第16章 AVR单片机的开发流程

2020/2/13机械工业出版社Page1第16章AVR单片机的开发流程AVR单片机与51单片机的区别单片机嵌入式系统的结构单片机嵌入式系统的应用领域AVR单片机的选型AVR单片机的特点AVR单片机与传统的51单片机的比较Atmega16单片机的结构和主要特Atmega16的封装与引脚2020/2/13机械工业出版社Page216.1功能分析与顶层设计单片机应用系统开发过程是以理论分析为基础，结合市场和用户的实际需求，完成实现特定功能的单片机应用系统的开发。一般情况下，用户和市场是单片机系统开发的导向，故在开发前对系统功能作深入的分析探讨是非常重要的。通常，功能分析又包括需求分析和理论分析。在功能分析后，设计者要对系统作出整体设计方案。2020/2/13机械工业出版社Page316.1.1功能分析为了确定单片机应用系统所具备的功能和要完成的任务必须进行功能分析。功能分析包括理论分析和需求分析两个方面，其具体体现为设计规划书。设计规划书主要有以下三个方面的作用：可作为用户和科研单位之间的合约或研制单片机应用系统的依据。反映出系统的功能和结构，作为科研人员设计硬件和编写软件的基础。可作为单片机应用系统验收的依据。2020/2/13机械工业出版社Page41．功能和性能一般认为，系统的功能是指数据从输入到输出这一过程中系统所完成的全部工作。而单片机系统完成这一工作所消耗的时间将是衡量该系统性能好坏的最重要标准。系统完成的工作越复杂，那么它的功能就越强大，对于同样的硬件系统，所花费的时间就会越多。因此在设计单片机硬件系统时，必须综合考虑系统的这两个重要的因素，从而在两者之间达到很好的平衡。2020/2/13机械工业出版社Page52．输入和输出系统的输入和输出包括以下几个方面的内容：信号类型。系统输入和输出的信号包括电信号和机械信号两种。其中，电信号又可分为模拟电信号和数字电信号。数据特性。数据特性是指系统输入和输出信号所具有的电特性参数，如周期信号的周期、频率，连续数字信号的比特数，信号的幅值等等。设备类型。设备类型是指系统输入和输出信号的产生源，可以是简单的输入按键、A/D或D/A转换器，也可以是显示器等。2020/2/13机械工业出版社Page63．物理尺寸和功耗由于产品应用领域的不同，系统的物理尺寸和重量各不相同，因此它们也是硬件系统设计中器件选型和电路制作的一个重要决定因素。另外，单片机系统的功耗也是硬件系统设计中的一个重要考虑因素。在一些便携式或小型系统中，通常都是使用电池对系统进行供电，因此降低功耗能提高系统的使用时间。当然，这并不是说在采用持续电源供电的系统中就不用考虑系统的功耗问题，采用低功耗设计并不仅仅在于节省系统的功耗，更多的好处在于降低了电源模块及散热系统的成本，随着电流的减小，系统中的电磁辐射和热噪声干扰也大大降低。同时，设备的温度也会随着功耗的降低而降低，器件寿命则得到延长。2020/2/13机械工业出版社Page716.1.1顶层设计单片机系统开发首先采用的是顶层设计，一般应用自顶向下的设计方法。总体设计是对单片机应用系统的结构、硬件电路和软件作总体的考虑。顶层设计通常包括设计方案的描述、总框图的绘制、总体结构设计及设计工作的筹备等工作。下面进行详细的描述。2020/2/13机械工业出版社Page82．工作总框图绘制在确定设计方案之后，首先应该采用自顶向下的方法将单片机应用系统的功能进行划分，并绘制出相应的硬件和软件工作总框图。自顶向下的设计方法是单片机系统开发应用中常用的设计方法。它把需要完成的系统设计合理划分为若干子系统，使其分别完成较小的任务。子系统的划分过程，实际上就是把总体任务划分成若干任务的过程。子系统的划分应该考虑如下几方面的问题：对所要解决的总体任务是否已全部清楚地描述出来。对所要解决的问题是否有更清楚简单的描述。各子系统所承担的分任务是否清楚、明确，是否有更清楚的划分方式。各子系统之间的相互关系是否明确，它们之间的控制关系是怎样的。控制部分与被控制部分是否清楚、明确，它们之间的控制关系是怎样的。