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2018-5-31 02:01 上傳
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《單片機選型指南》
一、概述
大家在進行單片機實驗和開發產品過程中，往往對使用什么品種和型號的單片機感到很迷茫，不知從何著手。這主要是由于應用系統的性質、規模、投資大小等因素千差萬別，單片機的種類繁多，因此選用 單片機很難有一個固定的規范。本文試圖通過各方面說明單片機選用的一般原則。
二、實例說明
下面我們看一個單片機數字電容表的實例。
要測量一個電容的容量，常用的有兩種方法：第一種方法是把電容作為一個振蕩電路（如RC 振蕩電路）回路中的一個元件，通過測量振蕩頻率即可知道電容量；第二種方法是通過測量RC 充放電回路的時間常數來測量電容量。
這里采用第二種方法設計一個單片機數字電容表，測試原理圖1。電源電壓E+經電阻R 給被測電容CX充電，CX 兩端原電壓隨充電時間的增加而上升。當充電時間t等于RC 時間常數τ 時，CX 兩端電壓約為電源電壓的63.2%，測量電容器充電達到該電壓的時間，便能知道電容器的容量。
下面我們分析一下這個單片機系統對所有單片機的要求。
為了判斷電容C 上的充電電壓是否達到電源電壓的63.2%，可以用電壓比較器來檢測，這樣我們就必須選用一個有比較器的單片機。
測量結果采用4位數碼管直接和單片機相連的方式，字段要占用7個I/O 口，數碼管位選用占4個I/O口，加上電壓比較器的2個I/O 口，因此所選用的單片機不能少于13個I/O 口。
設計程序的過程可能要進行反復修改，因此要選用帶Flash 程序存儲器的單片機，由于程序不是太復雜，程序存儲器的容量有1KB就足夠了。
綜合上述因素，再考慮價格、單片機是否易購等因素，最后確認Atmel 公司的單片機AT89C2051 可以滿足要求。
測試電路如圖2 所示。
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2018-5-31 02:04 上傳
A 為AT89C2051 內部構造的電壓比較器，AT89C2051 的P1.0 和P1.1 口除了作I/O 口外，第二功能是作為電壓比較器的輸入端，P1.0 為同相輸入端，P1.1 為反相輸入端，電壓比較器的比較結果存入P3.6 口對應的寄存器，P3.6 口在AT89C2051 外部無引腳。電壓比較器的基準電壓設定為 0.632E+，在CX 兩端電壓從0升到0.632E+的過程中，P3.6 口輸出為0，當電池電壓CX 兩端電壓一旦超過 0.632E+時，P3.6 口輸出變為1。以P3.6 口的輸出電平為依據，用AT89C2051 內部的定時器T0 對充電時間進行計數，再將計數結果顯示出來即得出測量結果。
整機電路見圖3。電路由單片機電路、電容充電測量電路和數碼顯示電路等部分組成。P1.0 除了作比較器同相輸入端外還兼作測試電容CX 的放電回路。數碼管采用的是共陰數碼管。
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三、單片機選擇的原則
由于單片機種類繁多，各種型號都有其一定的應用環境，因此在選用時要多加比較，合理選擇，以期獲得最佳的性價比。從上面這個例子我們可以看出選用單片機的一些基本原則了，下面就具體說一下。
3.1 性能
如何選擇單片機，首先也是最重要的一點就是考慮功能要求，即設計的對象是什么，要完成什么樣的 任務，再根據設計任務的復雜程度來決定選擇什么樣的單片機。在選型時可從下面不同角度進行考慮。
3.2 存儲器
單片機的存儲器可分為程序存儲器（ROM）和數據存儲器（RAM）。
