单片机

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单片机(Single-Chip Microcomputer,SCM)

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什么是单片机

  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/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、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个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的300M的高速单片机。

单片机的分类

  单片机(Microcontrollers)作为计算机发展的一个重要分支领域,根据发展情况,从不同角度,单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

  1.通用型

  这是按单片机(Microcontrollers)适用范围来区分的。例如,80C51式通用型单片机,它不是为某种专门用途设计的;专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的,例如为了满足电子体温计的要求,在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

  2.总线型

  这是按单片机(Microcontrollers)是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线,这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接,另外,许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内,因此在许多情况下可以不要并行扩展总线,大大减省封装成本和芯片体积,这类单片机称为非总线型单片机。

  3.控制型

  这是按照单片机(Microcontrollers)大致应用的领域进行区分的。一般而言,工控型寻址范围大,运算能力强;用于家电的单片机多为专用型,通常是小封装、低价格,外围器件和外设接口集成度高。显然,上述分类并不是惟一的和严格的。例如,80C51类单片机既是通用型又是总线型,还可以作工控用。

单片机的历史

  单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

  1.SCM即单片微型计算机(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。

  2.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。

  3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路,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、单片微控制器延伸到单片应用系统。

单片机的应用[1]

  (一)工业应用

  1.数据采集系统

  数据采集系统如今已成为一门专业,它可以将获取的温度、压力、位移、流量、速度等模拟信号转化为计算机可以识别的数字信号,进而可进行存储、删除、修改、查询等操作,整个过程精度高、可靠性强、速度快。

  2.煤矿电气自动化

  矿井自动抄表系统是通过智能集中器实现的,它可以在供电和断电情况下进行远程智能抄表,提升了抄表效率。单片机在煤矿电气自动化中还有一种典型的应用就是漏电保护装置。井下作业最重要的就是安全性,低压漏电保护措施的实现使安全问题很大程度上得到了妥善解决。比如:基于单片机的钢丝绳监测预警系统具备数据采集、无线数据传输、处理、控制显示等功能。

  3.机车检测

  单片机在机车检测中的具体应用有测温线路检测仪、机车速度信号模拟装置、机车功率油耗检测仪、机车负载实验微机监测装置、辅助交流电源漏电流检测保护装置等。这些仪器的应用可以轻松排除故障、随机记录油耗,节省人力、物力和时间。

  4.汽车应用

  单片机在汽车领域的专业应用已经较为成熟,汽车内部甚至就是多种单片机的组合。从点火系统、行车电脑、车内空调到倒车雷达、汽车导航再到安全气囊、防抱死系统、防盗系统等,都离不开单片机。未来汽车随着单片机的发展也将会越来越智能、越来越安全。

  (二)家庭应用

  1.家用电器

  家用电器是单片机应用最广泛的领域之一,它就像家用电器的智能大脑和心脏一样,电磁炉、电冰箱、洗衣机、电饭煲、电动窗帘等里面都有镶嵌的单片机。拿全自动洗衣机来说,在微处理器的实时控制下,它们可以轻松实现洗涤、烘干、除菌等功能的切换。

  2.智能家具

  智能家具是可以接收人们相关命令,经过判断后进行酌情处理的家庭用具,如德国等国家开发的智能书架、智能药品柜、智能沙发、智能桌子、智能婴儿床等等。本文以智能婴儿床为例来憧憬一下未来单片机的完美应用:床内灯光亮度适中,宝宝呼吸着经过智能床调节的绿色无污染空气,醒后婴儿床可以根据其哭声唤来家长或监护人,吃饱喝足后智能婴儿床可以跟宝宝进行简单的沟通,还可以根据宝宝的心情为宝宝播放调节心情的音乐,也可根据宝宝的身体成长速度调节床的长度和宽度。智能婴儿床更像是宝宝的朋友一样,陪伴宝宝的成长。

  (三)基于TcP/IP网络、无线网的应用

  TCP/IP协议应用比较广泛。在TCP/IP协议下,使用单片机TCP/IP协议栈进行数据传送,它们为用户提供了上层接口和下层接口。上层接口包括初始化协议栈和释放协议栈函数接口、提供API函数、接受连接、接收数据、被动关闭处理等功能。下层接口主要是TCP/IP和硬件的对接。另外,无线通信是通过电磁波来实现的,具有容易越过障碍、质量高、信号好的优势。无线通信的实现离不开集成度高、功率小的无线数传模块应用。

  (四)防盗应用

  防盗系统的应用越来越广泛,在工厂、路上、家庭、商场等很多地点都装有防盗系统,这些系统就是建立在单片机应用的基础上的,俗称“天眼”。通过它们的布置实施可以防护安全、管理治安、防贼防盗、抓捕案犯等。

单片机的发展趋势[2]

  1.CPU中央处理器的发展趋势

  CPU是单片机的核心,他的功能的发展与提高,势必会带动单片机的发展。作为单片机的数据处理功能模块,CPU中央处理器经过了多次的变革和改进,以不断的适应数据处理要求。一般在改进过程中,多是通过拓展总线宽度来实现。最初的单片机CPU的总线宽度为8位,之后逐渐演变为16位、32位,并仍然在不断地拓宽。当然,提高CPU数据处理能力的技术措施不单单有扩宽总线宽度这一种,还可以通过优化数据总线来实现。目前单片机内大多数为单CPU结构,未来单片机将会采用双CPU结构,以提高数据处理速度与能力,同时采用流水线结构,提高处理和运算速度,以适应实时控制和处理的需要。

  2.单片机微型化趋势

  微型化是单片机未来发展的主要趋势,因为其一般多应用在系统的各个独立模块中,若体积过大,则不但会增大设备功耗,还可能会影响其运行质量。因此必须要尽可能的缩小芯片的体积,并对其功能模块进行扩展,在缩小单片机体积的同时最大限度的保障单片机应用功能的综合性及低功耗优势得到有效实现。

  3.单片机低功耗下的半导体工艺

  早期的单片机如MCS一51系列的8031推出时的功耗达630MW,而现在的单片机普遍都在100MW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的许多单片机制造商都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

  4.单片机中存储器的发展趋势

  在单片机持续发展与优化的过程当中,闪速存储器应当成为单片机内部程序存储器的最主要选择。借助于电子技术所发挥的度持效用,闪速存储器能够在+5V模式下进行有效的读写操作。一方面保留了静态RAM随机存取数据存储器在读写操作方而的简便性优势,另一方面也使得即便是在整个运行环境出现掉电状态的情况下,存储器当中所存储的相关数据信息也不会发生丢失问题。单片机通过应用片内闪速存储器的方式,还能够有效简化整个运行系统的结构构成,同时对于提高单片机存储器容量而言同样有着重要的意义。

参考文献

  1. 王泽轩.浅谈单片机的应用与拓展[J].机电信息.2014,33
  2. 王永洪.探讨单片机的应用和发展趋势[J].中国新技术新产品.2014,20
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