【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)展到 、 、 、 、 近而實(shí)現(xiàn) ｍ工藝 ,全靜態(tài)設(shè)計(jì)使時(shí)鐘頻率從直流到數(shù)十兆任選 ,都使功耗不斷下降。 Motorla 最近推出任選的Ｍ .CORE 可在 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(duì)電池供電的單片機(jī)不再需要對(duì)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 、 。 。 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(gè)單片機(jī)產(chǎn)品的成熟是以投產(chǎn)掩膜型單片單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ８ 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(jià)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(xiǎn)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(shí)鐘線等對(duì)單片機(jī)編程。解決了 批量寫 OTP 芯片時(shí)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(jià)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(jià)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． 5． 2單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提高 ,單片機(jī)正在不斷產(chǎn)生新的變化和進(jìn)步 ,人們發(fā)現(xiàn) :單片機(jī)與微機(jī)系統(tǒng)之間的距離越來越小 ,甚至難以辨認(rèn)。單片機(jī)在目前的發(fā)展形勢(shì)下 ,表現(xiàn)出以下幾大趨勢(shì) : (1) 可靠性及應(yīng)用水平越來越高 和互聯(lián)網(wǎng)的連接已是一種明顯的走向。現(xiàn)在的新型單片機(jī)已經(jīng)集成ＩＰ技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù) ,對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連接支持功能越來越強(qiáng)。 (2) 所集成的部件越來越多 單片機(jī)在內(nèi)部已集成了越來越多的部件 ,這些部件包括一般常用的電路 ,例如 :定時(shí)器 ,比較器 ,Ａ /Ｄ轉(zhuǎn)換器 ,Ｄ /Ａ轉(zhuǎn)換器 ,串行通信接口 ,Watchdog 電路 ,LCD 控制器等。有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng) ,內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊ＣＡＮ。ＮＳ (美國國家半導(dǎo)體 )公司的單片機(jī)已把語音、圖象部件也集成到單片機(jī)中 ,如果從功能上講它可以是萬用機(jī) ,原因是其內(nèi)部已集成上各種應(yīng)用電路。 (3) 功耗越來越低 現(xiàn)在新的單片機(jī)的功耗越來越小 ,特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式 ,這些工作方式包括等待 ,暫停 ,睡眠 ,空閑 ,節(jié)電等工作方式。零功耗系統(tǒng)正是當(dāng)前設(shè)計(jì)的追求目標(biāo)。 ９ (4) 和模擬電路結(jié)合越來越多 單片機(jī)正被廣泛的嵌入到 各種應(yīng)用系統(tǒng)中。單片機(jī)的另外一個(gè)名稱就是嵌入式微控制器 ,原因在于它可以嵌入到任何微型或小型儀器或設(shè)備中。 (5) 可靠性越來越高 在單片機(jī)應(yīng)用中 ,可靠性是首要的因素 ,單片機(jī)自身的可靠性技術(shù)正在不斷發(fā)展。 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) １０ 第三章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成 集散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖 31 為 89C51 單片機(jī)構(gòu)成的主從式數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于印染系統(tǒng)的水分及特定點(diǎn)的溫度等的測(cè)量過程。 圖 31 以 89C51 單片機(jī)構(gòu)成的主從式 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) 在實(shí)際應(yīng)用中，采用波特率為 9600bps，數(shù)據(jù)楨為： 1 位起始位 +8 位數(shù)據(jù)位 +1 位停止位 數(shù)據(jù)交換時(shí)，主機(jī)呼叫從機(jī)地址，從機(jī)向主機(jī)發(fā)送本機(jī)數(shù)據(jù)。主機(jī)呼叫時(shí)，發(fā)出長度為 1 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)（即從機(jī)地址），從機(jī)應(yīng)答時(shí)向上傳送 3 個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為如圖（ 32）： AA+數(shù)據(jù)， 圖 32 數(shù)據(jù)格式 即 7 個(gè)字節(jié)。假定在理想情況下，主機(jī)呼叫，從機(jī)立即回應(yīng)，則主機(jī)完成與一個(gè)從機(jī)的數(shù)據(jù)交換最少需 ： （ 7+1） *10*1/9600= （忽略數(shù)據(jù)楨之間的間隔和從機(jī)的地址判斷即通信轉(zhuǎn)移時(shí)間）。假設(shè)采集系統(tǒng)中有 4 個(gè)采集單元，那么主機(jī)遍歷一次所有采集單元至少需要 。當(dāng)傳送數(shù)據(jù)長度增加或數(shù)據(jù)采集單元增加時(shí)，遍歷時(shí)間延長。