单片机关键技术基础详解（三）

一、避免MCU或编程语言干扰设计

       作为经验丰富的嵌入式系统的开发人员，既有大型系统的经验(波音777飞行控制)又有小型单人项目(笔记本电脑热风扇控制)经验，应避开单台机器或语言的具体利弊，将更多的时间花在应用程序设计和构建上，并且独立于语言和CPU内核。这方面部分来自于对类似系统的工作，只是“再用于“下一个项目(虽然要求完全不同，并且切换到了微控制器)。我也参与过由几个独立的设备组成的系统，每个设备都有自己的程序和微控制器，各部分经常在不同的子项目之间来回使用：某个子项目中的编码器可能是另一个项目的测试器，或当完成自己的子项目的编码后，会投入另一个子项目，以帮助完成项目。缺乏基于系统的设计方法会觉得这些情况很困难，难以按照计划完成。通过独立的系统设计可避免机器依赖性，让设计复用和基于团队的设计不仅成为可能，而且加大了成功机会(如以后的增加要求)。

　　最近的一个项目是我更加疑虑，几乎每次都是，必须使设计适应(有时根本就是)所选的语言和机器。我们已经以某个系统架构和设计开始，只是按一般方式考虑了集成微控制器及其外围设备，我们只关注我们需要什么并不关心它是如何实现的，至少我们是这么认为的。我们选择了一些非常专业外设的新器件，并且开始编码时，发现需要花费大量的时间来了解如何构建硬件，以及如何根据需求最好地利用。当我们发现好的方式来利用设备的某特征时，设备的此特点通过代码嵌入了系统级设计。我们已不再坚持我们的系统，不得不让机器和具体操作改变了系统设计。于是只好停下来检查问题和实施方案，通过系统重新设计分离出依赖机器的“修复”，然后将“修复”融入系统四周的“包装”中。

　　当设计某个应用时(甚至单一微控制器)，以调温器为例，有一个创建好了的系统级视图，描述了硬件和实施某种方式的应用程序。该视图用于多种用途，例如，可作为与高层管理人员或另一个小组进行交流的工具(不希望知道所有细节)，如自动化测试人员。如果仅将其视为“视图”而不是系统设计，并且实施不是从系统设计自上而下，而是将其用作起点，则问题就出现了。考虑图1所示的温控系统。

　　显示系统相对简单，却反映了许多嵌入式产品设计。在“温度传感”部分包含温度输入，其输出进入主系统“控制逻辑”部分。“控制逻辑”的其它输入是标记“用户输入”的部分，代表人机接口，大概设置了恒温器的温度调节。“控制逻辑”部分根据这些输入确定了如何命令供暖、通风和空调(HVAC)系统，以保持恒温器设定的温度，将这些命令发送到“热与冷命令”部分。最后一个部分是“显示输出”，将当前系统状态传递到用户。当前系统状态的一部分是恒温设置，另一部分是最新的温度读数，最后部分是正在执行的命令，以迫使温度返回恒温设置(即加热、冷却和/或打开或关闭风扇)。

　　正如前面所述，这是一个直接和相对简单的应用，非常简单以至于不需要考虑系统，而是很自然地跳到实施(我相信大多数读者甚至可以说出最喜欢的微控制器供应商的型号)。可以是用于次级市场的高端PC游戏图形系统的墙恒温器或温度管理装置。用于墙恒温器的微控制器的具体实施基本不需用于图形系统。重点是，无论设计显得多么简单，都有很好的理由先设计系统，然后实现它。将其尽量设计成适合通常应用。

开始时，需要考虑理想的系统设计，然后生成layers，在理想的系统和实际实施之间构建wrappers(有时是杂乱的)。“控制逻辑”部分作为框图的核心是有充分理由的-因为它是系统的内核。周围的每个部分都服务于“控制逻辑”部分，要根据需要提供“服务”。

