MCU基本技術原理及應用方案集錦

　　一、單片機與單片微計算機系統(tǒng)

　　計算機系統(tǒng)已明顯地朝巨型化、單片化、網(wǎng)絡化三個方向發(fā)展。巨型化發(fā)展的目的在于不斷提高計算機的運算速度和處理能力，以解決復雜系統(tǒng)計算和高速數(shù)據(jù)處理，比如系統(tǒng)仿真和模擬、實時運算和處理。單片化就是把計算機系統(tǒng)盡可能集成在一塊半導體芯片上，其目的在于計算機微型化和提高系統(tǒng)的可靠性，通常把這種單片計算機簡稱單片機。準確而言，單片機（單片微型計算機）實際上是一種將CPU（中央處理器）、存儲器和輸入輸出接口集成在一個芯片中的微型計算機。單片機的內(nèi)部硬件結構和指令系統(tǒng)主要是針對自動控制應用而設計的，所以單片機又稱微控制器mcu（MicroController Unit），又由于用它可以很容易地將計算機嵌入到各種儀器和現(xiàn)場控制設備中，因此單片機也叫嵌入式微控制器（Embedded MCU）。

　　單片機要進行工作，必須構成單片機系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)實質(zhì)上就是一個微計算機系統(tǒng)，它主要由硬件和軟件兩大部分組成，硬件是指構成計算機系統(tǒng)的所有電子、機械和磁性的部件或設備，軟件則是各種程序及數(shù)據(jù)的總稱。圖1給出單片微計算機系統(tǒng)的具體構成。

　　二、單片機發(fā)展概述

　　單片機出現(xiàn)的歷史并不長，但發(fā)展十分迅猛。 它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步，自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來，它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個階段。下面以Intel公司的單片機發(fā)展為代表加以介紹。

　　第1階段（1971～1976）： 單片機發(fā)展的初級階段。 1971年11月Intel公司首先設計出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel 4004， 并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 構成了第一臺MCS—4微處理器， 而后又推出了8位微處理器Intel 8008， 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。

　　第2階段（1976～1980）：低性能單片機階段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列為代表， 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時/計數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導體芯片上的單片結構， 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）， 也沒有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中斷系統(tǒng)也較簡單， 但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。

　　第3階段（1980～1983）：高性能單片機階段。 這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串行口， 有多級中斷處理系統(tǒng)， 多個16位定時器/計數(shù)器。片內(nèi)RAM、 ROM的容量加大，且尋址范圍可達64 KB，個別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。

　　第4階段（1983～80年代末）： 16位單片機階段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機MCS－96系列， 由于其采用了最新的制造工藝， 使芯片集成度高達12萬只晶體管/片。

　　第5階段（1990年代）：單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發(fā)展。

　　按照單片機的特點，單片機的應用分為單機應用與多機應用。在一個應用系統(tǒng)中，只使用一片單片機稱為單機應用。單片機的單機應用的范圍包括：

　?。?） 測控系統(tǒng)。 用單片機可以構成各種不太復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等， 達到測量與控制的目的。

　　（2） 智能儀表。 用單片機改造原有的測量、控制儀表， 促進儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化方向發(fā)展。

　?。?） 機電一體化產(chǎn)品。單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品相結合， 使傳統(tǒng)機械產(chǎn)品結構簡化， 控制智能化。

　?。?） 智能接口。 在計算機控制系統(tǒng)， 特別是在較大型的工業(yè)測、控系統(tǒng)中， 用單片機進行接口的控制與管理， 加之單片機與主機的并行工作， 大大提高了系統(tǒng)的運行速度。

　?。?） 智能民用產(chǎn)品。 如在家用電器、玩具、游戲機、聲像設備、電子秤、收銀機、辦公設備、廚房設備等許多產(chǎn)品中， 單片機控制器的引入， 不僅使產(chǎn)品的功能大大增強， 性能得到提高， 而且獲得了良好的使用效果。

　　單片機的多機應用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、并行多機處理及局部網(wǎng)絡系統(tǒng)。

