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1、单片机应用系统设计 实例与分析,周国雄 研究方向： 工业过程控 制，智能控制,单片机应用系统设计,第一章 单片机概述,1.1 什么是单片机 1.2 单片机的特点和应用范围 1.3 单片面临的挑战 1.4 单片机的未来 1.5 单片机的种类 1.6 单片机的学习,单片机应用系统设计,一、计算机的诞生 1945年底，世界上第一台使用电子管制造的电子数字计算机在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院研制成功，并在1946年2月15日举行了计算机的正式揭幕典礼。这台电子计算机总共用了18800个电子管，耗电140千瓦，占地150平方米，重达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。 电子计算机的诞生是人类最伟大的发
2、明之一。,1.1 什么是单片机？,单片机应用系统设计,二、计算机的发展 按照组成计算机的元器件的技术发展水平作为分类的依据，计算机技术的发展已经走过了4代。 第一代计算机是电子管计算机（19451954年）。 第二代计算机是晶体管计算机（19551964年）。 第三代计算机是集成电路计算机（19651971年）。 第四代计算机是大规模集成电路计算机。 第五代计算机（可能）应用生物技术、纳米技术和量子技术,单片机应用系统设计,计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类。 数字计算机按用途又可分为专用计算机和通用计算机。 专用计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但它的通用性较差，
3、不适于其它方面的应用。 通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。 单片机则只由一片集成电路制成，其体积小，重量轻，结构十分简单。,三、计算机的分类,单片机应用系统设计,四、计算机的组成 中央处理器（CPU） Central Processing Unit 只读存储器（ROM） Read Only Memory 随机存储器 （RAM） Random Access Memory 中断系统、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口,单片机应用系统设计,计算机基本组成框图,单片机应用系统设计,所谓单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器、
4、随机存储器、程序存储器、定时/计数器、中断控制器以及串行口，并行I/O接口等集成在一块芯片中构成单片微型计算机。 微控制器(MCU, Micro Controller Unit) 嵌入式处理器(Embedded Processor),单片机（Signal Chip Computer),单片机应用系统设计,定义和概念,微处理器：MPU或CPU，即将控制器+运算器集成在一块芯片上 微型计算机：由CPU组成的计算机，即CPU+RAM+I/O+中断等 单片机：将CPU、存储器、I/O接口、中断系统集成在一块芯片上，有完整功能的微型计算机,单片机应用系统设计,定义和概念,单板机：将CPU、存储器、I/O
5、接口、中断系统集成在一块印制电路板上，有完整功能的微型计算机。 微型计算机系统：多板机+电源+外设+软件系统。 微型计算机开发系统：一种有专门用途的微型计算机系统，用来开发单片机应用系统。,单片机应用系统设计,五、单片机系统组成原理,单片机的结构有两种类型: 一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。 INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。,单片机应用系统设计,六、单片机系统基本结构
