jī)的問題。但通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即使在單片機(jī)添加這個DogTimer定時器，仍然會有其他原因?qū)е翪PU死機(jī)，這是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中一個重大誤區(qū)。在一些特殊情況下，CPU處于死機(jī)狀態(tài)事，定時器已失效，無法執(zhí)行命令。因此，我們有必要對定時器進(jìn)行改進(jìn)和完善。例如，設(shè)計兩個定時器，其中一個定時器仍按照前述定時器的功能執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，即對CPU進(jìn)行看護(hù)。另外一個定時器，可以執(zhí)行清零的命令。也就是說，將其設(shè)置為執(zhí)行一個主循環(huán)清零一次。這種方式可以有效解決定時器失效的問題，在一定程度上降低了CPU死機(jī)的幾率。同時，我們必須清楚地意識到，CPU死機(jī)的問題不能單靠一個防止死機(jī)的定時器來解決，因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的過程中，不能因為單片機(jī)已經(jīng)集成了一個防止死機(jī)的定時器，就忽略了從其他方面對防死機(jī)的功能設(shè)計。實際上，從應(yīng)用效果方面分析，我們無法否認(rèn)CPU集成的定時器對防止死機(jī)所起的作用和產(chǎn)生的效果，但是這種方式還可以更加合理化和科學(xué)化，從而使防護(hù)效果更加明顯和最大化。

除此之外，在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中還存在另一重大誤區(qū)——PCB布線。單片機(jī)從出現(xiàn)到目前為止經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，積累了豐富的寶貴經(jīng)驗，但是電子行業(yè)的迅速進(jìn)步，電子技術(shù)隨著時代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，也不斷得到更新。但在PCE布線中，設(shè)計人員固守傳統(tǒng)經(jīng)驗，傾向于橫平豎直地進(jìn)行布線，在粗線和細(xì)線之間更愿意選擇粗線。無可否認(rèn)，這種布線方式在傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)中體現(xiàn)了一定的優(yōu)勢，帶來許多便利，但隨著PCB電路板的不斷發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)的布線方法已不完全適用于頻繁更新的現(xiàn)代PCB布線中?，F(xiàn)代的PCB電路板中，層數(shù)不斷增多，若采用傳統(tǒng)布線方法，將在線路之間形成嚴(yán)重的電磁干擾。因此，應(yīng)當(dāng)改變傳統(tǒng)的布線方式，應(yīng)先做好地線層，合理把握線路之間的距離，最大程度的減少電磁干擾，逐步形成更加科學(xué)合理的布線方式。

總而言之，在單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)過程中，必須對的現(xiàn)存的誤區(qū)進(jìn)行正確的認(rèn)識，不斷改進(jìn)和完善，從而最終提高單片機(jī)的質(zhì)量。在實踐過程中，不斷進(jìn)行反復(fù)的研究和測試，深入分析測試結(jié)果，提高其結(jié)果的準(zhǔn)確性。

結(jié)語：眾所周知，電子設(shè)備在當(dāng)今社會生活中扮演者極其重要的角色，應(yīng)用的范圍也越來越廣。而單片機(jī)作為一種系統(tǒng)，隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，也逐漸發(fā)揮其優(yōu)勢作用，在各個領(lǐng)域中得到普遍使用。因此，在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)過程中，我們應(yīng)當(dāng)不斷分析和研究，正確認(rèn)識現(xiàn)階段存在的一些誤區(qū)，并積極采取措施予以改進(jìn)和完善，從而提高單片機(jī)的質(zhì)量及應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉穎. 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的誤區(qū)與應(yīng)對策略[J]. 長沙鐵道學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版）， 2013， 14（3）：204-205.

[2] 邵貝貝. 單片機(jī)系統(tǒng)可靠性技術(shù)及發(fā)展[J]. 電子產(chǎn)品世界， 1999（8）：20-21.

[3]王柏林. 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的誤區(qū)與對策[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用， 2002， 28（2）：22-24.endprint