程序存儲器是專門用來存放程序和常數的，有MASK （掩模）ROM、OTPROM、EPROM、FlashROM 等類型。掩模這種形式的程序存儲器適用成熟的和大批量生產的產品，如使用到彩色電視機等家電產品中的單片機就采用這種方式，只要用戶把應用程序代碼交給半導體制造廠家，在生產相應的單片機時將程序固化到芯片中，這種芯片一旦生產出來，程序就無法改變了。
采用EPROM 的單片機具有可以靈活修改程序的優點，但存在需要紫外線擦除、較費時間的缺點。在自己做試驗或樣機的研發階段，推薦使用Flash 單片機，它有電寫入、電擦除的優點，使得修改程序很方便，可以提高開發速度。對于初具規模的產品可選用OTP 單片機，它不但能免去較長的產品掩模時間，加快產品的上市時間，而且方便程序的修改，能夠對產品進行及時的調整和升級。
程序存儲器的容量可根據程序的大小確定。對于8位單片機片內程序存儲器的最大容量能達到64KB，不夠時還可以擴展。選用時程序存儲器的容量只要夠用就行了，不然會增加成本。
數據存儲器是程序在運行中存放臨時數據的，掉電后數據即丟失，現在有些型號的單片機提供了EEPROM，可用來存儲掉電后需要保護的關鍵數據，如系統的一些設置參數。
3.3 運行速度
單片機的運行速度首先看時鐘頻率，一般情況對于同一種結構的單片機，時鐘頻率越高速度越快。其次看單片機CPU 的結構，采用CISC 結構（集中指令集）比采用RISC 結構（精簡指令集）的速度要慢。就 是同一種結構、同一種時鐘頻率的單片機，有時候速度也不一樣，比如Winbond （華邦）公司的W77 系列 的51 單片機1個機器周期只要4 個時鐘周期，而一般的51 單片機1個周期是12個時鐘周期，前者的速 度是后者的3倍。
在選用單片機時要根據需要選擇速度，不要片面追求高速度，單片機的穩定性、抗干擾性等參數基本上是跟速度成反比的，另外速度快功耗也大。
3.4 I/O （輸入/輸出）口
I/O 口的數量和功能是選用單片機時首先要考慮的問題之一，要根據實際需要確定I/O 口的數量，I/O口多余了不僅芯片的體積增大，也增加了成本。
選用時還要考慮I/O 口的驅動能力，驅動電流大的單片機可以簡化外圍電路。51等系列的單片機下拉
（輸出低電平）時驅動電流大，但上拉（輸出高電平）時驅動電流很小。而PIC 和AVR 系列的單片機每個I/O 口都可以設置方向，當輸出口使用時以推挽驅動的方式輸出高、低電平，驅動能力強，也使得I/O 口資源靈活、功能強大、可充分利用。當然我們也可以根據I/O 口的功能來設計外圍電路，例如用51 單片機驅動數碼管，我們選用共陽的數碼管就能發揮其輸出口下拉驅動電流大的特點。
3.5 定時/計數器（I/O）
大部分單片機提供2～3 個定時/計數器還具有輸入捕獲、輸出比較和PWM （脈沖寬度調制）功能，如AVR 單片機。有的單片機還有專門的PCA （可編程計數器陣列）模塊和CCP （輸入捕獲/輸出比較/PWM）模 塊，如PIC 和Philips 的部分中高檔單片機。利用這些模塊不僅可以簡化軟件設計，而且能少占用CPU 的 資源。
現在還有不少單片機提供了看門狗定時器（WDT），當單片機“死機”后可以復位。
選用時可根據自己的需要和編程要求進行選擇，不要片面追求功能多，用不上的功能就等于金錢的浪費。
3.6 串行接口
單片機常見的串行接口有：標準UART 接口、增強型UART 接口、I2C 總線接口、CAN 總線接口、SPI接 口、USB 接口等。大部分單片機沒有串行接口。在沒有特別說明的情況下我們常說的串行接口，簡稱串口， 指的就是UART。
如果系統只用一個單片機芯片時，UART 接口或USB 接口通常用來和計算機通信，不需要和計算機通信時可以不用。SPI接口可用來進行ISP編程，當你沒有編程器時，盡量選用帶這種接口的單片機，當然SPI接口也能用來和其它外設進行高速串行通信。 I2C 總線是一種兩線、雙向、可多主機操作的同步總線，IC 總線是一種工業標準，被廣泛應用在各種電子產品中，如現在的彩色電視機就采用IC 總線進行參數的設置。具有 IC 總線接口的單片機在使用AT24C01 等串行EEPROM 時可以簡化程序設計。
