单片机关键技术基础详解（三）

        单片机被广泛应用于工业控制，家电，消费电子，医疗电子，仪表测量等领域，为应广大初级电子工程师/单片机爱好者之需，电子发烧友隆重策划整合推出《单片机关键技术基础详解》系列技术文章，以后会陆续推出其他章节，敬请广大工程师朋友继续关注和留意。应广大工程师网友对前两个章节热烈反响，电子发烧友会再接再厉为各位工程师网友推出更多技术精品系列文章，以飨读者。

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单片机关键技术基础详解（一）
单片机关键技术基础详解（二）

一、避免MCU或编程语言干扰设计

       作为经验丰富的嵌入式系统的开发人员，既有大型系统的经验(波音777飞行控制)又有小型单人项目(笔记本电脑热风扇控制)经验，应避开单台机器或语言的具体利弊，将更多的时间花在应用程序设计和构建上，并且独立于语言和CPU内核。这方面部分来自于对类似系统的工作，只是“再用于“下一个项目(虽然要求完全不同，并且切换到了微控制器)。我也参与过由几个独立的设备组成的系统，每个设备都有自己的程序和微控制器，各部分经常在不同的子项目之间来回使用：某个子项目中的编码器可能是另一个项目的测试器，或当完成自己的子项目的编码后，会投入另一个子项目，以帮助完成项目。缺乏基于系统的设计方法会觉得这些情况很困难，难以按照计划完成。通过独立的系统设计可避免机器依赖性，让设计复用和基于团队的设计不仅成为可能，而且加大了成功机会(如以后的增加要求)。

　　最近的一个项目是我更加疑虑，几乎每次都是，必须使设计适应(有时根本就是)所选的语言和机器。我们已经以某个系统架构和设计开始，只是按一般方式考虑了集成微控制器及其外围设备，我们只关注我们需要什么并不关心它是如何实现的，至少我们是这么认为的。我们选择了一些非常专业外设的新器件，并且开始编码时，发现需要花费大量的时间来了解如何构建硬件，以及如何根据需求最好地利用。当我们发现好的方式来利用设备的某特征时，设备的此特点通过代码嵌入了系统级设计。我们已不再坚持我们的系统，不得不让机器和具体操作改变了系统设计。于是只好停下来检查问题和实施方案，通过系统重新设计分离出依赖机器的“修复”，然后将“修复”融入系统四周的“包装”中。

　　当设计某个应用时(甚至单一微控制器)，以调温器为例，有一个创建好了的系统级视图，描述了硬件和实施某种方式的应用程序。该视图用于多种用途，例如，可作为与高层管理人员或另一个小组进行交流的工具(不希望知道所有细节)，如自动化测试人员。如果仅将其视为“视图”而不是系统设计，并且实施不是从系统设计自上而下，而是将其用作起点，则问题就出现了。考虑图1所示的温控系统。

　　

 

　　显示系统相对简单，却反映了许多嵌入式产品设计。在“温度传感”部分包含温度输入，其输出进入主系统“控制逻辑”部分。“控制逻辑”的其它输入是标记“用户输入”的部分，代表人机接口，大概设置了恒温器的温度调节。“控制逻辑”部分根据这些输入确定了如何命令供暖、通风和空调(HVAC)系统，以保持恒温器设定的温度，将这些命令发送到“热与冷命令”部分。最后一个部分是“显示输出”，将当前系统状态传递到用户。当前系统状态的一部分是恒温设置，另一部分是最新的温度读数，最后部分是正在执行的命令，以迫使温度返回恒温设置(即加热、冷却和/或打开或关闭风扇)。

　　正如前面所述，这是一个直接和相对简单的应用，非常简单以至于不需要考虑系统，而是很自然地跳到实施(我相信大多数读者甚至可以说出最喜欢的微控制器供应商的型号)。可以是用于次级市场的高端PC游戏图形系统的墙恒温器或温度管理装置。用于墙恒温器的微控制器的具体实施基本不需用于图形系统。重点是，无论设计显得多么简单，都有很好的理由先设计系统，然后实现它。将其尽量设计成适合通常应用。

