【正文】 前，已把系統(tǒng)軟件裝入到ROM中，用戶只需熟悉和使用，不能改變。對于自行設(shè)計的微機化智能系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件設(shè)計也需要自行設(shè)計，然后固化在EPROM等類似的存儲器中。系統(tǒng)軟件包括以下內(nèi)容。?監(jiān)控（監(jiān)督）程序或操作系統(tǒng)。監(jiān)控（監(jiān)督）程序是一種低級計算機的管理程序。它的功能是掃描鍵盤，實現(xiàn)人機對話，接收用戶程序，顯示、調(diào)試、修改用戶程序，顯示和修改存儲器中的內(nèi)容。通電后立即進入監(jiān)控（監(jiān)督）程序，各種程序均在監(jiān)控程序控制下運行。一般在設(shè)計單片機智能化儀器、儀表及設(shè)備時要自己編制監(jiān)控（監(jiān)督）程序。編制用戶程序時，同時可以調(diào)用監(jiān)控程序中的一些子程序，節(jié)省用戶應(yīng)用程序的存儲空間。操作系統(tǒng)是微型計算機的一款大型管理程序，是在監(jiān)控程序的基礎(chǔ)上進一步擴展許多控制程序形成的，其主要功能是實現(xiàn)人機對話，管理微型機、存儲器、操作臺、外部設(shè)備（磁盤驅(qū)動器、CRT、打印機及其他外圍設(shè)備）、文件和作業(yè)進程。它控制各種軟件，如匯編程序、解釋程序、編譯程序、I/O驅(qū)動程序、連接程序等。不同的計算機系統(tǒng)可能有不同的操作系統(tǒng)，如CP/M、CDOS等。?匯編程序、解釋程序和編譯程序匯編程序用于把匯編語言程序翻譯為計算機能夠識別和執(zhí)行的機器語言程序（也稱為目標(biāo)程序）。例如MCS51匯編程序，用戶可以把用匯編語言編寫的程序送入仿真器，然后把它變?yōu)闄C器語言程序，再把這些機器語言程序固化到EPROM中，EPROM中的程序就可以在用戶系統(tǒng)中執(zhí)行。解釋程序的功能是把某種程序設(shè)計語言編寫的源程序，翻譯成機器語言的目標(biāo)程序，此目標(biāo)程序是可執(zhí)行程序，解釋程序翻譯一句執(zhí)行一句。編譯程序的功能是把用高級語言編寫的源程序，編譯成某中間語言或機器目標(biāo)程序。 （2）應(yīng)用軟件單片機實時控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是服務(wù)于實時控制的程序集合，由單片機實時控制系統(tǒng)的設(shè)計者編寫。因控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和功能差別很大，所以應(yīng)用軟件的差別也很大。應(yīng)用軟件的設(shè)計應(yīng)當(dāng)留有余地、易于擴展和更改。為此，應(yīng)用軟件宜采用模塊化結(jié)構(gòu)，一個程序模塊就是一個子程序。主程序的主要任務(wù)是調(diào)用這些子程序，總的來說，這些子程序可分為兩類，分別為通用軟件和專用軟件。?通用軟件不管控制規(guī)模有多大，按什么規(guī)律控制，也不管被控對象是什么，一般情況下，有些軟件常會被用到，這些軟件稱為通用軟件。如數(shù)制轉(zhuǎn)換程序，包括二進制與BCD碼之間相互轉(zhuǎn)換程序等；運算程序，包括加、減、乘、除、開方、函數(shù)運算等；數(shù)字濾波程序，用于對數(shù)據(jù)進行處理；工程量程序，在工程顯示時往往用到這類程序；查表程序，例如查找熱電勢對應(yīng)的溫度值；報警程序等。?專用軟件。這是針對某一具體控制系統(tǒng)和不同控制規(guī)律編制的程序，主要有：數(shù)據(jù)采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、D/A轉(zhuǎn)換程序、鍵盤掃描程序、顯示程序，以及各種控制算法程序，例如PID程序、純滯后補償算法程序、自適應(yīng)控制程序等。單片機應(yīng)用系統(tǒng)是為了完成某項任務(wù)而研制開發(fā)的用戶系統(tǒng)，每個系統(tǒng)針對不同的應(yīng)用，具有不同的功能，但總體設(shè)計方法和研制步驟基本相同。與一般的計算機系統(tǒng)一樣，單片機的應(yīng)用系統(tǒng)也是由硬件和軟件組成。硬件指單片機、擴展的存儲器、輸入/輸出設(shè)備、控制設(shè)備、執(zhí)行部件等組成的系統(tǒng)，軟件是各種工作程序的總稱。硬件和軟件只有緊密配合，協(xié)調(diào)一致，才能組成高性能的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。在系統(tǒng)的研制過程中，軟硬件的功能總是在不斷地調(diào)整，以便相互適應(yīng)、相互配合，達到最佳性價比。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程包括總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)總體調(diào)試等4個階段，但它們不是絕對分開的，有時是交叉進行的。目前，單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方法一般是針對具體任務(wù)選用合適的單片機，配以必要的存儲器、接口芯片和外圍設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。