袁曉駿，路林吉

0 引言

當(dāng)今，在基于單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，各主流 EDA軟件只是停留在提供最基本的繪圖、編輯工具階段，而不涉及包括器件選取和連接的人腦思考環(huán)節(jié)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文研究的目標(biāo)是：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件，該軟件的潛在用戶是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員通過(guò)使用該軟件，只需進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的需求錄入，就能得到其所需的單片機(jī)系統(tǒng)的原理圖，從而代替設(shè)計(jì)人員的原理圖設(shè)計(jì)工作。本軟件從基于51系列單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，將來(lái)可擴(kuò)展到支持多種單片機(jī)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循著一種“模塊化”的設(shè)計(jì)思想：所有的單片機(jī)系統(tǒng)均可分解為兩個(gè)部分：一是單片機(jī)本身，二是圍繞著單片機(jī)的外圍部分。其中，外圍部分按照功能的不同，可劃分為相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，各模塊均通過(guò)導(dǎo)線與單片機(jī)或其它模塊相連。設(shè)計(jì)人員按照所需的功能不同，逐個(gè)設(shè)計(jì)單片機(jī)的外圍功能模塊，最終形成完整的系統(tǒng)。

基于上述思想，本文所研究之軟件的總體實(shí)現(xiàn)方案是：首先構(gòu)建出由標(biāo)準(zhǔn)、常用電路組成的完成不同的系統(tǒng)功能的通用模塊數(shù)據(jù)庫(kù)；其次設(shè)計(jì)出人機(jī)交互界面，通過(guò)預(yù)置的規(guī)則將用戶的需求與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的對(duì)應(yīng)模塊建立聯(lián)系；然后編制出模擬設(shè)計(jì)人員思考過(guò)程的程序，將系統(tǒng)所需的各功能模塊與單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)連接；最后將以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表述的系統(tǒng)原理圖用圖形方式輸出。軟件的架構(gòu)，如圖1所示：

圖1 軟件架構(gòu)圖

該軟件各組成部分描述如下：

1) 數(shù)據(jù)庫(kù)：是存放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的容器，同時(shí)也是程序運(yùn)行中的工作空間。該軟件將完整的單片機(jī)系統(tǒng)按照功能的不同，分為不同種類的模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)存了大量的各類功能模塊。

2) 人機(jī)交互界面：是用戶與軟件進(jìn)行交互的媒介，用戶通過(guò)此界面進(jìn)行系統(tǒng)需求錄入、查看和保存生成的原理圖、維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)等操作。

3) 用戶需求處理程序：接收用戶錄入的原始需求，從數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中選取所需的單片機(jī)、功能模塊數(shù)據(jù)，并形成臨時(shí)數(shù)據(jù)表存放在在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4) 自動(dòng)連接程序：對(duì)用戶需求處理程序產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，從而形成完整的單片機(jī)系統(tǒng)原理圖數(shù)據(jù)。

5) 原理圖輸出程序：將最終生成的單片機(jī)系統(tǒng)原理圖繪制到人機(jī)交互界面上，并根據(jù)用戶的要求將原理圖以文件形式保存到軟件外部。

6) 數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)程序：根據(jù)用戶的要求，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模塊的添加、刪除和修改等相關(guān)操作。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)的用途有兩個(gè)方面：一是預(yù)存設(shè)計(jì)好的各類單片機(jī)外圍功能模塊的數(shù)據(jù)，包括每個(gè)模塊的外部視圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。二是作為軟件運(yùn)行是的程序工作空間，暫存和處理臨時(shí)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)如下：

1) 模塊總表：該表列出了所有設(shè)計(jì)好的模塊，每個(gè)模塊用表中的一條記錄來(lái)描述。每個(gè)模塊通過(guò)編號(hào)、名稱、類型等字段來(lái)描述。

