单片机应用调研报告

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含有数据解决能力的中央解决器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多个I/O口和中断系统、定时器/计时器等功效（可能还涉及显示驱动电路、脉宽调制电路、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种小而完善的微型计算机系统，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。现在已有的单片机系列重要有：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原则。后来诸多芯片厂商以多个方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，犹如一种单片机的多个版本同样，虽都在不停的变化制造工艺，但内核却同样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本能够直接交换。人们统称这些与8051内核相似的单片机为“51系列单片机”。PIC系列单片机

由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用了RISC构造的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。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的单片机能够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。单片机发展历史介绍：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。随着工业控制领域规定的提高，开始出现了16位单片机，但由于性价比不抱负并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机快速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，解决能力比起80年代提高了数百倍。高端的32位Soc单片机主频已经超出300MHz，性能直追90年代中期的专用解决器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有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解决的高端单片机甚至能够直接使用专用的Windows和LINUX操作系统。重要阶段早期阶段：SCM即单片微型计算器（SingleChipMicrocomputer）阶段，重要是谋求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系构造。“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，重要的技术发展方向是：不停扩展满足嵌入式应用时，对象系统规定的多个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有关，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逐步淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最出名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机快速发展到微控制器。因此，当我们回想嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。现在趋势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，就是谋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，对单片机的理解能够从单片微型计算机、单片机微控制器延伸到单片应用系统。单片机的应用：现在单片机渗入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，飞机上多个仪表的控制，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解决，广泛使用的多个智能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、医疗器械以及多个智能机械了。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，大致可分以下几个范畴：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；4.在计算机网络和通信领域中的应用；5.单片机在医用设备领域中的应用；6.在多个大型电器中的模块化应用；7.单片机在汽车设备领域中的应用。另外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航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【.03.13】系统原理介绍超级电容管理系统能够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构造框图如图1所示，系统共由3个重要模块构成：现场电压、电流、采集与调理模块（即采集模块），信号隔离与MCU信号解决模块（即中央解决模块），电源管理模块，采集模块内、霍尔电压、霍尔电流传感器分别为超级电容电压和电流进行现场采集，采集信号通过仪用放大、然后转化为4mA-20mA电流信号并发送到中央解决模块，中央解决模块内，采集模块发送的4mA-20mA电流信号，通过电流电压变换后，再进行隔离放大、AD转换并送到MCU，MCU将数据解决后通过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，方便工作人员能及时采用方法，电源管理模块为各功效模块提供稳定隔离的电压，增加RS232通信串口，方便MCU程序烧录。2.嵌入式系统低功耗设计【-03-03】硬件低功耗设计：1）选择低功耗的器件选择低功耗的电子器件能够从根本上减少整个硬件系统的功耗。