　?。?） 功能集散系統(tǒng)。 多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設置的多機系統(tǒng)。

　　（2） 并行多機控制系統(tǒng)。 并行多機控制系統(tǒng)主要解決工程應用系統(tǒng)的快速性問題， 以便構成大型實時工程應用系統(tǒng)。

　?。?） 局部網(wǎng)絡系統(tǒng)。

　　二、常用單片機系列

　　1．8051系列單片機

　　Intel公司于1980年推出8位的高性能8051單片機，在工業(yè)控制領域引起不小的轟動，并迅速確立了其不可動搖的地位。之后不久，Intel公司徹 底開放了8051單片機的技術，引來世界上很多半導體廠商加入了開發(fā)和改造8051單片機的行列中，這其中貢獻最大的有Philipe公司，它著力發(fā)展了 單片機的控制功能和外圍單元；Atmel公司，它在單片機內(nèi)部植入了Flash ROM，使得單片機應用變得更靈活，在我國擁有大量的用戶；ADI公司，它推出的AduC8 xx系列單片機，在單片機向SOC發(fā)展的模/數(shù)混合集成電路發(fā)展過程中扮演了很重要的角色；Cygnai公司，它采用一種全新的流水線設計思路，使單片機 的運算速度得到了極大的提高，在向SOC發(fā)展的過程中邁出了一大步。

　　目前8051系列單片機各生產(chǎn)廠商的主流產(chǎn)品有幾十個系列，幾百個品種。盡管其各具特色，名稱各異，但作為集CPU、RAM、ROM（或EPROM）、 I/O接口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)為一體的單片機，其原理大同小異。現(xiàn)以Intel公司的系列產(chǎn)品為例，說明其各系列之間的區(qū)別。

　　Intel公司從其生產(chǎn)單片機開始，發(fā)展到現(xiàn)在，大體上可分為3大系列： MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。該3大系列的性能簡介見表1。

　　表1 Intel單片機系列性能簡介

　　這里，我們僅對MCS-51系列作一簡要介紹。MCS-51系列單片機雖已有10多種產(chǎn)品，但可分為兩大系列：MCS-51子系列與MCS-52子 系列。 MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三種類型。而MCS-52子系列也有3種類型8032、8052、8752。各子系列配置見表1.2所示。

　　表1.2中列出了MCS-51系列單片機的兩個子系列，在4個性能上略有差異。 由此可見，在本子系列內(nèi)各類芯片的主要區(qū)別在于片內(nèi)有無ROM或EPROM；MCS-51與MCS-52子系列間所不同的是片內(nèi)程序存儲器ROM從4 KB增至8 KB；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器由128個字節(jié)增至256個字節(jié)；定時器/計數(shù)器增加了一個；中斷源增加了1～2個。另外，對于制造工藝為CHMOS的單片機，由于采用 CMOS技術制造，因此具有低功耗的特點，如8051功耗約為630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。

　　2．其它單片機

　　當很多公司在改造MCS-51系列單片機的同時，世界上一些有影響力的大公司也在開發(fā)自己的單片機，比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。這些單片機的指令系統(tǒng)和內(nèi)部結構都和MCS-51系列單片機不同，功能也各有千秋。

　?。?）Motorola的單片機

　　Motorola是世界上最早開發(fā)單片機的著名廠商，是目前全球最大的8位單片機生產(chǎn)商?，F(xiàn)在已經(jīng)擁有8位、16位和32位約十幾個系列的單片機，這其中 8位機主要有68HC05、68HC08和68HC11等3個系列；16位機主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16等4個系 列；32位機主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola單片機的功能一般都很強，進入我國的時間也很早，在單片機應用領域有很高的威望，但由于其開發(fā)工具價格較高，影響了普及率。

