單片機學術論文

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　　單片機學術論文篇一

　　單片機應用技術探究

　　摘要：近幾年單片機得到了飛速的發(fā)展，單片機最明顯的優(yōu)勢就是可以嵌入到各種儀器、設備中。目前大量的嵌入式系統(tǒng)均采用單片機，本文分析了單片機的形成及發(fā)展過程以及當前的技術進展，同時分析了影響單片機系統(tǒng)可靠性的原因，并論述提高單片機可靠性的措施。

　　關鍵詞：單片機;可靠性技術;發(fā)展趨勢

　　中圖分類號： C35 文獻標識碼： A

　　引言

　　單片機,亦稱單片微電腦或單片微型計算機。它是把中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/0)等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機?，F(xiàn)在可以說單片機是百花齊放的時期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機,從8位、16位到32位,數(shù)不勝數(shù),應有盡有,它們各具特色,互成互補,為單片機的應用提供廣闊的天地。縱觀單片機的發(fā)展過程,可以預示單片機的發(fā)展趨勢 。

　　一 、單片機的應用場合

　　1.1智能儀器儀表。單片機用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結構，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。

　　1.2機電一體化產(chǎn)品。機電一體化產(chǎn)品是集機械技術、微電子技術、自動化技術和計算機技術于一體，具有智能化特征的各種機電產(chǎn)品。單片機在機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機器人、數(shù)控機床、自動包裝機、點鈔機、醫(yī)療設備、打印機、傳真機、復印機等。

　　1.3實時工業(yè)控制。單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(xiàn)期望的控制指標，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應用如電機轉速控制、溫度控制、自動生產(chǎn)線等。

　　1.4家用電器。家用電器是單片機的又一重要應用領域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設備、高檔玩具等。另外，在交通領域中，汽車、火車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應用。如汽車自動駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)、黑匣子還有分布式系統(tǒng)的前端模塊等等。

　　二、分析單片機可靠性限制原因及應對措施

　　目前，大量的嵌入式系統(tǒng)均采用了單片機，并且這樣的應用正在更進一步擴展;但是多年以來人們一直為單片機系統(tǒng)的可靠性問題所困惑。在一些要求高可靠性的控制系統(tǒng)中，這往往成為限制其應用的主要原因。

　　1.單片機系統(tǒng)的失效分析

　　一個單片機系統(tǒng)的可靠性是其自身軟硬件與其所處工作環(huán)境綜合作用的結果，因此系統(tǒng)的可靠性也應從這兩個方面去分析與設計。對于系統(tǒng)自身而言，能不能在保證系統(tǒng)各項功能實現(xiàn)的同時，對系統(tǒng)自身運行過程中出現(xiàn)的各種干擾信號及直接來自于系統(tǒng)外部的干擾信號進行有效的抑制，是決定系統(tǒng)可靠性的關鍵。有缺陷的系統(tǒng)往往只從邏輯上去保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，而對于系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的潛在的問題考慮欠缺，采取的措施不足，在干擾信號真正襲來的時候，系統(tǒng)就可能會陷入困境。

　　2. 提高可靠性的措施

　　2.1減少引起系統(tǒng)不可靠或影響系統(tǒng)可靠的外界因素：

　　1) EFT (Electrical Fast Transient)技術。EFT技術是一種抗干擾技術，它是指在振蕩電路的正弦信號受到外界干擾時，其波形上會迭加各種毛刺信號，如果使用施密特電路對其整形，則毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時， 就可以消除這些毛否則令其作用失效，從而保證系統(tǒng)的時鐘信號正常工作。

　　2) 低噪聲布線技術及驅(qū)動技術。在傳統(tǒng)的單片機中，電源及地線是在集成電路外殼的對稱引腳上，一般是在左上、右下或右上、左下的兩對對稱點上。這樣，就使電源噪聲穿過整塊芯片，對單片機的內(nèi)部電路造成干擾。現(xiàn)在，很多單片機都把地和電源引腳安排在兩條相鄰的引腳上。這樣，不僅降低了穿過整個芯片的電流，而且在印制電路板上容易布置去耦電容，從而降低系統(tǒng)的噪聲?，F(xiàn)在為了適應各種應用的需要，很多單片機采用"跳變沿軟化技術"，從而消除大電流瞬變時產(chǎn)生的噪聲。

