單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)中的平臺(tái)設(shè)計(jì)

一、單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的意義

單片機(jī)是最初的大型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支，主要用于：工業(yè)自動(dòng)化控制、智能儀器、儀表、航海、航天、智能家電等領(lǐng)域。單片機(jī)作為一種嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用的主流控制芯片，應(yīng)用十分廣泛，而支持它的開發(fā)手段國(guó)內(nèi)還比較落后，目前我國(guó)單片機(jī)嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)行業(yè)中，仍實(shí)行隨意性個(gè)體的自然經(jīng)濟(jì)的落后方式，即便技術(shù)力量較強(qiáng)的公司，也仍在實(shí)行“板凳模式”的產(chǎn)品開發(fā)方法，大量低水平的重復(fù)勞動(dòng)形成了頑癥。采用平臺(tái)開發(fā)模式實(shí)行“階梯模式”的開發(fā)方式從根本上解決了“板凳模式”的弊端。

二、單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介

單片機(jī)應(yīng)用智能開發(fā)平臺(tái)是為單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)提供的一套解決方案，包括有中文開發(fā)平臺(tái)操作系統(tǒng)、基礎(chǔ)平臺(tái)、擴(kuò)展功能函數(shù)庫、仿真調(diào)試等功能。開發(fā)平臺(tái)部分為用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)易方便的開發(fā)環(huán)境，使用戶可對(duì)單片機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行可視化開發(fā)。基礎(chǔ)平臺(tái)部分提供了一個(gè)MCU與基本外部擴(kuò)展模塊結(jié)合的硬件環(huán)境，其具有良好的通用性，最大化的內(nèi)涵度以及非介入性的應(yīng)用特點(diǎn)，主模塊的整體構(gòu)架經(jīng)過優(yōu)化、篩選、實(shí)行嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化設(shè)計(jì)，最終要形成平臺(tái)的硬件資源庫。擴(kuò)展功能函數(shù)庫部分對(duì)于基礎(chǔ)平臺(tái)的擴(kuò)展部分提供了詳細(xì)的使用函數(shù)庫，用戶在平臺(tái)的支持下通過對(duì)函數(shù)的簡(jiǎn)單調(diào)用便可實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)展部分的使用。仿真調(diào)試部分可通過平臺(tái)對(duì)開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行仿真調(diào)試。內(nèi)嵌式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可使對(duì)多任務(wù)編程變得十分簡(jiǎn)單。利用本系統(tǒng)開發(fā)單片機(jī)嵌入式應(yīng)用項(xiàng)目，會(huì)大量節(jié)省研發(fā)費(fèi)用，縮短研發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性，達(dá)到事半功倍的效果。


三、基礎(chǔ)平臺(tái)及I/O模塊

（一）基礎(chǔ)模塊

按照目前單片機(jī)應(yīng)用功能和通信接口的現(xiàn)狀與未來發(fā)展，我們?cè)O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)模塊應(yīng)具備以下的功能：

（1）8051兼容內(nèi)核：
額定工作頻率12MHz（最大16MHz）；
3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；
32條可編程的I/O線（部分功能需復(fù)用）；
9個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)（可擴(kuò)展）。

（2）前向數(shù)據(jù)采集通道：

8通道高精度12位ADC（片內(nèi)電壓基準(zhǔn)、高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)5μs、DMA方式可選）；
兩個(gè)12位電壓輸出DAC；
擴(kuò)展八路頻率輸入接口；
片內(nèi)溫度傳感器。

（3）存儲(chǔ)器：

64KB Flash/EE 程序存儲(chǔ)器；
2MBFlash 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
256BRAM；
16MB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址空間。

（4）人機(jī)對(duì)話通道接口：

LCD顯示接口（字符/圖形）；
4×4鍵盤；
語音接口；
標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)接口（可選）。

（5）數(shù)據(jù)通訊接口：

標(biāo)準(zhǔn)UART串口（RS232/422）；
IrDA紅外數(shù)據(jù)交換接口；
無線通信接口（藍(lán)牙技術(shù)）；
電話線（內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器）。

（6）外圍設(shè)備：

看門狗定時(shí)器；
時(shí)鐘電路；
電源監(jiān)視器；
擴(kuò)展4路I2C總線輸出；
擴(kuò)展8路電流驅(qū)動(dòng)口。

（7）電源：

用3V和5V電壓工作（正常、空閑和掉電工作模式）。

基礎(chǔ)模塊大致功能接口如圖2所示。

其中可選項(xiàng)是用戶自己可按照我們規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行配備的硬件模塊，同時(shí)用戶也可用我們自己的配套功能模塊。

（二）用戶資源設(shè)計(jì)

這一部件是為了讓一部分用戶可在已有的資源不夠用或者不能滿足他的特殊要求時(shí)而設(shè)計(jì)的，如開關(guān)量的測(cè)量與輸出、多種優(yōu)先級(jí)方式的中斷系統(tǒng)、其他特殊的IIC總線器件、多機(jī)通訊、與上位機(jī)通訊、其他通訊設(shè)備的連接、更大的程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的擴(kuò)展等等。所以需要擴(kuò)展足夠多的地址線和一定的I/O口線和其他接口。

