单片机控制技术发展与应用

1 单片机技术的发展特点 
  自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。纵观20年来单片机发 
展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发 
展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。 
单片机长寿命 这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作 
十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展， 
MPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出 
局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有15岁，产量仍是上升的。这一方面是由 
于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能 
模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随 
着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的CPU类型的加盟,使单片机队伍 
不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。 
    8位、16位、32位单片机共同发展 这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以来，单 
片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品 
进入家庭，32位单片机应用得到了长足发展。以Motorola 68K为CPU的32位单片机97年的 
销售量达8千万枚。过去认为由于8位单片机功能越来越强，32位机越来越便宜，使16位 
单片机生存空间有限，而16位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅 
度的增长。 
  单片机速度越来越快 MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志 
的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺 
牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时 
序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多，Motorola单片机则使用了琐 
相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。68HC08单片机使 
用4.9M外部振荡器而内部时钟达32M，而M68K系列32位单片机使用32K的外部振荡器频率 
内部时钟可达16MHz以上。 
    低电压与低功耗 自80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺代替，功耗得以 
大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由3μm工艺发展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.35 
近而实现0.2μm工艺，全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选，都使功耗不断下降 
。Motorola 最近推出任选的M.CORE 可在1.8V电压下以50M/48MIPS全速工作，功率约为 
20mW。几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也 
越来越宽。一般单片机都能在3到6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采 
取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供电的单片 
机已经问世。 [page]

低噪声与高可靠性技术 为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工 作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取 了一些新的技术措施。如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI电路，增强了 “看门狗”的性能。Motorola也推出了低噪声的LN系列单片机。 OTP与掩膜 OTP是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜 型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期，而OTP型单片机价格不断下降，使得 近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的 特点。近年来，OTP型单片机需量大幅度上扬，为适应这种需求许多单片机都采用了在片 编程技术(In System Programming)。未编程的OTP芯片可采用裸片Bonding技术或表面贴 技术，先焊在印刷板上，然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片 机编程。解决了批量写OTP 芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题。使OTP的裸 片得以广泛使用，降低了产品的成本。编程线与I/O线共用，不增加单片机的额外引脚。 而一些生产厂商推出的单片机不再有掩膜型，全部为有ISP功能的OTP。 MTP向OTP挑战 MTP是可多次编程的意思。一些单片机厂商以MTP的性能、OTP的价位推出 他们的单片机，如ATMEL AVR单片机，片内采用FLASH，可多次编程。华邦公司生产的与 8051兼容的单片机也采用了MTP性能，OTP的价位。这些单片机都使用了ISP技术，等安装 到印刷线路板上以后再下载程序。 2 单片机的广泛选择 Motorola单片机 Motorola是世界上最大的单片机厂商。品种全、选择余地大、新产品 多是其特点，在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08，68HC05有三十多个系列，二百多 个品种，产量已超过20亿片。8位增强型单片机68HC11也有三十多个品种，年产量在1亿 片以上。升级产品有68HC12。16位机68HC16也有十多个品种。32位单片机的683XX系列也 有几十个品种。近年来，以PowerPC、Coldfire、M.CORE 等为CPU。将DSP做为辅助模块 集成的单片机也纷纷推出。目前仍是单片机的首选牌品。Motorola单片机特点之一是在 同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机 低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能 力强,更适合用于工控领域及恶劣的环境。Motorola 8位单片机过去的策略是以掩膜为主 的，最近推出OTP计划以适应单片机发展新趋势，在32位机上，M.CORE在性能和功耗方面 都胜过ARM7。 Microchip单片机 Microship单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是16 C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，且以低价位著称，一般 单片机价格都在一美元以下。Microship单片机没有掩膜产品，全部是OTP器件，Micros hip强调节约成本的最优化设计，适于用量大、档次低、价格敏感的产品

  Scenix单片机 Scenix单片机I/O模块有新意 I/O模块的集成与组合技术是单片机技术 
不可缺少的重要方面。除传统的I/O功能模块如并行I/O、URT、SPI、I2C、A/D、PWM、P 
LL、DTMF等，新的I/O模块 不断出现，如USB、 CAN、J1850，最具代表性的是Motorola 
 32位单片机，它集成了包括各种通讯协议在内的I/O模块，而Scenix单片机在I/O模块的 
处理上引入了虚拟I/O的新概念。Scenix采用了RISC结构的CPU，使CPU最高工作频率达5 
0MHz。运算速度接近50 MIPS。有了强有力的CPU，各种I/O功能便可以用软件的办法模拟 
。单片机的封装采用20/28引脚。公司提供各种I/O的 库函数，用于实现各种I/O模块的 
功能。这些用软件完成的模块包括多路UART、多路A/D、PWM、SPI、DTMF、FSK、LCD驱动 
等，这些都是通常用硬件实现起来也相当复杂的模块。 
NEC单片机 NEC单片机自成体系，以8位单片机78K系列产量最高，也有16位、32位单片 
机。16位以上单片机采用内部倍频技术，以降低外时钟频率。有的单片机采用内置操作 
系统。NEC的销售策略著重于服务大客户，并投入相当大的技术力量帮助大客户开发产品 
。 东芝单片机 东芝单片机的特点是从4位机到64位机门类齐全。4位机在家电领域仍有较 
大的市场。8位机主要有870系列、90系列等，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟 
时功耗降至10μA数量级。CPU内部多组寄存器的使用，使得中断响应与处理更加快捷。 
东芝的32位单片机采用MIPS 3000A RISC的CPU 结构，面向VCD、数字相机、图象处理等 
市场。 

