【文章內(nèi)容簡介】 電氣公司NEC和HITACHI都相繼開發(fā)了具有自己特色的專用單片機(jī)。80年代，世界各大公司均競相研制出品種多功能強(qiáng)的單片機(jī)，約有幾十個(gè)系列，300多個(gè)品種，此時(shí)的單片機(jī)均屬于真正的單片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、數(shù)目繁多的I/O接口、多種中斷系統(tǒng)，甚至還有一些帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，功能越來越強(qiáng)大，RAM和ROM的容量也越來越大，尋址空間甚至可達(dá)64kB，可以說，單片機(jī)發(fā)展到了一個(gè)全新階段，應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，許多家用電器均走向利用單片機(jī)控制的智能化發(fā)展道路。1982年以后，16位單片機(jī)問世，代表產(chǎn)品是INTEL公司的MCS96系列，16位單片機(jī)比起8位機(jī)，數(shù)據(jù)寬度增加了一倍，實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)，主頻更高，集成度達(dá)到了12萬只晶體管，RAM增加到了232字節(jié)，ROM則達(dá)到了8kB，并且有8個(gè)中斷源，同時(shí)配置了多路的A/D轉(zhuǎn)換通道，高速的I/O處理單元，適用于更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。九十年代以后，單片機(jī)獲得了飛速的發(fā)展，世界各大半導(dǎo)體公司相繼開發(fā)了功能更為強(qiáng)大的單片機(jī)。美國Microchip公司發(fā)布了一種完全不兼容MCS51的新一代PIC系列單片機(jī)，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，特別它的產(chǎn)品只有33條精簡指令集吸引了不少用戶，使人們從INTEL的111條復(fù)雜指令集中走出來。PIC單片機(jī)獲得了快速的發(fā)展，在業(yè)界中占有一席之地。隨后，更多的單片機(jī)種蜂擁而至，MOTOROLA公司相繼發(fā)布了MC68HC系列單片機(jī)，日本的幾個(gè)著名公司都研制出了性能更強(qiáng)的產(chǎn)品，但日本的單片機(jī)一般均用于專用系統(tǒng)控制，而不像INTEL等公司投放到市場形成通用單片機(jī)。例如NEC公司生產(chǎn)的uCOM87系列單片機(jī)，其代表作uPC7811是一種性能相當(dāng)優(yōu)異的單片機(jī)。MOTOROLA公司的MC68HC05系列其高速低價(jià)等特點(diǎn)贏得了不少用戶。Zilog公司的Z8系列產(chǎn)品代表作是Z8671，內(nèi)含BASIC Debug解釋程序，極大地方便用戶。而美國過半的COP800系列單片機(jī)則采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。ATMEL公司則把單片機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的Flash存儲(chǔ)技術(shù)完美地結(jié)合起來，發(fā)布了性能相當(dāng)優(yōu)秀的AT89系列單片機(jī)。包括中國的臺(tái)灣HOLTEK和WINBOND等公司也紛紛加入了單片機(jī)發(fā)展行列，憑著他們廉價(jià)的優(yōu)勢，分享一杯美羹。1990年美國INTEL公司推出了80960超級32位單片機(jī)引起了計(jì)算機(jī)界的轟動(dòng)，產(chǎn)品相繼投放市場，成為單片機(jī)發(fā)展史上又一個(gè)重要的里程碑此期間，單片機(jī)園地里，單片機(jī)品種異彩紛呈，爭奇斗艷。有8位、16位甚至32位機(jī)，但8位單片機(jī)仍以它的價(jià)格低廉、品種齊全、應(yīng)用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開發(fā)方便等特點(diǎn)而占著主導(dǎo)地位。而INTEL公司憑著他們雄厚的技術(shù)，性能優(yōu)秀的機(jī)型和良好的基礎(chǔ)，目前仍是單片機(jī)的主流產(chǎn)品。只不過是九十年代中期，INTEL公司忙著開發(fā)他們個(gè)人電腦微處理器，已沒有足夠的精力繼續(xù)發(fā)展自己創(chuàng)導(dǎo)的單片機(jī)技術(shù)，而由PHILIPS等公司繼續(xù)發(fā)展C51系列單片機(jī)。單片機(jī)的發(fā)展趨勢1．制作工藝CMOS化(全盤CMOS化)出于對低功耗的普遍要求，目前各大廠商推出的各類單片機(jī)產(chǎn)品都采用了CHMOS工藝。80C51系列單片機(jī)采用兩種半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。一種是HMOS工藝,即高密度短溝道MOS工藝。另外一種是CHMOS工藝，即互補(bǔ)金屬氧化物的HMOS工藝。CHMOS是CMOS和HMOS的結(jié)合，除保持了HMOS的高速度和高密度的特點(diǎn)之外，還具有CMOS低功耗的特點(diǎn)。例如8051的功耗為630mw，而80C51的功耗只有120mw。在便攜式、手提式或野外作業(yè)儀器設(shè)備上低功耗是非常有意義的。因此，在這些產(chǎn)品中必須使用CHMOS的單片機(jī)芯片。 2．盡量實(shí)現(xiàn)單片化盡管我們常說，單片機(jī)是將中央處理器CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，但由于工藝和其它方面的原因，很多功能部件并未集成在單片機(jī)芯片內(nèi)部。于是，用戶通常的做法是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要在外圍擴(kuò)展功能芯片。