郭兆正，尹作友

（渤海大學(xué) 工學(xué)院，遼寧 錦州 121013）

現(xiàn)在研究單片機(jī)課程教學(xué)的方法很多，但無(wú)論哪種教學(xué)方法都是為了讓學(xué)生理解和掌握真正的系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)，所以無(wú)論如何學(xué)生都要親手去做系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，那么掌握軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和規(guī)律就變得極其重要。

在參加一些科研項(xiàng)目時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一些技術(shù)高手，他們的硬軟件設(shè)計(jì)速度很快，經(jīng)驗(yàn)很豐富，技術(shù)很熟練，系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力令人羨慕和欽佩。經(jīng)過(guò)分析并與他們探討發(fā)現(xiàn)：他們平時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)計(jì)工作中積累了大量的硬件和軟件模塊，一些硬件模塊可直接用于新系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，軟件模塊幾乎不用改寫(xiě)即可直接移植于新程序中。只有新設(shè)計(jì)和使用的模塊才能花費(fèi)他們一些時(shí)間，一旦設(shè)計(jì)成功，新模塊又被收入模塊庫(kù)。由此可知，單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一定要建立好自己的模塊庫(kù)，在設(shè)計(jì)中最大限度的實(shí)現(xiàn)軟硬件移植，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)效率。作為單片機(jī)課程的教師也要把這種模塊化設(shè)計(jì)思想和方法講授給學(xué)生，讓學(xué)生掌握這種實(shí)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

如何建立硬件和軟件模塊庫(kù)需要遵循一定的規(guī)律，在長(zhǎng)期的教學(xué)與科研中總結(jié)出如下的一些思想和方法。

1 硬件模塊化

1.1 硬件模塊化設(shè)計(jì)思想

任何復(fù)雜電路系統(tǒng)都是由具有完整基本功能的功能模塊電路組成。如黑白電視機(jī)，其中的電子器件有幾百個(gè)，但都由阻抗匹配器、高頻頭、中放、檢波、視放及顯像管電路、伴音中放及鑒頻、低放、電源、AGC電路、同步分離、幀掃描、鑒相器及行振蕩、行推動(dòng)及輸出等功能模塊電路組成。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)也是如此，一般有CPU系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、各種輸入輸出接口等。這些輸入輸出接口模塊有的集成在單片機(jī)內(nèi)部，有的需要外部擴(kuò)展。隨著應(yīng)用系統(tǒng)功能的不同，呈現(xiàn)多樣性的特點(diǎn)。再加上各種輸入、輸出信號(hào)變換和調(diào)理電路，電源轉(zhuǎn)換電路等，組成了各種各樣功能復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。

既然這些復(fù)雜的電路系統(tǒng)都可以分解為多個(gè)單一的功能模塊電路，學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就可以從功能模塊電路入手。在教學(xué)、科研過(guò)程中，要不斷收集遇到的各種硬件功能模塊電路，弄清它們的工作原理、性能及特性、特定的功能及使用方法，把系統(tǒng)化整為零，建立起自己的硬件模塊庫(kù)。在設(shè)計(jì)一個(gè)新的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)要求的功能和性能，選擇、設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求的功能模塊電路，按照一定的規(guī)律，將它們恰當(dāng)?shù)亟M合成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，合零為整，完成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

以這樣的模塊化設(shè)計(jì)思想做基礎(chǔ)，在教學(xué)過(guò)程中，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)搜集、分析別人的設(shè)計(jì)案例、論文和相關(guān)書(shū)籍中的功能模塊電路，不斷地充實(shí)自己的功能模塊電路庫(kù)，日積月累，學(xué)生就會(huì)覺(jué)得自己的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力越來(lái)越強(qiáng)。

1.2 硬件模塊化設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，功能模塊電路不能隨意選擇，具體的注意事項(xiàng)如下。

葉靄玲說(shuō)，白麗筠是個(gè)大美人嘛，追她的人不要太多喔。你看到她騎電動(dòng)車(chē)可真稀罕。要不是到半邊街那條狹窄的老街去，她在大馬路上總是開(kāi)寶馬的。

1.2.1 根據(jù)系統(tǒng)的功能和使用環(huán)境選擇模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要分析系統(tǒng)的功能要求，還要考慮系統(tǒng)在什么環(huán)境下工作，需不需要防潮、振、熱、冷等惡劣環(huán)境，芯片選擇軍用、工業(yè)級(jí)還是民用的。通過(guò)綜合考慮這些因素，確定合適的硬件模塊。

1.2.2 根據(jù)系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)選擇模塊

同樣功能的電路模塊，應(yīng)用場(chǎng)合可能不一樣，精度、速度、功耗、體積、重量、價(jià)格、可靠性等性能指標(biāo)也可能不一樣。如測(cè)溫電路，鉑電阻和熱敏電阻及熱電偶電路的測(cè)溫性能就很不同，選擇時(shí)要注意這些性能的區(qū)別。

