單片機應用調(diào)研報告

單片機應用調(diào)研匯報單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定期器/計時器等功能（也許還包括顯示驅動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一種小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域的廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發(fā)展到目前的32位300M的高速單片機。目前已經(jīng)有的單片機系列重要有：Microchip單片機、Scenix單片機、NEC單片、富士通單片機、東芝單片機、8051類單片機、Zilog單片機、NS單片機等1）51系列單片機：8031/8051/8751是Intel企業(yè)初期的產(chǎn)品。應用的早，影響很大，已成為世界上的工業(yè)原則。后來諸多芯片廠商以多種方式與Intel企業(yè)合作，也推出了同類型的單片機，如同一種單片機的多種版本同樣，雖都在不停的變化制造工藝，但內(nèi)核卻同樣，也就是說此類單片機指令系統(tǒng)完全兼容，絕大多數(shù)管腳也兼容；在使用上基本可以直接互換。人們統(tǒng)稱這些與8051內(nèi)核相似的單片機為“51系列單片機”。PIC系列單片機

由美國Microchip企業(yè)推出的PIC單片機系列產(chǎn)品，首先采用了RISC構造的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅動能力和低價位OTP技術等都體現(xiàn)出單片機產(chǎn)業(yè)的新趨勢。AVR系列單片機

AVR單片機是1997年由ATMEL企業(yè)研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。單片機發(fā)展歷史簡介：單片機誕生于1971年，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段，初期的SCM單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列MCU系統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到目前還在廣泛使用。伴隨工業(yè)控制領域規(guī)定的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但由于性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后伴隨消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術得到了巨大提高。伴隨INTELi960系列尤其是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而老式的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。高端的32位Soc單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而一般的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元?，F(xiàn)代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機關鍵處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和LINUX操作系統(tǒng)。重要階段初期階段：SCM即單片微型計算器（SingleChipMicrocomputer）階段，重要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系構造?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不一樣的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上，Intel企業(yè)功不可沒。中期發(fā)展：MCU即微控制器（MicroControllerUnit）階段，重要的技術發(fā)展方向是：不停擴展?jié)M足嵌入式應用時，對象系統(tǒng)規(guī)定的多種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所波及的領域都與對象系統(tǒng)有關，因此，發(fā)展MCU的重任不可防止地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀原因。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當數(shù)Philips企業(yè)。Philips企業(yè)以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回憶嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘掉Intel和Philips的歷史功績。