2) 模塊的外部視圖表：該表屏蔽了模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，僅描述模塊的外部端口，該表用來(lái)完成對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的模塊化構(gòu)建。模塊的每一個(gè)外部端口均用表中的一條記錄來(lái)描述，每條記錄由模塊編號(hào)、模塊端口編號(hào)、模塊端口名稱等字段組成。

3) 模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)表：該表列出了每個(gè)模塊內(nèi)部所有的器件及其之間的連線，是進(jìn)行原理圖繪制的依據(jù)，并可保存到軟件外部的文件中。表中，每個(gè)模塊內(nèi)的每一個(gè)器件、每一條連線均用表中的一條記錄來(lái)描述。

4) 器件表：該表列出了所有預(yù)設(shè)模塊中用到的所有器件，描述了每個(gè)器件的外部管腳。用來(lái)在進(jìn)行原理圖繪制時(shí)標(biāo)明器件的管腳編號(hào)。

3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

通過(guò)人機(jī)交互界面，軟件向用戶提供了需求錄入、原理圖管理和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)等操作功能。人機(jī)交互界面分為：需求錄入頁(yè)面，原理圖管理頁(yè)面和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)頁(yè)面。

需求錄入頁(yè)面是整個(gè)人機(jī)交互界面中最主要的部分，其布局遵循“模塊化”的思想，將頁(yè)面劃分為多個(gè)操作區(qū)域，每個(gè)操作區(qū)域?qū)?yīng)一類功能模塊；每一類模塊提供多個(gè)參數(shù)供設(shè)置，參數(shù)的設(shè)置可通過(guò)勾選或下拉菜單選擇的方式操作。

由于一個(gè)實(shí)際的單片機(jī)系統(tǒng)不可能同時(shí)涵蓋所有類型的功能模塊，而僅僅是其中的數(shù)個(gè)，因此除了復(fù)位、時(shí)鐘等幾個(gè)必備模塊外，其余的非必選模塊在界面上均有“選中”與“不選中”的控制措施。頁(yè)面剛啟動(dòng)時(shí)，所有非必選模塊的操作區(qū)域均處于不可編輯的狀態(tài)；只有在“選中”該模塊后，其操作區(qū)域才變?yōu)榭删庉嫚顟B(tài)，以供用戶繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。

4 用戶需求處理程序的設(shè)計(jì)

用戶需求處理程序根據(jù)用戶錄入的需求，從數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中自動(dòng)選取所需的數(shù)據(jù)，并形成臨時(shí)數(shù)據(jù)暫存在庫(kù)中，供后續(xù)的自動(dòng)連接程序使用。為使軟件能夠識(shí)別和處理用戶需求，程序?qū)⒂脩翡浫氲男枨筠D(zhuǎn)化為程序的變量值：每個(gè)可選模塊的選中與否各由一個(gè)變量控制，初值為0，代表未選中；用戶如果在界面上選中了該模塊，則變量值變?yōu)?。

為每個(gè)模塊的每個(gè)參數(shù)各設(shè)置一個(gè)變量，變量初始值為1，代表默認(rèn)選項(xiàng)；用戶如果在界面更改了該參數(shù)，則變量值相應(yīng)的改變。

有了以程序變量形式表達(dá)的用戶需求后，程序即可以按照一套既定的規(guī)則，自動(dòng)進(jìn)行模塊的選取。本程序的處理結(jié)果是：在數(shù)據(jù)庫(kù)中生成臨時(shí)數(shù)據(jù)性質(zhì)的“模塊總表”和“模塊外部視圖表”，表中內(nèi)容為本次工作所需的所有模塊。

5 自動(dòng)連接程序的設(shè)計(jì)

在用戶需求處理程序自動(dòng)生成了所需模塊之后，自動(dòng)鏈接程序即投入運(yùn)行，它將生成的模塊與單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)鏈接，它分為以下幾個(gè)順序執(zhí)行的過(guò)程：

