單片機控制技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

1 單片機技術(shù)的發(fā)展特點 
  自單片機出現(xiàn)至今，單片機技術(shù)已走過了近20年的發(fā)展路程?？v觀20年來單片機發(fā) 
展歷程可以看出，單片機技術(shù)的發(fā)展以微處理器(MPU)技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā) 
展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動，表現(xiàn)出較微處理器更具個性的發(fā)展趨勢。 
單片機長壽命 這里所說的長壽命，一方面指用單片機開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作 
十年、二十年，另一方面是指與微處理器相比的長壽命。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展， 
MPU更新?lián)Q代的速度越來越快，以386、486、586為代表的MPU，很短的時間內(nèi)就被淘汰出 
局，而傳統(tǒng)的單片機如68HC05、8051等年齡已有15歲，產(chǎn)量仍是上升的。這一方面是由 
于其對相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的適應(yīng)性，另一方面是由于以該類CPU為核心，集成以更多I/O功能 
模塊的新單片機系列層出不窮?？梢灶A(yù)見，一些成功上市的相對年輕的CPU核心，也會隨 
著I/O功能模塊的不斷豐富，有著相當長的生存周期。新的CPU類型的加盟,使單片機隊伍 
不斷壯大,給用戶帶來了更多的選擇余地。 
    8位、16位、32位單片機共同發(fā)展 這是當前單片機技術(shù)發(fā)展的另一動向。長期以來，單 
片機技術(shù)的發(fā)展是以8位機為主的。隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品 
進入家庭，32位單片機應(yīng)用得到了長足發(fā)展。以Motorola 68K為CPU的32位單片機97年的 
銷售量達8千萬枚。過去認為由于8位單片機功能越來越強，32位機越來越便宜，使16位 
單片機生存空間有限，而16位單片機的發(fā)展無論從品種和產(chǎn)量方面，近年來都有較大幅 
度的增長。 
  單片機速度越來越快 MPU發(fā)展中表現(xiàn)出來的速度越來越快是以時鐘頻率越來越高為標志 
的。而單片機則有所不同，為提高單片機抗干擾能力，降低噪聲，降低時鐘頻率而不犧 
牲運算速度是單片機技術(shù)發(fā)展之追求。一些8051單片機兼容廠商改善了單片機的內(nèi)部時 
序，在不提高時鐘頻率的條件下，使運算速度提高了很多，Motorola單片機則使用了瑣 
相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)使內(nèi)部總線速度大大高于時鐘產(chǎn)生器的頻率。68HC08單片機使 
用4.9M外部振蕩器而內(nèi)部時鐘達32M，而M68K系列32位單片機使用32K的外部振蕩器頻率 
內(nèi)部時鐘可達16MHz以上。 
    低電壓與低功耗 自80年代中期以來，NMOS工藝單片機逐漸被CMOS工藝代替，功耗得以 
大幅度下降，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)由3μm工藝發(fā)展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.35 
近而實現(xiàn)0.2μm工藝，全靜態(tài)設(shè)計使時鐘頻率從直流到數(shù)十兆任選，都使功耗不斷下降 
。Motorola 最近推出任選的M.CORE 可在1.8V電壓下以50M/48MIPS全速工作，功率約為 
20mW。幾乎所有的單片機都有Wait、Stop等省電運行方式。允許使用的電源電壓范圍也 