　　3) 采用低頻時鐘。高頻外時鐘是噪聲源之一，不僅能對單片機應用系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，而且還會對外界電路產(chǎn)生干擾，令電磁兼容性不能滿足要求。對于要求可靠性較高的系統(tǒng)，低頻外時鐘有利于降低系統(tǒng)的噪聲。在一些單片機中采用內(nèi)部鎖相環(huán)技術，則在外部時鐘較低時，也能產(chǎn)生較高的內(nèi)部總線速度，從而保證了速度又降低了噪聲。

　　三、單片機的發(fā)展趨勢

　　1單片機技術的發(fā)展前景及趨勢

　　由于通用型IC的仿冒現(xiàn)象比較嚴重，因此定制化IC將是未來單片機發(fā)展的主要方向。此外，盡管16位、32位單片機市場有所增加，但8位在未來三五年內(nèi)仍將占主流，只是成長幅度會趨緩。從應用角度講，盛揚看好消費類電子和家電產(chǎn)品，尤其是中小型家電產(chǎn)品，它屬于比較成熟的單片機應用領域;其次是高端領域的車用產(chǎn)品。目前，盛揚已針對汽車周邊領域推出系列產(chǎn)品，主要用于汽車防盜、車載電子、信息娛樂、胎壓監(jiān)測、里程表的面板等。

　　單片機擁有良好的應用前景，但廠商之間的競爭愈演愈烈。因此，對本土企業(yè)而言，要想脫穎而出，質(zhì)量一定要好，同時還要注重產(chǎn)品的環(huán)保和可靠性，因為家電和汽車等產(chǎn)品對安全性的要求越來越高;其次，充分發(fā)揮本土廠商在特定應用領域的性價比優(yōu)勢。不過，這種性價比必須建立在性能過關、可靠度過關的基礎上。

　　制作工藝CMO化。更小的光刻工藝提高了集成度，從而使芯片更小、成本更低、工作電壓更低、功耗更低。CPU的改進。同時，采用雙CPU結構，增加數(shù)據(jù)總線的寬度，提高數(shù)據(jù)處理的速度和能力;采用流水線結構，提高處理和運算速度，以適應實時控制和處理的需要。增大存儲容量，片內(nèi)EPROM的E2PROM化，程序的保密化，提高并行口驅(qū)動能力，以減少外圍驅(qū)動芯片，增加外圍?I/O?口的邏輯功能和控制的靈活性。最后，以串行方式為主的外圍擴展;外圍電路的內(nèi)裝化;和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的走向，可靠性及應用水平越來越高。

　　2微型單片化

　　現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口,中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上,增強型的單片機集成了如A/D轉換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上,這樣單片機包含的單元電路就更多,功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做,制造出具有自己特色的單片機芯片。 此外,現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕,這就要求單片機除了功能強和功耗低外,還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式,其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎,使得由單片機構成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。

　　3串行擴展技術

　　在很長一段時間里,通用型單片機通過三總線結構擴展外圍器件成為單片機應用的主流結構。隨著低價位OTP(One-Time Password)及各種特殊類型片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展,加之處圍接口不斷進入片內(nèi),推動了單片機“單片”應用結構的發(fā)展。特別是I2C、SPI 等串行總線的引入,可以使單片機的引腳設計得更少,單片機系統(tǒng)結構更加簡化及規(guī)范化。

　　4、結語

　　單片機改變了我們生活,縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領域,從導彈的導航裝置,到飛機上各種儀表的控制,從計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸,到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理,以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等,這些都離不開單片機, 單片機有著廣闊的應用前景。

　　參考文獻

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　　單片機學術論文篇二

　　單片機監(jiān)控系統(tǒng)探究

　　摘 要：單片機因為其強大的控制系統(tǒng)目前被廣泛應用到了野外作業(yè)、企業(yè)生產(chǎn)和軍事指揮監(jiān)控之中。文章介紹了單片機的監(jiān)控系統(tǒng)方案，并對單片機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行了預測。

