【文章內(nèi)容簡介】 與發(fā)展方向是擴大容量，以及提高ROM數(shù)據(jù)的易寫和保密性等。 1) 片內(nèi)存儲容量的增加。新型單片機一般在片內(nèi)集成的SRAM 128字節(jié)~1KB，ROM的容量一般為4~8KB。為了適應網(wǎng)絡、音視頻等高端產(chǎn)品的需要，高檔單片機在片內(nèi)集成了更大容量的RAM和ROM存儲器。例如ATMEL公司的ATmega16片內(nèi)的SRAM為1KB，F(xiàn)lash ROM為16KB。而該系列的高端產(chǎn)品ATmega256片內(nèi)集成了8KB的SRAM、256KB的Flash ROM 和4KB的EEPROM。 2) 片內(nèi)程序存儲器由EPROM型向Flash ROM發(fā)展。早期單片機在片內(nèi)往往沒有程序存儲器或片內(nèi)集成了EPROM型的程序存儲器。將程序存儲器集成在單片機內(nèi)，可以大大提高單片機的抗干擾能力，提高程序的保密性，減少硬件設計的復雜性和空間等許多優(yōu)點，因此片內(nèi)集成程序存儲器已成為新型單片機的標準方式，但EPROM具有須用12V高壓編程寫入。紫外線光照擦除以及重寫入次數(shù)有限等缺點，這給使用帶來了不便。新型單片機則采用Flash ROM、Mask ROM、OTP ROM 作為片內(nèi)程序存儲器，F(xiàn)lash ROM在通常(如5V/3V)下就可以實現(xiàn)程序的寫入和擦除操作，重寫次數(shù)在10 000次以上，并可實現(xiàn)在線編程寫入的ISP技術(shù)優(yōu)點，為使用帶來了極大的方便。采用Mask ROM的微控制器稱為掩膜芯片，它在芯片制造過程中就將程序“寫入”其中，并永遠不能改寫。采用OTP ROM的微控制器，其芯片出廠時片內(nèi)程序存儲器是“空的”，它允許用戶將自己編寫好的程序一次性地編程寫入，之后再已無法更改了。Mask ROM 和OTP ROM適用于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，而EPROM和Flash ROM則適用于產(chǎn)品的設計開發(fā)及學習培訓時使用。 3) 程序保密化。一個單片機嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序是系統(tǒng)最重要的部分，是知識產(chǎn)權(quán)保護的核心。為了防止片內(nèi)程序被非法讀出復制，新型單片機往往對片內(nèi)程序存儲器進行加鎖加密。當系統(tǒng)程序?qū)懭肫瑑?nèi)程序存儲器后，可以再對加密保護單元編程，使芯片加鎖。加鎖加密后，從芯片外部則無法讀取片內(nèi)系統(tǒng)程序代碼。若將加密單元擦除，則片內(nèi)程序也同時被擦除掉，這樣便達到了程序保密的目的。 5 ISP、IAP及 ISP、IAP技術(shù)的開發(fā)和應用 ISP(In System Programmable)稱為在線系統(tǒng)可編程技術(shù)。隨著微控制器在片內(nèi)集成EEPROM、Flash ROM的發(fā)展，推動了ISP技術(shù)在單片機中的應用。在ISP技術(shù)的基礎上立首先實現(xiàn)了系統(tǒng)程序的串行編程寫入，使得不必將焊在PCB印刷電路板上的芯片取下，就可直接將程序下載到單片機的程序存儲器中，淘汰了專用程序下載寫入設備。其次基于ISP技術(shù)的實現(xiàn)，使得模擬仿真開發(fā)技術(shù)重新興起。在單時鐘、單指令運行的RSIC結(jié)構(gòu)的單片機中，可實現(xiàn)PC機通過串行電纜對目標板系統(tǒng)的在線仿真調(diào)試。在ISP技術(shù)應用的基礎上，又發(fā)展了IAP(In Application Programmable)技術(shù)，也稱在應用可編程技術(shù)。利用IAP技術(shù)，實現(xiàn)了用戶可隨時根據(jù)需要對原有系統(tǒng)方便地在線更新軟件、修改軟件，還能實現(xiàn)對系統(tǒng)軟件的遠程診斷、遠程調(diào)試和遠程更新。 6 實現(xiàn)全面的功能管理 采用CMOS工藝后，單片機具有極佳的低功耗和功耗管理功能，它包括 傳統(tǒng)CMOS單片機的低功耗運行方式，即休閑方式(Idle Mode)、掉電方式(Power Down Mode)。