通常情況下使用最多的是UART 接口，其它接口可根據你的需要選擇。
3.7 模擬電路功能
現在不少單片機內部提供了A/D 轉換器、PWM 輸出和電壓比較器，也有少量的單片機提供了D/A 轉換器。單片機在集成片內A/D 轉換器的同時，還集成了采樣/保持電路，使用戶容易建立精密的數據采集系統。
PWM 輸出模塊可用來產生不同頻率和占空比的脈沖信號。利用PWM 輸出模塊配合RC 濾波電路即可方便實現D/A 輸出功能。PWM 輸出模塊也可以用來實現直流電機的調速等功能。
單片機內部集成的電壓比較器可以實現多種功能，例如作閥值檢測，實現低成本的A/D 轉換器等。
3.8 工作電壓、功耗
單片機的工作電壓最低可以達到1.8V，最高6V，常用的單片機工作電壓為4.5V～5.5V，低電壓系列為2.7V～5.0V或2.4V～3.6V。選用時根據供電方式確定。
單片機的功耗參數主要是指正常模式、空閑模式、掉電模式下的工作電流，用電池供電的系統要選用電流小的產品，同時要考慮是否要用到單片機的掉電模式，如果要用的話必須選擇有相應功能的單片機。
3.9 封裝形式
單片機常見的封裝形式有：DIP （雙列直插式封裝）、PLCC （PLCC 要對應插座）、QFP （四側引腳扁平封裝）、SOP （雙列小外形貼片封裝）等。做實驗時一般選用DIP 封裝的，如果選用其它封裝，用編程器編程時還配專用的適配器。如果對系統的體積有要求，如遙控器中用的單片機，往往選用QFP和SOP封裝的。
3.10 抗干擾性能、保密性
選用單片機要選擇抗干擾性能好的，特別是用在干擾比較大的工業環境中的尤應如此。單片機加密后的保密性能也要好，這樣可保證你的知識產權不容易被侵犯。
3.11 其它方面
在單片機的性能上還有很多要考慮的因素，比如中斷源的數量和優先級、工作溫度范圍、有沒有低電壓檢測功能、單片機內部有無時鐘振蕩器、有無上電復位功能等等。
3.11.1 單片機的可開發性
這也是一個十分重要的因素。所選擇的單片機是否有足夠的開發手段，直接影響到單片機能否順利開發，以及開發的速度。對于被選擇的單片機，應考慮下列問題。
3.11.2 開發工具、編程器
有沒有集成的開發環境，在支持匯編語言的同時是否支持C 語言，使用C 語言可加快你的開發進度， 另外C語言的移值性也好。
你所選用的單片機有沒有編程器支持，或能否采用ISP編程。
3.11.3 開發成本
你選擇的單片機對應的編程器、仿真器價格是否高，是否要用專用設備，比如有時單片機需要選用專用的編程器，這樣你的開發成本就高了。
3.11.4 開發人員的適用性
這也是一個很實際的問題，如果有兩種單片機都能解決問題，當然選一種你熟悉的品種。在大多數情況下大家往往優先考慮選擇51系列的單片機。
3.11.5 技術支持和服務
可以從下面幾個方面進行考慮。
a、技術是否成熟
經大量使用被證明是成熟的產品你可以放心使用。
b、有無技術服務
國內有沒有代理商和相應的技術支持，網站提供的資料是否豐富，包括芯片手冊，應用指南，設計方案，范例程序等。
c、單片機的可購買性
單片機是否可直接購買到，這是指單片機能否直接從廠家或其代理商處買到，購買的途徑是否順暢。單片機是否有足夠的供應量，以保證所選擇的單片機能滿足產品的生產需要。
選擇單片機，還應注意選擇那些仍然在生產中的型號，已經停產的單片機是不能使用的，因為它已無后續供貨能力，直接影響到產品的繼續生產和生命力。同時，也會給人以一種過時的感覺，從而影響產品的新穎性。
最好還要看一下所選用的單片機是否在改進之中，顯然，對于準備推出新版本或有新版本的單片機，選擇用于應用系統或產品具有較強的后勁。
