[信息与通信]第1、3章第一讲单片机应用概述与开发步骤.ppt

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1、1,单片机应用概述与开发步骤,2,为什么要学习单片机技术？,答：因为单片机应用广泛。,3,单片机应用领域,单片机应用智能控制,4,单片机的应用领域,单片机应用智能控制,5,1.单片机的应用领域,单片机应用军事技术,6,1.单片机的应用领域,单片机应用消费电子产品,7,1.单片机的应用领域,单片机应用工业控制,8,本讲主要内容,1.电子计算机的发展概述,2.单片机的发展过程及产品近况,3.单片机的特点,4.单片机应用系统开发简介,小结,9,1.电子计算机发展概述,世界上第一台计算机1946年2月15日，第一台计算机ENIAC问世，这标志着计算机时代的到来ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有10

2、0 KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响ENIAC的出现满足了人们计算的需要，但它的体积实在太大了！,10,1.电子计算机发展概述,计算机的冯诺依曼结构1946年6月，匈牙利籍数学家冯诺依曼提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构,11,1.电子计算机发展概述,计算机发展的两个主要方向,要是计算机能放进我的口袋里多好啊！,计算机能比现在的运算速度快10000倍吗？,12,2.单片机及其

3、展过程,单片机是什么？单片机是单片微型计算机的简称，它是在一块半导体芯片上，集成了CPU、半导体存储器、I/O(Input/Output)接口、中断系统和定时器等计算机必备部件，所构成的一个完整的数字电子计算机。,13,2.单片机及其展过程,单片机的发展过程原始阶段1971年1月，INTEL公司的特德霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel 4004）。,14,2.单片机及其展过程,单片机的发展过程发展阶段1976年Intel公司推出了8

4、位的MCS-48系列的单片机，以其体积小、重量轻、控制功能齐全和低价格的特点，得到了广泛的应用，为单片机的发展奠定了坚实的基础。80年代初，Intel公司推出了8位的MCS-51系列的单片机，随着单片机的应用的急剧增加，其它的单片机也随之大量涌现如：Motorola的68系列，Zilog的Z8系列等，从而掀开了单片机应用的历史新篇章,15,2.单片机及其展过程,单片机现状单片机经过约30年的发展，已经形成有几千种型号上百种品牌的半导体产业，对电子信息技术、工业控制技术、军事技术的发展起到巨大的推动作用。目前主流的单片机：51内核的系列单片机Microchip公司的PIC系列单片机Motorol

5、a公司的68系列Texas Instrument公司的MSP16bit系列单片机ARM内核的32bit系列单片机,16,3.单片机的特点,单片机的特点体积小巧重量轻 可靠性高控制能力强价格低开发方便简单，易于产品化,17,4.单片机应用系统开发简介,单片机应用系统是以单片机为核心构成的智能化产品。为了实现产品的智能化处理与智能化控制，还要嵌入相应的控制程序，称之为单片机应用软件。嵌入了应用软件的单片机系统称为单片机应用系统。单片机是单片机系统中的一个器件，单片机系统是构成某一单片机应用系统的全部硬件电路，单片机应用系统是单片机系统和应用软件相结合的产物。,18,4.1单片机应用系统的研制步骤和

6、方法,4.2单片机应用系统开发的软硬件环境,4.4Keil C51高级语言集成开发环境,4.5基于Proteus的单片机系统仿真,4.单片机应用系统开发简介,4.3Proteus开发环境,19,4.1单片机应用系统的研制步骤和方法,单片机应用系统的研制流程如图所示:,20,确立功能特性指标单片机的选型软件的编写和支持工具,(1)总体设计,需考虑其功能是否全部满足规定的要求,最好使用现有的开发工具或增加少量的辅助器材就可达到目的。,21,（2）硬件系统,根据总体设计中确立的功能特性要求，确定单片机的型号、所需外围扩展芯片、存储器、I/O电路、驱动电路，可能还有A/D和D/A转换电路以及其它模拟电