　　应自“温度传感器”部分开始。其理由是获得当前/瞬时温度，并以一致的格式提供出来。从“控制逻辑”的角度来看，其作用是“获取温度”，并以格式化的值(xxx.xx摄氏度)返回当前温度值。温度传感器部分的硬件wrappers将包括实施中任何需要用来将原温度传感输入“翻译”成预期格式的摄氏度。这可能意味着需要考虑获得新读数的最佳时间，如果温度读数中有太多的噪音(无论何种原因)，应添加过滤算法，并且如果温度硬件出现故障，应采用决策逻辑。重点是，“温度传感器”部分的输出是什么，而且传递到“控制逻辑”应为理想的温度，所有的噪音，实际隐藏的细节都应很容易的由wrapper代替。

　　如果设计需要从系统中三个不同的点测量三个温度值(对于计算机箱内的计算机很普遍)怎么办?处理这三个温度是控制逻辑问题(例如，何时多路输出也将受到控制)?如果是这样，从1个温度转换到3个温度首先意味着“温度传感器”部分要更新，以提供3个温度和为每个温度实施创建的wrappers(允许多种类型的输入)，然后控制逻辑也因为多个输出而更新。这可能意味着三个不同的“GetTemperature_n”服务或需要更新服务以确定是识别哪个温度的参量。

　　如果三个温度仅仅用于加权以得到一个“更真实”的系统温度，控制逻辑不需要改变，只需将含wrappers的温度传感块以统一格式输入这三个温度，然后通过一个wrappers来对这三个温度进行加权，生成控制逻辑所需的单一温度。这种方法易于包含来自不同的温度输入(例如，图形处理器的二极管结测量和连接到PCB的模拟热敏电阻)，因为wrappers将系统逻辑与硬件隔离开。

　　让我们以两个不同的实现例子验证这个论点：一个用于墙恒温器，另一个是显卡上的温度控制子系统。首先对于墙恒温器，如图2所示，假定使用基于8051的赛普拉斯PSoC3设备。“温度传感器”部分的硬件由连接到ADC(16位Δ-Σ转换器)的热敏电阻组成。“用户输入”部分的硬件由5个常开按键开关组成，一边连接到电路接地端，另一边连接到含内部上拉电阻的5输入数字端口。“热和冷命令”模块的硬件部分包括三个功率场效应管，由配置为开漏低输出的3输出端口驱动。最后，“显示输出”块的硬件实现是串行字符液晶显示器，能够根据需要显示字母数字字符串。

　　对于第2个应用，即显示卡，将用户输入从离散开关变为I2C基于寄存器的从接口(由主CPU而不是人类直接控制)，并将串行LCD显示变为SPI-从控制显示器(使用一系列的寄存器和指令，可能是安装在主计算机外壳前面板上的远程变频显示，未安装到显卡上)。温度输入和HVAC命令保持不变。图3显示了早期实施的变化，假定使用基于8051的赛普拉斯PSoC3设备。

　　用户输入的两种实现均可服务于“GetThermostatSetting”、“IsHeaterEnabled”、“IsCoolerEnabled”和“IsFanOn”。对于第一个墙恒温器应用，“用户输入”将数字端口包装到所列的服务中，当设备被调用时，提供端口的实时读数(一种可能的实施)。对于另一个应用，基于I2C从机的实现，相同的服务将来自I2C主机写入的寄存器的最新值返回到“控制逻辑”部分，也许经常返回也许仅在上电时返回。并且这些实现还有很多其它特点，包括用作切换键的墙上按钮开关而不是瞬间读数，甚至在“用户输入”部分的wrappers深层进行边沿触发异步处理。

　　综合上述的关键是：系统设计隐藏了硬件细节;硬件和实施细节被系统设计包装并隐藏。通过外端设计(即代码)的实施细节，可以保护这些应用实现时避免分裂，可以做到个性化的设计，权衡利弊，保证项目成功交付，并仍然能够提供可复用性和组设计。不要让卖方牵引注意力——先设计系统，然后加强保护系统设计实现细节不被抄袭。

二、单片机设计与KeilC编程总结

　　1基本原则

　　质量是关键。没有人会对很差的工作感到满足。当完成高质量的工作时，你会为此而感到骄傲。不管你是否知道，你都会因为你的高质量工作而得到信誉。因此，要想为自己所做的事感到骄傲，就需要建立个人标准，并为达到这一标准而努力奋斗。在达到这些标准时，再提高标准并继续努力。挑战自己去完成更优良的工作，你将会为自己的成就而感到惊讶。[page]

