面向?qū)ο蠹夹g(shù)在單片機系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

1、面向?qū)ο蟮膯纹瑱C系統(tǒng)設(shè)計方法

1．1 對象和類

對象可以是有形的實體或一個事件等，對象的具體狀態(tài)通常用數(shù)據(jù)來描述。在本系統(tǒng)中，芯片、電路和相關(guān)數(shù)據(jù)都封裝在對象的統(tǒng)一體中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、操作、芯片的結(jié)合。

類是對一組具有共同的屬性特征和行為特征的對象的抽象，是一種對象類型，描述了該類型的相同的性質(zhì)，其本質(zhì)是將芯片、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及對數(shù)據(jù)的操作都封裝在一起，實現(xiàn)了類的外部的特性與內(nèi)部的隔離。同一類的對象的接口方式和內(nèi)部操作都是相同的。例如，在本系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換模塊對象的接口方式和內(nèi)部操作實現(xiàn)如下：（1）硬件方面：系統(tǒng)板提供了20個引腳的IDC接口來和A/D板進行交換數(shù)據(jù)，這樣無論A/D板上的A/D處理芯片是八位還是十二位，都可以使用這個統(tǒng)一的接口；（2）軟件方面：由A/D轉(zhuǎn)換允許函數(shù)void adchangeallow（）、判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成函數(shù)int adchangeendif（）和讀取A/D轉(zhuǎn)換后的值函數(shù) int adchangeresult（）實現(xiàn)對A/D模塊的操作，然后根據(jù)不同的A/D轉(zhuǎn)換芯片來決定是否在繼承這三個操作的基礎(chǔ)上增加新的操作（即函數(shù)）。

1．2 方法和消息

屬于同一個類的對象具有的行為是相同的，當(dāng)某個行為作用在對象時，我們就稱對象執(zhí)行了一個方法。消息是用來請求某個對象執(zhí)行某一處理或某一行為的信息，實現(xiàn)了對象與外界或其他對象之間的交互。消息相互作用主要包括兩方面的內(nèi)容：（1）消息與特定方法的聯(lián)接；（2）傳送消息。

2、系統(tǒng)設(shè)計

2．1 電源設(shè)計

由于本系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，而且包含了A/D和D/A模塊，所以本系統(tǒng)的電源部分采用了集成穩(wěn)壓器7805、7905、7812和7912分別輸出±5V和±12V。原理框圖如圖1所示：

               圖1  電源原理框圖

2．2 單片機系統(tǒng)的類的定義

2．2．1 單片機類

把單片機、晶體振蕩器、復(fù)位芯片、存儲器和譯碼器等封裝在一起組成單片機模塊對象。在本系統(tǒng)中它包含AT89C51單片機（內(nèi)含4Kflash存儲器）、 64KRAM和64KROM等資源。單片機系統(tǒng)的三總線（數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）通過雙向總線隔離/驅(qū)動芯片74HC245增加了驅(qū)動能力。

2．2．2 輸入通道類

輸入通道類包括模擬量輸入子類、鍵盤接口子類、中斷輸入子類。該類的特點是將外部的數(shù)據(jù)送入到單片類中。在本系統(tǒng)中，模擬量輸入子類根據(jù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)使用的對象有8位的A/D和12位的A/D，根據(jù)轉(zhuǎn)換速度使用的對象有低速A/D、中速A/D和高速A/D，該類可獨立地完成A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果交單片機來處理。鍵盤接口子類包含單鍵至16鍵的對象。中斷輸入子類包含了八個中斷輸入對象。

2．2．3 輸出通道類

輸出通道類包括模擬量輸出子類和LCD顯示器類。該類的特點是接受單片機類的數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，模擬量輸出子類使用的對象只有8位的，該類能獨立完成 D/A的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到外圍設(shè)備中。LCD顯示器類包括字符型液晶顯示器和點陣式液晶顯示器，本系統(tǒng)可以支持4行16字的字符型的液晶顯示器，也可以支持320×240的點陣式液晶顯示器。

2．2．4 雙向通道類

雙向通道類包括串行通信類和預(yù)留的I/O類。該類可以和單片機類相互交換數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的串行通信類是RS-232接口，主要由MAX232芯片來完成該項功能。由于單片機的I/O資源有限，所以在單片機類設(shè)計中，留出了RAM的0FF00H~0FFFFH的256字節(jié)的地址空間做I/O口，供用戶擴展使用。

2．3消息驅(qū)動在本系統(tǒng)的實現(xiàn)

