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近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善，推動(dòng)了單片機(jī)的發(fā)展速度，也進(jìn)一步促進(jìn)了單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。作為微型控制器，單片機(jī)以其自身強(qiáng)大的功能特點(diǎn)獲得了人們的認(rèn)可，這也為其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬奠定了基礎(chǔ)。為了使人們對(duì)單片機(jī)有一個(gè)深入的了解和認(rèn)識(shí)，本文就單片機(jī)的原理及應(yīng)用進(jìn)行淺談。 1.單片機(jī)的原理 所謂的單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡稱，它是一種十分典型的嵌入式微控制器，即MCU。從技術(shù)層面看，單片機(jī)并不是完成某個(gè)簡單或復(fù)雜邏輯功能的芯片，實(shí)質(zhì)上它是將一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，這是完全不同的兩個(gè)概念。與普通的計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)唯獨(dú)缺少的就是外圍設(shè)備，總體來講，每一個(gè)單片機(jī)都可以是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。由于其具有體積小、質(zhì)量輕、價(jià)值低等優(yōu)點(diǎn)，從而使其被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。單片機(jī)剛剛被研制出來的時(shí)候，基本都是8位或是4位，其中最具代表性的要屬INTEL研制開發(fā)的8051系列單片機(jī)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了MCS51 系列單片機(jī)，其基本原理如圖1所示。 圖1 MCS5系列單片機(jī)原理圖 現(xiàn)如今，人們生活中所用的每一件電子類產(chǎn)品幾乎都有單片機(jī)的身影，如手機(jī)、家用電器等等，同時(shí)，汽車以及復(fù)雜的工業(yè)控制中，單片機(jī)也成為不可或缺的重要組成部分之一，部分大型的工控系統(tǒng)中有時(shí)會(huì)有上百個(gè)單片機(jī)同時(shí)運(yùn)行。由此可見，單片機(jī)的使用量現(xiàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了PC機(jī)和其它計(jì)算機(jī)。 1.1 單片機(jī)的構(gòu)成 想要進(jìn)一步了解單片機(jī)的原理，就必須對(duì)其各個(gè)組成部分有所了解。目前，常見的單片機(jī)絕大多數(shù)都是由以下幾個(gè)部分構(gòu)成： 1.1.1 運(yùn)算器。可將單片機(jī)中的運(yùn)算器視作為執(zhí)行單元，其主要負(fù)責(zé)執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算，同時(shí)可以進(jìn)行相關(guān)的邏輯測(cè)試，如零值測(cè)試等。運(yùn)算器主要是通過接收來自于控制器發(fā)出的各種控制信號(hào)來完成相關(guān)執(zhí)行操作的。通常一個(gè)算術(shù)操作會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，而一個(gè)邏輯操作則會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)判決。 1.1.2 控制器。可將其視作為單片機(jī)中的控制單元，其主要作用是指揮與協(xié)調(diào)。具體負(fù)責(zé)指揮并控制CPU、內(nèi)存以及輸入輸出設(shè)備間的數(shù)據(jù)流方向，通過接口電路可以與外部設(shè)備相連接。 1.1.3 寄存器。這是單片機(jī)的存儲(chǔ)單元，主要由以下幾個(gè)部分組成：累加器、數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、程序計(jì)數(shù)器、地址寄存器。通常情況下，單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，CPU需要向存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)需要用到數(shù)據(jù)寄存器和地址寄存器。 本文下一頁：單片機(jī)的特點(diǎn)/應(yīng)用領(lǐng)域 1.2 單片機(jī)的特點(diǎn) 雖然單片機(jī)只是一塊體積較小的芯片，但是它卻有著普通微型計(jì)算機(jī)無法比擬的優(yōu)越性，這主要是單片機(jī)自身的特點(diǎn)決定的。 1.2.1 RAM與ROM分工明確。RAM是單片機(jī)當(dāng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其主要負(fù)責(zé)變量的存放，而ROM 是程序存儲(chǔ)器，其中不存放任何變量，只存儲(chǔ)各種程序、常數(shù)以及數(shù)據(jù)表格。由此可見，兩者同為存儲(chǔ)器卻有著明確的分工，互不干擾、獨(dú)立運(yùn)作，這使得單片機(jī)的整體性能顯著提高。 1.2.2 面向指令控制。為了充分滿足各種控制功能的實(shí)際需要，單片機(jī)的邏輯控制能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于等級(jí)相同的CPU，尤其是單片機(jī)本身的處理能力更強(qiáng)、運(yùn)行速度也更快，能夠完成各種復(fù)雜的處理和控制。 1.2.3 多功能的I/O引腳。這是單片機(jī)獨(dú)有的特點(diǎn)，其多功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：可用作外部中斷、作為PPG 的輸出口、A/D的輸入口等等。 1.2.4 可擴(kuò)展性強(qiáng)。單片機(jī)的系統(tǒng)相對(duì)比較齊全，并且具有較強(qiáng)的功能擴(kuò)展性，能夠與各類微機(jī)接口芯片兼容，這為相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了便利條件。 