7、路，设计出应用系统的电路原理图。,22,硬件设计,硬件电路做成目标板运用PROTEUS、PROTEL等软件,23,硬件设计,24,（3）软件系统,系统资源分配程序结构数学模型程序流程编制程序,25,软件设计,程序设计通常是C语言或者汇编语言，在特定的集成开发环境（IDE）中编程调试，比如应用最广泛的KEIL uVision3,26,联调,27,PCB,28,焊电路板,29,程序下载使用并行编程器,30,1-4.单片机应用系统开发简介,程序下载使用并行编程器,编程器驱动软件,单片机或单独存储器,并行编程器,31,调试仿真,目标系统,通信数据线,开发软件,32,4.2单片机应用系统开发的软硬件环境

8、,一个典型的单片机系统开发环境组成如图所示。,单片机系统开发环境组成,33,1-4.单片机应用系统开发简介,调试硬件仿真器,硬件仿真器,目标系统,开发软件,34,1-4.单片机应用系统开发简介,调试仿真,目标系统,通信数据线,开发软件,35,1-4.单片机应用系统开发简介,程序下载使用并行编程器,编程器驱动软件,单片机或单独存储器,并行编程器,36,1-4.单片机应用系统开发简介,程序下载使用ISP（In System Program在系统编程）,ISP软件,下载线,目标系统,37,(1)单片机应用系统开发工具选择原则,全地址空间的仿真。不占用任何用户目标系统的资源。必须实现硬断点，并且具有灵

9、活的断点管理功能。硬件实现单步执行功能。可跟踪用户程序执行。可观察用户程序执行过程中的变量和表达式。可中止用户程序的运行或用户程序复位。系统硬件电路的诊断与检查。支持汇编和高级语言源程序级调试。,38,(2)使用JTAG界面单片机仿真开发环境,39,在线编程目前有两种实现方法：在系统编程（ISP）在应用编程（IAP）。,(3)单片机的在线编程,40,4.3 基于Proteus的单片机系统仿真,英国Labcenter Electronics公司推出的Proteus套件，可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232 终端等动态外设

10、模型来对设计进行交互仿真。目前在单片机的教学过程中，已越来越受到重视，并被提倡应用于单片机数字实验室的构建之中。Proteus支持的微处理芯片（Microprocessors Ics）包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列、ARM7/LPC2000系列以及Z80等。,41,示例程序中定义一个加法计数器字节型变量ucTimer，每次加1后送到P2口显示，并使用打印printf函数输出相应指示信息，整个程序只包含一个源文件McuTimer.c，这个小型的应用程序帮助读者确定Keil Vision3可以编译、链接和调试一个应用程序。,下面通过创建项目实例介绍一个简单的软件开发流程,4

11、2,(1)Proteus 7 Professional界面介绍,安装完 Proteus后，运行ISIS 7 Professional，会出现如图的窗口界面。,43,窗口内各部分的功能用中文作了标注。ISIS大部分操作与windows的操作类似。,1.原理图编辑窗口（The Editing Window）顾名思义，它是用来绘制原理图的。蓝色方框内为可编辑区，元件要放到它里面。与其它Windows应用软件不同，这个窗口是没有滚动条的，可以用左上角的预览窗口来改变原理图的可视范围，用鼠标滚轮缩放视图。,44,2.预览窗口（The Overview Window)它可以显示两个内容。一个是：在元件列表

12、中选择一个元件时，它会显示该元件的预览图；另一个是：当鼠标焦点落在原理图编辑窗口时（即放置元件到原理图编辑窗口后或在原理图编辑窗口中点击鼠标后），它会显示整张原理图的缩略图，并会显示一个绿色的方框，绿色方框里面的内容就是当前原理图窗口中显示的内容，因此你可用鼠标在它上面点击来改变绿色方框的位置，从而改变原理图的可视范围。,45,3.模型选择元件栏（Mode Selector Toolbar),4.元件列表区（The Object Selector),5.方向工具栏（Orientation Toolbar),6.仿真工具栏,3、4、5、6操作命令类似于windows操作，详细见主教材(64-65

