单片机系统设计论文

摘要：单片微型计算机的特点是占用面积小，耗能较少，投资成本低等，其具备各种各样的功能。单片微型计算机被应用于很多的领域，尤其是工业控制领域。笔者在下文中将从分析嵌入式架构的单片机的架构概念和特点出发，简要的探讨现如今单片机系统设计的情况以及嵌入式架构的单片机系统设计。下面小编整理了一些《单片机系统设计论文(精选3篇)》的文章，希望能够很好的帮助到大家，谢谢大家对小编的支持和鼓励。

单片机系统设计论文 篇1：

单片机系统设计的误区与应对策略

（湖北科技学院 湖北咸宁 437000）

摘要：电子设备是当今人类生活不可或缺的一部分，大部分行業都难以脱离电子设备而存在，而单片机作为控制系统，在电子设备领域扮演着重要的角色，在各行各业得到了较好的应用。随着科学技术的发展，单片机系统设计也逐渐吸引人们的眼球。但是，在单片机的设计过程中，容易受到传统影响，产生了一些系统设计的误区。本文首先介绍单片机的系统设计特点，并阐述设计方法和程序，分析现存的误区及误区的原因，从而对症下药，探索出解决策略和措施。

关键词：单片机；系统设计；误区；策略

正文：单片机从出现以来，在电子行业中承担着重要的角色，是一项伟大的进步。集成电路在上个世纪80年代开始就不断涌现，但随着科技的发展，普通集成电路已无法满足人类的需求，人们开始研究更大规模的集成电路。单片机其实是计算机的浓缩版，它的体积非常小，比传统的计算机小得多，但却能实现计算机的许多功能。因此，我们应当充分利用单片机的优势特点，将单片机应用到生产设备中，通过系统设计实现控制功能。

一、单片机系统设计简述

单片机的系统架构类似于计算机。如今的计算机架构包括了中央处理器（即运算器和控制器）、存储器及人机交互设备。单片机也是这种架构，但单片机的独特之处在于它的输入和输出设备均采用端口方式，对比起计算机的系统架构，单片机缺少了人机交互的设备。但这并不意味着单片机无法实现人机交互功能，实际上，在单片机的使用过程中，将单片机的端口连接相应的设备，也能同计算机一样，实现人机交互功能。也就是说，单片机在缩小体积的同时，也能实现计算机的功能，以满足许多行业的需求。

单片机技术随着几十年的发展，技术不断成熟，也出现了许多相关的系统设计软件。就现阶段而言，主要是采用C语言进行单片机系统设计的程序编写。而且，单片机系统的设计还因应用领域的不同而对功能有不同的要求，也就是说，各类单片机的功能模块难免存在差别，在设计之初，应当先明确单片机各个引脚对应的功能。

单片机的系统设计因功能实现的不同而有所差异，但在任何单片机系统的设计过程中，最小系统的设计与调试都是必不可少的。[1]单片机的最小系统通常包括电源模块、时钟模块、芯片及复位模块等几大部分，是单片机工作的基础。但由于单片机缺少人机交互的设备，因而需要借助其他设备来完成人机交互功能。从硬件方面分析，辅助工具主要为数据线、计算机等。而从软件方面来讲，辅助工具通常为程序编写软件。目前出现的ISP在线编程功能，符合了现代工业生产的多样化发展需求。在传统的单片机系统中，尚未出现在线编程功能，如果要在单片机中写入程序，必须将其取出，置于特定的系统中，连接计算机，再实现程序的写入。但ISP在线编程功能改变了这一复杂的工序，即单片机在电路板上能够直接进行程序的修改等操作，提高了工业生产的效率。