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展和“以人為本”思想在單片機(jī)設(shè)計(jì)上的體現(xiàn)，很多單片機(jī)生產(chǎn)廠家充分考慮到用戶的需求，將一些常用的功能部件，如A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)、D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)、PWM(脈沖產(chǎn)生器)以及LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)器等集成到芯片內(nèi)部，盡量做到單片化；同時(shí)，用戶還可以提出要求，由廠家量身定作(SOC設(shè)計(jì))或自行設(shè)計(jì)。3．共性與個(gè)性共存如今的市場上為我們提供了豐富多彩的單片機(jī)產(chǎn)品。從宏觀上講，有RISC和CISC兩大類型；從微觀上說，有Intel、Motorola、Philips、Microchip、EMC、NEC等公司的相關(guān)產(chǎn)品。在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，都將維持這種群雄并起、共性與個(gè)性共存的局面。究其原因，主要有以下兩點(diǎn)。首先，以80C51為代表的單片機(jī)的基礎(chǔ)地位不會(huì)動(dòng)搖。這是因?yàn)?0C51的架構(gòu)和指令系統(tǒng)為后來的單片機(jī)提供了參考基準(zhǔn)和強(qiáng)大支持，凡是學(xué)過80C51單片機(jī)的人再去學(xué)用其它類型的單片機(jī)易如反掌，借梯子爬坡何樂而不為呢？有關(guān)這方面的教材建設(shè)在出版界也得到了共識(shí)，取得了斐然的成果；這足以解釋為制么在課堂上大家都以80C51的教材來進(jìn)行教與學(xué)了。其次，個(gè)性化的產(chǎn)品如專用單片機(jī)等在滿足用戶需求方面得到了大家的認(rèn)可，在應(yīng)用領(lǐng)域大有后來趕上的架勢；它們由于先天的優(yōu)勢，在80C51的基礎(chǔ)上揚(yáng)長避短，以用戶需要為根本，在市場上受到丁歡迎?？傊?，80C51作為共性的代表會(huì)與個(gè)性化的產(chǎn)品相互依存，共同發(fā)展，將會(huì)給用戶帶來更大的實(shí)惠與方便。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇。：單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。：用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。：可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。：現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對講機(jī)等。：單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。2方案論證周向振動(dòng)鉆床主軸在工作時(shí)，主軸以很高的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)并以很高的頻率擺動(dòng)，加之其主要部件———激振驅(qū)動(dòng)器本身的質(zhì)量較小，所以傳感器的附加質(zhì)量對周向振動(dòng)鉆床主軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是對擺動(dòng)部分的影響很大，如果用接觸式傳感器進(jìn)行測量，必然會(huì)對測試結(jié)果的可靠性及精確度產(chǎn)生很大的影響，這就決定了所有需要用接觸方式進(jìn)行測量的傳感器都不可能很好地滿足對系統(tǒng)的測量要求，為此，必須采用非接觸方式進(jìn)行測量。能實(shí)現(xiàn)非接觸測量的傳感器較多，諸如：電容式，光電式， 渦電流式等等， 但考慮到該設(shè)備基于振動(dòng)原理工作基于對周向振動(dòng)鉆床的工作條件及上述各種傳感器的結(jié)構(gòu)，靈敏度，頻率響應(yīng)范圍，抗干擾能力等因素的綜合考慮，則選用渦流傳感器來完成對主軸轉(zhuǎn)速及主軸振動(dòng)頻率的測量。在數(shù)據(jù)采集過程中選擇用多個(gè)傳感器測量，一個(gè)參數(shù)用一個(gè)傳感器測，最后通過軟件用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。每個(gè)傳感器測量信號(hào)放大、濾波后，通過A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算、融合，由LED數(shù)碼管顯示出來。采用單傳感器進(jìn)行測量，傳感器測試的信號(hào)進(jìn)行分離后，再輸入專門的單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。傳感器輸出信號(hào)后，對采集信號(hào)進(jìn)行放大及濾波處理，通過A/D轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)，通過單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，再送至用于各個(gè)參數(shù)運(yùn)算的單片機(jī)，由LED數(shù)碼管顯示出來。這個(gè)方案是在方案二的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，用一個(gè)傳感器、單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集過程中選擇用單傳感器進(jìn)行測量，用硬件對數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、濾波、采樣保持經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。