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富士通单片机 富士通也有8位、16位和32位单片机，但8位机使用的是16位机的CPU内核 。也就是说8位机与16机所用的指令相同，使得开发比较容易。8位单片机有著名的MB89 00系列，16位机有MB90系列。富士通公司注重于服务大公司、大客户，帮助大客户开发 产品。 Epson单片机 Epson公司以擅长制造液晶显示器著称，故Epson单片机主要为该公司生产 的LCD配套。其单片机的特点是LCD驱动部分做得特别好。在低电压、低功耗方面也很有 特点。目前0.9V供电的单片机已经上市，不久的将来，LCD显示的手表类单片机将使用0 .5V供电。 8051类单片机 最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单 片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的 高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都 在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特性(如时序特性)。提高了速度、降 低了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品价格。 Zilog单片机 Z8单片机是Zilog公司的产品，采用多累加器结构，有较强的中断处理能 力。产品为OTP型，Z8单片机的开发工具可称价廉物美。Z8单片机以低价位的优势面向低 端应用，以18引脚封装为主，ROM为0.5～2K。最近Zilog公司又推出了Z86系列单片机， 该系列内部可集成廉价的DSP单元。 NS单片机 COP8单片机是美国国家半导体公司的产品，该公司以生产先进的模拟电路著 称。能生产高水平的数字模拟混合电路。COP8单片机片内集成了16位A/D，这是单片机中 不多见的。COP8单片机内部使用了抗EMI电路，在看门狗电路以及STOP方式下单片机的唤 醒方式上都有独到之处。此外，COP8的程序加密控制也做得比较好。 三星单片机 三星单片机有KS51和KS57系列4位单片机，KS86和KS88系列8位单片机，KS 17系列16位单片机和KS32、32位单片机。三星单片机为OTP型1SP在片编程功能。三星公 司以生产存储器芯片著称，在存储器市场供大于求的形势下，涉足参与单片机的竞争。 三星公司在单片机技术上以引进消化发达国家的技术、生产与之兼容的产品，然后以价 格优势取胜。例如在4位机上采用NEC的技术，8位机上引进Zilog公司Z8的技术，在32位 机上购买ARM7内核，还有DEC的技术、东芝的技术等。其单片机裸片的价格相当有竞争力 。 华邦单片机 华邦单片机属8051类单片机，它们的W78系列与标准的8051兼容，W77系列 位增强型51系列，对8051的时序作了改进。同样时钟频率下速度提高2.5倍，FLASH容量 从4K到64K，有ISP功能。在4位单片机方面华邦有921系列和带LCD驱动的741系列。在32 K机方面，华邦使用惠普公司PA－RISC单片机技术，生产低位的32位RISC单片机。 3 结束语 以上提到的单片机厂商是进入中国市场的单片机厂商的一部分，还有很多著名的单 片机制造商如三菱、日立、TI等本文没有提到。总体上看，美国著名公司的单片机技术 仍处在领先的地位，特别是在高端产品方面，高性能的单片机新产品不断推出。而*** 在单片机制造业方面有也相当的优势，也在积极争夺家电产品的大客户。韩国及我国台 湾省的一些公司在引进消化美国技术的基础上，以低价位的兼容产品抢占中国市场。而 至今还没有一家中国大陆的公司能在如此浩大的单片机市场上占有一席之地，这不能不 说是我国电子工业的悲哀。另一方面如此琳琅满目、让人眼花缭乱的单片机品种，着实 给单片机应用的工程师提供了巨大的选择空间。这么多种单片机能进入中国市场，这一 实事就说明了我们的应用工程师已经能够综合各类单片机的性能、价格等方面的因素并 结合应用对象进行选择。较过去以剖析、。复制外国产品为主的思路有了相当的改进。 随着我国经济实力的增长，开发新产品的思路上过去那种过多注重价格因素而使新产品 开发上不了档次的弱点有所改善，开始注意使用当前最先进的单片机开发高档次的产品 。由于单片机的开发手段目前仍以仿真器为主，公司能否提供廉价的仿真器，提供方便 的技术服务与培训，较之能否提供高性能、低价位的单片机有着同等的重要性。各单片 机厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争。这种竞争与推出新型的单片 机以显示高技术方面的优势是相辅相成的。竞争的结果是为单片机应用工程师提供更广 阔的选择空间，而最终受益的是单片机产品的消费者，由于单片机对各行各业都有用， 这种电子技术的进步导致各行各业的进步，也带动了人类文明的进步。