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简答题单片机应用系统硬件和软件设计的详细内容包括？
  • 硬件设计：
    （1）存储器扩展：容量需求，在选择单片机时就考虑到单片机的内部存储器资源，如能满足要求就不需要进行扩展，在必须扩展时注意存储器的类型、容量和接口，一般尽量留有余地，并且尽可能减少芯片的数量。选择合适的方法、ROM和RAM的形式，RAM是否要进行掉电保护等。
    （2）I/O接口的扩展：单片机应用系统在扩展I/O接口时应从体积、价格、负载能力、功能等几个方面考虑。应根据外部需要扩展电路的数量和所选单片机的内部资源（空闲地址线的数量）选择合适的地址译码方法。
    （3）输入通道的设计：输入通道设计包括开关量和模拟输入通道的设计。开关量要考虑接口形式、电压等级、隔离方式、扩展接口等。模拟量通道的设计要与信号检测环节（传感器、信号处理电路等）结合起来，应根据系统对速度、精度和价格等要求来选择，同时还需要和传感器等设备的性能相匹配，要考虑传感器类型、传输信号的形式（电流还是电压）、线性化、补偿、光电隔离、信号处理方式等，还应考虑A/D转换器的选择（转换精度、转换速度、结构、功耗等）及相关电路、扩展接口，有时还涉及软件的设计。高精度的模数转换器价格十分昂贵，因而应尽量降低对A/D转换器的要求，能用软件实现的功能尽量用软件来实现。
    （4）输出通道的设计：输出通道设计包括开关量和模拟量输出通道的设计。开关量要考虑功率、控制方式（继电器、可控硅、三极管等）。模拟量输出要考虑D/A转换器的选择（转换精度、转换速度、结构、功耗等）、输出信号的形式（电流还是电压）、隔离方式、扩展接口等。
    （5）人机界面的设计：人机界面的设计包括输入键盘、开关、拨码盘、启/停操作、复位、显示器、打印、指示、报警等。输入键盘、开关、拨码盘应考虑类型、个数、参数及相关处理（如按键的去抖处理）。启/停、复位操作要考虑方式（自动、手动）及其切换。显示器要考虑类型（LED，LCD）、显示信息的种类、倍数等。此外还要考虑各种人机界面的扩展接口。
    （6）通信电路的设计：单片机应用系统往往作为现场测控设备，常与上位机或同位机构成测控网络，需要其有数据通信的能力，通常设计为RS-232C、RS-485、红外收发等通信标准。
    （7）印刷电路板的设计与制作：电路原理图和印刷电路板的设计常采用专业设计软件进行设计，如Protel，OrCAD等。设计印刷电路板需要有很多的技巧和经验，设计好印刷电路板图后应送到专业化制作厂家生产，在生产出来的印刷电路板上安装好元件，则完成硬件设计和制作。
    （8）负载容限的考虑：单片机总线的负载能力是有限的。如MCS-51的P0口的负载能力为4mA，最多驱动8个TTL电路，P1～P3口的负载能力为2mA，最多驱动4个TTL电路。若外接负载较多，则应采取总线驱动的方法提高系统的负载容限。常用驱动器有：单向驱动器74LS244，双向驱动器74LS245等。
    （9）信号逻辑电平兼容性的考虑：在所设计的电路中，可能兼有TTL和CMOS器件，也有非标准的信号电平，要设计相应的电平兼容和转换电路。当有RS-232，RS-485接口时，还要实现电平兼容和转换。常用的集成电路有MAX232，MAX485等。
    （10）电源系统的配置：单片机应用系统一定需要电源，要考虑电源的组数、输出功率、抗干扰。要熟悉常用三端稳压器（78хх系列、79хх系列）、精密电源（AD580，MC1403，CJ313/336/385，W431）的应用。
    （11）抗干扰的实施：采取必要的抗干扰措施是保证单片机系统正常工作的重要环节。它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。
    软件设计： （1）总体规划：软件所要完成的任务已在总体设计时规定，在具体软件设计时，要结合硬件结构，进一步明确软件所承担的一个个任务细节，确定具体实施的方法，合理分配资源。
    （2）程序设计技术：合理的软件结构是设计一个性能优良的单片机应用系统软件的基础。在程序设计中，应培养结构化程序设计风格，各功能程序实行模块化、子程序化。一般有以下两种设计方法：
    A.模块程序设计：模块程序设计是单片机应用中常用的一种程序设计技术。它是把一个较长的程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块，各个程序模块分别设计、编程和调试，最后由各个调试好的模块组成一个大的程序。其优点是单个功能明确的程序模块的设计和调试比较方便，容易完成，一个模块可以为多个程序所共享。其缺点是各个模块的连接有时有一定难度。
    B.自顶向下的程序设计：自顶向下程序设计时，先从主程序开始设计，从属程序或子程序用符号来代替。主程序编好后再编制各从属程序和子程序，最后完成整个系统软件的设计。其优点是比较符合于人们的日常思维，设计、调试和连接同时按一个线索进行，程序错误可以较早的发现。缺点是上一级的程序错误将对整个程序产生影响，一处修改可能引起对整个程序的全面修改。
    （3）程序设计：在选择好软件结构和所采用的程序设计技术后，便可着手进行程序设计，将设计任务转化为具体的程序。
    A.建立数学模型：根据设计任务，描述出各输入变量和各输出变量之间的数学关系，此过程即为建立数学模型。数学模型随系统任务的不同而不同，其正确度是系统性能好坏的决定性因素之一。
    B.绘制程序流程图：通常在编写程序之前先绘制程序流程图，以提高软件设计的总体效率。程序流程图以简明直观的方式对任务进行描述，并很容易由此编写出程序，故对初学者来说尤为适用。
    在设计过程中，先画出简单的功能性流程图（粗框图），然后对功能流程图进行细化和具体化，对存储器、寄存器、标志位等工作单元作具体的分配和说明，将功能流程图中每一个粗框的操作转变为具体的存储器单元、工作寄存器或I/O口的操作，从而给出详细的程序流程图（细框图）。（c）程序的编制：在完成程序流程图设计以后，便可以编写程序。程序设计语言对程序设计的影响较大。汇编语言是最为常用的单片机程序语言，用汇编语言编写程序代码精简，直接面向硬件电路进行设计，速度快，但进行大量数据运算时，编写难度将大大增加，不易阅读和调试。在有大量数据运算时可采用C语言（如MCS-51的C51）或PL/M语言。编写程序时，应注意系统硬件资源的合理分配与使用，子程序的入/出口参数的设置与传递。采用合理的数据结构、控制算法，以满足系统要求的精度。在存储空间分配时，应将使用频率最高的数据缓冲器设在内部RAM；标志应设置在片内RAM位操作区（20H～2FH）中；指定用户堆栈区，栈区的大小应留有余量；余下部分作为数据缓冲区。在编写程序过程中，根据流程图逐条用符号指令来描述，即得汇编语言源程序。应按MCS-51汇编语言的标准符号和格式书写，在完成系统功能的同时应注意保证设计的可靠性，如数字滤波、软件陷阱、保护等。必要时可作若干功能性注释，提高程序的可读性。
    （4）软件装配：各程序模块编辑之后，需进行汇编或编译、调试，当满足设计要求后，将各程序模块按照软件结构设计的要求连接起来，即为软件装配，从而完成软件设计。在软件装配时，应注意软件接口。

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