13、页)。,46,(2)绘制电路原理图,1.将所需元器件加入到对象选择器窗口,47,(2).放置元器件至图形编辑窗口,48,(3).放置总线至图形编辑窗口,49,(4).添加电源和接地引脚,50,(5).元器件之间的连线Wiring Up Components on the Schematic,51,(6).给导线或总线加标签,52,(7).添加电压探针,53,(8).添加文字标注,54,(9).添加虚拟仪器,55,(10).选择AT89C52属性并加载程序文件,56,从“文件”下拉菜单选择“保存”项，出现如图对话框，提示输入文件名，图中设文件名为80C51VSM.DSN，点“保存”按钮。,57,

14、单击仿真运行开始按钮，进入调试运行窗口,58,虚拟终端窗口,59,4.4 Keil C51高级语言集成开发环境Vision3 IDE,Keil C51软件是目前最流行开发80C51系列单片机的软件工具。Keil C51提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（Vision3 IDE）将这些部份组合在一起。,60,集成开发环境,C51 编译器和A51汇编器,LIB51库管理器,BL51链接器/定位器,Vision3 软件调试器,Vision3 IDE硬件调试器,RTX51 实时操作系统,(1)Vision3 IDE主要特性如下

15、：,61,(2)Vision3 IDE集成开发环境,Vision3 IDE界面,62,(3)Vision3 IDE的使用,Vision3 IDE包括一个项目管理器，它可以使 8x51 应用系统的设计变得简单。要创建一个应用，需要按下列步骤进行操作：,启动Vision3 IDE，新建一个项目文件并从器件库中选择一个CPU器件。新建一个源文件并把它加入到项目中。增加并设置选择的器件的启动代码。针对目标硬件设置工具选项。编译项目并生成可以编程ROM的HEX文件。,63,示例程序中定义一个加法计数器字节型变量ucTimer，每次加1后送到P2口显示，并使用打印printf函数输出相应指示信息，整个程序

16、只包含一个源文件McuTimer.c，这个小型的应用程序帮助读者确定Keil Vision3可以编译、链接和调试一个应用程序。,下面通过创建项目实例介绍一个简单的软件开发流程,64,设项目名MyProject，采用标准的AT89C52芯片，程序使用的硬件资源是AT89C52片内的并行I/O口P2和串行口，不需要一个实际的单片机系统，因为Vision3 IDE可以模拟程序所需要的硬件并行I/O口和串行口。,65,（1）选择【Project】/【New Project】选项，如图（a）所示。（2）在弹出的“Create New Project”对话框中选择要保存项目文件的路径，比如保存到McuPo

17、rt目录里，在“文件名”文本框中输入项目名为MyProject，如图（b）所示，然后单击“保存”按钮。,图3.6（a）Project 菜单（b）Create New Project 对话框,66,这时会弹出一个对话框，要求选择单片机的型号。以常用的 AT89C52为例来说明，先选择ATMEL公司，再选择AT89C52 之后，,67,然后单击“确定”按钮,弹出将8051初始化代码拷贝到项目中的询问窗口，如图3.8所示。单击“Y”按钮。,68,新建项目后Vision3 界面图,69,新建一个源程序文件。建立一个汇编或 C 文件，如果已经有源程序文件，可以忽略这一步。选择【File】/【New】选项

18、，在弹出的程序文本框中输入一个简单的程序，如图3.12所示，具体内容见主教材第60页。,70,（6）选择【File】/【Save As】选项，或者单击工具栏按钮，保存文件。,71,（7）然后要将McuTimer.c文件加入到项目中，鼠标右键点左边项目窗口中“Source Group 1”在弹出的菜单中选择“Add Files to GroupSource Group 1”，选择刚才的建立的文件 McuTimer.c。,72,（8）这时在Source Group 1里就有 McuTimer.c 文件和事先建立项目时已经加入的文件STARTUP.A51,73,（9）至（10）是编译环境设置，具体内