實(shí)際上，在程序運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)交換所花費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論計(jì)算植，這樣就使主機(jī)的實(shí)時(shí)性降低。當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)采用中斷方式實(shí)現(xiàn)的，會(huì)造成程序運(yùn)行效率低，甚至造成“假 １１ 死機(jī)現(xiàn)象”：運(yùn)行 長時(shí)間停滯 再運(yùn)行，致使采集處理系統(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 3． 1． 1 主從式結(jié) 構(gòu) 為了克服上述方案中的缺陷，此方法提出了圖 33 方案： 分散采樣，集中處理 該方案較好地解決了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題 即主從式結(jié)構(gòu) 從機(jī)：工作在現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集單元仍然是以 CPU為核心的智能單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬量（水分，溫度等） 或現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的檢測(cè)和采集，經(jīng)過相應(yīng)的預(yù)處理，如濾波，編碼之后，以串行方式發(fā)給數(shù)據(jù)處理單元；主機(jī)：主機(jī)的任務(wù)是系統(tǒng)管理，初值設(shè)定，通過串行通訊接口向從機(jī)發(fā)送各種命令和初值，接收從機(jī)發(fā)送來來的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出最終結(jié)果。 數(shù)據(jù)處理單元與每個(gè)采集單元之間以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式 收發(fā)數(shù)據(jù)，每一路數(shù)據(jù)有一個(gè)獨(dú)立的收發(fā)單片機(jī)（ 89c51），以并行傳送方式與數(shù)據(jù)處理單元主處理器（ 89C52）進(jìn)行信息交換。由于各路數(shù)據(jù)收發(fā)獨(dú)立，且并行傳送時(shí)間短（一般為幾十個(gè) us），由前端數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理單元的傳送時(shí)間主要取決于串行通信所用的時(shí)間，以 9600bps 傳送 7個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)間 7*10*1/9600=，各路傳送并行工作，主處理器幾乎可以同時(shí)獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集器采樣間隔不低于 20ms 時(shí)，該方案的數(shù)據(jù)處理具有較好的實(shí)時(shí)性。 數(shù)據(jù)處理單元與監(jiān)控計(jì)算機(jī)（ PC 機(jī)）之間采用串行通 信方式傳輸信息的形式有兩種：實(shí)時(shí)和隨機(jī)。數(shù)據(jù)處理單元接收到采樣數(shù)據(jù)后，進(jìn)行相應(yīng)的處理，如工程量轉(zhuǎn)換，顯示，報(bào)警，定時(shí)將工程量測(cè)量值上傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況如測(cè)量值超過報(bào)警值或采樣系統(tǒng)出現(xiàn)故障等情況時(shí)，即刻上傳故障信息。在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，存儲(chǔ)，分類及實(shí)時(shí)監(jiān)控。 在系統(tǒng)中，為了適應(yīng)生產(chǎn)車間測(cè)量點(diǎn)分散，距離長的特點(diǎn)，采集單元與處理單元，處理單元與計(jì)算機(jī)之間采用 RS— 485 總線，在 9600bps 速率下，使通信距離不小于 500m。 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) １２ 3. 1. 2 硬件組 成 如圖 33所示，集散式數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由：監(jiān)控計(jì)算機(jī)單元，數(shù)據(jù)處理單元，總線隔離器單元，接收單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集單元組成。 1. 監(jiān)控計(jì)算機(jī)單元：一般指工業(yè) PC，即配制有滿足通信傳輸?shù)慕涌?，?RS485 接口。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過并行口（ COM1/COM2）接收主處理器定時(shí)發(fā)送的測(cè)量值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，曲線顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。采用軟件 開發(fā)。接收數(shù)據(jù)時(shí)，采用 VB的 Msm控件，他具有完善的 收發(fā)功能，在程序中通過事件驅(qū)動(dòng)方式接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀格式與圖 22相同。監(jiān)控軟件在執(zhí)行過程中，也實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線顯示，并自動(dòng) 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，根據(jù)需要可生成報(bào)表輸出。 2. 數(shù)據(jù)采集單元： 現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采樣和濾波處理由 AT89C51 和 14位 AD679 組成的數(shù)據(jù)采集單元完成。