(一) 過(guò)程1：先期預(yù)處理

本過(guò)程是自動(dòng)連接程序執(zhí)行的必經(jīng)第一步，其總體思路是：模塊的某些端口必須使用單片機(jī)特定P3端口的第二功能，如WR、RD、INT等；某些端口必須利用單片機(jī)的P0端口進(jìn)行并行數(shù)據(jù)和地址的分時(shí)傳輸，并還可能利用P2端口進(jìn)行高位地址的傳輸。故為了防止單片機(jī)的 P3、P0、P2端口被其它普通I/O需求占用，首先應(yīng)為上述模塊端口分配單片機(jī)資源，然后再為其余的模塊端口分配資源。

如果發(fā)現(xiàn)單片機(jī)所能提供的I/O端口數(shù)量不能滿足原始各模塊的需求，則跳出本過(guò)程，然后由用戶決定是繼續(xù)進(jìn)入后續(xù)的過(guò)程2或過(guò)程3，還是退出自動(dòng)連接程序返回用戶需求錄入界面。

過(guò)程1的工作步驟，如圖2所示：

圖2 先期預(yù)處理流程圖

(二) 過(guò)程2：數(shù)據(jù)端口復(fù)用預(yù)處理

由于單片機(jī)所能提供的I/O端口數(shù)量不能滿足原始各模塊的需求，本過(guò)程嘗試采用數(shù)據(jù)端口復(fù)用的方法。對(duì)于同時(shí)存在的多個(gè)輸出/輸入類模塊，可為其各配置一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器或三態(tài)緩沖器，再將它們的并行數(shù)據(jù)端口全部復(fù)接到單片機(jī)P0.0～P0.7端口，從而節(jié)省了對(duì)單片機(jī)I/O端口的占耗。相應(yīng)的，應(yīng)采取片選控制的方法來(lái)對(duì)上述模塊進(jìn)行選通。過(guò)程2的工作步驟，如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)端口復(fù)用預(yù)處理流程圖

(三) 過(guò)程3：模塊并行改串行預(yù)處理

由于單片機(jī)所能提供的I/O端口數(shù)量不能滿足原始各模塊的需求，同時(shí)數(shù)據(jù)端口復(fù)用預(yù)處理也失敗，本過(guò)程嘗試采用并行改串行的方法。首先找到可以將并行數(shù)據(jù)端口改為串行數(shù)據(jù)端口的模塊，然后逐一將其替換為相應(yīng)的串行模塊。每替換完一個(gè)模塊后，就重新核算單片機(jī)端口數(shù)是否夠用。若夠用則不再繼續(xù)更改，若仍不夠用就繼續(xù)更改下一個(gè)可改模塊。如果所有可改的模塊均改完，而單片機(jī)的I/O端口數(shù)仍不滿足需求，則意味著并行改串行預(yù)處理失敗，同時(shí)也意味著自動(dòng)連接程序無(wú)法完成模塊與單片機(jī)的連接，則中斷退出，返回用戶需求錄入界面，重新進(jìn)行需求錄入。過(guò)程 3的工作步驟，如圖4所示：

圖4 并行改串行預(yù)處理流程圖

6 結(jié)束語(yǔ)

為驗(yàn)證軟件可用性，特選取已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的實(shí)際系統(tǒng)，以系統(tǒng)需求提出者的角色通過(guò)人機(jī)交互界面錄入需求，然后將自動(dòng)生成的原理圖與實(shí)際系統(tǒng)原理圖進(jìn)行比較。測(cè)試用例包括：基于單片機(jī)溫度采集系統(tǒng)、基于單片機(jī)的數(shù)字鬧鐘系統(tǒng)等。測(cè)試結(jié)果表明，該軟件自動(dòng)生成的系統(tǒng)原理圖與實(shí)例設(shè)計(jì)者繪制的原理圖大體一致，具備正確性和可用性；而在元器件選擇上，可能存在各自選取的型號(hào)不同但功能相同的情況；此外，在保證單片機(jī)端口使用正確的前提下，在被占用的端口編號(hào)、順序上軟件生成結(jié)果與人工設(shè)計(jì)結(jié)果有所不同。

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