1.2.5 通用性強(qiáng)。單片機(jī)的應(yīng)用具有較強(qiáng)的通用性。目前，一般都是將單片機(jī)作為控制器使用，雖然控制對(duì)象有所區(qū)別，但是單片機(jī)的控制功能卻是通用的，其能夠像微處理器一樣被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。 1.2.6 單片機(jī)是目前為止功能部件最齊全、體積最小的微型計(jì)算機(jī)，并且它的可靠性非常高，能夠滿足多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。不僅如此，單片機(jī)的使用非常方便，響應(yīng)速度較快，性價(jià)比超高。 1.3 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)作為一種高科技產(chǎn)品，其現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，并且在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，單片機(jī)都發(fā)揮著非常重要的作用。目前，單片機(jī)應(yīng)用較多的領(lǐng)域主要包括智能儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、網(wǎng)絡(luò)通信、模塊化系統(tǒng)、航空航天、汽車制造、電力電子等等。 本文下一頁：單片機(jī)的應(yīng)用研究 2. 單片機(jī)的應(yīng)用研究 上文中對(duì)單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行介紹，這使我們對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用有了一個(gè)初步的了解。而對(duì)單片機(jī)應(yīng)用的研究，并不是僅僅基于某個(gè)領(lǐng)域，而是要從應(yīng)用系統(tǒng)的角度進(jìn)行研究。下面重點(diǎn)對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)展開詳細(xì)論述。 2.1 主機(jī)電路 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)屬于一種新型的人工智能系統(tǒng)，其主要是以軟件控制、綜合運(yùn)算與分析為主的應(yīng)用型系統(tǒng)。在該系統(tǒng)當(dāng)中，主機(jī)電路為核心部分，也是整個(gè)系統(tǒng)的主控部件，其一般都是由單片機(jī)與擴(kuò)展電路兩個(gè)部分組成。 2.1.1 擴(kuò)展芯片。在對(duì)主機(jī)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，芯片的選擇至關(guān)重要，應(yīng)當(dāng)依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求進(jìn)行選擇，芯片確定之后，應(yīng)當(dāng)將之與單片機(jī)進(jìn)行正確連接。 2.1.2 單片機(jī)。在應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中，單片機(jī)為主控部件，其質(zhì)量與性能直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的使用效果。在對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分析之后，便可以確定單片機(jī)的具體機(jī)型，同時(shí)按照系統(tǒng)要求的分辨率、準(zhǔn)確度以及程序的容量等指標(biāo)確定單片機(jī)的位數(shù)及其容量。 2.1.3 擴(kuò)展電路。它的主要作用是增加主機(jī)電路的容量以及I/O接口數(shù)。大體上可將擴(kuò)展分為兩個(gè)部分，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展和程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。在進(jìn)行擴(kuò)展的過程中，可以利用估算的方法估計(jì)被控?cái)?shù)據(jù)的容量以及軟件程序的大小，并以此作為選擇芯片的主要依據(jù)。需要注意的是，在選擇存儲(chǔ)器時(shí)必須留有足夠的余量，這是因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行以及數(shù)據(jù)輸入和輸出時(shí)全部都需要占用一定的內(nèi)存。 2.2 過程通道 這是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)控制的關(guān)鍵部分。通常情況下，過程通道主要是由兩大部分組成，即輸入和輸出通道。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)控制的外部對(duì)象的狀態(tài)信息全部都是經(jīng)由輸入通道傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)，并成為它的數(shù)據(jù)，隨后單片機(jī)按照相應(yīng)的程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，再經(jīng)由輸出通道傳輸給外部控制元件，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)外部對(duì)象的控制。根據(jù)被控制對(duì)象的不同，大體上又可將過程通道分為以下兩種：一種是模擬量通道，它是主機(jī)對(duì)模擬量信號(hào)的控制通道；另一種是開關(guān)型通道，它是主機(jī)對(duì)數(shù)字量信號(hào)的控制通道。這兩種通道的結(jié)構(gòu)存在較大的差異，在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。 2.3 接口技術(shù) 為了使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的智能化特點(diǎn)得以充分體現(xiàn)，便需要通過人機(jī)接口或是通信接口與系統(tǒng)進(jìn)行連接，以此來實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)的智能控制。