单片机应用开发中的平台设计

admin

一、单片机应用开发平台的意义

单片机是最初的大型计算机的一个分支，主要用于：工业自动化控制、智能仪器、仪表、航海、航天、智能家电等领域。单片机作为一种嵌入式产品应用的主流控制芯片，应用十分广泛，而支持它的开发手段国内还比较落后，目前我国单片机嵌入式产品的开发行业中，仍实行随意性个体的自然经济的落后方式，即便技术力量较强的公司，也仍在实行“板凳模式”的产品开发方法，大量低水平的重复劳动形成了顽症。采用平台开发模式实行“阶梯模式”的开发方式从根本上解决了“板凳模式”的弊端。

二、单片机开发平台简介

单片机应用智能开发平台是为单片机的应用开发提供的一套解决方案，包括有中文开发平台操作系统、基础平台、扩展功能函数库、仿真调试等功能。开发平台部分为用户提供了一个简易方便的开发环境，使用户可对单片机应用项目进行可视化开发。基础平台部分提供了一个MCU与基本外部扩展模块结合的硬件环境，其具有良好的通用性，最大化的内涵度以及非介入性的应用特点，主模块的整体构架经过优化、筛选、实行严格的标准化、系列化、规范化设计，最终要形成平台的硬件资源库。扩展功能函数库部分对于基础平台的扩展部分提供了详细的使用函数库，用户在平台的支持下通过对函数的简单调用便可实现对扩展部分的使用。仿真调试部分可通过平台对开发项目进行仿真调试。内嵌式实时多任务操作系统，可使对多任务编程变得十分简单。利用本系统开发单片机嵌入式应用项目，会大量节省研发费用，缩短研发周期，提高系统可靠性，达到事半功倍的效果。


三、基础平台及I/O模块
（一）基础模块

按照目前单片机应用功能和通信接口的现状与未来发展，我们设计的基础模块应具备以下的功能：

（1）8051兼容内核：
额定工作频率12MHz（最大16MHz）；
3个16位定时器/计数器；
32条可编程的I/O线（部分功能需复用）；
9个中断源，两个优先级（可扩展）。

（2）前向数据采集通道：

8通道高精度12位ADC（片内电压基准、高转换速率可达5μs、DMA方式可选）；
两个12位电压输出DAC；
扩展八路频率输入接口；
片内温度传感器。

（3）存储器：

64KB Flash/EE 程序存储器；
2MB   Flash 数据存储器；
256B    RAM；
16MB外部数据存储地址空间。

（4）人机对话通道接口：

LCD显示接口（字符/图形）；
4×4键盘；
语音接口；
标准打印机接口（可选）。

（5）数据通讯接口：

标准UART串口（RS232/422）；
IrDA红外数据交换接口；
无线通信接口（蓝牙技术）；
电话线（内置调制解调器）。

（6）外围设备：

看门狗定时器；
时钟电路；
电源监视器；
扩展4路I2C总线输出；
扩展8路电流驱动口。

（7）电源：

用3V和5V电压工作（正常、空闲和掉电工作模式）。

基础模块大致功能接口如图2所示。

其中可选项是用户自己可按照我们规定的参数进行配备的硬件模块，同时用户也可用我们自己的配套功能模块。

（二）用户资源设计

这一部件是为了让一部分用户可在已有的资源不够用或者不能满足他的特殊要求时而设计的，如开关量的测量与输出、多种优先级方式的中断系统、其他特殊的IIC总线器件、多机通讯、与上位机通讯、其他通讯设备的连接、更大的程序存储区和数据存储区的扩展等等。所以需要扩展足够多的地址线和一定的I/O口线和其他接口。
（三）硬件框图

鉴于用户资源和该通用测控系统在同一MCU控制下，考虑整个系统的功能要求和构件的灵活性，以及当今硬件发展的潮流，选用一片FPGA来完成所有的扩展。基础模块的内部硬件结构简图如图3所示。



四、虚拟仪表

虚拟仪器是随着计算机技术、现代测量技术发展起来的新型高科技产品，代表着当今仪器发展的新方向。它既有普通仪器的基本功能，又有其独特的功能。虚拟仪器给用户一个充分发挥才能和想象力的空间，用户可以根据自己的需求设计自己的仪器系统，满足各种各样的应用要求。在平台中，为了给用户调试带来方便，设计了虚拟仪表功能，主要包括了数字电压表、逻辑分析仪、波形发生器。

（一）逻辑分析仪

逻辑分析仪是仿真系统的一部分，它是对用户系统进行外部监视，使用户能够直观地了解到自身系统的状态。可为用户提供自身系统的状态数据，并进行数据分析，了解用户系统的工作状态。

总体设计框图:

实现目标:
（1）为软件提供8路采集信号
（2）实现数据的采集深度为32K
（3）实现高频率的采集<20M>
（4）实现不同频率的采集<20M,10M,100K,1K>
（5）对数据进行简单的压缩
（6）采用RS-232通讯

（二）波形发生器

波形发生器是一种数据信号发生器。在调试硬件时，要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。本波形发生器可以定义串口数据，输出波形可变，通过逻辑探钩输出，调试起来简单快捷。其模块功能如下图5所示。其中一路波形的产生如图6所示。

波形发生器模块功能
波形发生器一路波形的产生

（三）数字电压表

因输入信号的变化范围较大（十几微伏～几伏）应分为几个档，为方便用户使用拟采用量程自动转换技术。即根据未知参数量值的范围，自动选择合适的增益或衰减，以切换到合适的量程。量程自动设置的方法是通过在采集通道中设置可变增益放大器，借助量程转换开关控制其通断，获得所需量程。数字电压表框图如图7所示。

数字电压表框图

五、仿真器调试器

在单片机应用开发中，仿真器是一个重要的辅助开发工具，因此，平台有必要有一个仿真调试工具。满足使用智能平台做产品开发的用户对目标机仿真调试的要求，并且使用方便可靠。

功能要求:
（1） 全地址空间的仿真。
（2） 不占用任何用户资源。
（3） 必须实现硬断点，并且具有灵活的断点管理功能。
（4） 硬件实现单步执行功能。
（5） 可跟踪用户程序执行。
（6） 可观察用户程序执行过程中的变量和表达式。
（7） 可中止用户程序的运行或用户程序复位。

由于单片机应用开发平台集成了大量专业技术和优秀设计思想，把单片机嵌入式应用于开发中的基础硬件工程，解决在平台之中，平台的严密标准和规范化设计保证了平台化设计有较高的可靠性与良好的使用界面。使用单片机开发平台可使技术人员迅速成长，通过使用平台培训开发人员能迅速掌握产品开发技术，彻底根除产品开发中大量低水平重复工作。平台的知识集成减少了企业对个别技术人员的依赖性，技术人员的流动不会影响企业的技术实力，平台最大限度的包容性大大缩短了产品的开发周期，平台的可靠性积累，保证了基于平台开发的产品具有良好的可靠性。平台的标准化、系统化、规范化有利于嵌入式产品的大规模生产、售后服务和产品更新。