這類系統(tǒng)中的硬件配置和軟件設(shè)計完全是按照應(yīng)用系統(tǒng)的功能進行的。因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資少，軟硬件資源能夠得到最充分的利用。由于設(shè)計人員必須編制必要的系統(tǒng)監(jiān)控或監(jiān)督程序、應(yīng)用功能程序等，所以軟件設(shè)計和硬件制作的工作量很大，要求設(shè)計人員要有一定的軟硬件開發(fā)能力。1. 總體設(shè)計在進行系統(tǒng)設(shè)計之前，首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求及其應(yīng)用環(huán)境等，確定合理、具體的功能和技術(shù)指標(biāo)，對應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、通用性、先進性、可維護性及成本等進行綜合考慮，根據(jù)單片機性能及開發(fā)工具等因素選擇合適的單片機機型。接下來要根據(jù)系統(tǒng)中可能涉及的傳感器、模擬電路、I/O接口、存儲器、打印機和顯示器等器件和設(shè)備進行器件選擇，使之符合系統(tǒng)在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后確定硬件和軟件的功能劃分，由于在系統(tǒng)設(shè)計中某些功能用硬件和軟件都能實現(xiàn)，在設(shè)計中應(yīng)綜合考慮研制周期和成本等因素，并依次具體劃分軟、硬件功能。2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在所選擇的單片機型的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)擴展所需的存儲器、I/O電路、A/D及D/A電路和相關(guān)的外圍電路等，然后設(shè)計出系統(tǒng)的電路原理圖。下面分別介紹硬件設(shè)計的各個環(huán)節(jié)。（1） 程序存儲器的選用 單片機內(nèi)部沒有程序存儲器或存儲器容量不夠時，需擴展外部程序存儲器?？僧?dāng)程序存儲器使用的芯片有多種非易失存儲器，如EPROM、快擦寫Flash存儲器和OTP等，從它們的價格和性能特點上考慮，對于批量生產(chǎn)的已成熟的應(yīng)用多選用OTP型，其他情況可選用快擦寫存儲器等。由于目前單片機片內(nèi)存儲器的容量越來越大，若設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)所需的存儲器空間比較小，就沒必要擴充程序存儲器。（2）數(shù)據(jù)存儲器的選用數(shù)據(jù)存儲器由RAM構(gòu)成。對于數(shù)據(jù)存儲器的容量要求，各個系統(tǒng)之間差別比較大。有的測量儀器和儀表只需少量的RAM即可，此時應(yīng)盡量選用容量能符合要求的單片機。對于要求較大容量RAM的系統(tǒng)，對RAM芯片的選擇原則是盡可能減少芯片的數(shù)量。例如選一片62256（32K)比選用4片6264價格低得多，連線也更簡單。（3） I/O接口電路的設(shè)計 由于外設(shè)多種多樣，這使得單片機與外設(shè)之間的接口電路也各不相同。因在設(shè)計I/O接口電路時應(yīng)從體積、價格、功能、負載等幾方面綜合考慮。I/O接口大致可歸類為并行接口、串行接口、數(shù)據(jù)采集通道（接口）、模擬輸出通道（接口）等。目前，有些單片機已將上述各接口集成在單片機內(nèi)部，使I/O接口的設(shè)計大大簡化。系統(tǒng)設(shè)計時，可以選擇含有所需接口的單片機。如要設(shè)計專用接口，根據(jù)系統(tǒng)的輸入/輸出的要求，可選用TTL和CMOS芯片進行接口電路的設(shè)計。對于A/D和D/A電路芯片的選擇原則應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)對它的精度、速度和價格的要求而定。此外還要考慮芯片和系統(tǒng)中的傳感器、放大器相匹配等問題。（4） 譯碼電路的設(shè)計 所有的需要擴展外部存儲器和輸入/輸出接口設(shè)計的單片機系統(tǒng)都需要設(shè)計譯碼電路，譯碼電路的作用是為外設(shè)提供片選信號，也就是為它們分配獨一無二的地址空間。譯碼電路在設(shè)計時要盡可能簡單，這就要求存儲器空間分配合理、譯碼方式選擇得當(dāng)。 考慮到修改方便和保密性強，譯碼電路除了可以利用常規(guī)的門電路、譯碼器來實現(xiàn)外，還可以利用只讀存儲器與可編程門陣列來實現(xiàn)。 （5）總線驅(qū)動器的設(shè)計 如果單片機外部擴展的器件較多，負載過重，就要考慮設(shè)計總線驅(qū)動器。例如，MCS51單片機的P0口負載能力為8個LSTTL邏輯門；P2口負載能力為4個LSTTL邏輯門。如果P0、P2口實際連接的邏輯門數(shù)超出上述定額，系統(tǒng)便不能可靠地工作，此時就必須在P0、P2口增加總線驅(qū)動器來提高它們的驅(qū)動能力。P0口通常使用雙向數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器74LS245，P2口可使用單向總線驅(qū)動器74LS244。