人機(jī)接口用于單片機(jī)系統(tǒng)與操作者之間進(jìn)行信息交流，人機(jī)聯(lián)系部件包括顯示器、掃描儀、鍵盤、打印機(jī)等。單片機(jī)可以在接受人工操作命令的同時(shí)，將處理結(jié)果直觀地展示給操作者，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作智能化；通信接口和數(shù)據(jù)總線負(fù)責(zé)多個(gè)單片機(jī)之間、單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、單片機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。合理選擇通信接口和數(shù)據(jù)總線是確保數(shù)據(jù)通信的重要基礎(chǔ)，通信接口主要分為并行和串行通信接口，在單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信一般選用串行通信。 2.4 控制軟件 如果說主機(jī)電路是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的核心，那么控制軟件就是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂之所在，軟件程序的優(yōu)劣將會(huì)直接影響到系統(tǒng)的使用功能、參數(shù)指標(biāo)等。這就要求在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)階段必須對(duì)軟件程序進(jìn)行優(yōu)化，除了應(yīng)當(dāng)使軟件程序滿足系統(tǒng)的要求之外，還必須做到操作簡單、速度快、內(nèi)存占用少。目前，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件程序一般采用的都是模塊化設(shè)計(jì)，在具體設(shè)計(jì)的過程中，需要重點(diǎn)考慮以下內(nèi)容：主控程序模塊，初始化程序模塊、輸入/ 輸出程序模塊以及功能模塊等等。 本文下一頁：單片機(jī)未來的發(fā)展方向 3. 單片機(jī)未來的發(fā)展方向 3.1 微型單片化 目前，常規(guī)單片機(jī)一般是將CPU、RAM、ROM、中斷系統(tǒng)、并行和串行接口、時(shí)鐘電路、定時(shí)電路等集成在單一芯片上。對(duì)于增強(qiáng)型單片機(jī)而言，不僅集成了常規(guī)單片機(jī)的單元，而且還集成了A/D 轉(zhuǎn)換器、看門狗（WDT）、脈寬調(diào)制器（PMW）、液晶（LCD）驅(qū)動(dòng)電路等，極大地豐富了單元電路，增加了功能。隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)廠商可以根據(jù)用戶的需求為其量身定做單片機(jī)芯片，滿足用戶對(duì)單片機(jī)低功耗、小體積、強(qiáng)功能的要求。不同單片機(jī)擁有不同的封裝形式，其中表面封裝（SMD）越來越受到用戶歡迎，推動(dòng)了單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)向微型化發(fā)展。 3.2 容量大、性能強(qiáng) 傳統(tǒng)單片機(jī)內(nèi)的RAM為64-128B，ROM為1KB-4KB，如果將其運(yùn)用到較為復(fù)雜控制系統(tǒng)中，其存儲(chǔ)容量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的，此時(shí)還需外接擴(kuò)充。為了滿足單片機(jī)在復(fù)雜控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，必須運(yùn)用新工藝擴(kuò)大單片機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器容量。現(xiàn)階段，單片機(jī)內(nèi)RAM 可達(dá)到2KB，ROM 可達(dá)到64KB。除此之外，單片機(jī)還可以改善CPU 的性能，提高指令運(yùn)算速度和系統(tǒng)控制的可靠性。單片機(jī)可采用流水線技術(shù)和精簡指令集，提升其自身的運(yùn)行速度，當(dāng)前最高指令速度已經(jīng)達(dá)到100MIPS 以上，并且具備位處理、定時(shí)控制、中斷等功能。相比較標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)而言，該類型單片機(jī)的運(yùn)算速度提升10 倍以上。在如此高速的指令速度下，單片機(jī)可使用軟件模擬I/O 功能，增加虛擬外設(shè)。 3.3 外圍電路內(nèi)裝化 隨著集成技術(shù)的發(fā)展，將多種功能器件集成在單片機(jī)內(nèi)，使其外圍電路內(nèi)裝化，已經(jīng)成為單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)之一。單片機(jī)不僅可集成CPU、RAM、ROM、計(jì)數(shù)器等，還可以集成A/D、串行口、PWM、EEPROM、LCD驅(qū)動(dòng)器等多功能單元。 3.4 功耗低 單片機(jī)功耗已經(jīng)達(dá)到了1uA 以下，使電壓范圍拓寬在3~6V 之間，僅用電池就可以滿足其能耗需求。在單片機(jī)達(dá)到低功耗化的同時(shí)，還可提高其可靠性、抗干擾能力，使單片機(jī)更為低電壓化、便攜化。現(xiàn)在的單片機(jī)均具備STOP、WAIT 等省電運(yùn)行方式，允許使用的電壓范圍也在不斷拓寬，尤其對(duì)于低電壓供電的單片機(jī)而言，其電源下限可達(dá)1~2V，甚至出現(xiàn)了0.8V。為了使單片機(jī)具備更高的可靠性，實(shí)現(xiàn)噪聲最小化，增強(qiáng)抗電磁干擾能力，單片機(jī)廠商在單片機(jī)內(nèi)部電路上采用了新的技術(shù)措施，以確保單片機(jī)可在惡劣的工作環(huán)境下，滿足電磁兼容性方面的更高工作要求。 結(jié)論： 總而言之，自單片機(jī)問世以來，其便被應(yīng)用于生產(chǎn)和生活當(dāng)中，隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)如今的單片機(jī)性能越來越強(qiáng)大，這使其在一些重要領(lǐng)域內(nèi)獲得了應(yīng)用，如工業(yè)控制、航天機(jī)電等等，這也預(yù)示著單片機(jī)將會(huì)在不久的將來逐步滲透到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。 |
