【文章內(nèi)容簡介】 片內(nèi) ROM 型的芯片又分為片內(nèi) EPROM 型（典型芯片為 87C51）、 MASK 片內(nèi)掩模 ROM 型（典型芯片為 8051）、片內(nèi) FLASH 型（典型芯片為89C51）等類型，一些公司還推出帶有片內(nèi)一次性可編程 ROM（ One Time Programming, OTP)常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 11 的芯片（典型芯片為 97C51)。 微控制器是電腦上的一個芯片。與通用微處理器相比較而言（在 PC 上使用的那種 ），它是突顯自給自足性能和成本效益的一款微處理器。 目前使用的大多數(shù)計算機系統(tǒng)被嵌入在其他機器中的，如電話機，鐘表，家電，汽車，和基礎(chǔ)設(shè)施。一款嵌入式系統(tǒng)通常具有記憶和程序長度的最低要求，可能需要簡單但不尋常的輸入 /輸出系統(tǒng)。例如，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)缺少鍵盤，屏幕，磁盤，打印機或個人計算機的其他可識別的 I / O 設(shè)備。它們可以控制電動馬達，繼電器或電壓，并且讀開關(guān)，可變電阻器或其他電子設(shè)備。通常，唯一通過一個可讀的 I / O 設(shè)備是一個單一的發(fā)光二極管，它的嚴重的成本或功耗限制甚至可以消除。 與通用 CPU 相反， 微控制器不具有地址總線或數(shù)據(jù)總線，因為它們集成在同一個芯片作為 CPU 上所有的 RAM 和非易失性存儲器。因為它們需要更少的引腳，該芯片可以被放置在一個更小，更便宜的封裝中。 集成存儲器和其他外圍設(shè)備在單個芯片上，并測試它們作為一個單元增加了芯片的成本，但通常會導(dǎo)致降低了嵌入式系統(tǒng)作為一個整體的凈成本。 （即使已經(jīng)集成外設(shè)的 CPU的成本比一個 CPU +外圍設(shè)備的成本稍多，更少的芯片通常允許更小和更便宜的電路板，并降低了組裝和測試電路板所需的人工） 。這種趨勢導(dǎo)致了如此的設(shè)計。 微控制器是一個集成電路，通常具有以下 特點： 中央處理單元 從小型簡單的 4 位處理器到復(fù)雜的 32 位或 64 位處理器的輸入 /輸出接口外設(shè)如串行端口器（ UART）其他串行通訊接口如 I178。C，串行外設(shè)接口和控制器局域網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)互連如定時器和看門狗的 RAM 數(shù)據(jù)存儲器 ROM， EPROM， EEPROM 或閃存用于程序存儲的時鐘發(fā)生器 通常是振蕩器石英計時晶振，諧振器或 RC 電路的包括許多模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 這種整合大大減少芯片的數(shù)量，并且將需要使用不同的芯片上，以產(chǎn)生等效的系統(tǒng)，并已被證明是由于其在 20 世紀 70 年代引入的嵌入式系統(tǒng)非常流行的布線和印刷電路板的空間量 。 有些微控制器能夠用哈佛結(jié)構(gòu)：獨立的內(nèi)存總線的指令和數(shù)據(jù)，允許訪問同時發(fā)生。 而外圍的整合的決定是非常困難的。該微控制器供應(yīng)商經(jīng)常換工作頻率和對時間將產(chǎn)品推向市場從他們的客戶和降低整體系統(tǒng)成本要求的系統(tǒng)設(shè)計靈活性。制造商必須平衡需要盡量減少對附加功能的芯片尺寸。 微控制器架構(gòu)可從這么多的品種很多不同的供應(yīng)商每個指令集架構(gòu)能夠正確地屬于一個自成一類的。其中最主要的是 8051， Z80 和 ARM 的衍生工具。 [需要的引證 ] 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 12 2． 2． 2微控制器的 功能說明 微控制器（ MCU 也或μ C）是一種功能性的計算機上系統(tǒng)級芯片。 它包含一個處理器核心，存儲器和可編程的輸入 /輸出外圍設(shè)備。 微控制器包括一個集成的 CPU，存儲器（少量的 RAM，程序存儲器，或兩者兼有），能夠輸入和輸出的外圍設(shè)備。它強調(diào)高集成化，而相比之下，一個微處理器，它僅包含一個 CPU（在 PC 中使用的那種）。除了一個通用微處理器通常的算術(shù)和邏輯元件，微控制器集成了額外的元素，例如讀寫內(nèi)存用于數(shù)據(jù)存儲，只讀存儲器用于程序存儲，閃存用于數(shù)據(jù)永久存儲，外設(shè)和輸入 /輸出接口。在少至 32KHz 的時鐘速度，微控制器經(jīng)常工作在非常低的速度相比，微處理器，但是這是足夠的典型應(yīng)用。他們 消耗較少的功率（毫瓦甚至微瓦），并且一般要保留的功能，同時等待一個事件，例如按下按鈕或中斷的能力。功耗，同時睡眠（ CPU 時鐘和外設(shè)禁用）可能只是納瓦，使它們非常適合于低功耗和持久的電池應(yīng)用。 微控制器用于自動地控制產(chǎn)品和設(shè)備，如汽車的發(fā)動機控制系統(tǒng)，遠程控制，辦公機器，電器，電動工具，玩具等。通過減小尺寸，成本和功率消耗與使用一個單獨的微處理器，存儲器，以及輸入 /輸出裝置的設(shè)計相比，微控制器能夠經(jīng)濟的電子化地控制更多的進程。 目前使用的大多數(shù)計算機系統(tǒng)都被嵌入在其他機械中，如汽車，電話，電器，及周邊設(shè)備的計 算機系統(tǒng)，這些被稱為嵌入式系統(tǒng)。雖然有些嵌入式系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，有很多的內(nèi)存和程序長度的最低要求，沒有操作系統(tǒng)以及復(fù)雜的低軟件。典型的輸入和輸出設(shè)備包括開關(guān)，繼電器，螺線管，指示燈，小型或定制的 LCD 顯示器，射頻設(shè)備和數(shù)據(jù)傳感器，例如溫度，濕度，光照水平等嵌入式系統(tǒng)通常沒有鍵盤，屏幕，磁盤，打印機，或個人計算機的其他可識別的 I / O 設(shè)備，并且可能會缺乏任何形式的人工交互的設(shè)備。 微控制器提供實時響應(yīng)來回復(fù)他們所控制的嵌入式系統(tǒng)中的事件是強制性的。當某些事件發(fā)生時，中斷系統(tǒng)可以發(fā)出信號處理器暫停處理當前指令 序列，并開始中斷服務(wù)程序（ ISR）。 ISR 將返回到原來的指令序列之前執(zhí)行基于中斷的來源所需的任何處理?？赡艿闹袛嘣词窍嚓P(guān)設(shè)備，并且通常包括諸如內(nèi)部定時器溢出事件，完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，對輸入諸如從被按下的按鈕邏輯電平的變化，和數(shù)據(jù)通信鏈路上接收。功耗是重要的，因為在電池供電的設(shè)備中斷還可以喚醒微控制器從哪里處理器暫停，直到需要通過外圍事件做一些低功耗的睡眠狀態(tài)。 單片機程序必須存放在可用的片上程序存儲器，因為提供與外部鏈接的，可擴展的，內(nèi)存的系統(tǒng)將是昂貴的。編譯器和匯編語言是用來將打開的高級語言程序轉(zhuǎn)換到 一個緊湊的機器代碼存儲在微控制器的存儲器中。根據(jù)不同的設(shè)備，程序存儲器可以是永久的，只能在工廠進行編程的只讀存儲器，或程序存儲器可以現(xiàn)場改變程序或可擦除只讀存儲器。 由于嵌入式處理器通常用于控制設(shè)備，他們有時需要接受來自他們所控制的設(shè)備的輸常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 13 入，這是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的目的。