6、,单片机系统基本结构包括 存储器：ROM、RAM、EPROM 微处理器：运算器、控制器 总线：AB、DB、CB 接口和外设,单片机应用系统设计,七、单片机的发展简史,初级阶段（19741976）Fairchild F8两片集成芯片（ 集成工艺限制） 低性能阶段（19761978）Intel MCS-48 无串行口,中 断较简单 高性能阶段（19781982）MCS51 更高性能阶段（1983 多种机型并行发展:8位机发展 ,16位机和32位机相继推出,单片机应用系统设计,1.2 单片机的特点,结构简单，体积小：基本功能部件满足要求 性能价格比高：电路板小；接插件少 功耗低：工作电流5uA 使用
7、方便：硬件设计简单；提供开发工具资料 功能强：实时响应速度；I/O直接操作 可靠性高：BUS大多在内部；易采取电磁屏蔽 易产品化：研制周期短 应用范围广泛,单片机应用系统设计,单片机的应用范围,4位机:计算器、车表、车用防盗装置、呼叫器、无 线电话、CD Player、LCD驱动控制器、LCD Game、儿童玩具、电子秤、遥控器及傻瓜相机等； 8位机:电表、马达控制器、电动玩具、变频式空调、呼叫器、传真机、来电显示器（Caller ID）、电话录音机、CRT Display、键盘及USB等； 16位机：移动电话、数字相机及摄录放影机等； 32位机：Modem、GPS、PDA、Hub、Bridg
8、e、Router、工作站、ISDN电话、激光打印机与彩色传真机。,单片机应用系统设计,单片机的典型应用,单片机与e -Home 在家用网络系统中，对家用电器提出了“个性化”和“社会化”的要求。所谓“个性化”，就是提高家用电器的智能特点；所谓“社会化”，就是提高家用电器通过网络与其他设备或人进行信息交流的能力。 由于单片机的嵌人，家用电器不但提高了品质和性能，而且出现了智能 。,单片机应用系统设计,从作用机制上来说，家用电器的嵌入式结构有单核嵌入和双核嵌入2 种。一般电脑电饭煲，它的内部只有一个单片机，这种控制系统是单核嵌入对于分体式空调，则在室内机与室外机中分别有1个单片机，显然分体式空调机这
9、种嵌入式系统是双核嵌入结构 从物理位置上来说，家用电器的嵌入式结构有中心嵌入、边缘嵌入、顶部嵌入及底部嵌入等多种形式。模糊电磁灶的单片机及控制部件在其中心部位，这是典型的中心嵌入；电饭煲的单片机控制器通常在煲的外边缘，这是典型的边缘嵌入。 从逻辑结构上来说，家用电器有独立嵌入结构、主从嵌入结构及复合嵌入结构等多种形式。,单片机应用系统设计,2 单片机与汽车,随着汽车电子化、智能化的高速发展，单片机在汽车控制系统中发挥着越来越重要的作用。 采用单片机对汽车进行控制具有如下特点： 提高了系统的灵活性。由于单片机的控制是用软件算法实现的，控制方案和参数便于修改，因此提高了系统的灵活性和适应性。同时，
10、采用单片机可以实现更为复杂的控制功能，许多原来机械系统无法实现的非线性控制功能现在都能得以实现。 提高了系统的可靠性。采用单片机进行控制可以减少许多外围电气与机械部件。许多机械部件生产时，参数难以调整，且容易随着使用时间的推移而产生变化，电子元器件的参数也会随着外界的条件和使用时间产生变化。 产业化。大量采用单片机对汽车进行控制，当然也具有它自身的产业化特点。一方面，汽车内部尤其是发动机周围工况恶劣，而汽车制造是对可靠性要求极高的产业，这就对单片机在可靠工作方面提出了很高的要求。另一方面，汽车电子化对单片机的需求量非常巨大，因此对单片机生产厂的影响也是举足轻重的。,单片机应用系统设计,3 单片
11、机与Internet,目前国内外许多厂家正在研制和推广网络芯片 Webchip 。它作为智能装置和家电产品连接Internet 的理想“桥梁”，可将Internet 技术延伸到更为广阔的应用领域。Webchip 是一种独立于各种微控制器的通用标准化产品。使用Webchip 开发具有网络功能的智能装置时，既不需要了解复杂的网络技术，也不需要更改原来已成熟的设计，只须增加一小段和Webchip 通信的接口程序即可。因此，用户能够大大缩短产品的开发时间。可以预见，单片机与Internet 的紧密结合将是单片机应用发展的一个主要方向。,单片机应用系统设计,从应用的角度讲，单片机具有如下优点： 集成度高