（三）硬件框圖

鑒于用戶資源和該通用測(cè)控系統(tǒng)在同一MCU控制下，考慮整個(gè)系統(tǒng)的功能要求和構(gòu)件的靈活性，以及當(dāng)今硬件發(fā)展的潮流，選用一片F(xiàn)PGA來完成所有的擴(kuò)展。基礎(chǔ)模塊的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。



四、虛擬儀表

虛擬儀器是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)發(fā)展起來的新型高科技產(chǎn)品，代表著當(dāng)今儀器發(fā)展的新方向。它既有普通儀器的基本功能，又有其獨(dú)特的功能。虛擬儀器給用戶一個(gè)充分發(fā)揮才能和想象力的空間，用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足各種各樣的應(yīng)用要求。在平臺(tái)中，為了給用戶調(diào)試帶來方便，設(shè)計(jì)了虛擬儀表功能，主要包括了數(shù)字電壓表、邏輯分析儀、波形發(fā)生器。

（一）邏輯分析儀

邏輯分析儀是仿真系統(tǒng)的一部分，它是對(duì)用戶系統(tǒng)進(jìn)行外部監(jiān)視，使用戶能夠直觀地了解到自身系統(tǒng)的狀態(tài)?？蔀橛脩籼峁┳陨硐到y(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，了解用戶系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

總體設(shè)計(jì)框圖:

實(shí)現(xiàn)目標(biāo):
（1）為軟件提供8路采集信號(hào)
（2）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集深度為32K
（3）實(shí)現(xiàn)高頻率的采集<20M>
（4）實(shí)現(xiàn)不同頻率的采集<20M,10M,100K,1K>
（5）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的壓縮
（6）采用RS-232通訊

（二）波形發(fā)生器

波形發(fā)生器是一種數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器。在調(diào)試硬件時(shí)，要加入一些信號(hào)，以觀察電路工作是否正常。本波形發(fā)生器可以定義串口數(shù)據(jù)，輸出波形可變，通過邏輯探鉤輸出，調(diào)試起來簡(jiǎn)單快捷。其模塊功能如下圖5所示。其中一路波形的產(chǎn)生如圖6所示。

波形發(fā)生器模塊功能

波形發(fā)生器一路波形的產(chǎn)生

（三）數(shù)字電壓表

因輸入信號(hào)的變化范圍較大（十幾微伏～幾伏）應(yīng)分為幾個(gè)檔，為方便用戶使用擬采用量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)。即根據(jù)未知參數(shù)量值的范圍，自動(dòng)選擇合適的增益或衰減，以切換到合適的量程。量程自動(dòng)設(shè)置的方法是通過在采集通道中設(shè)置可變?cè)鲆娣糯笃?，借助量程轉(zhuǎn)換開關(guān)控制其通斷，獲得所需量程。數(shù)字電壓表框圖如圖7所示。

數(shù)字電壓表框圖

五、仿真器調(diào)試器

在單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)中，仿真器是一個(gè)重要的輔助開發(fā)工具，因此，平臺(tái)有必要有一個(gè)仿真調(diào)試工具。滿足使用智能平臺(tái)做產(chǎn)品開發(fā)的用戶對(duì)目標(biāo)機(jī)仿真調(diào)試的要求，并且使用方便可靠。

功能要求:
（1） 全地址空間的仿真。
（2） 不占用任何用戶資源。
（3） 必須實(shí)現(xiàn)硬斷點(diǎn)，并且具有靈活的斷點(diǎn)管理功能。
（4） 硬件實(shí)現(xiàn)單步執(zhí)行功能。
（5） 可跟蹤用戶程序執(zhí)行。
（6） 可觀察用戶程序執(zhí)行過程中的變量和表達(dá)式。
（7） 可中止用戶程序的運(yùn)行或用戶程序復(fù)位。

由于單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)集成了大量專業(yè)技術(shù)和優(yōu)秀設(shè)計(jì)思想，把單片機(jī)嵌入式應(yīng)用于開發(fā)中的基礎(chǔ)硬件工程，解決在平臺(tái)之中，平臺(tái)的嚴(yán)密標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范化設(shè)計(jì)保證了平臺(tái)化設(shè)計(jì)有較高的可靠性與良好的使用界面。使用單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)可使技術(shù)人員迅速成長(zhǎng)，通過使用平臺(tái)培訓(xùn)開發(fā)人員能迅速掌握產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，徹底根除產(chǎn)品開發(fā)中大量低水平重復(fù)工作。平臺(tái)的知識(shí)集成減少了企業(yè)對(duì)個(gè)別技術(shù)人員的依賴性，技術(shù)人員的流動(dòng)不會(huì)影響企業(yè)的技術(shù)實(shí)力，平臺(tái)最大限度的包容性大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，平臺(tái)的可靠性積累，保證了基于平臺(tái)開發(fā)的產(chǎn)品具有良好的可靠性。平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化、規(guī)范化有利于嵌入式產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)、售后服務(wù)和產(chǎn)品更新。