雙時鐘技術(shù)。配置高速(主時鐘)和低速(子時鐘)兩個時鐘系統(tǒng)。當不需要高速運行時，轉(zhuǎn)入子時鐘控制下，以降低功耗。片內(nèi)外圍電路的電源管理。對集成在片內(nèi)的外圍接口電路實行供電管理，當外圍電路不再運行時，關(guān)閉其供電。低電壓節(jié)能技術(shù)。CMOS電路的功耗與電源電壓有關(guān)，降低系統(tǒng)的供電電壓，能大幅降低器件的功耗。新型單片機往往具有寬電壓(3~5V)或低電壓(3V)運行的特點，低電壓、低功耗是手持便攜式系統(tǒng)重要的追求目標，也是綠色電子的發(fā)展方向。 7 以串行總線方式為主的外圍發(fā)展 目前，單片機與外圍器件接口技術(shù)發(fā)展的一個重要方向是由并行外圍總線接口向串行外圍總線接口的發(fā)展。采用串行總線方式擴展的外圍擴展技術(shù)具有方便、靈活、電路簡單及占用I/O資源少的特點。采用串行總線雖然比采用并行接口數(shù)據(jù)傳輸慢，但隨著半導體電路技術(shù)的發(fā)展，大批采用標準串行總線通信協(xié)議(如SPI、I2C、1Wire等)的外圍芯片器件的出現(xiàn)，使傳輸速度不斷提高(可達到1~10Mb/s)。采用片內(nèi)集成程序存儲器而不必外部并行擴展程序存儲器，加之單片機嵌入式系統(tǒng)有限速度的要求，使得串行總線方式為主的外圍擴展方式能夠滿足大多數(shù)系統(tǒng)的需求，成為流行的提擴展方式，而采用并行接口的擴展技術(shù)則成為輔助方式。 單片機的特點單片機芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，它除了具備通用微機CPU的數(shù)值計算功能外，還必須具有靈活，強大的控制功能，以便實現(xiàn)實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸入量，控制系統(tǒng)的輸出量，實現(xiàn)自動控制。由于單片機主要面向工業(yè)控制，工作環(huán)境比較惡劣，如高溫，強電磁干擾，甚至含有腐蝕性的氣體，因而單片機控制系統(tǒng)還必須具有抗輻射能力。單片機CPU與通用微機CPU相比，具有以下的特點：1 抗干擾性強，工作溫度范圍寬。通用微機CPU一般要求在室溫下工作，抗干擾能力較低。2 可靠性高。在工業(yè)控制中，任何差錯都有可能造成極其嚴重的后果。3 控制功能很強，數(shù)值計算能力較差。而通用微機CPU具有很強的數(shù)值運算能力，但是控制能力相對較弱，將通用微機用于工業(yè)控制時，一般需要增加一些專用的接口電路。4 指令系統(tǒng)比通用微機系統(tǒng)簡單。 單片機的應用目前單片機的應用已經(jīng)深入國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，對各個行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代起著重要的推動作用，其應用領(lǐng)域主要有智能儀器表，機電一體化，實時控制，民用電子產(chǎn)品及國防工業(yè)等。其主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1 單片機在智能儀表中的應用單片機廣泛地應用于實驗室，交通運輸工具，計量等各種儀器儀表中，可使用儀器儀表智能化，提高了它們的測量精度，加強了它們的功能，簡化了它們的結(jié)構(gòu)，便于使用，維護和改進。例如：電度表校驗儀，電阻，電容，電感測量儀器，船舶航行狀態(tài)記錄儀器，煙葉水分測試器，智能超聲波測厚儀器等。單片機在智能儀表中的應用，不僅使傳統(tǒng)的儀器儀表發(fā)生了根本性的變化，也促進儀器儀表行業(yè)的發(fā)展。2 單片機在機電一體化中的應用機電一體化是機械工業(yè)發(fā)展的重要方向。機電一體化產(chǎn)品是指集機械技術(shù)，微電子技術(shù)，自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的機電產(chǎn)品。例如：微機控制的數(shù)控機床等。