因為處理器在建造時，解釋和處理數(shù)字數(shù)據(jù)，也就是 1和 0，它們不能夠用通過一個器件發(fā)送給它的模擬信號做任何事情。這樣模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器用于將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成該處理器可以識別的一種形式。還有一個數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換器，它允許處理器將數(shù)據(jù)發(fā)送到被控制的設(shè)備。 除了轉(zhuǎn)換器，許多嵌入式微處理器也可以包括各種定時器。其中一個最常見的定時器類型是可編程間隔定時器，或簡稱 PIT。 PIT 只是倒計時從一些值降到零。一旦達到零，它發(fā)送一中斷到處理器，表明它已經(jīng)完成計數(shù)。這是非常有用，如恒溫器，其中定期測試他們周圍的溫度，看看他們是否需要開啟空調(diào)時對等加熱設(shè)備。 時間處理單元或簡稱 TPU，本質(zhì)上只是另一種計時器，而且更復(fù)雜。除了倒計數(shù)，所述TPU 可以檢測到輸入事件，產(chǎn)生輸出事件，以及其他有用的操作。 專用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）使得它可以為 CPU 控制功率轉(zhuǎn)換器，電阻性負載，電機等，而無需在緊定時環(huán)路使用大量 CPU 資源。 通用異步接收器 /發(fā)送器模塊（ UART）使得它可以通過在 CPU 上具有很少負載的一條串行線路上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 對于那些想要以太網(wǎng)可以使用外部芯片像晶體半導(dǎo)體 CS8900A，瑞昱 RTL8019，或微ENC28J60，它們所有的都可以方便的與低引腳數(shù)相接。 采集卡模塊說明 2． 3． 1 模塊簡介 MPS010601是一款新型的多功能 USB 數(shù)據(jù)采集卡。與傳統(tǒng)的采集卡不同， MPS010601不但具備八路信號采集通道，而且具備四路信號輸出（ DAC）、八路數(shù)字信號輸入 \輸出（ DIO）、兩路計數(shù)器、兩路比較器和兩路 PWM 輸出等諸多附加的實用功能。這些附加功能不但大大提高了 MPS010601的性價比，而且大幅擴展了 MPS010601的用途。 MPS010601采集卡還編寫了功能豐富的應(yīng)用軟件，努力為用戶提全面的方案設(shè)計，減少用戶的工作量。 采集卡實物如圖 2— 1所示。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 14 圖 2— 1 采集卡 2． 3． 2 性能以及 接口說明 總線性能 ? ? 使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)自動配置，支持設(shè)備的熱插拔即插即用 ? 輸入通道： 2路同步差分、 4路多路差分、 8路多路差分 ? 輸入端耐壓： 177。 5V ? 輸入量程： 177。 ? 采樣： 5Ksps80Ksps 內(nèi)外時鐘 ? 阻抗： 30K ? 最大總誤差： % 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 15 ? 增益： 16 ? 輸出通道 : 4路同步單端 ? 模輸出范圍： ? 輸出電流 : 300μ A ? 分辨率： 12比特 ? 非線性誤差： 177。 2LSB ? 更新時鐘： 5Ksps80Ksps 內(nèi)外時鐘 /輸出 ? 