19、容详见主教材55-59页。,74,（11）编译连接程序，选择【Project】/【Rebuild all target files】选项，如图所示。,75,如果没有错误，则编译连接成功，开发环境右下角信息框会显示编译连接成功的信息，如图所示。,76,（12）编译完毕之后，选择【Debug】/【Start/Stop Debug Session】选项，即就进入Debug调试环境，如图所示。,77,（13）装载代码之后，开发环境Output Window(在左下角)显示如图所示的装载成功信息。,78,（14）示例程序中定义一个加法计数器字节型变量ucTimer，每次加1后送到P2口显示，并使用打印p

20、rintf函数输出相应指示信息，整个程序只包含一个源文件McuTimer.c。,选择【View】/【Serial Window#1】选项，如图所示。,源文件McuTimer.c见主教材60页。,79,选择【Peripherals】/【I/O-Ports】/【Port 2】选项，如图所示。,80,按“F5”键启动程序，在串口窗口Serial#1可看到printf的输出信息和P2端口数据的变化情况，如图所示。串口窗口默认字符显示模式“Ascii Mode”，在窗口中点鼠标右键，在弹出的窗口单击右键可修改显示模式为“Hex Mode”。,81,(3)Proteus VSM与Vision3的联调,Pr

21、oteus VSM支持第三方集成开发环境IDE，目前支持的第三方80C51IDE有：IAR Embedded Workbench、Keil Vision3 IDE。本文以Keil Vision3 IDE为例介绍Proteus VSM与Vision3 IDE的联调。,82,对于proteus 6.9或更高的版本,在安装盘里有vdmagdi插件或到LABCENTER公司下载该插件，安装该插件后即可实现与Keil Vision3 IDE的联调。下面的叙述是假定我们已经分别安装了如下软件：（1）Proteus 7 Professional（2）Keil Vision3 IDE（3）vdmagdi.ex

22、e,83,(1).Proteus VSM的设置,选中“use romote debuger monitor”，,84,(2).Vision3 IDE设置,设置option for target/Debug选项,85,设置option for ta rget/Output选项,86,4.5 Proteus VSM与Vision3的联调,在Vision3环境下，首先按“F7”产生该项目的HEX文件，然后进入Vision3 调试模式，为了在Proteus VSM环境下能观察到程序连续运行情况，取消目前项目中所有断点。按“F5”按钮进入全速运行。可以看到完全一致的运行画面。此时Proteus VSM的

23、运行完全依赖于外部调试器Vision3。,87,我们利用图接在U1AT89C52单片机P1.0和P1.3的元件单刀双掷开关“SW-SPDT”和P1.6的元件按钮“BUTTON”说明如何仿真AT89C52片外的外围部件。,88,要求在图中，当单刀双掷开关“SW-SPDT”接到P1.0，单片机P2口输出作加法计数，当单刀双掷开关“SW-SPDT”接到P1.3，单片机P2口输出作减法计数。当按钮“BUTTON”按下时超过1秒，单片机P2口的计数输出清“0”。为此我们修改项目MyProject中的文件McuTimer.c，修改后的源程序见主教材。,89,在Vision3 IDE环境下重新编译该项目。按

24、“F5”按钮进入全速运行。然后切换到Proteus VSM环境。可以分别点“加1按钮”、“减1按钮”和“清零按钮”可以观察程序单片机外围部件仿真运行情况。,90,可以在程序中设置断点，可以观察到在Vision3环境下，断点运行和单步运行时在Proteus VSM环境下原理图的变化情况。图为在电脑桌面上放置2个应用窗口。,91,Proteus VSM与Vision3的联调时，Proteus VSM的U1-AT89C52可以不加载任何程序文件。但笔者还是建议，要加载程序文件，且选择当前在Vision3环境下所调试程序生成的HEX文件。这样无论是否联调，在Proteus VSM的运行情况总是一致的。,92,本讲小结,单片机简介。单片机应用系统的研制步骤和方法简介。,