　　關鍵詞：單片機;監(jiān)控;數(shù)據(jù);通信技術

　　中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937(2013)02-0098-02

　　隨著半導體技術的飛速發(fā)展，當前將超大規(guī)模集成電路集成到一個很小硅片上的技術已經(jīng)得到了實現(xiàn)，由此帶來了單片機技術的飛速發(fā)展。目前的單片機，已經(jīng)由最初的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的32位300 M高速單片機。32位單片機由于內(nèi)部采用了RISC(精減指令系統(tǒng)計算機)機構，因而優(yōu)化了指令系統(tǒng)，同時也帶來了快捷的運算速度和超強的數(shù)據(jù)處理能力，同時由于其使用方便，具有強大的中斷控制系統(tǒng)、定時/事件控制系統(tǒng)，同步/異步通信控制系統(tǒng)，因而可以利用單片機實現(xiàn)對分散測控對象的監(jiān)控。目前，這項技術已經(jīng)被越來越廣泛地應用到野外作業(yè)、企業(yè)生產(chǎn)和軍事指揮控制之中了。

　　1 單片機監(jiān)控系統(tǒng)方案介紹

　　監(jiān)控系統(tǒng)需要有一個主站、若干個機動從站構成。主站的作用在于收集來自傳感器的數(shù)據(jù)信息，發(fā)布控制命令及實現(xiàn)自動化轉臺。從站位于固定機房、無人值守間及野外作業(yè)站等地方，其主要功能是對傳感器的指示數(shù)據(jù)進行檢測驗收、對Karlman濾波后的生產(chǎn)工藝方程進行解算和相關顯控處理等。主站與從站之間的通信方式采用點與點之間的碼分多址通信。

　　從站電路功能如圖1所示。

　?、僦髡竞蛷恼咀远x了60芯的專用系統(tǒng)信號，結構采用雙CPU(80C196、8031)擴展STD總線結構。為了和數(shù)據(jù)通信板的8031之間數(shù)據(jù)交換的便利，將0C000H-0C3FFH分配給雙口RAM(IDT7130)。為了方便調(diào)試非全地址譯碼I/O空間，芯片類型選擇了在線可編程芯片ISP2031。

　　②付站顯控電路。顯控主芯片采用MC6847，將80C196地址空間的0A000-0C000H分出供顯存占用，監(jiān)視器選擇工業(yè)級CRT，屏幕分辨率800×600.自建專用12×12非標準漢字庫。選擇8279型號主芯片進行鍵盤控制。

　?、凼褂肐/O板，進行數(shù)據(jù)接收。采用數(shù)字濾波技術消除模擬輸入信號的噪聲，為了使運行混亂的程序重新步入正規(guī)，采用在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP，造成指令冗余的方式，避免后面的指令被當作操作數(shù)執(zhí)行，從而使程序自動納入正軌。

　?、苤悄芙涌诎逍酒捎?片MC6821控制芯片，通過對信號實現(xiàn)定位，達到和模擬器數(shù)據(jù)通信的目的。

　?、蒉D臺方位轉換電路。同步傳輸機的模擬方位信號經(jīng)由分立元器件電路獲取后，予以一定的信號分離處置，轉變成直流電平，經(jīng)CPU切換后由AD變換電路分析出方位數(shù)據(jù)。其他傳感器轉換電路，采用高性能計數(shù)器記錄下同步脈沖信號，最后由CPU進行處理。

　　2 有線/無線數(shù)據(jù)通信設計

　　實現(xiàn)單片機監(jiān)控的重要環(huán)節(jié)在于中遠距離通信方案的選擇，對于單片機串行口來說，目前尚無法有效適應中遠距離通信的需要，如果從站間距離較遠，則點與點之間的距離就將超過1 km，這時候，需要采用調(diào)制解調(diào)技術。