二、单片机系统设计的步骤方法

随着技术的不断发展与成熟，单片机的应用范围越来越广，系统设计也逐渐多样化。因此，在进行系统设计之初，应当首先明确设计目的。也就是说，对单片机的控制对象要有所了解和认识，深入分析系统的要求，明确单片机最终要实现的功能，在此基础上，才能进行下一步——设计总体方案。在设计总体方案的过程中，根据前述对系统的深入分析得到的结果，确定系统的构成方式及信号检测方法等。理论设计完成后，进入实际设计阶段。通常包括硬件和软件两个方面。首先，在硬件设计中，第一步是原理图的设计。设计出原理图后，在此基础上选择元件。目前市场上出现一些原理图设计的软件，利用这些软件可以实现对元件的选择，再连接出一个原理图，可选择直接制作电路板。[2]但在实际运作过程中，如此得来的电路板存在问题，阻碍了软件设计的正常进行。为解决这一问题，目前英国Labcenterelectronics公司研发的Proteus软件，集成了仿真的功能，也就是说，原理图连接之后便可进行软件的编写，这在一定程度上减低了错误的出现率。

三、单片机系统设计的误区及应对措施

在单片机系统设计中，我们面临的一个重要问题就是CPU死机。死机情况出现后，只有通过复位按键，才能将无法响应的系统恢复到正常状态。为解决这一问题，人们在单片机系统设计中添加了一个定时器DogTimer。这个DogTimer定时器讲进行计时，当达到设定的时间时，便会执行复位命令，用这种方式来解决CPU死机的问题。许多单片机集成了这个功能，降低了CPU死机的次数。[3]因此，许多设计人员都认为这种方式能够彻底解决死机的问题。但通过调查发现，即使在单片机添加这个DogTimer定时器，仍然会有其他原因导致CPU死机，这是单片机系统设计中一个重大误区。在一些特殊情况下，CPU处于死机状态事，定时器已失效，无法执行命令。因此，我们有必要对定时器进行改进和完善。例如，设计两个定时器，其中一个定时器仍按照前述定时器的功能执行相应的任务，即对CPU进行看护。另外一个定时器，可以执行清零的命令。也就是说，将其设置为执行一个主循环清零一次。这种方式可以有效解决定时器失效的问题，在一定程度上降低了CPU死机的几率。同时，我们必须清楚地意识到，CPU死机的问题不能单靠一个防止死机的定时器来解决，因此，在进行系统设计的过程中，不能因为单片机已经集成了一个防止死机的定时器，就忽略了从其他方面对防死机的功能设计。实际上，从应用效果方面分析，我们无法否认CPU集成的定时器对防止死机所起的作用和产生的效果，但是这种方式还可以更加合理化和科学化，从而使防护效果更加明显和最大化。

除此之外，在单片机系统设计中还存在另一重大误区——PCB布线。单片机从出现到目前为止经历了几十年的发展，积累了丰富的宝贵经验，但是电子行业的迅速进步，电子技术随着时代的发展和科技的进步，也不断得到更新。但在PCE布线中，设计人员固守传统经验，倾向于横平竖直地进行布线，在粗线和细线之间更愿意选择粗线。无可否认，这种布线方式在传统的单片机系统中体现了一定的优势，带来许多便利，但随着PCB电路板的不斷发展进步，传统的布线方法已不完全适用于频繁更新的现代PCB布线中。现代的PCB电路板中，层数不断增多，若采用传统布线方法，将在线路之间形成严重的电磁干扰。因此，应当改变传统的布线方式，应先做好地线层，合理把握线路之间的距离，最大程度的减少电磁干扰，逐步形成更加科学合理的布线方式。

总而言之，在单片机系统开发过程中，必须对的现存的误区进行正确的认识，不断改进和完善，从而最终提高单片机的质量。在实践过程中，不断进行反复的研究和测试，深入分析测试结果，提高其结果的准确性。

结语：众所周知，电子设备在当今社会生活中扮演者极其重要的角色，应用的范围也越来越广。而单片机作为一种系统，随着技术的发展和成熟，也逐渐发挥其优势作用，在各个领域中得到普遍使用。因此，在单片机系统设计和开发过程中，我们应当不断分析和研究，正确认识现阶段存在的一些误区，并积极采取措施予以改进和完善，从而提高单片机的质量及应用效果。

参考文献：

[1] 刘颖. 单片机系统设计的误区与应对策略[J]. 长沙铁道学院学报（社会科学版）， 2013， 14（3）：204-205.