在某個事件發(fā)生時，監(jiān)控程序?qū)⒃O(shè)置該事件相對應(yīng)的消息標(biāo)志，監(jiān)控程序?qū)@些標(biāo)志進行判斷來決定執(zhí)行請求處理的事件。如外部中斷0請求處理中斷的事件的處理：當(dāng)外部中斷0請求處理時，監(jiān)控程序暫停當(dāng)前任務(wù)，判斷當(dāng)前任務(wù)數(shù)，如果當(dāng)前任務(wù)數(shù)大于等于MAX_TASK（系統(tǒng)所允許的最大任務(wù)數(shù)），刪除優(yōu)先級最小的任務(wù)（優(yōu)先級的級數(shù)從0～MAX_TASK-1共有MAX_TASK個，所以不存在優(yōu)先級相同的任務(wù)，其中優(yōu)先級級數(shù)為0的優(yōu)先級最高），然后針對 INT0的請求設(shè)置消息標(biāo)志（修改消息隊列），并判斷它的優(yōu)先級與當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級的高低，以決定是否繼續(xù)當(dāng)前任務(wù)。消息驅(qū)動的實現(xiàn)如圖2所示：

          圖2 消息驅(qū)動的實現(xiàn)示意圖

2．4 系統(tǒng)設(shè)計

我們將單片機系統(tǒng)類對象化，即組合成了一個通用板，提供了如下資源：64K的RAM和64K的ROM存儲器、4K的flash存儲器、A/D轉(zhuǎn)換芯片 AD574A和ADC0809的接口、D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的接口、一個16鍵的鍵盤接口、8個外部中斷接口、256個I/O口、一個4行16字的字符型液晶顯示器接口、一個320×240點陣式液晶顯示器接口和一個RS-232串行通訊口。原理框圖如圖3所示：

              圖3 系統(tǒng)原理框圖

2．5 監(jiān)控程序設(shè)計

當(dāng)外部設(shè)備象單片機對象發(fā)送信號時，監(jiān)控程序必須對鍵盤操作進行解釋，然后調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，完成預(yù)定的任務(wù)，并通過顯示等方式給出執(zhí)行的結(jié)果。

系統(tǒng)投入運行的最初時刻，應(yīng)對系統(tǒng)進行自檢和初始化。開機自檢在系統(tǒng)初始化之前執(zhí)行，如果自檢無誤，則對系統(tǒng)進行正常初始化，通常包括硬件初始化和軟件初始化兩個方面。硬件初始化工作是對系統(tǒng)中的各種硬件資源設(shè)定明確的初始狀態(tài)，如對各種可編程芯片進行編程、對各I/O端口設(shè)定初始狀態(tài)和為單片機的硬件資源分配任務(wù)等。軟件初始化包括對中斷的安排、對堆棧的安排、狀態(tài)變量的初始化、各種軟件標(biāo)志的初始化、系統(tǒng)時鐘的初始化和各種變量存儲單元的初始化等。除自檢和初始化之外，監(jiān)控程序的任務(wù)還有：處理鍵盤命令、處理接口命令、處理條件觸發(fā)、及時啟動輸出和顯示功能等。

一般來說，監(jiān)控程序的基本結(jié)構(gòu)分為兩部分：一部分為初始化部分；另一部分為監(jiān)控循環(huán)實體。本系統(tǒng)把監(jiān)控實體放在了定時中斷子程序中，分析如下：（1）定時中斷發(fā)生后，首先進行例行操作，即保護現(xiàn)場、重裝定時器、調(diào)整系統(tǒng)時鐘和執(zhí)行定時作業(yè)等；（2）鍵盤查詢和外圍設(shè)備的信號輸入：通過訪問鍵盤獲得有效的鍵盤操作信息或接受到外圍設(shè)備的有效信號，根據(jù)實際情況分別處理；（3）刷新顯示：單片機執(zhí)行了一些功能模塊，系統(tǒng)的狀態(tài)和某些參數(shù)即發(fā)生了變化，本模塊則將這些變化從顯示屏上反映過來。（4）中斷返回：恢復(fù)現(xiàn)場，返回主程序。

把監(jiān)控實體放在了定時中斷子程序中，當(dāng)主程序在完成自檢和初始化之后沒有監(jiān)控任務(wù)，便有了進入睡眠狀態(tài)的條件，這樣有利于節(jié)電和抗干擾。其流程圖如圖3所示。

  圖4 監(jiān)控實體流程圖

3、結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計采用了面向?qū)ο蟮姆治黾夹g(shù)，為同一類型的外部設(shè)備提供了統(tǒng)一的硬件和軟件接口，可作為單片機系統(tǒng)的通用平臺。在使用本系統(tǒng)時，用戶可以根據(jù)需要選擇加載某些模塊對象（如A/D模塊對象）和相應(yīng)的驅(qū)動，并可以通過該系統(tǒng)自帶的編程環(huán)境來編寫自己的程序，大大并且縮短了單片機系統(tǒng)設(shè)計的時間，提高了單片機系統(tǒng)設(shè)計的效率。

參考文獻
[1] 陳維興．C++面向?qū)ο?/strong>程序設(shè)計教程 [M]．北京：清華大學(xué)出版社，2000 ．
[2] 周航慈．單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù) [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002 ．