MCU基本技術(shù)原理及應(yīng)用方案集錦

　　一、單片機(jī)與單片微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已明顯地朝巨型化、單片化、網(wǎng)絡(luò)化三個(gè)方向發(fā)展。巨型化發(fā)展的目的在于不斷提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和處理能力，以解決復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)處理，比如系統(tǒng)仿真和模擬、實(shí)時(shí)運(yùn)算和處理。單片化就是把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)盡可能集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，其目的在于計(jì)算機(jī)微型化和提高系統(tǒng)的可靠性，通常把這種單片計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)。準(zhǔn)確而言，單片機(jī)（單片微型計(jì)算機(jī)）實(shí)際上是一種將CPU（中央處理器）、存儲(chǔ)器和輸入輸出接口集成在一個(gè)芯片中的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)主要是針對(duì)自動(dòng)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，所以單片機(jī)又稱微控制器mcu（MicroController Unit），又由于用它可以很容易地將計(jì)算機(jī)嵌入到各種儀器和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備中，因此單片機(jī)也叫嵌入式微控制器（Embedded MCU）。

　　單片機(jī)要進(jìn)行工作，必須構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它主要由硬件和軟件兩大部分組成，硬件是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有電子、機(jī)械和磁性的部件或設(shè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的具體構(gòu)成。

　　二、單片機(jī)發(fā)展概述

　　單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng)，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(gè)階段。下面以Intel公司的單片機(jī)發(fā)展為代表加以介紹。

　　第1階段（1971～1976）： 單片機(jī)發(fā)展的初級(jí)階段。 1971年11月Intel公司首先設(shè)計(jì)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(gòu)成了第一臺(tái)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(jī)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(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu)， 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(jiǎn)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(jī)階段。 這一階段推出的高性能8位單片機(jī)普遍帶有串行口， 有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)， 多個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。片內(nèi)RAM、 ROM的容量加大，且尋址范圍可達(dá)64 KB，個(gè)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(jī)階段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機(jī)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(dá)12萬只晶體管/片。

　　第5階段（1990年代）：?jiǎn)纹瑱C(jī)在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。

　　按照單片機(jī)的特點(diǎn)，單片機(jī)的應(yīng)用分為單機(jī)應(yīng)用與多機(jī)應(yīng)用。在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，只使用一片單片機(jī)稱為單機(jī)應(yīng)用。單片機(jī)的單機(jī)應(yīng)用的范圍包括：

　?。?） 測(cè)控系統(tǒng)。 用單片機(jī)可以構(gòu)成各種不太復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等， 達(dá)到測(cè)量與控制的目的。

　　（2） 智能儀表。 用單片機(jī)改造原有的測(cè)量、控制儀表， 促進(jìn)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。

　　（3） 機(jī)電一體化產(chǎn)品。單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合， 使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化， 控制智能化。

　　（4） 智能接口。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 特別是在較大型的工業(yè)測(cè)、控系統(tǒng)中， 用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理， 加之單片機(jī)與主機(jī)的并行工作， 大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

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

　　單片機(jī)的多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、并行多機(jī)處理及局部網(wǎng)絡(luò)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(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。

　?。?） 并行多機(jī)控制系統(tǒng)。 并行多機(jī)控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的快速性問題， 以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)。

　?。?） 局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

　　二、常用單片機(jī)系列

　　1．8051系列單片機(jī)

　　Intel公司于1980年推出8位的高性能8051單片機(jī)，在工業(yè)控制領(lǐng)域引起不小的轟動(dòng)，并迅速確立了其不可動(dòng)搖的地位。之后不久，Intel公司徹 底開放了8051單片機(jī)的技術(shù)，引來世界上很多半導(dǎo)體廠商加入了開發(fā)和改造8051單片機(jī)的行列中，這其中貢獻(xiàn)最大的有Philipe公司，它著力發(fā)展了 單片機(jī)的控制功能和外圍單元；Atmel公司，它在單片機(jī)內(nèi)部植入了Flash ROM，使得單片機(jī)應(yīng)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(jī)，在單片機(jī)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(shè)計(jì)思路，使單片機(jī) 的運(yùn)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(jī)各生產(chǎn)廠商的主流產(chǎn)品有幾十個(gè)系列，幾百個(gè)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(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)為一體的單片機(jī)，其原理大同小異?，F(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(jī)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(jiǎn)介見表1。