系統(tǒng)擴展和配置設(shè)計遵循的原則如下。①盡可能選擇典型通用的電路，并符合單片機的常規(guī)用法。②系統(tǒng)的擴展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)前的功能要求，并留有適當(dāng)余地，便于需要時進行功能擴充。③系統(tǒng)中相關(guān)的器件性能要匹配。例如，選用的晶振頻率較高時，存儲器的存取時間就短，應(yīng)選擇存取速度較快的芯片；選擇CMOS芯片單片機構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的所有芯片都應(yīng)選擇低功耗產(chǎn)品。如果系統(tǒng)中相關(guān)的器件不匹配，系統(tǒng)的綜合性能將降低，甚至不能正常工作。④硬件系統(tǒng)設(shè)計時，要盡可能充分地利用單片機的片內(nèi)資源，使設(shè)計的電路向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化靠攏。硬件設(shè)計結(jié)束后，應(yīng)編寫出硬件電路原理圖及硬件設(shè)計說明書。3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)是一個整體。軟件設(shè)計和硬件設(shè)計應(yīng)統(tǒng)一，系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計定型后，軟件的功能也就基本明確了。一個應(yīng)用系統(tǒng)的軟件一般由系統(tǒng)監(jiān)控程序和應(yīng)用程序兩部分組成。其中，應(yīng)用程序是用來完成如測量、計算、顯示、打印、輸出控制等各種實質(zhì)性功能的軟件；系統(tǒng)監(jiān)控程序是控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定操作方式運行的程序，負責(zé)組織調(diào)度各應(yīng)用程序模塊，完成系統(tǒng)自檢、初始化、處理鍵盤命令、處理接口命令、處理條件觸發(fā)和顯示等功能。軟件設(shè)計通常分為系統(tǒng)定義、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計和程序設(shè)計3個步驟。（1） 系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義的目的就是根據(jù)系統(tǒng)軟件、硬件的功能分工，確定出軟件應(yīng)完成什么功能，其具體步驟如下。①定義說明各輸入/輸出接口的功能，確定信息交換的方式、與系統(tǒng)接口方式、所占接口地址、讀取和輸出方式等。比如編寫實現(xiàn)控制功能的軟件時，應(yīng)明確控制對象、控制信號及控制時序；編寫實現(xiàn)處理功能的軟件時，應(yīng)該明確輸入是什么，要做什么樣的處理（即處理算法），產(chǎn)生何種輸出。②在程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器區(qū)域中，合理分配存儲空間。其中包括系統(tǒng)主程序、常規(guī)表格、數(shù)據(jù)暫存區(qū)域、堆棧區(qū)域和入口地址等。③對面板控制開關(guān)、按鍵等輸入量及顯示、打印等輸出量也必須予以定義，以此作為編程依據(jù)。④針對可能出現(xiàn)的由干擾引起的錯誤進行容錯設(shè)計，給出錯誤處理方案，以達到提高軟件可靠性的目的。其中一種最簡單的錯誤處理就是軟件引導(dǎo)重新啟動系統(tǒng)。⑤明確所設(shè)計的用戶程序應(yīng)達到的精度、速度指標(biāo)。（2） 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的軟件結(jié)構(gòu)是設(shè)計出一個性能優(yōu)良的單片機應(yīng)用系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，必須予以充分重視。根據(jù)系統(tǒng)的定義，可以把整個工作分解為幾個相對獨立的操作，根據(jù)這些操作的相互聯(lián)系及時間關(guān)系，設(shè)計出一個合理的軟件結(jié)構(gòu)。對于簡單的應(yīng)用系統(tǒng)，通常采用順序設(shè)計的方法，這種系統(tǒng)軟件由主程序和若干個中斷服務(wù)程序構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)各個操作的性質(zhì)，指定哪些操作由主程序完成，哪些操作由中斷服務(wù)程序完成，并指定各中斷的優(yōu)先級。對于復(fù)雜的實時控制系統(tǒng)，應(yīng)采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，這種系統(tǒng)往往要求對多個對象同時進行實時控制，要求對各個對象的實時信息以足夠快的速度進行處理并作出快速響應(yīng)。這就要求提高系統(tǒng)的實時性、并行性等。因此，實時多任務(wù)操作系統(tǒng)應(yīng)具備任務(wù)調(diào)度、實時控制、實時時鐘、輸入/輸出和中斷控制、系統(tǒng)調(diào)用、多個任務(wù)并行運行等分功能。