單片機(jī)控制技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

1 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn) 
  自單片機(jī)出現(xiàn)至今，單片機(jī)技術(shù)已走過了近20年的發(fā)展路程?？v觀20年來單片機(jī)發(fā) 
展歷程可以看出，單片機(jī)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(jī)長壽命 這里所說的長壽命，一方面指用單片機(jī)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(jī)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(jī)系列層出不窮。可以預(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(dāng)長的生存周期。新的CPU類型的加盟,使單片機(jī)隊(duì)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(jī)共同發(fā)展 這是當(dāng)前單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的另一動向。長期以來，單 
片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是以8位機(jī)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(jìn)入家庭，32位單片機(jī)應(yīng)用得到了長足發(fā)展。以Motorola 68K為CPU的32位單片機(jī)97年的 
銷售量達(dá)8千萬枚。過去認(rèn)為由于8位單片機(jī)功能越來越強(qiáng)，32位機(jī)越來越便宜，使16位 
單片機(jī)生存空間有限，而16位單片機(jī)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(jī)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(biāo)志 
的。而單片機(jī)則有所不同，為提高單片機(jī)抗干擾能力，降低噪聲，降低時鐘頻率而不犧 
牲運(yùn)算速度是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展之追求。一些8051單片機(jī)兼容廠商改善了單片機(jī)的內(nèi)部時 
序，在不提高時鐘頻率的條件下，使運(yùn)算速度提高了很多，Motorola單片機(jī)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(jī)使 
用4.9M外部振蕩器而內(nèi)部時鐘達(dá)32M，而M68K系列32位單片機(jī)使用32K的外部振蕩器頻率 
內(nèi)部時鐘可達(dá)16MHz以上。 
    低電壓與低功耗 自80年代中期以來，NMOS工藝單片機(jī)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(shí)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(jī)都有Wait、Stop等省電運(yùn)行方式。允許使用的電源電壓范圍也 
越來越寬。一般單片機(jī)都能在3到6V范圍內(nèi)工作，對電池供電的單片機(jī)不再需要對電源采 
取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供電的單片 
機(jī)已經(jīng)問世。 [!--empirenews.page--]
    低噪聲與高可靠性技術(shù) 為提高單片機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片機(jī)商家在單片機(jī)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(jī)內(nèi)部增加了抗EMI電路，增強(qiáng)了 
“看門狗”的性能。Motorola也推出了低噪聲的LN系列單片機(jī)。 
   OTP與掩膜 OTP是一次性寫入的單片機(jī)。過去認(rèn)為一個單片機(jī)產(chǎn)品的成熟是以投產(chǎn)掩膜 
型單片機(jī)為標(biāo)志的。由于掩膜需要一定的生產(chǎn)周期，而OTP型單片機(jī)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(fēng)險小的 
特點(diǎn)。近年來，OTP型單片機(jī)需量大幅度上揚(yáng)，為適應(yīng)這種需求許多單片機(jī)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(jī)上引出的編程線、串行數(shù)據(jù)、時鐘線等對單片 
機(jī)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(jī)的額外引腳。 
而一些生產(chǎn)廠商推出的單片機(jī)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(jī)廠商以MTP的性能、OTP的價位推出 
他們的單片機(jī)，如ATMEL AVR單片機(jī)，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(jī)也采用了MTP性能，OTP的價位。這些單片機(jī)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(jī)的廣泛選擇 
    Motorola單片機(jī) Motorola是世界上最大的單片機(jī)廠商。品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品 
多是其特點(diǎn)，在8位機(jī)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(qiáng)型單片機(jī)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(jī)68HC16也有十多個品種。32位單片機(jī)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(jī)也紛紛推出。目前仍是單片機(jī)的首選牌品。Motorola單片機(jī)特點(diǎn)之一是在 
同樣速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機(jī) 低很多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能 
力強(qiáng),更適合用于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。Motorola 8位單片機(jī)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(jī)發(fā)展新趨勢，在32位機(jī)上，M.CORE在性能和功耗方面 
都勝過ARM7。 
    Microchip單片機(jī) Microship單片機(jī)是市場份額增長最快的單片機(jī)。它的主要產(chǎn)品是16 
C系列8位單片機(jī)，CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，僅33條指令，運(yùn)行速度快，且以低價位著稱，一般 
單片機(jī)價格都在一美元以下。Microship單片機(jī)沒有掩膜產(chǎn)品，全部是OTP器件，Micros 
