单片机应用调研报告6317

.单片机应用调研报告单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、微型计算机。目前已有的单片机系列主要有：Microchip单片机、Scenix单片机、NEC单片、富士通单片机、东芝单片机、8051类单片机、Zilog单片机、NS单片机等1）51系列单片机：8031/8051/8751是Intel公司早期的产品。应用的早，影响很大，已成为世界上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数在使用上基本可以直接互换。人们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列”。管脚也兼容；单片机2）PIC系列单片机由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位了RISC结构的OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。3）AVR系列单片机AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。单片机发展历史简介：单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机机的高端地位，并且进入主流市场。发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTELi960迅速取代16位单片而传统的高了数百倍。高端的32位Soc单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提号也只有10美元。..当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和LINUX操作系统。主要阶段早期阶段：SCM即单片微型计算器（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。中期发展：MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。当前趋势SoC嵌入式系统(SystemonChip）式的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决，因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片机微控制器延伸到单片应用系统。单片机的应用：目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1.在智能仪器仪表上的应用；2.在工业控..制中的应用；3.在家用电器中的应用；5.6.在各种大型电器中的模块化应用；、教育，国防航4.在计算机网络和通信领域中的应用；7.单片机单片机在医用设备领域中的应用；在汽车设备领域中的应用。此外，单片机在工商，金融，科研空航天等领域都有着十分广泛的用途。单片机应用举例：1.单片机的车载超级电容测试系统【2013.03.13】系统原理介绍超级电容管理系统可以实现对超级电容工作电流和电压的实时采集，超级电容管理系统整体结构框图如图1所示，系统共由3个主要模块电流、采集与调理模块），信号隔离与MCU信号处理模块流传感器分别为采集信号经过仪用放大、然后转化为号并发送到中央处理模块，中采集模块发送的4mA-20mA电流信经电过流电压变换后，再进行隔离放大、AD转换并送到MCU，MCU将数据处理后通过CAN接口传送到上位机，当检测到数据异常时MCU输出故障信号，以便工作人员能及时采取措施，电为各功能模块提供稳定隔离的电压，增加RS232通信串口，以便MCU程序烧录。组成：现场电压、（即采集模块（即中央处理模块），电源管理模块，采集模块内、霍尔电压、霍尔电超级电容电压和电流进行现场采集，4mA-20mA电流信央处理模块内，号，源管理模块2.嵌入式系统低功耗设计【2013-03-03】硬件低功耗设计：1）选择低功耗的器选择低功耗的电子器件可以从根本上降低整个硬件系统的功耗。目前的半导艺主要有TTL工艺和CMOS工艺，CMOS工艺具有很低的功耗，在电设计上尽量选用，使用CMOS系列电路时，其不用的输入端不要悬空，因为悬空的输入端可能存在感应信号，它将造成高低电平的转换。转换器件的功耗很大，尽量采用输出为高的原则。嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心，消耗大量的功率，因此设计件体工路时选用..低功耗的处理器；另外，选择低功耗的通信收发器(对于通信应用系统)、低功耗的访存部件、低功耗的外围电路，目前许多通信收发器都设计成节省功耗方式，这样的器件优先采用。2）选用低功耗的电路形式完成同样的功能，电路的实现形式有多种。例如，可以利用分立元件、小规模集成电路，大规模集成电路甚至单片实现。通常，使用的元器件数量越少，系统的功耗越低。因此，尽量使用集成度高的器件，以减少电路中使用元件的个数，减少整机的功耗。3）单电源、低电压供电一些模拟电路如运算放大器等。供电方式有正负电源和单电源两种。双电源供电可以提供对地输出的信号。