輸入 /輸出通道： 8路 ? 輸入 /輸出模式： 全輸入 /輸出、半輸入 /輸出 ? 輸入電平： 兼容邏輯門電路或互補金屬氧化物半導(dǎo)體電平 ? 輸出電平： 互補金屬氧化物半導(dǎo)體電平 ? 輸入 /輸出時鐘： 5Ksps80Ksps 內(nèi)外時鐘 ? 比較器數(shù)目： 2 ? 電壓范圍： ≤ ? 響應(yīng)時間： ≤ 10μ S ? 回差電壓： 正反向各 2mV ? 輸出電平： 互補金屬氧化物半導(dǎo)體電平 ? 計數(shù)器數(shù)目： 2 ? 輸入電平： 邏輯門電路或互補金屬氧化物半導(dǎo)體電平 ? 計數(shù)位： 16位 ? 工作時鐘： 5Ksps80Ksps 內(nèi)外時鐘 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 16 輸出 ? PWM 輸出通道： 2 ? PWM 輸出電平： CMOS ? PWM 輸出脈寬： 16bit ? PWM 時基： 2M 或 24M ? PWM 狀態(tài)顯示： LED 存儲器 ? FIFO 個數(shù)： 4 ? 存儲深度： 1K ? 0℃ 70℃ ? GND: 采集卡底線端口 ? DAx: 模擬信號輸出端口 ? CPx+: 比較器正輸入端口 ? CPx: 比較器負輸入端口 ? ADx+: 模擬信號差分輸入正端口 ? ADx: 模擬信號差分輸入正端 口 ? DX: 數(shù)字信號輸入 /輸出端口 ? EXx: 擴展端口，其中： EX1:內(nèi)部工作時鐘輸出 EX2:計數(shù)器 1輸入 EX3:PWM1輸出 EX4:CP1狀態(tài)輸出， CP1+ CP1時 EX4為高電平 EX5:使用外部時鐘時為外部時鐘輸入；使用內(nèi)部時鐘時為內(nèi)部時鐘輸出 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 17 EX6:計數(shù)器 2輸入 EX7:PWM2輸入 EX8。CP2狀態(tài)輸出， CP2+ CP2時 EX8為高電平 原理 2． 4． 1 數(shù)據(jù)信號采集功能 MPS010601具備多達八個通道的電壓信號輸入端口。八個通道分別由兩路 12位高性能ADC 和配套的多路開關(guān)組成，兩路 ADC 進行同步轉(zhuǎn)換。 MPS010601提供了三種通道模式：雙通道、四通道和八通道。值得一提的是，在雙通道模式下兩路采樣是同步進行的，在一些要求較高的應(yīng)用中有著重要作用。 噪聲也是采集卡的一個重要性能參數(shù)，這里將對 MPS010601 的精度進行一個簡單的測試。通過把采集卡的差分輸 入斷接，可以得到一個理論上的零電壓信號，但實際采集中受各種影響總會有一些噪聲存在。 為了進一步提高有效分辨率和改善波形，可以軟件中進行數(shù)字濾波。 MPS010601 的綜合應(yīng)用軟件中就集成了平滑濾波的功能。平滑濾波能降低噪聲，但同時會減小帶寬，用戶可以根據(jù)需要進行設(shè)置。 2． 4． 2 信號輸出功能 MPS010601具有多達四路的信號輸出端口，每路最高都可以達到 80Ksps的輸出刷新率，輸出分辨率為 12位，并且四路輸出是獨立和同步的。這些高端的配置可以滿足絕大部分應(yīng)用場合的要求。在軟件配合下， MPS010601 可以產(chǎn)生邊界限制以內(nèi)的任意波形。正弦波、方波、三角波、鋸齒波、直流電平自然不在話下，不但頻率、幅值和相位可任意設(shè)置，而且可以人為的向信號中添加噪聲，或是對信號進行各種運算和處理，更為強大的是，還可以由外部的波形文件中讀取數(shù)據(jù)并輸出，甚至可以用鼠標去手工繪制波形。 MPS010601提供了比較實用的信號發(fā)生器軟件，使用該軟件不但可以輸出標準波形（正弦、方波、三角波、鋸齒波、直流），還可以從數(shù)據(jù)文件中讀取的波形或手工繪制的波形。另