越來越寬。一般單片機都能在3到6V范圍內(nèi)工作，對電池供電的單片機不再需要對電源采 
取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機電源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供電的單片 
機已經(jīng)問世。 [!--empirenews.page--]
    低噪聲與高可靠性技術(shù) 為提高單片機系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工 
作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片機商家在單片機內(nèi)部電路中采取 
了一些新的技術(shù)措施。如美國國家半導(dǎo)體NS的COP8單片機內(nèi)部增加了抗EMI電路，增強了 
“看門狗”的性能。Motorola也推出了低噪聲的LN系列單片機。 
   OTP與掩膜 OTP是一次性寫入的單片機。過去認為一個單片機產(chǎn)品的成熟是以投產(chǎn)掩膜 
型單片機為標志的。由于掩膜需要一定的生產(chǎn)周期，而OTP型單片機價格不斷下降，使得 
近年來直接使用OTP完成最終產(chǎn)品制造更為流行。它較之掩膜具有生產(chǎn)周期短、風險小的 
特點。近年來，OTP型單片機需量大幅度上揚，為適應(yīng)這種需求許多單片機都采用了在片 
編程技術(shù)(In System Programming)。未編程的OTP芯片可采用裸片Bonding技術(shù)或表面貼 
技術(shù)，先焊在印刷板上，然后通過單片機上引出的編程線、串行數(shù)據(jù)、時鐘線等對單片 
機編程。解決了批量寫OTP 芯片時容易出現(xiàn)的芯片與寫入器接觸不好的問題。使OTP的裸 
片得以廣泛使用，降低了產(chǎn)品的成本。編程線與I/O線共用，不增加單片機的額外引腳。 
而一些生產(chǎn)廠商推出的單片機不再有掩膜型，全部為有ISP功能的OTP。 
    MTP向OTP挑戰(zhàn) MTP是可多次編程的意思。一些單片機廠商以MTP的性能、OTP的價位推出 
他們的單片機，如ATMEL AVR單片機，片內(nèi)采用FLASH，可多次編程。華邦公司生產(chǎn)的與 
8051兼容的單片機也采用了MTP性能，OTP的價位。這些單片機都使用了ISP技術(shù)，等安裝 
到印刷線路板上以后再下載程序。 
 2 單片機的廣泛選擇 
    Motorola單片機 Motorola是世界上最大的單片機廠商。品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品 
多是其特點，在8位機方面有68HC05和升級產(chǎn)品68HC08，68HC05有三十多個系列，二百多 
個品種，產(chǎn)量已超過20億片。8位增強型單片機68HC11也有三十多個品種，年產(chǎn)量在1億 
片以上。升級產(chǎn)品有68HC12。16位機68HC16也有十多個品種。32位單片機的683XX系列也 
有幾十個品種。近年來，以PowerPC、Coldfire、M.CORE 等為CPU。將DSP做為輔助模塊 
集成的單片機也紛紛推出。目前仍是單片機的首選牌品。Motorola單片機特點之一是在 
同樣速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機 低很多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能 
力強,更適合用于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。Motorola 8位單片機過去的策略是以掩膜為主 
的，最近推出OTP計劃以適應(yīng)單片機發(fā)展新趨勢，在32位機上，M.CORE在性能和功耗方面 
都勝過ARM7。 
    Microchip單片機 Microship單片機是市場份額增長最快的單片機。它的主要產(chǎn)品是16 