目前趨勢SoC嵌入式系統(tǒng)(SystemonChip）式的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要原因，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化處理，因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。伴隨微電子技術、IC設計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片機微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)。單片機的應用：目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上多種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳播，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的多種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及多種智能機械了。因此，單片機的學習、開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大體可分如下幾種范圍：1.在智能儀器儀表上的應用；2.在工業(yè)控制中的應用；3.在家用電器中的應用；4.在計算機網(wǎng)絡和通信領域中的應用；5.單片機在醫(yī)用設備領域中的應用；6.在多種大型電器中的模塊化應用；7.單片機在汽車設備領域中的應用。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域均有著十分廣泛的用途。單片機應用舉例：1.單片機的車載超級電容測試系統(tǒng)【.03.13】系統(tǒng)原理簡介超級電容管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對超級電容工作電流和電壓的實時采集，超級電容管理系統(tǒng)整體構造框圖如圖1所示，系統(tǒng)共由3個重要模塊構成：現(xiàn)場電壓、電流、采集與調(diào)理模塊（即采集模塊），信號隔離與MCU信號處理模塊（即中央處理模塊），電源管理模塊，采集模塊內(nèi)、霍爾電壓、霍爾電流傳感器分別為超級電容電壓和電流進行現(xiàn)場采集，采集信號通過儀用放大、然后轉化為4mA-20mA電流信號并發(fā)送到中央處理模塊，中央處理模塊內(nèi)，采集模塊發(fā)送的4mA-20mA電流信號，通過電流電壓變換后，再進行隔離放大、AD轉換并送到MCU，MCU將數(shù)據(jù)處理后通過CAN接口傳送到上位機，當檢測到數(shù)據(jù)異常時MCU輸出故障信號，以便工作人員能及時采用措施，電源管理模塊為各功能模塊提供穩(wěn)定隔離的電壓，增長RS232通信串口，以便MCU程序燒錄。2.嵌入式系統(tǒng)低功耗設計【-03-03】硬件低功耗設計：1）選擇低功耗的器件選擇低功耗的電子器件可以從主線上減少整個硬件系統(tǒng)的功耗。目前的半導體工藝重要有TTL工藝和CMOS工藝，CMOS工藝具有很低的功耗，在電路設計上盡量選用，使用CMOS系列電路時，其不用的輸入端不要懸空，由于懸空的輸入端也許存在感應信號，它將導致高下電平的轉換。轉換器件的功耗很大，盡量采用輸出為高的原則。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的硬件關鍵，消耗大量的功率，因此設計時選用低功耗的處理器；此外，選擇低功耗的通信收發(fā)器(對于通信應用系統(tǒng))、低功耗的訪存部件、低功耗的外圍電路，目前許多通信收發(fā)器都設計成節(jié)省功耗方式，這樣的器件優(yōu)先采用。2）選用低功耗的電路形式完畢同樣的功能，電路的實現(xiàn)形式有多種。例如，可以運用分立元件、小規(guī)模集成電路，大規(guī)模集成電路甚至單片實現(xiàn)。一般，使用的元器件數(shù)量越少，系統(tǒng)的功耗越低。因此，盡量使用集成度高的器件，以減少電路中使用元件的個數(shù)，減少整機的功耗。3）單電源、低電壓供電某些模擬電路如運算放大器等。供電方式有正負電源和單電源兩種。雙電源供電可以提供對地輸出的信號。高電源電壓的長處是可以提供大的動態(tài)范圍，缺陷是功耗大。例如，低功耗集成運算放大器LM324，單電源電壓工作范圍為5～30V。當電源電壓為15V時，功耗約為220mw；當電源電壓為10V時，功耗約為90mw；當電源電壓為5V時，功耗約為15mw?？梢?，低電壓供電對減少器件功耗的作用十分明顯。因此，處理小信號的電路可以減少供電電壓。4）分區(qū)／分時供電技術一種嵌入式系統(tǒng)的所有構成部分并非時刻在工作，基于此，可采用分時／分區(qū)的供電技術。原理是運用“開關”控制電源供電單元，在某一部分電路處在休眠狀態(tài)時，關閉其供電電源，僅保留工作部分的電源。5）I／O引腳供電嵌入式處理器的輸出引腳在輸出高電平時，可以提供約20mA的電流，該引腳可以直接作為某些電路的供電電源使用，如圖2所示。處理器的引腳輸出高電平時，外部器件工作；輸出低電平時，外部器件停止工作。