d、產品價格
這也是一個重要的因素，在其它條件相當的情況下，當然選擇價格低的產品，這樣可以提高性價比。
根據上面幾個原則對單片機進行選擇，就可以選擇最能適用于你的應用系統的單片機，從而保證應用系統有最高的可靠性、最優的性價比、最長的使用壽命和最好的升級換代性。
四、單片機的分類與選型
單片機的分類方式很多，下面從程序存儲器的類型、應用范圍、系統架構三個方面進行分類。
4.1 按程序存儲器的類型分類
4.1.1 無片內程序存儲器
這類單片機無片內程序存儲器，必需在外部接存儲器，如Intel公司的8031。
4.1.2 MASK （掩摸）ROM
由器件生產廠家在設計集成電路時將程序一次性固化，價格便宜，適合程序固定不變和大批量生產的應用場合。
4.1.3 OTP （一次性可編程）ROM
可一次性將程序寫入單片機，無法更改，其成本較低。適合要求有一定靈活性且低成本的應用場合，尤其適合功能不斷翻新、需要迅速量產的電子產品。
4.1.4 紫外線可擦除EPROM
單片機表面有一透明窗口，在一定量的紫外線照射后，能將存儲器內所有信息清除，用戶可以方便地將程序寫入，出錯后可以用紫外線擦除后修改，適用于小批量生產。
4.1.5 Flash ROM
Flash ROM 也即閃速存儲器，簡稱閃存，此Flash 非那個動畫的Flash，它是一種可快速寫入和擦除的電可擦寫型存儲器，那么它和普通的電可擦寫型存儲器EEPROM 有什么區別呢？EEPROM 的電擦除是通過加一定的電壓來實現內容擦除的，它的缺點是單位存儲單元的尺寸大。20世紀80年代發明了Flash ROM，用Flash 這一名稱是源于該存儲器只需單步操作即能擦除其中的所有內容，這種存儲器只能進行整片或一個區域的刪除而不能進行單字節刪除，由此也減小了單元尺寸，方便大面積集成，因此在單片機上得到了很好的應用。
使用閃存的單片機的程序可以反復擦寫，靈活性很強，但價格較高，適合對價格不敏感的應用場合或做開發用途。
4.2 按應用范圍分類
4.2.1 通用型/專用型
這是按單片機適用范圍來區分的。例如，80C51 是通用型單片機，它不是為某種專用用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路，數碼相機中的單片機電路等。
4.2.2 控制型/家電型
這是按照單片機大致應用的領域進行區分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。
當然，上述分類并不是唯一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型也可以作工控型。
4.3 按系統架構分類
這種分類方法按單片機的架構來分類，現對本公司擁有的產品進行簡單的介紹，也是近年來市場的主流芯片。
4.3.1 Atmel 51 系列
4.3.1.1 Atmel 51 單片機的主要特點
a、內部含有Flash 存儲器，在系統開發過程中很容易修改程序，可以大大縮短了系統的開發時間；
b、與MCS-51系列單片機引腳兼容，可以直接進行代換；
c、AT89 系列并不對80C31 的簡單繼承，功能進一步增強；
d、擁有看門狗功能，即當單片機受外界電磁場的干擾，造成程序跑飛，而陷入死循環，單片機無法正常工作時，看門狗產生復位信號給單片機，使程序重新回到起點。避免整個系統陷入停滯狀態， 發生不可預料的后果。
4.3.1.2 Atmel 51 單片機的主要參數
a、主振頻率：12～33MHz
b、工作電壓：2.7～6.0V
c、I/O 口線：最多32個
d、串行口：1個
4.3.1.3 Atmel 51單片機選型表 (詳見附件)
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