2020/2/13机械工业出版社Page93．单片机应用系统根据系统的规模和硬件的复杂程度不同可以采用多种结构。就目前工程实际而言，常用的结构包括：单板结构。随着大规模集成电路的发展，电路芯片的功能越来越强大，引脚数量也越来越多。采用大印制电路有利于计算机辅助设计。单板结构使整机的装配工艺大大简化，给调试和维修带来很多便利。分布式结构。分布式结构的最大特点是按照功能进行划分。一个电路板模块完成一种特定的功能，各个功能模块通过总线连接成统一的系统。在应用系统发生故障时，只需要更换坏损的电路模块即可。积木式结构。积木式结构是大型应用系统常用的一种结构形式。这种结构有利于功能的更换和扩大，增加了系统的灵活性。组合式结构，组合式结构和积木式结构基本相同，但是组合式结构的功能模块较积木式结构的模块功能更加完备，系统整体构成更加简单。2020/2/13机械工业出版社Page104．设计工作的筹备作为总体设计的一项重要工作，设计工作的筹备是保证单片机应用系统设计顺利进行的一个重要步骤。设计工作的筹备分为如下几个部分内容。根据单片机应用系统的结构设计、硬件电路设计和软件设计等各方面的任务及完成的先后次序来规划设计精度和人力安排。安排设计场地。安排设计所需要的仪器设备工具。拟定主要元器件的采购、外加工计划和预算设计经费。2020/2/13机械工业出版社Page1116.2系统硬件设计单片机应用系统硬件电路是以单片机为核心控制器，按照设计的线路连接各种外围元件而构成。单片机应用系统的硬件电路包括：元器件选择、电路设计、硬件电路的计算机辅助设计、单片机应用技术、硬件可靠性设计5个方面的内容。2020/2/13机械工业出版社Page1216.2.1元器件选择1．单片机选型硬件系统的核心是单片机，它在整个系统的功能和性能中起决定性作用。同时，单片机芯片的不同封装形式也会影响到系统的物理尺寸。因此，在单片机的选型上应主要考虑两个因素：性能和封装形式。2020/2/13机械工业出版社Page13下面总结一下集成电路器件的封装格式。1）DIP双列直插式封装DIP(DualIn-linePackge)适合在PCB（印刷电路板）上穿孔焊接，操作方便。2）QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。适用于SMD表面安装技术在适用于PCB电路板上安装布线。适合高频使用。操作方便，可靠性高。芯片面积与封装面积之间的比值较小。2020/2/13机械工业出版社Page143）PGA插针网格阵列封装插拔操作更方便，可靠性高。可适应更高的频率。4）BGA球栅阵列封装PBGA(PlasricBGA)基板：一般为2~4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中，PentiumⅡ、Ⅲ、Ⅳ处理器均采用这种封装形式。CBGA(CeramicBGA)基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（FlipChip,简称FC）的安装方式。Intel系列CPU中，PentiumⅠ、Ⅱ、PentiumPro处理器均采用过这种封装形式。FCBGA(FilpChipBGA）基板：硬质多层基板。2020/2/13机械工业出版社Page15TBGA(TapeBGA）基板：基板为带状软质的1~2层PCB电路板。CDPBGA(CarityDownPBGA）基板：指封装中央有方型低陷的芯片区（又称空腔区）。BGA封装具有以下特点：I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率。虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能。信号传输延迟小，适应频率大大提高。组装可用共面焊接，可靠性大大提高。2020/2/13机械工业出版社Page165）CSP芯片尺寸封装CSP封装又可分为四类：LeadFrameType（传统导线架形式），代表厂商有富士通、日立、Rohm、高士达(Goldstar）等等。