[2] 邵贝贝. 单片机系统可靠性技术及发展[J]. 电子产品世界， 1999（8）：20-21.

[3]王柏林. 单片机系统设计的误区与对策[J]. 电子技术应用， 2002， 28（2）：22-24.

作者：程泉

单片机系统设计论文 篇2：

基于嵌入式架构的单片机系统设计

摘 要：单片微型计算机的特点是占用面积小，耗能较少，投资成本低等，其具备各种各样的功能。单片微型计算机被应用于很多的领域，尤其是工业控制领域。笔者在下文中将从分析嵌入式架构的单片机的架构概念和特点出发，简要的探讨现如今单片机系统设计的情况以及嵌入式架构的单片机系统设计。

关键词：嵌入式；架构；单片机；系统；设计

一、嵌入式架构简述

（一）嵌入式架构的概念。在计算机网络发展迅速推进的背景下，嵌入式架构也发展成为一门学科，很多高等院校也顺应市场经济的发展需求开设了这个学科课程。现在很多产品的开发都离不开计算机系统的设计和研发，然而这些工作又需要操作人员具备足够的的嵌入式架构知识。以计算机网络技术为标志的第三次工业革命发展至今，电子信息领域一直都很受各国的重视，我国虽然积极的融入到科技革命发展的浪潮之中，但是由于经济的改革开放时间较晚，科技发展的步伐也较慢，所以，我国在该领域的技术水平还落后于西方发达国家。最近这些年以来，我国电子信息相关领域也逐渐受到国家的重视，得到很多经济上和政策上的扶持。随之，嵌入式架构的研究也得到了前所未有的发展，就目前我国的单片机等设备的生产情况来看，我国技术人员虽然能够对单片微型计算机系统进行研究和开发，但是很多先进的单片机相关设备还依赖国外进口，这就极大的限制了我国嵌入式架构的发展。对于嵌入式架构的概念，国际电气和电子工程师协会给出了具体的解释，是控制、监视等辅助设备工作的系统，现在对嵌入式架构这个概念来说，还是主要基于计算机技术，通常时候，一个带有控制程序的处理器就可以被称作是一个嵌入式架构，也就是说，在计算机发展的不同阶段，嵌入式架构概念阐释也是各有不同的。

（二）嵌入式架构的特点。嵌入式架构的单片机的很多特点是对传统的计算机技术的一种发展：首先，这种小体积的嵌入式架构出现的时候就主要是在计算机的基础上，进行系统的开发。在计算机技术不断精进的背景下，嵌入式架构也随之得到发展，特别是单片机等微型计算机研发出来之后，嵌入式架构就得到极大的推广。也就是说，先是嵌入式架构应用和发展在很大程度上推动了单片机的出现；其次，嵌入式架构能够完成逻辑较强的控制活动。而电子信息化发展过程中很大一部分机械设备都在通过智能芯片的使用将特定的控制程序植入到系统中去，从而实现特殊的控制目的。随着软件技术的日益发展，特别是人工专家模块的研发工作取得进展之后，计算机软件的智能化就达到很大程度的发展，比如，以前计算机出现问题的时候还需要技术管理人员进行检查和修整，智能化的计算机软件则可以自动的检索该问题曾经的处理办法，自动的完成问题的修复，也就是说这样的智能化技术植入到嵌入式架构之后工业生产自动化控制就能够实现了。所以说，单片机等微型计算机的发展就是推进工业自动化控制技术发展的十分重要的因素，而单片机在该自动化控制系统中的应用效率要得到提高也需要在嵌入式架构中植入一些比较具有针对性的硬件和软件的设计。