开始时，需要考虑理想的系统设计，然后生成layers，在理想的系统和实际实施之间构建wrappers(有时是杂乱的)。“控制逻辑”部分作为框图的核心是有充分理由的-因为它是系统的内核。周围的每个部分都服务于“控制逻辑”部分，要根据需要提供“服务”。

　　应自“温度传感器”部分开始。其理由是获得当前/瞬时温度，并以一致的格式提供出来。从“控制逻辑”的角度来看，其作用是“获取温度”，并以格式化的值(xxx.xx摄氏度)返回当前温度值。温度传感器部分的硬件wrappers将包括实施中任何需要用来将原温度传感输入“翻译”成预期格式的摄氏度。这可能意味着需要考虑获得新读数的最佳时间，如果温度读数中有太多的噪音(无论何种原因)，应添加过滤算法，并且如果温度硬件出现故障，应采用决策逻辑。重点是，“温度传感器”部分的输出是什么，而且传递到“控制逻辑”应为理想的温度，所有的噪音，实际隐藏的细节都应很容易的由wrapper代替。

　　如果设计需要从系统中三个不同的点测量三个温度值(对于计算机箱内的计算机很普遍)怎么办?处理这三个温度是控制逻辑问题(例如，何时多路输出也将受到控制)?如果是这样，从1个温度转换到3个温度首先意味着“温度传感器”部分要更新，以提供3个温度和为每个温度实施创建的wrappers(允许多种类型的输入)，然后控制逻辑也因为多个输出而更新。这可能意味着三个不同的“GetTemperature_n”服务或需要更新服务以确定是识别哪个温度的参量。

　　如果三个温度仅仅用于加权以得到一个“更真实”的系统温度，控制逻辑不需要改变，只需将含wrappers的温度传感块以统一格式输入这三个温度，然后通过一个wrappers来对这三个温度进行加权，生成控制逻辑所需的单一温度。这种方法易于包含来自不同的温度输入(例如，图形处理器的二极管结测量和连接到PCB的模拟热敏电阻)，因为wrappers将系统逻辑与硬件隔离开。

　　让我们以两个不同的实现例子验证这个论点：一个用于墙恒温器，另一个是显卡上的温度控制子系统。首先对于墙恒温器，如图2所示，假定使用基于8051的赛普拉斯PSoC3设备。“温度传感器”部分的硬件由连接到ADC(16位Δ-Σ转换器)的热敏电阻组成。“用户输入”部分的硬件由5个常开按键开关组成，一边连接到电路接地端，另一边连接到含内部上拉电阻的5输入数字端口。“热和冷命令”模块的硬件部分包括三个功率场效应管，由配置为开漏低输出的3输出端口驱动。最后，“显示输出”块的硬件实现是串行字符液晶显示器，能够根据需要显示字母数字字符串。

　　

 

　　对于第2个应用，即显示卡，将用户输入从离散开关变为I2C基于寄存器的从接口(由主CPU而不是人类直接控制)，并将串行LCD显示变为SPI-从控制显示器(使用一系列的寄存器和指令，可能是安装在主计算机外壳前面板上的远程变频显示，未安装到显卡上)。温度输入和HVAC命令保持不变。图3显示了早期实施的变化，假定使用基于8051的赛普拉斯PSoC3设备。

　　

 

　　用户输入的两种实现均可服务于“GetThermostatSetting”、“IsHeaterEnabled”、“IsCoolerEnabled”和“IsFanOn”。对于第一个墙恒温器应用，“用户输入”将数字端口包装到所列的服务中，当设备被调用时，提供端口的实时读数(一种可能的实施)。对于另一个应用，基于I2C从机的实现，相同的服务将来自I2C主机写入的寄存器的最新值返回到“控制逻辑”部分，也许经常返回也许仅在上电时返回。并且这些实现还有很多其它特点，包括用作切换键的墙上按钮开关而不是瞬间读数，甚至在“用户输入”部分的wrappers深层进行边沿触发异步处理。

　　综合上述的关键是：系统设计隐藏了硬件细节;硬件和实施细节被系统设计包装并隐藏。通过外端设计(即代码)的实施细节，可以保护这些应用实现时避免分裂，可以做到个性化的设计，权衡利弊，保证项目成功交付，并仍然能够提供可复用性和组设计。不要让卖方牵引注意力——先设计系统，然后加强保护系统设计实现细节不被抄袭。