　　1.1 了解单片机的能力

　　【规则1】设计满足要求的最精简的系统。

　　正确估计单片机的能力，知道单片机能做什么，最大程度的挖掘单片机的潜力对一个单片机系统设计者来说是至关重要的。我们应该有这样一个认识，即单片机的处理能力是非常强大的。早期的PC 机，其CPU(8086)处理能力和8051 相当，却能处理相当复杂的任务。单片机的能力的关键就在软件设计者编写的软件上。只有充分地了解到单片机的能力，才不会做出“冗余”的系统设计。而采用许多的外围芯片来实现单片机能实现的功能。这样做即增加了系统成本，也可能会降低了系统的可靠性。

　　1.2 系统可靠性至关重要

　　【规则2】使用看门狗。

　　看门狗电路通常是一块在有规律的时间间隔中进行更新的硬件。更新一般由单片机来完成，如果在一定间隔内没能更新看门狗，那看门狗将产生复位信号，重新复位单片机。更新看门狗的具体形式多是给看门狗芯片相关引脚提供一个电平上升沿或读写它的某个寄存器。使用看门狗电路将在单片机发生故障进行死机状态时，重新复位单片机。当前有多种看门狗的芯片，如MAXIM 公司的MAX802，MAX813等。而且，有好多种单片机中本身就集成有看门狗。一个外部的看门狗是最好的，因为它不依赖于单片机。如果可能的话，看门狗更新程序不应该放在中断或是子程序中，原则上应该放在主程序中。我曾经见过一个工程师，他所调试的程序在运行时偶而会引起看门狗的复位动作，于是他干脆在每10ms 就中断一次的时钟中断程序中清看门狗。我相信他也知道使看门狗失去作用，可他却没有不是去查明引起这个现象的真正原因。因此，我想提醒大家：不论什么理由，绝对不要忽略系统故障的真正原因。高质量的产品来自于高素质的工程师，高质量的产品造就高素质的工程师。

　　【规则3】确定系统的复位信号可靠。

　　这是一个很容易忽略的问题。当你在设计单片机系统时，你脑中有这个概念吗?什么样的复位信号才是可靠的吗?你用示波器查看过你设计的产品的复位信号吗?不稳定的复位信号可能会产生什么样的后果?你有没有发现过你所设计的单片机系统，每次重新上电启动后，数据变得乱七八糟，并且每一次现象并不相同，找不出规律，或者有时候干脆不运行，或者有时候进入一种死机状态，有时候又一点事都没有正常运行?在这种情况下，你应该查一下你的系统的复位信号。一般在单片机的数据手册(Datasheet)中都会提到该单片机需要的复位信号的要求。一般复位信号的宽度应为。复位电平的宽度和幅度都应满足芯片的要求，并且要求保持稳定。还有特别重要的一点就是复位电平应与电源上电在同一时刻发生，即芯片一上电，复位信号就已产生。不然，由于没有经过复位，单片机中的寄存器的值为随机值，上电时就会按PC 寄存器中的随机内容开始运行程序，这样很容易进行误操作或进入死机状态。

　　【规则4】确定系统的初始化有效。

　　系统程序开始应延时一段时间。这是很多单片机程序设计中的常用方法，为什么呢?因为系统中的芯片以及器件从上电开始到正常工作的状态往往有一段时间，程序开始时延时一段时间，是让系统中所有器件到达正常工作状态。究竟延时多少才算合适?这取决于系统的各芯片中到达正常工作状态的时间，通常以最慢的为准。一般来说，延时20-100 毫秒已经足够。对于系统中使用嵌入式MODEM 等“慢热”型的器件来说，则应更长。当然，这都需要在系统实际运行中进行调整。

　　【规则5】上电时对系统进行检测。

　　上电时对系统中进行检测是单片机程序中的一个良好设计。在硬件设计时也应该细细考虑将各个使用到的芯片、接口设计成容易使用软件进行测试的模式。很多有经验的单片机设计者都会在系统上电时(特别是第一次上电时)进行全面的检测，或者更进一步，将系统的运行状态中分为测试模式和正常运行模式，通过加入测试模式对系统进行详细的检测，使得系统的批量检测更为方便容易。另外要注意的是，一个简单明了的故障显示界面也是颇要费得心思的。比如：系统的外部RAM(数据存储器)是单片机系统中常用的器件。外部RAM 如果存在问题，程序通常都会成为一匹脱缰的野马。因此，程序在启动时(至少在第一次上电启动时)一定要对外部RAM 进行检测。检测内容包括：1)检测RAM 中的单元。这主要通过写入和读出的数据保持一致。