　?。?）Microchip公司的PIC單片機

　　Microchip公司是當今世界上第二大8位單片機生產(chǎn)商，Microchip單片機在我國也有比較多的用戶，近幾年隨著Microchip不斷推出頗 具特色的各型單片機，Microchip已越來越受到業(yè)界的廣泛關注。目前，市面上比較常見的單片機主要有以下3個系 列：PIC12C5xxx/16C5x系列，這兩個系列的單片機是PIC單片機中的低端產(chǎn)品，其中PIC16C5x系列是最早在市場上得到發(fā)展的系列，因其價格較低，且有較完善的開發(fā)手段，因此在國內(nèi)應用最為廣泛；而PIC12C5xx是世界上第一個8腳低價位單片機，可用于一些對單片機體積要求較高的簡 單智能控制領域，前景十分廣闊。PIC12C6xx/ PIC16Cxxx系列是PIC中檔產(chǎn)品，是Microchip近年來重點發(fā)展的系列產(chǎn)品，品種最為豐富，其性能比低檔產(chǎn)品有所提高，指令周期可達到 200ns，增加了中斷功能、帶A/D、內(nèi)部E2PROM數(shù)據(jù)存儲器、雙時鐘工作、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、異步串行通信 （USART）、模擬電壓比較器及LCD驅(qū)動等，其封裝從8腳到68腳，可用于高、中、低檔的電子產(chǎn)品設計中，適合于高級復雜系統(tǒng)的開發(fā)，其性能在中檔位單片機的基礎上增加了硬件乘法器，指令周期可達成160ns，它是目前世界上8位單片機中性價比最高的機種之一，可用于高、中檔產(chǎn)品的開發(fā)，如馬達控制、音調(diào)合成。

　　（3）TI（Texas Instruments）公司的MSP430單片機

　　TI公司是聞名全球的DSP制造商，但其前幾年才推出的MSP430系列16位單片機同樣在業(yè)界掀起不小的波瀾。MSP430系列單片機最突出的特點是低電壓供電和超低功耗，非常適合應用于采用電池長時間工作的場合。電壓范圍為1.8~3.6V；在1MHZ2.2V下，活動模式功耗為225μA，待機模式 功耗為0.8μA、掉電模式功耗為0.1μA。在這個系列中有很多個型號，它們是由一些基本功能模塊按照不同的應用目標組合而成的。MSP430系列單片 機的CPU采用16位RISC精簡指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高代碼效率；它采用數(shù)字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到 喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于6μs；內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，工業(yè)應用方便；其中MSP430x41x系列設計有一個16位定時器、一個比較器、96段LCD 液晶驅(qū)動器和48個通用I/O口。

　　下面介紹MCU的應用案例及參考設計。

　　描述

　　TI 的藍牙 + MSP430 音頻散熱器參考設計可供客戶用于創(chuàng)建各種低端、低功耗音頻解決方案的應用。一些可能的應用 - 玩具、低端藍牙揚聲器、音頻播放配件。此參考設計是一種經(jīng)濟實惠的音頻實施方案，通過參考其提供的完整設計文件，您可以將重心轉(zhuǎn)移到應用和最終產(chǎn)品開發(fā)工 作上。此參考設計支持的軟件包括 Stonestreet One Bluetopia 藍牙堆棧（經(jīng)過認證且免專利費）。

　　藍牙和MSP430 音頻信宿參考設計

　　特性

　　憑借最低成本、最低功耗的 MSP430F5229 實現(xiàn)藍牙音頻功能（SBC 編碼/解碼）

　　設計中將音頻處理任務從 MCU 轉(zhuǎn)移到藍牙器件，從而實現(xiàn)低功耗音頻

　　這種經(jīng)濟高效的低端無線音頻解決方案，采用 4 層布局和 QFN 封裝

　　此解決方案的內(nèi)核是 TI 的 CC2564，此內(nèi)核擁有一流藍牙性能（+12dBm 輸出功率）

　　設計中還采用了 TI 的低功耗數(shù)字輸入揚聲器放大器（TAS2505） 和 USB 充電管理器件 （BQ24055）

　　CC256x 和 Bluetopia 堆棧均有藍牙子系統(tǒng) QDID，因此您可以只需要一份藍牙最終產(chǎn)品列表

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