　　2.1 有線數(shù)據(jù)通信

　　有線數(shù)據(jù)通信主要以電話線為主，經(jīng)過數(shù)字調(diào)制解調(diào)器處理(Modem)，形成FSK調(diào)制信號。我們可以選用TI公司生產(chǎn)的單片CMOS工藝的Modem，這種調(diào)制解調(diào)器符合CCITTV.23建議和BELL202標準，可以實現(xiàn)對通信信號的調(diào)制解調(diào)、載波檢測，以及群延時均衡等功能。單片機的串行口RXD、TXD可以實現(xiàn)和RD及TD腳的直接相接。RXB腳的作用在于對接受信號偏壓調(diào)整，門限電平則進行片內(nèi)調(diào)整。為保證良好的收發(fā)性能，需要精確調(diào)整CDL腳作載波檢測電平的W1、W2參數(shù)。RC、TC經(jīng)過兩級調(diào)制解調(diào)運放及1∶1變壓線圈隔離后外接電纜插件。

　　2.2 無線數(shù)、話一體通信

　　當前，隨著無線數(shù)據(jù)傳輸技術的日益成熟，在遇到復雜地形或者無法架設有線傳輸設備的時候，我們常常選擇無線設施進行通信數(shù)據(jù)的傳輸。無線數(shù)據(jù)模塊的選擇在過去經(jīng)常以MSM6927為主，該模塊是日本OKI公司生產(chǎn)的一種單片集成、采用FSK調(diào)制的Modem。目前，隨著我國無線通信模塊技術的快速發(fā)展，國內(nèi)一些廠商的設備也達到了國際先進工藝水平。如東莞博銀KY-903，采用采用溫補頻率基準源，頻率合成技術，可以實現(xiàn)點對點、點對多點，靈活組網(wǎng)。另外，提供了模擬通道，在實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，也可以實現(xiàn)話音的傳送，從而為系統(tǒng)監(jiān)控提供了更大的便利。

　　2.3 通信軟件設計

　　具體通信方法，采取先對主機寫入數(shù)據(jù)，然后向各從機發(fā)布通信信息，以檢驗各從機是否及時相應，如未及時響應的從機，就將之從通信序列中清除出去，在實現(xiàn)這一過程之前，應設定主機與從機之間的響應規(guī)則，以避免多點同時響應導致的通信擁堵現(xiàn)象發(fā)生。

　　3 單片機監(jiān)控系統(tǒng)保護措施

　　單片機監(jiān)控系統(tǒng)常作為外部嵌入式系統(tǒng)而發(fā)揮監(jiān)控作用，因而，為保證其正常工作，務必需要采取一定的保護措施，以時期可靠地進行工作。

　　①適時優(yōu)化系統(tǒng)，進行冗余設計，不斷提高軟硬件的抗干擾能力。

　?、谕饨与娫础⑼ㄐ烹娎|等裝置都要加裝防雷擊、防風雨、防腐蝕裝置，如加裝防雷保護器，選用防腐蝕套管等。此外，應經(jīng)常對外露設施進行定期檢驗，做到發(fā)現(xiàn)問題及早解決。

　?、鄄粩鄡?yōu)化算法設計。算法優(yōu)化能夠有效提高系統(tǒng)的可使用性。如Karlman濾波、AD采樣后的“野值”剔除處理等。通過不斷優(yōu)化算法，達到提高運算速率，增強處理能力的作用。

　　④做好非正常復位工作。由于野外環(huán)境復雜，系統(tǒng)在使用過程中，難免會出現(xiàn)電壓異?；蛘邤嚯娛鹿实陌l(fā)生，一旦出現(xiàn)意外，系統(tǒng)就將出現(xiàn)非正常復位現(xiàn)象。當系統(tǒng)非正常復位的時候，先要恢復一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如顯示模塊的初始化、片外擴展的初始化等。然后再對測控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運行參數(shù)等予以恢復。之后再把復位前的任務、參數(shù)、運行時間等恢復，再進入系統(tǒng)運行狀態(tài)。

　　4 結 語

　　目前，單片機以其強大的數(shù)據(jù)處理和通信、控制能力，已經(jīng)被廣泛應用到了眾多的監(jiān)控系統(tǒng)之中了。隨著單片機系統(tǒng)模塊集成度越來越高，利用單片機監(jiān)控系統(tǒng)功能，必將會更加的便捷、可靠。

　　參考文獻：

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