12、：许多不太复杂的应用场合，只要一片单片机就可以了。 系统结构简单：方便使用，方便升级。芯片内部采样模块化结构，增加或者更换一个模块，就得到一个指令系统和引脚兼容的新的单片机产品。 扩展方便：存储器、IO扩展方便，可选的外围芯片众多。 可靠性高：总线在片内，不易受到干扰。体积小，易于屏蔽。可在各种恶劣条件下工作。 运算功能强：有加、减、乘、除、逻辑运算、跳转指令、位操作指令等。 容易产品化：很容易形成产品，装入各种仪器，仪表，控制装置中。,单片机应用系统设计,单片机的发展趋势,性能不断提高 CPU功能增强：速度、精度 内部资源增多：A/D、D/A、EEPROM 多功能引脚： 寻址范围大 高新技术
13、下移，重点发展8位机性能,32位机,单片机应用系统设计,单片机的发展趋势,单片机的多品种： 超微型化： MC68HC705：20PIN，2KEPROM、112BYTE RAM、15BIT TIMER WATCHDOG 低功耗，低电压：CHMOSA工艺、空闲等待和掉电停机方式 、电 压 2.45.5V 在线可编程,单片机应用系统设计,单片机的发展趋势,逐步采用16/32位高性能单片机 采用C高级语言编程 采用实时多任务0S及其平台进行开发 开发新型嵌入式应用系统（手持式信息机、PDA、信息家电等）,单片机应用系统设计,单片机的发展趋势,单片机的应用意义不仅仅限于它的广泛应用，更重要的还在于它从根
14、本上改变了传统的电子系统设计思想和设计方法。 现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机应用系统（将计算机嵌入到电子系统中） 经典的电子系统已经过渡到智能化的现代电子系统。 为满足需要，单片机增加了部分DSP功能。,单片机应用系统设计,1 .3 单片机面临的挑战,在数字化道路上，我国电子设计技术的发展经历了并将继续经历许多重大的变革与飞跃。从应用SSI 通用数字电路芯片构成电路系统，到广泛应用MCU （微控制器或单片机），在电子系统设计上发生了一个具有里程碑意义的飞跃。 从本质上说，新的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构上，但却是一种更高层次的循环。它在更高层次上保留了过去数字技术的
15、优秀部分，对MCU 系统将是一种扬弃，但在电子设计的设计操作和系统构成的整体上却发生了质的飞跃。,单片机应用系统设计,随着EDA 技术的发展和CPLD / FPGA向深亚微米领域的进军，它们与MCU , MPU , DSP , A / D , D / A , RAM 和ROM 等独立器件间的物理与功能界限将日益模糊。 特别是软硬IP 芯核产业的迅猛发展，嵌入式通用与标准FPGA 器件呼之欲出，片上系统（SOC ）即将问世。CPLD / FPGA 不可替代的地位及其伴随而来的极具知识经济特征的lP 芯核产业的崛起，正越来越受到业内人士的密切关注。,单片机应用系统设计,由MCU 为主构成的电子应用
16、系统通常出现的问题可分为2 类：,一类是纯技术问题，如软件设计、接口器件的选择及抗干扰措施的应用问题，这些问题通常属于可解决之列； 另一类则直接与MCU 本身相关，即与MCU 与生俱来的一些不可克服的弱点相关。,单片机应用系统设计,MCU的弱点,低速。由于MCU 的工作方式是通过内部的CPU 逐条执行软件指令来完成各种运算和逻辑功能的，无论多么高的工作时钟频率和多么好的指令时序方式，在排队式串行指令执行方式面前，其工作速度和效率也将大打折扣；因此，MCU 在实时仿真、高速工控及高速数据采集等领域便显得力不从心。 复位工作方式。MCU 的另一致命弱点是：任何MCU 在工作初始都必须经历一个复位过程，否则将无法进行正常工作，MCU 的复位必须满足一定的电平条件和时间条件。当工作电平有某种干扰性突变时，MCU 不可或缺的复位设置将成为系统不可靠工作的重要因素。而且这种产生于复位的不完全性，构成系统不可靠工作的隐患，其出现方式极为随机和动态，一般方法难以检测。一些系统在工作中出现的“假复位”和不可靠复位带来的后果是十分