單片機的出現(xiàn)促進了機電一體化的進程，它作為機電產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小，可靠性高，控制功能強，安裝方便等優(yōu)點，大大提高了機器的功能，提高了機器的自動化，智能化程度。3 單片機在實時控制中的應用單片機也可廣泛地應用于各種實時控制系統(tǒng)中，如對工業(yè)上各種窯爐的溫度，酸度，化學成分的測量和控制，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。在航空航天通信，遙控，遙測，工業(yè)機器人控制等各種實時控制和實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中都可以用單片機作為控制器。4 在軍工領(lǐng)域的應用利用單片機的可靠性高，適應的溫度范圍寬，能適應各種惡劣的環(huán)境的特點可以廣泛應用于導彈控制，智能武器裝備，航天飛機導航系統(tǒng)等領(lǐng)域。5 單片機在分布式多機系統(tǒng)中的應用利用單片機可以構(gòu)成分布式多機系統(tǒng)，系統(tǒng)中由若干臺單片機組成的功能各異的儀器設備各自完成特定的任務，再通過通信相互聯(lián)系，協(xié)調(diào)完成整個任務。這使得系統(tǒng)可同時采集 或處理的信息更多，單片機的應用進入了一個新的階段。 單片機的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單片機的基本系統(tǒng)也稱為最小系統(tǒng)，這種系統(tǒng)所選擇的單片機內(nèi)部資源已能滿足系統(tǒng)的硬件需求，不需要外接存儲器或I/O接口。這種單片機內(nèi)含有用戶的程序存儲器。例如：EPROM型單片機，F(xiàn)lash Memory型單片機，定制的ROM型單片機。單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅(qū)動電路(LCD或LED驅(qū)動電路)，脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個最小然而完善的計算機系統(tǒng)。單片機基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21所示： 單片機時鐘電路電源電路輸入/輸出設備復位電路 圖21 單片機基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第3章 硬件設計 硬件部分總體框架 本次設計六個控制按鍵實現(xiàn)所需的人機交互功能，PD0~PD3通過整個4—16譯碼器對點陣的16行線進行控制，PD5通過串入并出芯片實現(xiàn)對64列線進行控制。系統(tǒng)硬件框圖如下所示：圖31 系統(tǒng)硬件框圖 單片機Mega8簡介 AVR Mega8的主要性能參數(shù)1 體系結(jié)構(gòu) 高性能、低功耗的 8 位 微處理器 先進的RISC 結(jié)構(gòu) 130 條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期工作速度　 0 8 MHz (ATmega8L) 0 16 MHz (ATmega8) 工作于16 MHz 時性能高達16 MIPS 2 存儲器空間 8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命: 10,000 次 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM 32個8 位通用工作寄存器 512 字節(jié)EEPROM，擦寫壽命: 100,000 次 3 外設 可編程的I/O 口(23個) 兩個具有獨立預分頻器8 位定時器/ 計數(shù)器, 其中之一有比較功能 一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC 三通道PWM ADC (8 路10 位) 面向字節(jié)的兩線接口 兩個可編程的串行USART 可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器 片內(nèi)模擬比較器 上電復位以及可編程的掉電檢測 片內(nèi)經(jīng)過標定的RC 振蕩器 2/4/8MHz 用作系統(tǒng)時鐘時，可省去外部晶振。 