　　表1 Intel單片機(jī)系列性能簡(jiǎn)介

　　這里，我們僅對(duì)MCS-51系列作一簡(jiǎn)要介紹。MCS-51系列單片機(jī)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(jī)的兩個(gè)子系列，在4個(gè)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(chǔ)器ROM從4 KB增至8 KB；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由128個(gè)字節(jié)增至256個(gè)字節(jié)；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器增加了一個(gè)；中斷源增加了1～2個(gè)。另外，對(duì)于制造工藝為CHMOS的單片機(jī)，由于采用 CMOS技術(shù)制造，因此具有低功耗的特點(diǎn)，如8051功耗約為630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。

　　2．其它單片機(jī)

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

　?。?）Motorola的單片機(jī)

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

　?。?）Microchip公司的PIC單片機(jī)

　　Microchip公司是當(dāng)今世界上第二大8位單片機(jī)生產(chǎn)商，Microchip單片機(jī)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(jī)，Microchip已越來越受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，市面上比較常見的單片機(jī)主要有以下3個(gè)系 列：PIC12C5xxx/16C5x系列，這兩個(gè)系列的單片機(jī)是PIC單片機(jī)中的低端產(chǎn)品，其中PIC16C5x系列是最早在市場(chǎng)上得到發(fā)展的系列，因其價(jià)格較低，且有較完善的開發(fā)手段，因此在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛；而PIC12C5xx是世界上第一個(gè)8腳低價(jià)位單片機(jī)，可用于一些對(duì)單片機(jī)體積要求較高的簡(jiǎn) 單智能控制領(lǐng)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(diǎn)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(dá)到 200ns，增加了中斷功能、帶A/D、內(nèi)部E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、雙時(shí)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(dòng)等，其封裝從8腳到68腳，可用于高、中、低檔的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，適合于高級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)，其性能在中檔位單片機(jī)的基礎(chǔ)上增加了硬件乘法器，指令周期可達(dá)成160ns，它是目前世界上8位單片機(jī)中性價(jià)比最高的機(jī)種之一，可用于高、中檔產(chǎn)品的開發(fā)，如馬達(dá)控制、音調(diào)合成。

　?。?）TI（Texas Instruments）公司的MSP430單片機(jī)

　　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(jī)同樣在業(yè)界掀起不小的波瀾。MSP430系列單片機(jī)最突出的特點(diǎn)是低電壓供電和超低功耗，非常適合應(yīng)用于采用電池長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合。電壓范圍為1.8~3.6V；在1MHZ2.2V下，活動(dòng)模式功耗為225μA，待機(jī)模式 功耗為0.8μA、掉電模式功耗為0.1μA。在這個(gè)系列中有很多個(gè)型號(hào)，它們是由一些基本功能模塊按照不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成的。MSP430系列單片 機(jī)的CPU采用16位RISC精簡(jiǎn)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(shí)間小于6μs；內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，工業(yè)應(yīng)用方便；其中MSP430x41x系列設(shè)計(jì)有一個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)比較器、96段LCD 液晶驅(qū)動(dòng)器和48個(gè)通用I/O口。

　　下面介紹MCU的應(yīng)用案例及參考設(shè)計(jì)。

　　描述

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

　　藍(lán)牙和MSP430 音頻信宿參考設(shè)計(jì)

　　特性

　　憑借最低成本、最低功耗的 MSP430F5229 實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙音頻功能（SBC 編碼/解碼）

　　設(shè)計(jì)中將音頻處理任務(wù)從 MCU 轉(zhuǎn)移到藍(lán)牙器件，從而實(shí)現(xiàn)低功耗音頻

　　這種經(jīng)濟(jì)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(lán)牙性能（+12dBm 輸出功率）

　　設(shè)計(jì)中還采用了 TI 的低功耗數(shù)字輸入揚(yáng)聲器放大器（TAS2505） 和 USB 充電管理器件 （BQ24055）

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

　　相關(guān)器件

　　1.BQ24055 具有自動(dòng) AC/USB 檢測(cè)功能和PG的800mA單輸入單節(jié)鋰離子電池充電器

BQ24055 功能方框圖

　　詳細(xì)資料：BQ24055 單節(jié)鋰離子電池充電器

　 　2.CC2560 藍(lán)牙 Smart Ready 控制器，TICC256x器件是一款完整的藍(lán)牙BR/EDR/LEHCI解決方案，此解決方案減輕了設(shè)計(jì)工作并可實(shí)現(xiàn)快速上市。基于TI的第七代藍(lán)牙內(nèi) 核，器件實(shí)現(xiàn)了已經(jīng)證明的解決方案，此解決方案支持藍(lán)牙4.0雙模式（BR/EDR/LE）協(xié)議。TI的電源管理硬件和軟件算法大大節(jié)省了所有廣泛使用的 藍(lán)牙BR/EDR/LE模式運(yùn)行的能耗。