利用單片機(jī)對整個(gè)測試系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行控制，用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算最后顯示所要測得結(jié)果。整個(gè)測量過程中主要是用軟件對測量數(shù)據(jù)分析、處理。通過對方案進(jìn)行分析，用第一種方法測量，需要的硬件體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且需要的傳感器多，這樣在測量過程中可能造成傳感器測量時(shí)之間的相互干擾造成數(shù)據(jù)測量結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，另外也加大了測量成本。用第二種方法測量，對軟硬件設(shè)計(jì)要求高，需要多個(gè)單片機(jī)做數(shù)據(jù)處理，也要用軟件對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行工作過程控制，由于單片機(jī)應(yīng)用較多，所以硬件電路圖設(shè)計(jì)相對復(fù)雜化。用第三種方法測量硬件設(shè)計(jì)比前兩種方法相對簡單，對軟件設(shè)計(jì)要求也比較低，只需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分離處理，即符合測試要求，測試成本又低。經(jīng)過對三個(gè)方案進(jìn)行綜合分析后，最終選用方案三。3硬件設(shè)計(jì)在解決方案后，那么選擇合適的傳感器也是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，就傳感器而言，種類就有很多，一旦選的不好，就會(huì)給后期工作帶來很多的麻煩。（1）根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 要進(jìn)行—個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。 （2）靈敏度的選擇 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。 （3）頻率響應(yīng)特性 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。 （4）線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測量帶來極大的方便。 （5）穩(wěn)定性 傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長時(shí)間的考驗(yàn)。 （6）精度 精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測量系統(tǒng)測量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。 在一般情況下，如果考慮到了上面幾點(diǎn)，就可以選擇到合適的傳感器了。電渦流傳感器的工作原理是通過對處于檢測線圈形成的電磁場中的工件及周圍空間區(qū)域列出麥克斯韋方程及定解條件，然后進(jìn)行求解，以確定檢測線圈的阻抗特性的變化與被檢工件受影響因素之間的關(guān)系。 電渦流傳感器采用的是感應(yīng)電渦流原理,當(dāng)帶有高頻電流的線圈靠近被測金屬時(shí),線圈上的高頻電流所產(chǎn)生的高頻電磁場便在金屬表面上產(chǎn)生感應(yīng)電流,電磁學(xué)上稱之為電渦流。電渦流效應(yīng)與被測金屬間的距離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)有關(guān)。 通過電路可將被測金屬相對于傳感器探頭之間距離的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流變化。電渦流傳感器就1） 電渦流傳感器根據(jù)電磁場原理，在趨近傳感器線圈中通入高頻電流后，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生高頻磁場，該磁場穿過靠近它的轉(zhuǎn)軸表面時(shí)，會(huì)在其中感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)電渦流； 2） 這個(gè)變化的電渦流又會(huì)在它的周圍產(chǎn)生一個(gè)電渦流磁場，其方向和原線圈磁場的方向相反，這兩個(gè)磁場疊加將改變原線圈的阻抗； 3） 線圈阻抗在磁導(dǎo)率、激勵(lì)電流強(qiáng)度、頻率等參數(shù)不變時(shí)，可把阻抗看成是探頭到金屬表面間隙的單值函數(shù)，即二者之間成比例關(guān)系； 4） 設(shè)置一測量變換電路，將阻抗的變化是根據(jù)對金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測量。轉(zhuǎn)換成電壓或電流，通過顯示儀器反映出間隙的變化，從而得到軸振動(dòng)和軸位移。電渦流傳感器采用的是感應(yīng)電渦流原理,當(dāng)帶有高頻電流的線圈靠近被測金屬時(shí),線圈上的高頻電流所產(chǎn)生的高頻電磁場便在金屬表面上產(chǎn)生感應(yīng)電流,電磁學(xué)上稱之為電渦流。電渦流效應(yīng)與被測金屬間的距離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)有關(guān)。 通過電路可將被測金屬相對于傳感器探頭之間距離的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流變化。電渦流傳感器就是根據(jù)對金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測量。1）電渦流位移（振動(dòng)）傳感器能靜態(tài)