片內(nèi)/ 片外中斷源(共19個中斷源) 睡眠模式(5種): 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式及Standby 模式 4 功耗, 4 Mhz，3V，25176。C 　 工作模式: mA 　 空閑模式: mA 掉電模式: μA Mega8引腳說明 下圖是Mega8單片機的引腳圖：(見下頁)圖32 Mega8引腳圖引腳說明： PB0~PBPC0~PCPD0~PD7： 當這23個I/0作為通用數(shù)字接口使用時，均有可選內(nèi)部的上拉電阻，具有真正的讀修改寫功能，具有大電流10~20mA輸出電流和40mA吸電流的能力。 每個端口引腳都具有三個寄存器：DDxn(R/W)、PORTxn(R/W)、和PINxn(RO) DDxn(R/W)為 I/0方向設置寄存器、PORTxn(R/W)為 I/0數(shù)據(jù)寄存器，PINxn(RO) 為引腳電平寄存器，不論如何配置DDxn，都可以讀取PINxn寄存器來獲得引腳電平。在功能寄存器SFR中，可配置PUDxn來確定是否使用單片機內(nèi)部上拉電阻。VCC：電源。GND：地。AREF：A/D轉(zhuǎn)換時的參考電壓。AVCC：A/D轉(zhuǎn)換時的電源。如上圖所示，23個I/0均有著第二功能，通過相應的寄存器配置，可使用所需的第二功能。 Mega8最小系統(tǒng)電路設計ATmega8具有1/2/8 MHz內(nèi)部RC時鐘振蕩源，但對于精確時鐘制作來說，RC振蕩器的精度明顯是不夠的，所以在此次設計中，仍采用了晶振作為單片機的時鐘源?？紤]到單片機復位的必要性，在單片機的最小系統(tǒng)中，加上了復位電路。由于mega8具的8K程序存儲空間，1K的SRAM，故不需要外加存儲器電路了。在如下所示的最小系統(tǒng)電路中，只需加上電源和地，單片機即可滿足運行的最低硬件要求。圖33 Mega8最小系統(tǒng) 其它芯片簡介 74HC595簡介圖34 74HC595引腳圖74HC595結(jié)構(gòu)為：8位串入并出移位寄存器 + 8位輸出鎖存器結(jié)構(gòu)。74595的數(shù)據(jù)端說明：Q1Q7: 八位并行輸出端，可以直接控制數(shù)碼管的8個段。 Q739。: 級聯(lián)輸出端。將它接下一個595的SI端。 DS: 串行數(shù)據(jù)輸入端。74595的控制端說明：/MR(10腳): 低點平時將移位寄存器的數(shù)據(jù)清零。在此將它接Vcc。SH_CP(11腳)：上升沿時數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)移位。Q0Q1Q2...Q7；下降沿移位寄存器數(shù)據(jù)不變。（脈沖寬度：5V時，大于幾十納秒就行了）。ST_CP(12腳)：上升沿時移位寄存器的數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)存儲寄存器，下降沿時存儲寄存器數(shù)據(jù)不變。通?？蓪T_CP置為低點平，當移位結(jié)束后，在ST_CP端產(chǎn)生一個正脈沖（5V時，大于幾十納秒就行了），更新顯示數(shù)據(jù)。/OE(13腳): 高電平時禁止輸出（高阻態(tài)）。如果單片機的引腳不緊張，用一個引腳控制它，可以方便地產(chǎn)生閃爍和熄滅效果。比通過數(shù)據(jù)端移位控制要省時省力。74595的主要優(yōu)點移位寄存器和輸出鎖存器是相互獨立的，在移位的過程中，輸出端的數(shù)據(jù)可以保持不變。這在串行速度慢的場合很有用處，可使得沒有閃爍感，并且可以實現(xiàn)在顯示各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行數(shù)據(jù)，達到重疊處理的目的。 74HC154簡介：圖35 74HC154引腳圖74HC154為 416譯碼器，當選通端（GG2）均為低電平時，可將地址端（ABCD）的二進制編碼在一個對應的輸出端，以低電平譯出。 如果將G1和G2中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端，由ABCD對輸出尋址，74LS154