C系列8位單片機，CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，僅33條指令，運行速度快，且以低價位著稱，一般 
單片機價格都在一美元以下。Microship單片機沒有掩膜產(chǎn)品，全部是OTP器件，Micros 
hip強調(diào)節(jié)約成本的最優(yōu)化設(shè)計，適于用量大、檔次低、價格敏感的產(chǎn)品

  Scenix單片機 Scenix單片機I/O模塊有新意 I/O模塊的集成與組合技術(shù)是單片機技術(shù) 
不可缺少的重要方面。除傳統(tǒng)的I/O功能模塊如并行I/O、URT、SPI、I2C、A/D、PWM、P 
LL、DTMF等，新的I/O模塊 不斷出現(xiàn)，如USB、 CAN、J1850，最具代表性的是Motorola 
 32位單片機，它集成了包括各種通訊協(xié)議在內(nèi)的I/O模塊，而Scenix單片機在I/O模塊的 
處理上引入了虛擬I/O的新概念。Scenix采用了RISC結(jié)構(gòu)的CPU，使CPU最高工作頻率達5 
0MHz。運算速度接近50 MIPS。有了強有力的CPU，各種I/O功能便可以用軟件的辦法模擬 
。單片機的封裝采用20/28引腳。公司提供各種I/O的 庫函數(shù)，用于實現(xiàn)各種I/O模塊的 
功能。這些用軟件完成的模塊包括多路UART、多路A/D、PWM、SPI、DTMF、FSK、LCD驅(qū)動 
等，這些都是通常用硬件實現(xiàn)起來也相當復(fù)雜的模塊。 
NEC單片機 NEC單片機自成體系，以8位單片機78K系列產(chǎn)量最高，也有16位、32位單片 
機。16位以上單片機采用內(nèi)部倍頻技術(shù)，以降低外時鐘頻率。有的單片機采用內(nèi)置操作 
系統(tǒng)。NEC的銷售策略著重于服務(wù)大客戶，并投入相當大的技術(shù)力量幫助大客戶開發(fā)產(chǎn)品 
。 東芝單片機 東芝單片機的特點是從4位機到64位機門類齊全。4位機在家電領(lǐng)域仍有較 
大的市場。8位機主要有870系列、90系列等，該類單片機允許使用慢模式，采用32K時鐘 
時功耗降至10μA數(shù)量級。CPU內(nèi)部多組寄存器的使用，使得中斷響應(yīng)與處理更加快捷。 
東芝的32位單片機采用MIPS 3000A RISC的CPU 結(jié)構(gòu)，面向VCD、數(shù)字相機、圖象處理等 
市場。 [!--empirenews.page--]
   富士通單片機 富士通也有8位、16位和32位單片機，但8位機使用的是16位機的CPU內(nèi)核 
。也就是說8位機與16機所用的指令相同，使得開發(fā)比較容易。8位單片機有著名的MB89 
00系列，16位機有MB90系列。富士通公司注重于服務(wù)大公司、大客戶，幫助大客戶開發(fā) 
產(chǎn)品。 
    Epson單片機 Epson公司以擅長制造液晶顯示器著稱，故Epson單片機主要為該公司生產(chǎn) 
的LCD配套。其單片機的特點是LCD驅(qū)動部分做得特別好。在低電壓、低功耗方面也很有 
特點。目前0.9V供電的單片機已經(jīng)上市，不久的將來，LCD顯示的手表類單片機將使用0 
.5V供電。 
    8051類單片機 最早由Intel公司推出的8051/31類單片機也是世界上用量最大的幾種單 
片機之一。由于Intel公司在嵌入式應(yīng)用方面將重點放在186、386、奔騰等與PC類兼容的 
高檔芯片的開發(fā)上，8051類單片機主要由Philips、三星、華邦等公司接產(chǎn)。這些公司都 
在保持與8051單片機兼容的基礎(chǔ)上改善了8051許多特性(如時序特性)。提高了速度、降 
低了時鐘頻率，放寬了電源電壓的動態(tài)范圍，降低了產(chǎn)品價格。 
   Zilog單片機 Z8單片機是Zilog公司的產(chǎn)品，采用多累加器結(jié)構(gòu)，有較強的中斷處理能 
力。產(chǎn)品為OTP型，Z8單片機的開發(fā)工具可稱價廉物美。Z8單片機以低價位的優(yōu)勢面向低 