　　2)检测单片机与RAM 之间的地址数据总线。总线即没有互相短路，也没有连接到“地”上。另外，很多芯片，都提供了测试的方法。如串行通信芯片UART，都带环路测试的功能。

　　【规则6】按EMC 测试要求设计硬件。

　　EMC 测试要求已经成为产品的必需。有很多的文章关于这方面的。

　　1.3 软件编程和调试

　　【规则7】尽可能使用Small 模式编译

　　对比起Large 模式和Compact 模式，Small 模式能生成更为紧凑的代码。在Small模式下，C51 编译器将没有使用关键词，如idata、pdata、xdata 特殊声明的变量通通放在data 单元中。在编程中，对于在的数据区，可以指定放在外部存储器中。

　　【规则8】在仿真前做好充分的准备

　　单片机硬件仿真器给单片机开发者带来了极大的方便，同时也很容易造成人的依赖性。很多时候，没有仿真器却能促使工程师写出更高质量的程序。也许在硬件仿真调试之前，下面准备工作将会对你有用：

　　1)程序编完后，对代码仔细逐行检查。检查代码的错误，建立自己的代码检查表，对经常易错的地方进行检查。检查代码是否符合编程规范。

　　2)对各个子程序进行测试。测试的方法：用程序测试程序，编制一个调用该子程序的代码，建立要测试子程序的入口条件，再看看它是否按预期输出结果。

　　3)如果代码有修改，再次对代码进行检查。

　　4)有可能的话，进行软件仿真——Keil C 的软件仿真功能十分强大。软件仿真可以防止因硬件的错误，如器件损坏、线路断路或短路，而引起调试的错误。

　　5)开始硬件仿真。

　　【规则9】使用库函数

　　重用代码，尤其是是标准库的代码，而不是手工编写你自己的代码。这样更快、更容易也更安全。KeilC 中提供了多个库函数，这些库函数的用法在KeilC 的帮助文件中有详细的描述。

　　【规则10】使用const。

　　这一点在很多经典的关于C 和C++的书籍中是必谈的要点。在《Exceptional C++》一书中，对这点有很精彩的描述，现摘录如下：“没有正确的安全意识的枪手在世界上是不可能活的很长的。const 观念不正确的程序员也是一样和没有时间戴紧帽子的正确，没有时间检查带电电线的电工一样不会活的很长。”在C 语言中，const 修饰符表示告诉编译器此函数将不会改变被修饰的变量的指向的任何值(除了强制类型转换)。当把指针作为参数传递时，总是合适地使用const，不仅可以防止你无意中错误的赋值，而且还可以防止在作为参数将指针传递给函数时可能会修改了本不想改变的指针所指向的对象的值。如：

　　const int num= 7;

　　num = 9; //有/可能得到编译器的警告。

　　const char *ptr，则表示该指针所指向的内容不会被改变，如果在程序中被发生对其赋值的操作，编译时将出错误提示。如：

　　const char *ptr = “hello”;

　　*ptr = `H`;//错误，所指内容不可改变也可将const 放在星号后面来声明指针本身不可改变。如:

　　char* const ptr;

　　ptr++; //错误，指针本身不可改变

　　也可同时禁止改变指针和它所引用的内容，其形式如下： const char* const ptr;

　　【规则11】使用static

　　static 是一个能够减少命名冲突的有用工具。将只在一个模块文件中的变量和函数使用static 修饰，将不会和其他模块可能具有相同名称的函数和变量在模块连接时不会产生名称冲突。一般来说，只要不是提供给其它模块使用的函数，和非全局变量，均应使用static 修饰。将子程序中的变量使用static 修饰时，表示这个变量在程序开始时分配内存，在程序结束时释放，它们在程序执行期间保持它们的值。如：

　　void func1(void)

　　{

　　static int time = 0;

　　time++

　　}

　　void func2(void)

　　{

　　static int time = 0;

　　time++;