需要注意。該電路需滿足下列規(guī)定：外部器件的功耗較低，低于處理器I／O引腳的高電平輸出電流；外部器件的供電電壓范圍較寬。6）電源管理單元設計處理器全速工作時，功耗最大；待機狀態(tài)時，功耗比較小。常見的待機方式有兩種：空閑方式(Idle)和掉電方式(ShutDown)。其中，Idle方式可以通過中斷的發(fā)生退出，中斷可以由外部事件供應。掉電方式指的是處理器停止，連中斷也不響應，因此需要進入復位才能退出掉電方式。為了減少系統(tǒng)的功耗，一旦CPU處在“空轉”，可以使之進入Idle狀態(tài)，減少功耗；期間假如發(fā)生了外部事件，可以通過事件產(chǎn)生中斷信號，使CPU進入運行狀態(tài)。對于ShutDown狀態(tài)，只能用復位信號喚醒CPU。7）智能電源設計既要保證系統(tǒng)具有良好的性能，又能兼顧功耗問題，一種最佳的措施是采用智能電源。在系統(tǒng)中增長合適的智能預測、檢測，根據(jù)需要對系統(tǒng)采用不一樣的供電方式，以求系統(tǒng)的功耗最低。許多膝上型電腦的電源管理采用智能電源，以筆記本電腦為例，在電源管理方面，Intel企業(yè)采用SpeedStep技術；AMD企業(yè)采用PowerNow技術；Transmeta企業(yè)采用LongRun技術。雖然這三種技術波及到的詳細內(nèi)容不一樣，但基本原理是一致的。以采用SpeedStep技術的筆記本電腦為例，系統(tǒng)可以根據(jù)不一樣的使用環(huán)境對CPU的運行速度進行合理調(diào)整。假如系統(tǒng)使用外接電源，CPU將按照正常的主頻率及電壓運行；當檢測到系統(tǒng)為電池供電時，軟件將自動切換CPU的主頻率及電壓至較低狀態(tài)運行。8）減少處理器的時鐘頻率處理器的功耗與時鐘頻率親密有關。以SAM-SUNGS3C2410x(32bARM920T內(nèi)核)為例，它提供了四種工作模式：正常模式、空閑模式、休眠模式、關機模式．多種模式的功耗如表1所示。由表1可見，CPU在全速運行的時候比在空閑或者休眠的時候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運行模式遠比空閑、休眠模式少占用時間。在類似PDA的設備中，系統(tǒng)在全速運行的時候遠比空閑的時候少，因此可以通過設置，使CPU盡量工作在空閑狀態(tài)，然后通過對應的中斷喚醒CPU，恢復到正常工作模式，處理響應的事件，然后再進入空閑模式。因此設計系統(tǒng)時，假如處理能力許可，可盡量減少處理器的時鐘頻率。此外，可以動態(tài)變化處理器的時鐘，以減少系統(tǒng)的總功耗。CPU空閑時，減少時鐘頻率；處在工作狀態(tài)時，提高時鐘頻率以全速運行處理事務，實現(xiàn)這一技術的措施。通過將I／O引腳設定為輸出高電平，加入電阻R1，將增長時鐘頻率；將I／O引腳輸出低電平，去掉電阻R1，可減少時鐘頻率，以減少功耗。9）減少持續(xù)工作電流在某些系統(tǒng)中，盡量使系統(tǒng)在狀態(tài)轉換時消耗電流，在維持工作時期不消耗電流。例如。IC卡水表、煤氣表、靜態(tài)電能表等，在打開和關閉開關時給對應的機構上電，開關開和關狀態(tài)通過機械機構或磁場機制保持開關的狀態(tài)，而不通過電流保持，可以深入減少電能的消耗。軟件低功耗設計：1）編譯低功耗優(yōu)化技術編譯技術減少系統(tǒng)功耗是基于這樣的事實：對于實現(xiàn)同樣的功能，不一樣的軟件算法，消耗的時間不一樣，使用的指令不一樣，因而消耗的功率也不一樣。對于使用高級語言，由于是面向問題設計的，很難控制低功耗。不過，假如運用匯編語言開發(fā)系統(tǒng)(如對于小型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā))，可以故意識地選擇消耗時間短的指令和設計消耗功率小的算法來減少系統(tǒng)的功耗。2）硬件軟件化與軟件硬件化一般的硬件電路一定消耗功率，基于此，可以減少系統(tǒng)的硬件電路，把數(shù)據(jù)處理功能用軟件實現(xiàn)，如許多儀表中用到的對數(shù)放大電路、抗干擾電路，測量系統(tǒng)中用軟件濾波替代硬件濾波器等。需要考慮，軟件處理需要時間，處理器也需要消耗功率，尤其是在處理大量數(shù)據(jù)的時候，需要高性能的處理器，這也許會消耗大量的功率。因此，系統(tǒng)中某一功能用軟件實現(xiàn)，還是用硬件實現(xiàn)，需要綜合計算后進行設計。3）采用迅速算法數(shù)字信號處理中的運算，采用如FFT和迅速卷積等，可以大量節(jié)省運算時間，從而減少功耗；在精度容許的狀況下，使用簡樸函數(shù)替代復雜函數(shù)作近似，也是減少功耗的一種措施。4）軟件設計采用中斷驅動技術整個系統(tǒng)軟件設計成處理多種事件，在系統(tǒng)上電初始化時，主程序只進行系統(tǒng)的初始化，包括寄存器、外部設備等，初始化完畢后，進入低功耗狀態(tài)，然后CPU控制的設備都接到中斷輸入端上。當外設發(fā)生了一種事件，產(chǎn)生中斷信號，使CPU退出節(jié)電狀態(tài)，進入事件處理，事件處理完畢后，繼續(xù)進入節(jié)電狀態(tài)。5）延時程序設計延時程序的設計有兩種措施：軟件延時和硬件定期器延時。為了減少功耗，盡量使用硬