端應(yīng)用，以18引腳封裝為主，ROM為0.5～2K。最近Zilog公司又推出了Z86系列單片機， 
該系列內(nèi)部可集成廉價的DSP單元。 
     NS單片機 COP8單片機是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，該公司以生產(chǎn)先進的模擬電路著 
稱。能生產(chǎn)高水平的數(shù)字模擬混合電路。COP8單片機片內(nèi)集成了16位A/D，這是單片機中 
不多見的。COP8單片機內(nèi)部使用了抗EMI電路，在看門狗電路以及STOP方式下單片機的喚 
醒方式上都有獨到之處。此外，COP8的程序加密控制也做得比較好。 
   三星單片機 三星單片機有KS51和KS57系列4位單片機，KS86和KS88系列8位單片機，KS 
17系列16位單片機和KS32、32位單片機。三星單片機為OTP型1SP在片編程功能。三星公 
司以生產(chǎn)存儲器芯片著稱，在存儲器市場供大于求的形勢下，涉足參與單片機的競爭。 
三星公司在單片機技術(shù)上以引進消化發(fā)達國家的技術(shù)、生產(chǎn)與之兼容的產(chǎn)品，然后以價 
格優(yōu)勢取勝。例如在4位機上采用NEC的技術(shù)，8位機上引進Zilog公司Z8的技術(shù)，在32位 
機上購買ARM7內(nèi)核，還有DEC的技術(shù)、東芝的技術(shù)等。其單片機裸片的價格相當有競爭力 
。 
     華邦單片機 華邦單片機屬8051類單片機，它們的W78系列與標準的8051兼容，W77系列 
位增強型51系列，對8051的時序作了改進。同樣時鐘頻率下速度提高2.5倍，F(xiàn)LASH容量 
從4K到64K，有ISP功能。在4位單片機方面華邦有921系列和帶LCD驅(qū)動的741系列。在32 
K機方面，華邦使用惠普公司PA－RISC單片機技術(shù)，生產(chǎn)低位的32位RISC單片機。 
3 結(jié)束語 
  以上提到的單片機廠商是進入中國市場的單片機廠商的一部分，還有很多著名的單 
片機制造商如三菱、日立、TI等本文沒有提到?？傮w上看，美國著名公司的單片機技術(shù) 
仍處在領(lǐng)先的地位，特別是在高端產(chǎn)品方面，高性能的單片機新產(chǎn)品不斷推出。而*** 
在單片機制造業(yè)方面有也相當?shù)膬?yōu)勢，也在積極爭奪家電產(chǎn)品的大客戶。韓國及我國臺 
灣省的一些公司在引進消化美國技術(shù)的基礎(chǔ)上，以低價位的兼容產(chǎn)品搶占中國市場。而 
至今還沒有一家中國大陸的公司能在如此浩大的單片機市場上占有一席之地，這不能不 
說是我國電子工業(yè)的悲哀。另一方面如此琳瑯滿目、讓人眼花繚亂的單片機品種，著實 
給單片機應(yīng)用的工程師提供了巨大的選擇空間。這么多種單片機能進入中國市場，這一 
實事就說明了我們的應(yīng)用工程師已經(jīng)能夠綜合各類單片機的性能、價格等方面的因素并 
結(jié)合應(yīng)用對象進行選擇。較過去以剖析、。復(fù)制外國產(chǎn)品為主的思路有了相當?shù)母倪M。 
隨著我國經(jīng)濟實力的增長，開發(fā)新產(chǎn)品的思路上過去那種過多注重價格因素而使新產(chǎn)品 
開發(fā)上不了檔次的弱點有所改善，開始注意使用當前最先進的單片機開發(fā)高檔次的產(chǎn)品 
。由于單片機的開發(fā)手段目前仍以仿真器為主，公司能否提供廉價的仿真器，提供方便 
的技術(shù)服務(wù)與培訓(xùn)，較之能否提供高性能、低價位的單片機有著同等的重要性。各單片 
機廠商在開發(fā)工具以及技術(shù)服務(wù)方面也進行著激烈的競爭。這種競爭與推出新型的單片 
機以顯示高技術(shù)方面的優(yōu)勢是相輔相成的。競爭的結(jié)果是為單片機應(yīng)用工程師提供更廣 
闊的選擇空間，而最終受益的是單片機產(chǎn)品的消費者，由于單片機對各行各業(yè)都有用， 
這種電子技術(shù)的進步導(dǎo)致各行各業(yè)的進步，也帶動了人類文明的進步。