　　}

　　两个子程序中的time 变量使用static 修饰，所以它们是静态变量，每调用一次time将进行加1，并保持这个值。它们的功能与下面程序相似：

　　int time1 = 0;

　　int time2 = 0;

　　void func1(void)

　　{

　　time1++

　　}

　　void func2(void)

　　{

　　time2++;

　　}

　　我们可以看出，使用static 修饰后，模块中的全局变量减少，使得程序的更为简单。

　　【规则12】不要忽视编译器的警告。

　　编译器的给出的警告都是有的放矢，在没有查清引起警告的真正原因之前，不要忽视它。

　　【规则13】注意溢出问题，写安全的代码。[page]

　　1.4 KeilC 编程

　　【规则14】深入了解你所用的工具。

　　仔细查看KeilC 附带的帮助文件，你能找到你期待已久的东西。KeilC 是当前最好用的单片机开发软件。要充分利用该软件的功能，就必须对它深入的进行了解。

　　【规则15】不要使用语言的冷僻特性，并且记住，耍小聪明会贻害无穷。最重要的是编写你理解的代码，理解你编写的代码，你就可能会做得很好。

　　2 推荐书目

　　要成为一个优秀的单片机系统产品设计工程师，兴趣、热情、责任心至关重要。

2.1 单片机技术学习

　　《微机原理及应用(从16 位到32 位) 》戴梅萼等著清华大学出版社。学校教材，也是当年我学习单片机的启蒙书。

　　2.2 C51 编程学习

　　《单片机高级语言C51 Windows 环境编程与应用》作者:徐爱钧彭秀华电子工业出版社。这本书几乎覆盖了C51 编程的方方面面，最新版本对当前使用最广的keilC 也有很详细的讲述。对于刚学C51 编程的同志，本书是上上之选，强力推荐。比起现今书市上的所谓什么“C51 编程圣经”之类的书强得多。

　　2.3 C 语言编程必读

　　《C 陷阱与缺陷》Andrew Koenig 著

　　《C 专家编程》Peter Van Der Linden 著

　　C 语言开发技术经典之作，C 程序员必读之书，数十年来经久不衰。如果你想对C语言全面的掌握，真正了解C 语言的精髓，这两本书是必读之作。由人民邮电出版社出版的中文译本也还不错。

　　2.4 程序设计技术方面

　　《数据结构》严蔚敏清华大学出版社。清华大学出版社的教材质量稳定，中规中矩，价格相对来说也便宜一点。

　　《程序设计实践》Brian W. Kernighan Rob Pike 著;《代码大全》

三、MCS-51单片机终端及外中断软件编程

　　MCS-51单片机有多个中断源，以8051为例，有5个中断源，两个外中断、两个定时中断和一个串行中断，这一节我们讨论外中断软件编程。

　　外中断是由外部原因引起的中断，有两个中断源。即外中断0(INT0)和外中断1(INT1)，中断请求信号由引脚P3.2(INT0)和P3.3(INT1)输入。

　　外中断请求信号有两种方式，一是电平方式，二是脉冲方式。可通过有关控制位的定义进行规定。

　　电平方式为低电平有效，只需在单片机的(INT0)和(INT1)中断请求输入端采样到有效的低电平时，就会激活外部中断。

　　脉冲方式则在脉冲的后负跳沿有效，即在相邻两个机器周期对中断请求引入端进行采样中，如前一次为高，后一次为低即为有效中断请求。这就要求在这种中断方式，中断请求信号的脉冲宽度必须大于一个机器周期，以保证电平变化能被单片机采样到。

　　定时器控制寄存器 (TCON)

　　外中断请求方式的控制位在定时控制寄存器TCON(地址为88H)中的位88(IT0)和位8A(IT1)两个位，当IT0(IT1)=0为电平方式，IT0(IT1)=1为脉冲方式。同时在此寄存器中的位89(IE0)和位8B(IE1)为外中断请求标志位，当CPU采样到INT0(INT1)端出现有效中断请求时，此位由硬件置1。在中断响应完成后转向中断服务时，再由硬件自动清0。