在程序設(shè)計方法上，模塊程序設(shè)計時單片機應(yīng)用中最常用的程序設(shè)計技術(shù)。這種方法是把一個完整的程序分解為若干個功能相對獨立的較小的程序模塊，對各個程序模塊分別進行設(shè)計、編制和調(diào)試，最后將各個調(diào)試好的程序模塊連成一個完整的程序。這種方法的優(yōu)點是單個程序模塊的設(shè)計和調(diào)試比較方便，容易完成，一個模塊可以為多個程序所共享。缺點是各個模塊的連接有時有一定難度。還有一種方法是自上而下設(shè)計程序。此方法是先從主程序開始設(shè)計，主程序編好后，再編制各從屬的程序和子程序。這種方法比較符合人們的日常思維。其缺點是上一級的程序錯誤將對整個程序產(chǎn)生影響。（3） 程序設(shè)計在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計確定之后就可以進行程序設(shè)計了，一般設(shè)計過程：首先根據(jù)問題的定義，描述出各輸入變量和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即建立數(shù)學(xué)模型。然后根據(jù)系統(tǒng)功能及操作過程，先列出程序的簡單功能流程框圖（粗框圖），再對粗框圖進行擴充和具體化，即對存儲器、寄存器、標(biāo)志位等工作單元進行具體的分配和說明。把功能流程圖中每一個粗框轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的存儲單元、寄存器和I/O接口等，從而繪制出詳細的程序流程圖（細框圖）。完成流程圖設(shè)計后，便可編寫程序。單片機應(yīng)用程序可以采用匯編語言，也可以采用某些機器語言，例如可通過Keil C51軟件來編寫C語言等。編寫完成后均須匯編成80C51的機器碼，經(jīng)調(diào)試正常運行后，再固化到非易失性存儲器中去，完成系統(tǒng)的設(shè)計。4. 系統(tǒng)總體調(diào)試單片機應(yīng)用系統(tǒng)的總體調(diào)試是系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)完成了單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計，并組裝完成后，便可進入單片機應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試階段。系統(tǒng)調(diào)試的目的是要查出用戶系統(tǒng)中硬件設(shè)計與軟件設(shè)計中存在的錯誤及可能出現(xiàn)的不協(xié)調(diào)等問題，以便修改設(shè)計，最終使用戶系統(tǒng)能正確、可靠地工作。系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。根據(jù)調(diào)試環(huán)境不同，系統(tǒng)調(diào)試又分為模擬調(diào)試與現(xiàn)場調(diào)試。各種調(diào)試所起的作用是不同的，其所處的時間段也不一樣，不過它們的目的都是為了查出用戶系統(tǒng)中存在的錯誤或缺陷。通常的調(diào)試順序是先排除明顯的硬件故障，然后和軟件結(jié)合起來進行調(diào)試。常見的硬件故障有邏輯錯誤、元器件失效、可靠性差和電源故障等。在進行硬件調(diào)試時先進行靜態(tài)調(diào)試，用萬用表等工具在樣機供電前根據(jù)原理圖和裝配圖仔細檢查線路，核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否正確。然后供電檢查各點電位是否正常。接下來再借助仿真開發(fā)儀器進行聯(lián)機調(diào)試，分別測試擴展的RAM、I/O接口、I/O設(shè)備、程序存儲器及晶振和復(fù)位電路，若有錯誤，進行改正。軟件調(diào)試就是檢查系統(tǒng)軟件中的錯誤。常見的軟件錯誤有程序失控、中斷錯誤（不響應(yīng)中斷或循環(huán)響應(yīng)中斷）、輸入/輸出錯誤和處理結(jié)果錯誤等。通常的調(diào)試順序是先把各個程序模塊分別進行調(diào)試，調(diào)試通過后再組合到一起進行綜合調(diào)試，達到預(yù)定的功能技術(shù)指標(biāo)后即可將軟件固化。第三章 串行口通信原理并行與串行基本通信方式：隨著單片機系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，單片機的通信功能愈來愈顯得重要。單片機通信是指單片機與計算機或單片機與單片機之間的信息交換，通常單片機與計算機之間的通信我們用的較多。通信有并行和串行兩種方式。在單片機系統(tǒng)以及現(xiàn)代單片機測控系統(tǒng)中，信息的交換多采用串行通信方式。 并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時進行傳送，每一位數(shù)據(jù)都需要一條傳輸線，8位數(shù)據(jù)總線的通信系統(tǒng)，一次傳送8位數(shù)據(jù)（1個字節(jié)），將需要8條數(shù)據(jù)線。此外，還需要一條信號線和若干控制信號線，這種方式僅適合于短距離的數(shù)據(jù)傳輸，如比較老式的打印機就是通過并口方式與計算機連接。由于并