二、基于嵌入式架构的单片机系统设计分析

（一）单片机应用系统组成。单片机系统包括硬件和软件两部分，其中I/O接口、CPU、RAM及外围接口等组成了硬件部分。在整个系统中单片机负责系统的程序的运行和数据的处理，是整个系统的核心；I/O接口主要负责与外部的输入输出是与外部进行信息交换的通道。RAM用于系统程序和数据的存储。 对一个系统而言，仅仅只有硬件是远远不够的。打个比方硬件就好比一个人的四肢，而软件就好比一个人的大脑。如果没有软件，整个系统就无法正常运转。系统软件可分为实时软件和开发软件。其中针对控制系统功能所编写的软件为实时软件，在開发，调试时使用的软件为开发软件，具体如编译软件，调试软件，仿真软件，编程下载软件等。

（二）单片机应用系统设计要求 。单片机系统设计应遵循以下几个原则：（1）系统结构的模块化、规范化便于分析查找故障；（2）优化系统设计，尽可能减少不必要的节点，以减少产生的可能；（3）选用可靠性高的器件，减少内部电路带来的不确定因素。

（三）单片机应用系统设计。完整的单片机的系统的开发可分为5个阶段：第一阶段：系统的功能性分析，只有对要设计的产品的功能进行全面的分析，才能知道系统设计中需要什么，不需要什么。第二阶段：确定系统总体设计方案，这一阶段主要是根据系统的功能进入更深入的各个模块设计选型，并最终统一协调完成系统总体设计，并不针对系统各方面进行深入设计；第三阶段：由系统总体设计中确定的各模块的设计原则，对各模块进行设计深入。该阶段主要完成系统各部分的详细设计，最终归结到系统的硬件原理图和系统软件各模块设计上来；第四阶段：在前面基础上实现硬件和软件系统的联调，这个过程是整个系统设计的关键，在调试过程中往往会发现系统中存在的一些问题，包括硬件上和软件上存在的诸多问题等；第五阶段：针对系统调试进一步完善系统硬件和软件；第六阶段：系统程序的固化，文件编制，性能测定，现场调试报告和说明等的完善。

（四）基于嵌入式架构的单片机系统硬件设计。单片机的早期设计主要是针对现有的生产线进行一些细微的改进或者改造，通过在生产线上适当增加或者减少一些设备，利用单片机进行控制，这时候的单片机还没有形成嵌入式架构概念。随着社会的发展，工业化大规模生产已不能满足单一的系统控制。因此单一单片机一对一的架构已无法满足生产的需要，因此嵌入式架构的单片机系统设计便逐渐得到的推广和发展。具体而言就是，将单片机放到生产中的各个环节，并将它们连接到一个服务器上，同时又将无数个服务器连接到一起，这样形成一个分层式庞大系统，进行实现对生产的全面控制。即所谓的单片机系统的嵌入式架构设计。

（五）基于嵌入式架构的单片机系统软件设计。和传统系统相比，嵌入式系统最大特点就是多了辅助设备，如早期单片机往往作为单一模块，单独使用来处理复杂问题，亦或控制设备，没有任何辅助设备。而嵌入式架构下，单片机，辅助设备统一连接到计算机服务器中，通过将一条系统的分层分级式的管理每个单片机系统完成某一块功能，而又通过整个架构将各个系统连接起来组成一个完整整体。而在系统软件设计时就也应考虑系统各个架构的功能，根据实际需要设计不同程序，实现不同控制功能。

结束语 ：作为以计算机为基础的技术，嵌入式架构的发展是和计算机技术的发展是分不开的，就上世纪计算机刚问世的时候，其使用性能还不如简单的电子计算器，只能适用于科研实验之中，但是电子信息技术发展的今天，计算机已经普及到人们的日常工作和生活之中，计算机能够处理的实际问题越来越多而且其处理效率也在不断的提高。人们对其植入的操控程序也在不断的升级，通过上文的分析，计算机的实际应用需要推动了嵌入式架构和单片机的出现和发展，反之，单片机的发展也推动计算机技术的发展，只是，在实际应用的过程中，还存在很多的技术性问题，如何不断的使得嵌入式架构的应用提高单片机系统的使用的效果还需要进行更多的研发工作。

