單片機(jī)應(yīng)用調(diào)研報(bào)告

單片機(jī)應(yīng)用調(diào)研匯報(bào)單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定期器/計(jì)時(shí)器等功能（也許還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一種小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到目前的32位300M的高速單片機(jī)。目前已經(jīng)有的單片機(jī)系列重要有：Microchip單片機(jī)、Scenix單片機(jī)、NEC單片、富士通單片機(jī)、東芝單片機(jī)、8051類單片機(jī)、Zilog單片機(jī)、NS單片機(jī)等1）51系列單片機(jī)：8031/8051/8751是Intel企業(yè)初期的產(chǎn)品。應(yīng)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(jī)，如同一種單片機(jī)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(jī)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(jī)為“51系列單片機(jī)”。PIC系列單片機(jī)

由美國Microchip企業(yè)推出的PIC單片機(jī)系列產(chǎn)品，首先采用了RISC構(gòu)造的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅(qū)動(dòng)能力和低價(jià)位OTP技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢(shì)。AVR系列單片機(jī)

AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL企業(yè)研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)發(fā)展歷史簡(jiǎn)介：?jiǎn)纹瑱C(jī)誕生于1971年，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段，初期的SCM單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)直到目前還在廣泛使用。伴隨工業(yè)控制領(lǐng)域規(guī)定的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但由于性價(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后伴隨消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)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(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而老式的8位單片機(jī)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(jī)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(hào)出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號(hào)也只有10美元?，F(xiàn)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)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(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)關(guān)鍵處理的高端單片機(jī)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(jì)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(gòu)造?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計(jì)算機(jī)完全不一樣的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)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(shù)發(fā)展方向是：不停擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)規(guī)定的多種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。它所波及的領(lǐng)域都與對(duì)象系統(tǒng)有關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可防止地落在電氣、電子技術(shù)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(dāng)數(shù)Philips企業(yè)。Philips企業(yè)以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢(shì)，將MCS-51從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回憶嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時(shí)，不要忘掉Intel和Philips的歷史功績(jī)。目前趨勢(shì)SoC嵌入式系統(tǒng)(SystemonChip）式的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要原因，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化處理，因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢(shì)。伴隨微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)的應(yīng)用：目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上多種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳播，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)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(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及多種智能機(jī)械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大體可分如下幾種范圍：1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用；2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用；3.在家用電器中的應(yīng)用；4.在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用；5.單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用；6.在多種大型電器中的模塊化應(yīng)用；7.單片機(jī)在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域均有著十分廣泛的用途。單片機(jī)應(yīng)用舉例：1.單片機(jī)的車載超級(jí)電容測(cè)試系統(tǒng)【.03.13】系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介超級(jí)電容管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容工作電流和電壓的實(shí)時(shí)采集，超級(jí)電容管理系統(tǒng)整體構(gòu)造框圖如圖1所示，系統(tǒng)共由3個(gè)重要模塊構(gòu)成：現(xiàn)場(chǎng)電壓、電流、采集與調(diào)理模塊（即采集模塊），信號(hào)隔離與MCU信號(hào)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(jí)電容電壓和電流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，采集信號(hào)通過儀用放大、然后轉(zhuǎn)化為4mA-20mA電流信號(hào)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(hào)，通過電流電壓變換后，再進(jìn)行隔離放大、AD轉(zhuǎn)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(jī)，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常時(shí)MCU輸出故障信號(hào)，以便工作人員能及時(shí)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(zhǎng)RS232通信串口，以便MCU程序燒錄。2.嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)【-03-03】硬件低功耗設(shè)計(jì)：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(gè)硬件系統(tǒng)的功耗。