單片機系統(tǒng)模塊化設(shè)計方法教學(xué)研究

郭兆正，尹作友

（渤海大學(xué) 工學(xué)院，遼寧 錦州 121013）

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

在參加一些科研項目時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一些技術(shù)高手，他們的硬軟件設(shè)計速度很快，經(jīng)驗很豐富，技術(shù)很熟練，系統(tǒng)設(shè)計能力令人羨慕和欽佩。經(jīng)過分析并與他們探討發(fā)現(xiàn)：他們平時在長時間的設(shè)計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，軟件模塊幾乎不用改寫即可直接移植于新程序中。只有新設(shè)計和使用的模塊才能花費他們一些時間，一旦設(shè)計成功，新模塊又被收入模塊庫。由此可知，單片機系統(tǒng)設(shè)計人員一定要建立好自己的模塊庫，在設(shè)計中最大限度的實現(xiàn)軟硬件移植，節(jié)省開發(fā)時間，提高開發(fā)效率。作為單片機課程的教師也要把這種模塊化設(shè)計思想和方法講授給學(xué)生，讓學(xué)生掌握這種實用的系統(tǒng)設(shè)計方法。

如何建立硬件和軟件模塊庫需要遵循一定的規(guī)律，在長期的教學(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，其中的電子器件有幾百個，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、行推動及輸出等功能模塊電路組成。

單片機應(yīng)用系統(tǒng)也是如此，一般有CPU系統(tǒng)、存儲器、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內(nèi)部，有的需要外部擴展。隨著應(yīng)用系統(tǒng)功能的不同，呈現(xiàn)多樣性的特點。再加上各種輸入、輸出信號變換和調(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)都可以分解為多個單一的功能模塊電路，學(xué)習(xí)單片機系統(tǒng)設(shè)計就可以從功能模塊電路入手。在教學(xué)、科研過程中，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。在設(shè)計一個新的單片機應(yīng)用系統(tǒng)時，要根據(jù)系統(tǒng)要求的功能和性能，選擇、設(shè)計滿足要求的功能模塊電路，按照一定的規(guī)律，將它們恰當?shù)亟M合成單片機應(yīng)用系統(tǒng)，合零為整，完成硬件系統(tǒng)設(shè)計。

以這樣的模塊化設(shè)計思想做基礎(chǔ)，在教學(xué)過程中，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會搜集、分析別人的設(shè)計案例、論文和相關(guān)書籍中的功能模塊電路，不斷地充實自己的功能模塊電路庫，日積月累，學(xué)生就會覺得自己的單片機系統(tǒng)設(shè)計能力越來越強。

1.2 硬件模塊化設(shè)計注意事項

在系統(tǒng)硬件設(shè)計過程中，功能模塊電路不能隨意選擇，具體的注意事項如下。

葉靄玲說，白麗筠是個大美人嘛，追她的人不要太多喔。你看到她騎電動車可真稀罕。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)計時，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)級還是民用的。通過綜合考慮這些因素，確定合適的硬件模塊。

1.2.2 根據(jù)系統(tǒng)要求的性能指標選擇模塊

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

1.2.3 注意各個功能模塊電路的耦合方式和接口方式

數(shù)字信號接口一般有并行、串行接口方式，開關(guān)量接口要考慮電平是否與CPU一致、驅(qū)動能力如何，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。必須考慮信號幅度、頻率、濾波、輸入輸出阻抗及驅(qū)動能力等因素，保證耦合后信號真實可用。

1.2.4 注意各個功能模塊之間的干擾

模塊之間的干擾主要是指高頻信號的竄擾、地線上的信號干擾、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離發(fā)出干擾的部件，讓模擬部分和數(shù)字部分單點共地，讓怕熱的部分遠離發(fā)熱的功率電路等。

2 軟件模塊化

2.1 軟件模塊化設(shè)計思想

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

這樣做的優(yōu)點如下：各模塊相對獨立、功能單一、結(jié)構(gòu)清晰、接口簡單；便于調(diào)試、連接，控制了程序設(shè)計的復(fù)雜性；縮短了開發(fā)周期；避免程序開發(fā)的重復(fù)勞動；易于維護、功能擴充和程序移植；可以實現(xiàn)自頂向下的程序設(shè)計等。

2.2 模塊劃分原則

在進行模塊分解時，各模塊功能盡可能專一，聯(lián)系盡可能簡單，使模塊獨立性強，容易設(shè)計、維護、修改和移植，使程序有很好的可維護性和可擴展性，提高程序設(shè)計的效率和質(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)系簡化對提高程序的可移植性很重要?？梢圆捎密浖謱拥乃枷?，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)動層4個層次。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.前兩層屬于硬件無關(guān)層，不用考慮硬件，可以編寫成不同的單片機都可以移植使用的模塊。最后一層是硬件驅(qū)動層，程序移植時中，只改變此層的編寫即可。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大程序逐層分解。得到程序的模塊層次結(jié)構(gòu)，而后再進一步把每個模塊分解為具體的執(zhí)行模塊或執(zhí)行步驟。

2.4 C語言對模塊程序設(shè)計的支持

各種單片機都有自己的匯編語言，但匯編語言缺乏通用性，需要編程人員必須對計算機硬件有相當深入的了解，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。

C語言是一種編譯型程序設(shè)計語言，它兼顧了高級語言、匯編語言的特點。有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制，支持自頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計技術(shù) 。C語言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計方法提供了有力的保障。C語言具有高級語言的可讀性好的特點，便于改進和擴充，容易開發(fā)研制出規(guī)模大、性能完備的系統(tǒng)。因此，使用C語言進行程序設(shè)計已成為軟件開發(fā)的一個主流。

3 教學(xué)效果

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

從2005年參加全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽開始，筆者指導(dǎo)的學(xué)生多次獲得了遼寧賽區(qū)一、二、三等獎。在近幾年的學(xué)生就業(yè)中，大部分電子專業(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)開發(fā)類的公司從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作，提高很快，成為一些項目的核心開發(fā)人員。

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