高电源电压的优点是可以提供大的动态范围，缺点是功耗大。例如，低功耗集成运算放大器LM324，单电源电压工作范围为5～30V。当电源电压为15V时，功耗约为220mw；当电源电压为10V时，功耗约为90mw；当电源电压为5V时，功耗约为15mw。可见，低电压供电对降低器件功耗的作用十分明显。因此，处理小信号的电路可以降低供电电压。4）分区／分时供电技术一个嵌入式系统的所有组成部分并非时刻在工作，基于此，可采用分时／分区的供电技术。原理是利用“开关”控制电源供电单元，在某一部分电路处于休眠状态时，关闭其供电电源，仅保留工作部分的电源。5）I／O引脚供电嵌入式处理器的输出引脚在输出高电平时，可以提供约20mA的电流，该引脚可以直接作为某些电路的供电电源使用，如图2所示。处理器的引脚输出高电平时，外部器件工作；输出低电平时，外部器件停止工作。需要注意。该电路需满足下列要求：外部器件的功耗较低，低于处理器I／O引脚的高电平输出电流；外部器件的供电电压范围较宽。6）电源管理单元设计处理器全速工作时，功耗最大；待机状态时，功耗比较小。常见的待机方式有两种：空闲方式(Idle)和掉电方式(ShutDown)。其中，Idle方式可以通过中断的发生退出，中断可以由外部事件供给。掉电方式指的是处理器停止，连中断也不响应，因此需要进入复位才能退出掉电方式。为了降低系统的功耗，一旦CPU处于“空转”，可以使之进入Idle状态，降低功耗；期间如果发生了外部事件，可以通过事件产生中断信号，使CPU进入运行状态。对于ShutDown状态，只能用复位信号唤醒CPU。7）智能电源设计既要保证系统具有良好的性能，又能兼顾功耗问题，一个最好的办法是采用智能电源。在系统中增加适当的智能预测、检测，根据需要对系统采取不同的供电方式，以求系统的功耗最低。许多膝上型电脑的电源管理采用智能电源，以笔记本电脑为例，在电源管理方面，Intel公司采取SpeedStep技术；AMD..公司采取PowerNow技术；Transmeta公司采取LongRun技术。虽然这三种技术涉及到的具体内容不同，但基本原理是一致的。以采用SpeedStep技术的笔记本电脑为例，系统可以根据不同的使用环境对CPU的运行速度进行合理调整。如果系统使用外接电源，CPU将按照正常的主频率及电压运行；当检测到系统为电池供电时，软件将自动切换CPU的主频率及电压至较低状态运行。8）降低处理器的时钟频率处理器的功耗与时钟频率密切相关。以SAM-SUNGS3C2410x(32bARM)为例，它提供了四种工作模式：正常模式、空闲模式、休眠模式、关表1所示。920T内核机模式．各种模式的功耗如由表1可见，CPU在全速运行的时多。省电的原则就是让正常运行模式远比空闲、休眠模式少占用时PDA的设备中，系统候远比空闲的时候少，所以可以通过设置，使CPU尽可能工作在空闲状态，然后通过相应的中断唤醒CPU，恢复到正常工候比在空闲或者休眠的时候消耗的功率大得间。在类似在全速运行的时作模式，处理响应的事件，然后再进入空闲模式。因此设计系统时，如果处理能力许可，可尽量降低处理器的时钟频率。另外，可以动态改变处理器的时钟，以降低系统的于工作状态时，提高时钟频率以全速运行处理事务，实现这一技术的方法。通过将I／O引脚设定为输出高电平，加入电阻R1，将增加时钟I／O引脚输出低电平，去掉电阻R1，可降低时钟频率，以降低功耗。总功耗。CPU空闲时，降低时钟频率；处频率；将9）降低持续工作电些系统中，尽量使系统期不消耗电流。例如。IC卡水表、煤气表、静态电的机构上电，开关开和关状态通过机械机构或磁场机制保持开关的状态，流在一在状态转换时能表等，在打开和关闭开关时而不消耗电流，在维持工作时给相应通过电流保持，可以进一软件低功耗设计：1）编译低功耗优化技术步降低电能的消耗。编译技术降低系统功耗是基于这样的事实：对于实现同样的功能，不同的软件算法，消耗的时间不同，使用的指令不同，因而消耗的功率也不同。对于使..用高级语言，由于是面向问题设计的，很难控制低功耗。但是，如果利用汇编语言开发系统(如对于小型的嵌入式系统开发)，可以有意识地选择消耗时间短的指令和设计消耗功率小的算法来降低系统的功耗。2）硬件软件化与软件硬件化通常的硬件电路一定消耗功率，基于此，可以减少系统的硬件电路，把数据处理功能用软件实现，如许多仪表中用到的对数放大电路、抗干扰电路，测量系统中用软件滤波代替硬件滤波器等。需要考虑，软件处理需要时间，处理器也需要消耗功率，特别是在处理大量数据的时候，需要高性能的处理器，这可能会消耗大量的功率。因此，系统中某一功能用软件实现，还是用硬件实现，需要综合计算后进行设计。3）采用数字信号处理中的采用如FFT和快速卷积等，可以大量节省运算时间，从而减少功耗；在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数作近似，也是减少功耗的一种方法。4）软件设计整个系统软件设计统的初始化，包括寄存器、外部设备等，初始化完成后，后CPU控制的设备都接到中断输入端上。当外设发生了一个事件，产生中断信号，使CPU退出节电状态，进入事件处理，事件处理完成后，继续进入节电状快速算法运算，采用中断驱动技术成处理多个事件，在系统上电初始化时，主程序只进行系进入低功耗状态，然态。5）延时程序设计延时程序的设计有两种方法：软件尽量使用硬件定时器延时，一方面提高程序的效