参考文献：

[1] 薛建方. 浅谈单片机系统设计的误区与对策[J]. 电子制作. 2013（18）

[2] 周秋和. 一种简单多功能单片机系统设计[J]. 武汉教育学院学报. 2000（06）

作者：乔峰

单片机系统设计论文 篇3：

基于RFID的单片机系统设计

【摘要】本文基于RFID技术设计了一个单片机系统，该系统主要实现对于Mifare1 IC卡的读写控制。本文首先概述了RFID技术与RFID系统的结构，在此基础上设计了单片机控制实现的读写器模块。文章分别对MFRC522接口电路设计和读写卡流程设计做了简要概述。实验板测试阶段着重对卡片的读、写、修改密码进行实验。

【关键词】RFID；单片机系统；Mifare1卡；MFRC522芯片；读写器模块

1.引言

射频识别即RFID（Radio Frequency Identification）技术，是利用射频方式在非接触式射频IC卡和读写器之间进行无线双向通信的一种新的自动识别技术。读写器通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，实现无接触信息传递，识别工作无须人工干预。与我们目前最常见的条形码技术相比，RFID具有很大的优势，如非接触识别、识别距离长、信息存储量大、读取信息快速方便、标签可重复使用以及标签能适应复杂环境等。RFID技术广泛应用于图书馆、门禁系统、食品安全溯源、物流管理和城市一卡通等领域。

一套完整RFID系统由读写器和应答器两部分组成。应答器是射频识别系统的数据载体，即射频IC卡（又称电子标签、临近卡等）。当射频IC卡进入读写器的射频磁场中时，会处于被激发状态从而产生感应电流驱动卡片电路，将它储存的信息发射出去。读写器获取到射频IC卡发送的信息后通过解码系统识别该信息，并可将识别信息进一步传递到信息处理系统中进行分析处理。

本文详细论述了射频识别卡Mifare1与其读卡芯片MFRC522的特点与逻辑结构，基于模块化的思想设计开发了基于单片机控制系统的射频读写模块并简要分析了RFID读写模块的程序控制和数据读写的设计与实现。

2.射频识别卡与读写卡芯片介绍

2.1 Mifare1射频IC卡

射频IC卡选用MIFARE MF1标准卡片，MF1是符合ISO/IEC 1443A的非接触智能卡，卡片上除了IC微型芯片及一个高效率天线外，无任何其他元件。MF1卡的核心是Philips公司的MF1 IC S50系列微晶片，内建有高速的CMOS、EEPROM、MCU等。8K Bits的EEPROM存储器空间被划分为16个扇区，每个扇区4块，每块16个字节，以块为存取单位，整张卡片可设计为城市一卡通形式。内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路，可设计为增/减值的专项数学运算电路，非常适合公共交通行业的检票/收费系统。MF1卡的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0卡片中。微晶片连接到天线线圈上，并嵌入塑料中，形成了一个无源的非接触卡片。工作时的能量由读写器天线发送频率为13.56MHz无线电载波信号，以非接触方式耦合到卡片上天线而产生电能，通常可达2V以上。卡片标准读写距离高达10cm，卡与读写器之间的通信速率高达106Kbit/s。

2.2 MF RC522读写卡芯片

MF RC522是Philips公司推出的一款非接触式低功耗读写基站芯片，利用先进的调制和解调概念，完全集成了13.56MHz下所有类型的被动非接触式通读方式和协议。MFRC522支持ISO14443A所有的层，传输速度最高达424kbps。内部发送器部分不需要增加有源电路就能直接驱动近操作距离的天线与ISO14443A/MIFARE卡和应答机的通信。接收器部分提供一个功能强大的高效的解调和译码电路，用来处理兼容ISO14443A/MIFARE的卡和应答机的信号。芯片具有充裕的64字节的发送接收缓冲区，内置CRC协处理器，带低功耗功能的硬件复位电路和软件掉电模式，还有内部的自检电路。MF RC522带有灵活高速的串行接口IIC、SPI、Serial UART，方便连接到各种各样的MCU上。