现在的半导体工艺重要有TTL工艺和CMOS工艺，CMOS工艺含有很低的功耗，在电路设计上尽量选用，使用CMOS系列电路时，其不用的输入端不要悬空，由于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。嵌入式解决器是嵌入式系统的硬件核心，消耗大量的功率，因此设计时选用低功耗的解决器；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，现在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毕同样的功效，电路的实现形式有多个。例如，能够运用分立元件、小规模集成电路，大规模集成电路甚至单片实现。普通，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、低电压供电某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。双电源供电能够提供对地输出的信号。高电源电压的优点是能够提供大的动态范畴，缺点是功耗大。例如，低功耗集成运算放大器LM324，单电源电压工作范畴为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，低电压供电对减少器件功耗的作用十分明显。因此，解决小信号的电路能够减少供电电压。4）分区／分时供电技术一种嵌入式系统的全部构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。原理是运用“开关”控制电源供电单元，在某一部分电路处在休眠状态时，关闭其供电电源，仅保存工作部分的电源。5）I／O引脚供电嵌入式解决器的输出引脚在输出高电平时，能够提供约20mA的电流，该引脚能够直接作为某些电路的供电电源使用，如图2所示。解决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。该电路需满足下列规定：外部器件的功耗较低，低于解决器I／O引脚的高电平输出电流；外部器件的供电电压范畴较宽。6）电源管理单元设计解决器全速工作时，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方式能够通过中断的发生退出，中断能够由外部事件供应。掉电方式指的是解决器停止，连中断也不响应，因此需要进入复位才干退出掉电方式。为了减少系统的功耗，一旦CPU处在“空转”，能够使之进入Idle状态，减少功耗；期间如果发生了外部事件，能够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）智能电源设计既要确保系统含有良好的性能，又能兼顾功耗问题，一种最佳的方法是采用智能电源。在系统中增加适宜的智能预测、检测，根据需要对系统采用不同的供电方式，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公司采用SpeedStep技术；AMD公司采用PowerNow技术；Transmeta公司采用LongRun技术。即使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，系统能够根据不同的使用环境对CPU的运行速度进行合理调节。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）减少解决器的时钟频率解决器的功耗与时钟频率亲密有关。以SAM-SUNGS3C2410x(32bARM920T内核)为例，它提供了四种工作模式：正常模式、空闲模式、休眠模式、关机模式．多个模式的功耗如表1所示。由表1可见，CPU在全速运行的时候比在空闲或者休眠的时候消耗的功率大得多。省电的原则就是让正常运行模式远比空闲、休眠模式少占用时间。在类似PDA的设备中，系统在全速运行的时候远比空闲的时候少，因此能够通过设立，使CPU尽量工作在空闲状态，然后通过对应的中断唤醒CPU，恢复到正常工作模式，解决响应的事件，然后再进入空闲模式。因此设计系统时，如果解决能力许可，可尽量减少解决器的时钟频率。另外，能够动态变化解决器的时钟，以减少系统的总功耗。CPU空闲时，减少时钟频率；处在工作状态时，提高时钟频率以全速运行解决事务，实现这一技术的办法。通过将I／O引脚设定为输出高电平，加入电阻R1，将增加时钟频率；将I／O引脚输出低电平，去掉电阻R1，可减少时钟频率，以减少功耗。9）减少持续工作电流在某些系统中，尽量使系统在状态转换时消耗电流，在维持工作时期不消耗电流。例如。IC卡水表、煤气表、静态电能表等，在打开和关闭开关时给对应的机构上电，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，而不通过电流保持，能够进一步减少电能的消耗。软件低功耗设计：1）编译低功耗优化技术编译技术减少系统功耗是基于这样的事实：对于实现同样的功效，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，由于是面对问题设计的，很难控制低功耗。但是，如果运用汇编语言开发系统(如对于小型的嵌入式系统开发)，能够故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减少系统的功耗。2）硬件软件化与软件硬件化普通的硬件电路一定消耗功率，基于此，能够减少系统的硬件电路，把数据解决功效用软件实现，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替代硬件滤波器等。需要考虑，软件解决需要时间，解决器也需要消耗功率，特别是在解决大量数据的时候，需要高性能的解决器，这可能会消耗大量的功率。因此，系统中某一功效用软件实现，还是用硬件实现，需要综累计算后进行设计。3）采用快速算法数字信号解决中的运算，采用如FFT和快速卷积等，能够大量节省运算时间，从而减少功耗；在精度允许的状况下，使用简朴函数替代复杂函数作近似，也是减少功耗的一种办法。4）软件设计采用中断驱动技术整个系统软件设计成解决多个事件，在系统上电初始化时，主程序只进行系统的初始化，涉及寄存器、外部设备等，初始化完毕后，进入低功耗状态，然后CPU控制的设备都接到中断输入端上。当外设发生了一种事件，产生中断信号，使CPU退出节电状态，进入事件解决，事件解决完毕后，继续进入节电状态。5）延时程序设计延时程序的设计有两种办法：软件延时和硬件定时器延时。为了减少功耗，尽量使用硬