1.2.3 注意各個(gè)功能模塊電路的耦合方式和接口方式

數(shù)字信號(hào)接口一般有并行、串行接口方式，開(kāi)關(guān)量接口要考慮電平是否與CPU一致、驅(qū)動(dòng)能力如何，從抗干擾的角度要考慮它們是否需要隔離。模擬信號(hào)的耦合方式一般有直接、阻容和變壓器3種耦合方式。必須考慮信號(hào)幅度、頻率、濾波、輸入輸出阻抗及驅(qū)動(dòng)能力等因素，保證耦合后信號(hào)真實(shí)可用。

1.2.4 注意各個(gè)功能模塊之間的干擾

模塊之間的干擾主要是指高頻信號(hào)的竄擾、地線(xiàn)上的信號(hào)干擾、熱源的干擾及輸入輸出之間的竄擾。為了更好的提高系統(tǒng)的抗干擾能力，首先選擇抗干擾性能好的模塊提高抗干擾能力，其次增加各種濾波及隔離電路減少干擾，最后合理布局制板，讓容易受干擾的部分遠(yuǎn)離發(fā)出干擾的部件，讓模擬部分和數(shù)字部分單點(diǎn)共地，讓怕熱的部分遠(yuǎn)離發(fā)熱的功率電路等。

2 軟件模塊化

2.1 軟件模塊化設(shè)計(jì)思想

在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往將一個(gè)大規(guī)模的程序劃分成若干個(gè)容易理解、大小適當(dāng)、功能明確、具有一定獨(dú)立性的的程序段去編寫(xiě)，或者是將那些重復(fù)使用的程序段進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，這樣劃分的程序段被稱(chēng)為程序模塊。

這樣做的優(yōu)點(diǎn)如下：各模塊相對(duì)獨(dú)立、功能單一、結(jié)構(gòu)清晰、接口簡(jiǎn)單；便于調(diào)試、連接，控制了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性；縮短了開(kāi)發(fā)周期；避免程序開(kāi)發(fā)的重復(fù)勞動(dòng)；易于維護(hù)、功能擴(kuò)充和程序移植；可以實(shí)現(xiàn)自頂向下的程序設(shè)計(jì)等。

2.2 模塊劃分原則

在進(jìn)行模塊分解時(shí)，各模塊功能盡可能專(zhuān)一，聯(lián)系盡可能簡(jiǎn)單，使模塊獨(dú)立性強(qiáng)，容易設(shè)計(jì)、維護(hù)、修改和移植，使程序有很好的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，提高程序設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

2.3 模塊組織原則

完整的軟件含有的功能模塊較多，如何降低功能函數(shù)之間聯(lián)系的復(fù)雜性，使調(diào)用關(guān)系簡(jiǎn)化對(duì)提高程序的可移植性很重要。可以采用軟件分層的思想，將軟件模塊劃分為應(yīng)用函數(shù)層、功能函數(shù)層、硬件隔離層和硬件驅(qū)動(dòng)層4個(gè)層次。從前至后每一層只能調(diào)用后一層的函數(shù)，不允許跨層調(diào)用.前兩層屬于硬件無(wú)關(guān)層，不用考慮硬件，可以編寫(xiě)成不同的單片機(jī)都可以移植使用的模塊。最后一層是硬件驅(qū)動(dòng)層，程序移植時(shí)中，只改變此層的編寫(xiě)即可。硬件隔離層用于消除硬件差別。這符合結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)按層次結(jié)構(gòu)組織各模塊的原則，能做到自頂向下地將一個(gè)大程序逐層分解。得到程序的模塊層次結(jié)構(gòu)，而后再進(jìn)一步把每個(gè)模塊分解為具體的執(zhí)行模塊或執(zhí)行步驟。

2.4 C語(yǔ)言對(duì)模塊程序設(shè)計(jì)的支持

各種單片機(jī)都有自己的匯編語(yǔ)言，但匯編語(yǔ)言缺乏通用性，需要編程人員必須對(duì)計(jì)算機(jī)硬件有相當(dāng)深入的了解，并且程序不易模塊化，不易移植，所以不利于模塊化程序設(shè)計(jì)。

C語(yǔ)言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)。有功能豐富的庫(kù)函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制，支持自頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù) 。C語(yǔ)言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開(kāi)發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。C語(yǔ)言具有高級(jí)語(yǔ)言的可讀性好的特點(diǎn)，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，容易開(kāi)發(fā)研制出規(guī)模大、性能完備的系統(tǒng)。因此，使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為軟件開(kāi)發(fā)的一個(gè)主流。

3 教學(xué)效果

在近年單片機(jī)教學(xué)和指導(dǎo)學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的培訓(xùn)中，逐步采用并總結(jié)單片機(jī)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)案例中采用模塊化軟硬件設(shè)計(jì)教學(xué)方法，取得了事半功倍的教學(xué)效果。

從2005年參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽開(kāi)始，筆者指導(dǎo)的學(xué)生多次獲得了遼寧賽區(qū)一、二、三等獎(jiǎng)。在近幾年的學(xué)生就業(yè)中，大部分電子專(zhuān)業(yè)的學(xué)生都找到了合適的工作，還有一些畢業(yè)生應(yīng)聘去了電子技術(shù)開(kāi)發(fā)類(lèi)的公司從事嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作，提高很快，成為一些項(xiàng)目的核心開(kāi)發(fā)人員。

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