RigidInterposerType（硬质内插板型），代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝、松下等等。FlexibleInterposerType（软质内插板型），其中最有名的是Tessera公司的microBGA,CTS的sim-BGA也采用相同的原理。其他代表厂商包括通用电气（GE）和NEC。WaferLevelPackage（晶圆尺寸封装）：有别于传统的单一芯片封装方式，WLCSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片，它号称是封装技术的未来主流，已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通、三菱电子等。2020/2/13机械工业出版社Page17CPS封装具有以下特点：满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。芯片面积与封装面积之间的比值很小。极大地缩短了延迟时间。6）MCM多芯片模块封装延迟时间缩小，易于实现模块高速化。缩小整机／模块的封装尺寸和重量。系统可靠性大大提高。2020/2/13机械工业出版社Page182．外围器件选择在完成单片机的选型后，由于应用系统的要求不同，还需要选择外围器件，以补充或完善单片机本身功能上的不足。一般情况下，这些单片机外围器件包括数字I/O器件、外部存储器件、A/D或D/A转换器件以及各种功能器件等等。在对外围元器件进行选择时，需要注意以下几点：根据单元电路对元器件的技术要求来选择元器件。在满足技术要求的前提下尽量选择低成本的元器件。尽可能选用集成器件，因为相比分离器件，集成器件可以简化电路设计、减小体积和提高电路可靠性。尽可能选用单电源供电的元器件。若是需要对电池供电的应用情况，要选择低功耗器件。在多种元器件的选择时，应注意尽可能做到系统中元器件的性能匹配，如速度、信号类型等。2020/2/13机械工业出版社Page1916.2.2电路设计1．设计原则在进行电路设计时，应遵循如下原则：软硬件最佳优化组合。在单片机应用系统的开发过程中，许多硬件能完成的功能也可以由软件完成。用软件来实现的硬件功能可以替代硬件电路，但响应时间则比硬件实现要长得多，而且占用许多CPU的执行时间，且部分算法的实现往往非常复杂。在考虑硬件软化时需要考虑这些因素。在有多种芯片可选择的情况下，应尽量选用典型的芯片，以促进硬件系统的标准化和模块化。对系统资源进行全面规划，在进行系统开发时要考虑系统将来的扩展情况，以增强系统的二次开发扩展功能。接口的兼容性。考虑设计好的单元电路之间接口信号的类型，如TTL信号与RS-232信号的转换、高速信号与低速信号的缓冲等等。2020/2/13机械工业出版社Page202.设计步骤单片机应用系统的硬件电路设计步骤和它的复杂程度有关。一般认为，单片机应用系统的硬件开发过程如图16-1所示。功能分析。对用户或市场提出的需求进行详细的分析，并把功能进行模块化。软硬件选择。对逻辑上的功能模块单元进行深入的性能分析，选择采用软件或硬件来实现。硬件设计规划。若采用硬件实现，则采用自顶向下的硬件电路设计方法对硬件功能进行划分，提出设计方案。器件选择。根据确定的设计方案，选择合适的元器件，并安排设计环境及安排定购元器件和预算经费。硬件电路设计。根据设计方案及设计技术指标，绘制详细的电路原理图并进行参数计算。对部分具体的电路单元进行实验或仿真验证。2020/2/13机械工业出版社Page21电路板制作。一般在对设计的电子线路进行仔细检查后，即可利用EDA软件生成PCB版图，交厂家制作PCB印制电路。电路调试。对所设计的硬件电路完成焊接后，即可编写测试程序，对电路板的部分功能进行测试。如果测试中发现电路设计中的错误，必须修改或重新制作PCB板。软硬件联调。为了对系统的功能进行验证，必须进行软硬件联调。