目前的半導(dǎo)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(shè)計(jì)上盡量選用，使用CMOS系列電路時(shí)，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(yīng)信號(hào)，它將導(dǎo)致高下電平的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)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(guān)鍵，消耗大量的功率，因此設(shè)計(jì)時(shí)選用低功耗的處理器；此外，選擇低功耗的通信收發(fā)器(對(duì)于通信應(yīng)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)形式有多種。例如，可以運(yùn)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(shí)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(gè)數(shù)，減少整機(jī)的功耗。3）單電源、低電壓供電某些模擬電路如運(yùn)算放大器等。供電方式有正負(fù)電源和單電源兩種。雙電源供電可以提供對(duì)地輸出的信號(hào)。高電源電壓的長(zhǎng)處是可以提供大的動(dòng)態(tài)范圍，缺陷是功耗大。例如，低功耗集成運(yùn)算放大器LM324，單電源電壓工作范圍為5～30V。當(dāng)電源電壓為15V時(shí)，功耗約為220mw；當(dāng)電源電壓為10V時(shí)，功耗約為90mw；當(dāng)電源電壓為5V時(shí)，功耗約為15mw?？梢姡碗妷汗╇妼?duì)減少器件功耗的作用十分明顯。因此，處理小信號(hào)的電路可以減少供電電壓。4）分區(qū)／分時(shí)供電技術(shù)一種嵌入式系統(tǒng)的所有構(gòu)成部分并非時(shí)刻在工作，基于此，可采用分時(shí)／分區(qū)的供電技術(shù)。原理是運(yùn)用“開關(guān)”控制電源供電單元，在某一部分電路處在休眠狀態(tài)時(shí)，關(guān)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(shí)，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(shí)，外部器件工作；輸出低電平時(shí)，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(shè)計(jì)處理器全速工作時(shí)，功耗最大；待機(jī)狀態(tài)時(shí)，功耗比較小。常見的待機(jī)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(yīng)。掉電方式指的是處理器停止，連中斷也不響應(yīng)，因此需要進(jìn)入復(fù)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(zhuǎn)”，可以使之進(jìn)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(hào)，使CPU進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于ShutDown狀態(tài)，只能用復(fù)位信號(hào)喚醒CPU。7）智能電源設(shè)計(jì)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(zhǎng)合適的智能預(yù)測(cè)、檢測(cè)，根據(jù)需要對(duì)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(shù)；AMD企業(yè)采用PowerNow技術(shù)；Transmeta企業(yè)采用LongRun技術(shù)。雖然這三種技術(shù)波及到的詳細(xì)內(nèi)容不一樣，但基本原理是一致的。以采用SpeedStep技術(shù)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(duì)CPU的運(yùn)行速度進(jìn)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(yùn)行；當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)為電池供電時(shí)，軟件將自動(dòng)切換CPU的主頻率及電壓至較低狀態(tài)運(yùn)行。8）減少處理器的時(shí)鐘頻率處理器的功耗與時(shí)鐘頻率親密有關(guān)。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(guān)機(jī)模式．多種模式的功耗如表1所示。由表1可見，CPU在全速運(yùn)行的時(shí)候比在空閑或者休眠的時(shí)候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運(yùn)行模式遠(yuǎn)比空閑、休眠模式少占用時(shí)間。在類似PDA的設(shè)備中，系統(tǒng)在全速運(yùn)行的時(shí)候遠(yuǎn)比空閑的時(shí)候少，因此可以通過設(shè)置，使CPU盡量工作在空閑狀態(tài)，然后通過對(duì)應(yīng)的中斷喚醒CPU，恢復(fù)到正常工作模式，處理響應(yīng)的事件，然后再進(jìn)入空閑模式。因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，假如處理能力許可，可盡量減少處理器的時(shí)鐘頻率。此外，可以動(dòng)態(tài)變化處理器的時(shí)鐘，以減少系統(tǒng)的總功耗。CPU空閑時(shí)，減少時(shí)鐘頻率；處在工作狀態(tài)時(shí)，提高時(shí)鐘頻率以全速運(yùn)行處理事務(wù)，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的措施。通過將I／O引腳設(shè)定為輸出高電平，加入電阻R1，將增長(zhǎng)時(shí)鐘頻率；將I／O引腳輸出低電平，去掉電阻R1，可減少時(shí)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(zhuǎn)換時(shí)消耗電流，在維持工作時(shí)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(guān)閉開關(guān)時(shí)給對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)上電，開關(guān)開和關(guān)狀態(tài)通過機(jī)械機(jī)構(gòu)或磁場(chǎng)機(jī)制保持開關(guān)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(shè)計(jì)：1）編譯低功耗優(yōu)化技術(shù)編譯技術(shù)減少系統(tǒng)功耗是基于這樣的事實(shí)：對(duì)于實(shí)現(xiàn)同樣的功能，不一樣的軟件算法，消耗的時(shí)間不一樣，使用的指令不一樣，因而消耗的功率也不一樣。對(duì)于使用高級(jí)語言，由于是面向問題設(shè)計(jì)的，很難控制低功耗。不過，假如運(yùn)用匯編語言開發(fā)系統(tǒng)(如對(duì)于小型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā))，可以故意識(shí)地選擇消耗時(shí)間短的指令和設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，如許多儀表中用到的對(duì)數(shù)放大電路、抗干擾電路，測(cè)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(shí)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(shí)候，需要高性能的處理器，這也許會(huì)消耗大量的功率。因此，系統(tǒng)中某一功能用軟件實(shí)現(xiàn)，還是用硬件實(shí)現(xiàn)，需要綜合計(jì)算后進(jìn)行設(shè)計(jì)。3）采用迅速算法數(shù)字信號(hào)處理中的運(yùn)算，采用如FFT和迅速卷積等，可以大量節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，從而減少功耗；在精度容許的狀況下，使用簡(jiǎn)樸函數(shù)替代復(fù)雜函數(shù)作近似，也是減少功耗的一種措施。4）軟件設(shè)計(jì)采用中斷驅(qū)動(dòng)技術(shù)整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)成處理多種事件，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，主程序只進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括寄存器、外部設(shè)備等，初始化完畢后，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，然后CPU控制的設(shè)備都接到中斷輸入端上。當(dāng)外設(shè)發(fā)生了一種事件，產(chǎn)生中斷信號(hào)，使CPU退出節(jié)電狀態(tài)，進(jìn)入事件處理，事件處理完畢后，繼續(xù)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。5）延時(shí)程序設(shè)計(jì)延時(shí)程序的設(shè)計(jì)有兩種措施：軟件延時(shí)和硬件定期器延時(shí)。為了減少功耗，盡量使用硬