經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)，按照?qǐng)D 22 所示的數(shù)據(jù)格式，由串行口發(fā)送端 TXD發(fā)出，在硬件上要用 MAX488 將彈片機(jī)輸出的 TTL 信號(hào)轉(zhuǎn)換成 RS485 總線信號(hào)規(guī)則進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送。 3. 接收單片機(jī)：數(shù)據(jù)接收器采用 AT89C2051 單片機(jī)，與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集單元以串行通信方式 1模式工作。 4. 數(shù)據(jù)處理單元：數(shù)據(jù)處理單元采用 AT89C52 單片機(jī)，它具有 8K 的 FLASH ROM ，可以滿足鍵盤管理，測(cè)量計(jì)算 值顯示，工程量轉(zhuǎn)換以及通信管理等程序容量的要求。主處理器與數(shù)據(jù)接受器的信息交換書通過中斷方式進(jìn)行的。 5. 數(shù)據(jù)隔離器：數(shù)據(jù)隔離器采用芯片 74LS244 ， 74LS244 是一種三態(tài)輸出的八緩沖器和線驅(qū)動(dòng)器，主要用于三態(tài)輸出的存儲(chǔ)地址驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和總線定向接收器和定向發(fā)送器等 6. RS485 總線： MCS51 系列單片機(jī)帶有的一個(gè)全雙工串行通行口提高了單片機(jī)與外部計(jì)算機(jī)，以及帶串行口的外設(shè)的數(shù)據(jù)交換能力。單片機(jī)串行口輸出電平 TTL 電平兼容且單線傳輸（對(duì)地而言）導(dǎo)致傳輸距離短（小于 5m）和通信速率慢（不超過 20kb/s），等缺點(diǎn)。為克服這些缺點(diǎn)，所以在單片機(jī)串行通信系統(tǒng)中采用 RS485 通信方式。 7. 鍵盤顯示單元：用可編程鍵盤 /顯示接口 8279 芯片與鍵盤，七段數(shù)碼管顯示器的連接實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)的采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。 １３ 數(shù)據(jù)處理器 在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用了 MCS51 系列： AT89C51 和 89C2051 兩片數(shù)據(jù)處理器芯片。 MCS51 單片機(jī)芯片的引線有兩種： 40 條引線的 8031（ 8032）， 8051/52， 8751/52，89C51/52 和 20 條引線的 89C2051， 89C1051。 3． 2． 1 AT89C52 處理器 數(shù)據(jù)處理器采用 AT89C52 單片機(jī)。如圖 34 所示： 圖 34 AT89C52 單片機(jī)引腳圖 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)的 AT89C52 單片機(jī)是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高 密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)可 以 提供許多高性低比的系統(tǒng)控制應(yīng)用領(lǐng)域。 AT89C52 有 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口，3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口， 2 個(gè)讀寫口線， AT89C52 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52 有 PDIP、 PQFP/TQFP 及 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 1 . I/O 引腳和 I/O 端口 ～ : P0 口是一個(gè)漏極開路型準(zhǔn)雙向 I/O 口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它是數(shù)據(jù)總線和地址總線低 8位分時(shí)復(fù)用的接口；在 EPROM 編程是，他接收指令字節(jié)；在驗(yàn)證程序時(shí)，輸出指令字節(jié)，并要求外接上拉單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) １４ 電阻。 ～ ： P1 口是帶有內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，它是通過 I/O 端口。在EPROM 編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接收底 8位地址。 ～ ： P2 口是帶有內(nèi)部上拉電阻 的 8 位雙向 I/O 口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高 8 位地址；在對(duì) EPROM 編程和程序驗(yàn)證時(shí)，他接收高8 位地址。 ～ : P3 口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口，它是雙功能 I/O 端口。除基本輸入 /輸出功能外，每個(gè)引腳還有專用功能。其專用引腳功能見表 31所示。 表 31 P3口引 腳 專用功能 2 . 復(fù)位引腳 復(fù)位操作是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)常進(jìn)行的操作，即使其軟，硬件回到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備 工作。 復(fù)位引腳 RESET 復(fù)位功能 RST：單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。在震蕩信號(hào)正常運(yùn)行情況下，只要 RST 引腳保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，系統(tǒng)就能復(fù)位。理論上按主頻 2MHZ～12MHZ 計(jì)算，復(fù)位高電品持續(xù)時(shí)間≧ t。 t= ～ =2181。s～ 12181。s I/O 口線 專 用 功 能 RxD(串行數(shù)據(jù)接收 ) TxD(串行數(shù)據(jù)發(fā)送 ) （外部中斷 0 請(qǐng)求輸入） （外部中斷 1 請(qǐng)求輸入） T0（定時(shí)器 0 外部計(jì)數(shù)脈沖輸入） TI （定時(shí)器