MF RC522芯片逻辑结构框图如图1.1所示。

3.读写系统设计思想

RFID读写模块主要由主控MCU、射频读写芯片、天线及匹配电路三部分组成。主控MCU通过对射频读写芯片内寄存器的读写来控制芯片，芯片收到MCU发来的命令后，按照非接触式射频卡协议格式，通过天线及其匹配电路向附近发出一组固定频率的调制信号（13.56MHz）进行寻卡，若此范围内有卡片存在，卡片内部的LC谐振电路在电磁波的激励下产生共振，在卡片内部电压泵的作用下不断为其另一端的电容充电，获得能量，当该电容电压达到2V时，即可作为电源为卡片的其他电路提供工作电压。

当卡片上电路正常工作之后进入通信流程，MCU向卡片发出寻卡命令，卡片将回复卡片类型，建立卡片与读卡器的第一步联系，若同时有多张卡片在天线的工作范围内，读卡器通过启动防冲撞机制，根据卡片序列号来选定一张卡片，被选中的卡片再与读卡器进行密码校验，确保读卡器对卡片有操作权限以及卡片的合法性，而未被选中的则仍然处在闲置状态，等待下一次寻卡命令。密码验证通过之后，就可以对卡片进行读写等应用操作。系统结构如图2.1所示。

4.设计步骤

4.1 接口设计

MF RC522与MCU接口采用了四线制SPI，通信中的时钟信号由MCU产生，RC522芯片接收来自MCU的数据以设置寄存器，并负责射频接口通信中相关数据的收发。RC522的SPI总线接口有其自身的时序要求。它只能工作于从模式，最高传输速率为10Mbps，数据与时钟相位关系满足“空闲态时钟为低电平，在时钟上升沿同步接收和发送数据，在下降沿数据转换”的约束关系。数据的传输路径为：MCU通过MOSI线将数据发到RC522，RC522通过MISO线发回至MCU，并且两根线上的每一个字节都是先发高位。两根数据线上的信号电平在时钟信号必须保证上升沿稳定，在下降沿才允许改变，可以连续读写N个字节。此外，MCU向RC522发送的第一个字节定义操作模式和所要操作的寄存器地址，最高位代表操作模式，1表示读，0表示写，中间六位（bit1～bit6）表示地址，最低位预留不用，默认为0。

4.2 电路设计

MFRC522芯片接口和天线部分电路如图3.1和图3.2所示。

4.3 软件设计

MCU首先对RC522进行初始化设置，寄存器配置，设置完成后RC522就可以与MF卡片通信了。RC522根据接收MCU的指令执行相应的操作，操作过程主要包括：寻卡，防冲突处理，选择卡片，验证卡片，读写操作。当有MF卡进入到射频天线的有效范围时，读卡程序开始进行上述一系列操作，操作流程如图3.3所示。

4.4 读写卡操作

RC522的驱动程序调试成功之后，下载到实验板进行检验。按照通信协议分别对读卡、读块数据、写块数据、修改块密码等操作封装，操作结果显示在个性化的的人机交互界面。实验过程分别对读卡号操作以及选定卡片后对卡片的块进行读写数据和修改密码等项进行测试，测试结果如下图3.4和图3.5所示。

5.结束语

本文将高性能的读卡芯片MFRC522和普通单片机结合在一起使用，没有复杂的外围电路，整个系统简洁明了。MFRC522通过SPI方式与单片机通信，适应市场上大部分的MCU，系统适应性强。模块化的设计了射频读写系统，方便用户调用。以上介绍了基于RFID的单片机系统的设计方法和工作原理，实验表明，此设计的电路运行稳定，读写数据准确，操作时间较短。

参考文献

[1]王爱英.智能卡技术（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]陈保平，王月波，马伯元.基于MF RC522的Mifare射频卡读写模块开发.微计算机信息（嵌入式与SOC）[J].2007，23（11-2）.

[3]严雄武.基于Mifare非接触式IC卡的射频识别系统研究与实现[D].武汉理工大学，2005.

[4]严光文，张其善.射频识别卡读写模块的设计[J].北京航空航天大学学报，2003，29（2）.

作者：朱炳瑞 裴焕斗 刘春力