單片機應用開發中的平臺設計

一、單片機應用開發平臺的意義

單片機是最初的大型計算機的一個分支，主要用于：工業自動化控制、智能儀器、儀表、航海、航天、智能家電等領域。單片機作為一種嵌入式產品應用的主流控制芯片，應用十分廣泛，而支持它的開發手段國內還比較落后，目前我國單片機嵌入式產品的開發行業中，仍實行隨意性個體的自然經濟的落后方式，即便技術力量較強的公司，也仍在實行“板凳模式”的產品開發方法，大量低水平的重復勞動形成了頑癥。采用平臺開發模式實行“階梯模式”的開發方式從根本上解決了“板凳模式”的弊端。

二、單片機開發平臺簡介

單片機應用智能開發平臺是為單片機的應用開發提供的一套解決方案，包括有中文開發平臺操作系統、基礎平臺、擴展功能函數庫、仿真調試等功能。開發平臺部分為用戶提供了一個簡易方便的開發環境，使用戶可對單片機應用項目進行可視化開發。基礎平臺部分提供了一個MCU與基本外部擴展模塊結合的硬件環境，其具有良好的通用性，最大化的內涵度以及非介入性的應用特點，主模塊的整體構架經過優化、篩選、實行嚴格的標準化、系列化、規范化設計，最終要形成平臺的硬件資源庫。擴展功能函數庫部分對于基礎平臺的擴展部分提供了詳細的使用函數庫，用戶在平臺的支持下通過對函數的簡單調用便可實現對擴展部分的使用。仿真調試部分可通過平臺對開發項目進行仿真調試。內嵌式實時多任務操作系統，可使對多任務編程變得十分簡單。利用本系統開發單片機嵌入式應用項目，會大量節省研發費用，縮短研發周期，提高系統可靠性，達到事半功倍的效果。


三、基礎平臺及I/O模塊

（一）基礎模塊

按照目前單片機應用功能和通信接口的現狀與未來發展，我們設計的基礎模塊應具備以下的功能：

（1）8051兼容內核：
額定工作頻率12MHz（最大16MHz）；
3個16位定時器/計數器；
32條可編程的I/O線（部分功能需復用）；
9個中斷源，兩個優先級（可擴展）。

（2）前向數據采集通道：

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

（3）存儲器：

64KB Flash/EE 程序存儲器；
2MB Flash 數據存儲器；
256B RAM；
16MB外部數據存儲地址空間。

（4）人機對話通道接口：

LCD顯示接口（字符/圖形）；
4×4鍵盤；
語音接口；
標準打印機接口（可選）。

（5）數據通訊接口：

標準UART串口（RS232/422）；
IrDA紅外數據交換接口；
無線通信接口（藍牙技術）；
電話線（內置調制解調器）。

（6）外圍設備：

看門狗定時器；
時鐘電路；
電源監視器；
擴展4路I2C總線輸出；
擴展8路電流驅動口。

（7）電源：

用3V和5V電壓工作（正常、空閑和掉電工作模式）。

基礎模塊大致功能接口如圖2所示。

其中可選項是用戶自己可按照我們規定的參數進行配備的硬件模塊，同時用戶也可用我們自己的配套功能模塊。

（二）用戶資源設計

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而設計的，如開關量的測量與輸出、多種優先級方式的中斷系統、其他特殊的IIC總線器件、多機通訊、與上位機通訊、其他通訊設備的連接、更大的程序存儲區和數據存儲區的擴展等等。所以需要擴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控系統在同一MCU控制下，考慮整個系統的功能要求和構件的靈活性，以及當今硬件發展的潮流，選用一片FPGA來完成所有的擴展。基礎模塊的內部硬件結構簡圖如圖3所示。



四、虛擬儀表

虛擬儀器是隨著計算機技術、現代測量技術發展起來的新型高科技產品，代表著當今儀器發展的新方向。它既有普通儀器的基本功能，又有其獨特的功能。虛擬儀器給用戶一個充分發揮才能和想象力的空間，用戶可以根據自己的需求設計自己的儀器系統，滿足各種各樣的應用要求。在平臺中，為了給用戶調試帶來方便，設計了虛擬儀表功能，主要包括了數字電壓表、邏輯分析儀、波形發生器。

（一）邏輯分析儀

邏輯分析儀是仿真系統的一部分，它是對用戶系統進行外部監視，使用戶能夠直觀地了解到自身系統的狀態。可為用戶提供自身系統的狀態數據，并進行數據分析，了解用戶系統的工作狀態。

總體設計框圖:

實現目標:
（1）為軟件提供8路采集信號
（2）實現數據的采集深度為32K
（3）實現高頻率的采集20M>
（4）實現不同頻率的采集20M,10M,100K,1K>
（5）對數據進行簡單的壓縮
（6）采用RS-232通訊

（二）波形發生器

波形發生器是一種數據信號發生器。在調試硬件時，要加入一些信號，以觀察電路工作是否正常。本波形發生器可以定義串口數據，輸出波形可變，通過邏輯探鉤輸出，調試起來簡單快捷。其模塊功能如下圖5所示。其中一路波形的產生如圖6所示。

波形發生器模塊功能

波形發生器一路波形的產生

（三）數字電壓表

因輸入信號的變化范圍較大（十幾微伏～幾伏）應分為幾個檔，為方便用戶使用擬采用量程自動轉換技術。即根據未知參數量值的范圍，自動選擇合適的增益或衰減，以切換到合適的量程。量程自動設置的方法是通過在采集通道中設置可變增益放大器，借助量程轉換開關控制其通斷，獲得所需量程。數字電壓表框圖如圖7所示。

數字電壓表框圖

五、仿真器調試器

在單片機應用開發中，仿真器是一個重要的輔助開發工具，因此，平臺有必要有一個仿真調試工具。滿足使用智能平臺做產品開發的用戶對目標機仿真調試的要求，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） 必須實現硬斷點，并且具有靈活的斷點管理功能。
（4） 硬件實現單步執行功能。
（5） 可跟蹤用戶程序執行。
（6） 可觀察用戶程序執行過程中的變量和表達式。
（7） 可中止用戶程序的運行或用戶程序復位。

由于單片機應用開發平臺集成了大量專業技術和優秀設計思想，把單片機嵌入式應用于開發中的基礎硬件工程，解決在平臺之中，平臺的嚴密標準和規范化設計保證了平臺化設計有較高的可靠性與良好的使用界面。使用單片機開發平臺可使技術人員迅速成長，通過使用平臺培訓開發人員能迅速掌握產品開發技術，徹底根除產品開發中大量低水平重復工作。平臺的知識集成減少了企業對個別技術人員的依賴性，技術人員的流動不會影響企業的技術實力，平臺最大限度的包容性大大縮短了產品的開發周期，平臺的可靠性積累，保證了基于平臺開發的產品具有良好的可靠性。平臺的標準化、系統化、規范化有利于嵌入式產品的大規模生產、售后服務和產品更新。