　　下面我们对有关控制位作说明：

　　·EA——中断允许总控制位，EA=0，中断总禁止，禁止所有中断。EA=1，中断总允许，总允许位打开后，各中断的允许或禁止由各中断允许控制位设置决定。

　　·EX0(EX1)——外部中断允许控制位，EX0(EX1)=0，禁止外部中断。EX0(EX1)=1，允许外部中断。

　　·ET0(ET1)——定时/计数中断允许控制位，ET0(ET1)=0，禁止定时/计数中断。ET0(ET1)=1，允许定时/计数中断。

　　·ES——串行中断允许控制位，ES=0，禁止串行中断。ES=1，允许串行中断。

　　中断的允许和禁止就是中断的开放和关闭，中断允许就是开放中断，中断的禁止就是关闭中断。从以上说明我们可看出，MCS-51的中断允许是通过两级控制的，以EA位作为总中断控制位，以各中断控制位为分控制位。当总中断位为禁止状态时，不管分控制位是允许或禁止整个中断都是禁止的。只有当EA=1(允许)时，才能由各分控制位设置各自的中断允许与禁止。MCS-51单片机复位后，IE=00H，因此中断处于禁止状态。

　　值得一提的是：单片机中断响应后不会自动关闭中断，因此在转入中断服务程序后，应由软件指令禁止中断。

　　中断优先级控制寄存器 (IP)

　　MCS-51的中断优先级控制比较简单，只设置了高、低两个级别的有限级，各中断源的优先级别由优先寄存器(IP)进行控制。

　　·PX0——外中断0(INT0)优先级控制位。

　　·PT0——定时中断0(T0)优先级控制位。

　　·PX1——外中断1(INT1)优先级控制位。

　　·PT1——定时中断1(T1)优先级控制位。

　　·PS ——串行中断(ES)优先级控制位。

　　控制位=0，优先级为低。控制位=1，优先级为高。

　　中断优先级是为了中断嵌套服务的，控制原则为：

　　(1) 低优先级中断不能打断高优先级的中断服务，而高优先级的中断服务可以打断低优先级的中断服务。

　　(2) 同级的中断已经响应，其他中断将被禁止。

　　(3) 如果同级的多个中断源同时出现，CPU将按查询次序确定哪个中断被响应，次序为：外中断0→定时中断0→外中断1→定时中断1→串行中断。

　　中断控制寄存器的状态设置

　　在应用中，我们可以通过相应的控制寄存器来使用中断系统，因此从使用的角度上看，这些控制寄存器是面向用户的。这些控制寄存器既可以进行字节寻址，也可以进行位寻址，也就是对位状态的寻址既可以使用字节操作指令也可以使用位操作指令，例如：

　　MOV IE,#81H

　　如使用位操作指令，也可写为：

　　SETB EA

　　SETB EX0

　　对于一般的外中断程序，我们可以这样安排：

　　ORG 0000H ;主程序入口

　　START: AJMP MAIN

　　ORG 0003H ;外中断程序入口

　　AJMP INT00

　　MAIN: MOV IE,#81H ;允许总中断和外中断

　　…… ;主程序

　　……

　　……

　　INT00: …… ;外中断服务程序

　　……

　　RETI ;中断返回[page]

四、STC89C52最小系统

　　自己动手做了一个STC89C52单片机最小系统板,下面是实物图!下面是原理图,拿出来仅供参考.

　　单片机部分

　　单片机与PC机接口部分

　　测试部分

　　现在就做的过程中遇到的问题说一下.

　　1. 线路连接问题: 这个问题只要仔细一点应该没有什么问题.

　　2.电容选择问题: 在这里很容易出问题,一般要选好一点的电容,具体参数一定要根据电平转换芯片类型而定. 我在这里选的是电解电容.刚开始用的是瓷片电容,发现不太好用,程序下载不进去,所以推荐大家用好一点的电容

　　3.电平转换芯片最好用进口的,国内的不怎么好用.据说容易出问题(自己没有用过,我用的是美信公司的).可以通过测第2脚和第6脚的电压来确定电路是否正常工作,一般第2脚电压为+8.6伏到+10伏之间,第6脚为-8.6伏到-10伏之间.

　　4.还有当时犯了一个很幼稚的错误,就是没有搞清接口是公头还是母头(公头的输出线正好是母头的输入线)

　　5.下载的时候先点下载,然后再给单片机上电!