hip強(qiáng)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(jī) Scenix單片機(jī)I/O模塊有新意 I/O模塊的集成與組合技術(shù)是單片機(jī)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(jī)，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(jī)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(dá)5 
0MHz。運(yùn)算速度接近50 MIPS。有了強(qiáng)有力的CPU，各種I/O功能便可以用軟件的辦法模擬 
。單片機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)起來也相當(dāng)復(fù)雜的模塊。 
NEC單片機(jī) NEC單片機(jī)自成體系，以8位單片機(jī)78K系列產(chǎn)量最高，也有16位、32位單片 
機(jī)。16位以上單片機(jī)采用內(nèi)部倍頻技術(shù)，以降低外時鐘頻率。有的單片機(jī)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(dāng)大的技術(shù)力量幫助大客戶開發(fā)產(chǎn)品 
。 東芝單片機(jī) 東芝單片機(jī)的特點(diǎn)是從4位機(jī)到64位機(jī)門類齊全。4位機(jī)在家電領(lǐng)域仍有較 
大的市場。8位機(jī)主要有870系列、90系列等，該類單片機(jī)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(jī)采用MIPS 3000A RISC的CPU 結(jié)構(gòu)，面向VCD、數(shù)字相機(jī)、圖象處理等 
市場。 [!--empirenews.page--]
   富士通單片機(jī) 富士通也有8位、16位和32位單片機(jī)，但8位機(jī)使用的是16位機(jī)的CPU內(nèi)核 
。也就是說8位機(jī)與16機(jī)所用的指令相同，使得開發(fā)比較容易。8位單片機(jī)有著名的MB89 
00系列，16位機(jī)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(jī) Epson公司以擅長制造液晶顯示器著稱，故Epson單片機(jī)主要為該公司生產(chǎn) 
的LCD配套。其單片機(jī)的特點(diǎn)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(diǎn)。目前0.9V供電的單片機(jī)已經(jīng)上市，不久的將來，LCD顯示的手表類單片機(jī)將使用0 
.5V供電。 
    8051類單片機(jī) 最早由Intel公司推出的8051/31類單片機(jī)也是世界上用量最大的幾種單 
片機(jī)之一。由于Intel公司在嵌入式應(yīng)用方面將重點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī) Z8單片機(jī)是Zilog公司的產(chǎn)品，采用多累加器結(jié)構(gòu)，有較強(qiáng)的中斷處理能 
力。產(chǎn)品為OTP型，Z8單片機(jī)的開發(fā)工具可稱價廉物美。Z8單片機(jī)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(jī)， 
該系列內(nèi)部可集成廉價的DSP單元。 
     NS單片機(jī) COP8單片機(jī)是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，該公司以生產(chǎn)先進(jìn)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(jī)片內(nèi)集成了16位A/D，這是單片機(jī)中 
不多見的。COP8單片機(jī)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(jī)的喚 
醒方式上都有獨(dú)到之處。此外，COP8的程序加密控制也做得比較好。 
   三星單片機(jī) 三星單片機(jī)有KS51和KS57系列4位單片機(jī)，KS86和KS88系列8位單片機(jī)，KS 
17系列16位單片機(jī)和KS32、32位單片機(jī)。三星單片機(jī)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(jī)的競爭。 
三星公司在單片機(jī)技術(shù)上以引進(jìn)消化發(fā)達(dá)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(jī)上采用NEC的技術(shù)，8位機(jī)上引進(jìn)Zilog公司Z8的技術(shù)，在32位 
機(jī)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(jī)裸片的價格相當(dāng)有競爭力 
。 
     華邦單片機(jī) 華邦單片機(jī)屬8051類單片機(jī)，它們的W78系列與標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容，W77系列 
位增強(qiáng)型51系列，對8051的時序作了改進(jìn)。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(jī)方面華邦有921系列和帶LCD驅(qū)動的741系列。在32 
K機(jī)方面，華邦使用惠普公司PA－RISC單片機(jī)技術(shù)，生產(chǎn)低位的32位RISC單片機(jī)。 
3 結(jié)束語 
  以上提到的單片機(jī)廠商是進(jìn)入中國市場的單片機(jī)廠商的一部分，還有很多著名的單 
片機(jī)制造商如三菱、日立、TI等本文沒有提到。總體上看，美國著名公司的單片機(jī)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(jī)新產(chǎn)品不斷推出。而*** 
在單片機(jī)制造業(yè)方面有也相當(dāng)?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(jìn)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(jī)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(jī)品種，著實(shí) 
給單片機(jī)應(yīng)用的工程師提供了巨大的選擇空間。這么多種單片機(jī)能進(jìn)入中國市場，這一 
實(shí)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(jī)的性能、價格等方面的因素并 
結(jié)合應(yīng)用對象進(jìn)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(dāng)?shù)母倪M(jìn)。 
隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)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(diǎn)有所改善，開始注意使用當(dāng)前最先進(jìn)的單片機(jī)開發(fā)高檔次的產(chǎn)品 
。由于單片機(jī)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(jī)有著同等的重要性。各單片 
機(jī)廠商在開發(fā)工具以及技術(shù)服務(wù)方面也進(jìn)行著激烈的競爭。這種競爭與推出新型的單片 
機(jī)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(jī)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(jī)產(chǎn)品的消費(fèi)者，由于單片機(jī)對各行各業(yè)都有用， 
這種電子技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致各行各業(yè)的進(jìn)步，也帶動了人類文明的進(jìn)步。