MCU仪器仪表1章03101概述.ppt

MCU智能仪器仪表设计,主讲教师：姜涛,MCU?,第1章、微型计算机基础,1.1概述1.1.2电子计算机按其性能分类（5类）：,巨型计算机（MainframeComputer）大中型计算机/小型计算机（Minicomputer）微型计算机（Microcomputer）单片计算机（Single-ChipMicrocomputer）,MCU(MicroControllerUnit),微机的本质?-What?,人类的核心工具：大脑的延伸和扩展脑微机眼-电视耳-电话脚-汽车,微机有何用途?-Why已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。1.科学计算(或数值计算)2.数据处理(或信息处理)3.计算机辅助设计与制造4.过程控制(或实时控制)5.人工智能(或智能模拟)6.网络应用,微机如何工作?-How？,第1章、微型计算机基础,1.3微型计算机系统的组成、分类和配置1.3.1微型计算机系统的组成,MCU仪器仪表?,单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.1MCU(MicroControllerUnit)概述(定义/发展历史/分类/MCS-51)1.2仪器仪表（instrumentation）概述(定义/历史与趋势/分类/性能)1.3MCU仪器仪表设计概述(定义/发展历史/分类/用途/设计实例分析)1.4、课程学习意义与要求1.5、课程教学安排1.6、课程如何学习,1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.1电子计算机概述按其性能分类（5类）：,巨型计算机（MainframeComputer）大中型计算机/小型计算机（Minicomputer）微型计算机（Microcomputer）单片计算机（Single-ChipMicrocomputer）,MCU(MicroControllerUnit),1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.1电子计算机概述电子计算机系统的组成,14,计算机的工作原理,存储程序计算机又称为冯诺依曼型计算机以运算器为核心、以存储程序原理为基础将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，即程序是由多条有逻辑关系的指令组成，指令的长度不等（一般为14字节）数据和程序均以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行,指令驱动,15,存储程序计算机的工作原理,控制器按预先存放在计算机存储器中的程序的流程自动地连续取出指令并执行之。,运算器,输出设备,控制器,输入设备,存储器,指令流,控制命令,数据流,16,程序的执行过程,程序,指令1,指令2,指令3,指令4,指令n,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存结果,指令周期,操作码,操作数,执行,1。CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？操作系统2。CPU如何按程序控制流执行指令？程序计数器3。CPU如何知道从哪里取操作数？地址、寻址方式,1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,计算机的发展有2个趋势：巨型机：向超高速、大容量、实时和智能化;微型化：单片微型计算机低功耗、低价格、集成度高，运算速度快，体积小、运行可靠、在过程控制、数据采集、机电一体化、智能仪器仪表、家用电器、和网络技术等方面应用广泛。,1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.2MCU(MicroControllerUnit)概述（一）MCU的定义中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)，相同概念:MCS(MicroControllerSystem)是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。（Ic实物及图片）,1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.2MCU(MicroControllerUnit)概述（二）MCU的发展历史1974年，美国仙童（Fairchild）公司研制出世界上第一台单片微型计算机F8，从此，单片机开始迅速发展，20世纪80年代以来，各半导体器件厂商也纷纷推出自己的产品系列。迄今为止，市售单片机产品已达60多个系列，600多个品种。1983年，世界单片机的销售量达到了10亿片，比1992年增长了25%，其中8位机的供不应求。,1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.2MCU(MicroControllerUnit)概述（三）MCU的分类MCU按其存储器类型可分为：MASK(掩模)ROM：价格便宜，但程序在出厂时已经固化，适合程序固定不变的应用场合；OTP(一次性可编程)ROM：价格适中，拥有一次性可编程能力，尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。如:8051,FLASHROM和EPROM等类型：MCU程序可以反复擦写，灵活性很强，但价格较高，适合对价格不敏感的应用场合或做开发用途.如:87C51,AT89C51,1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.2MCU(MicroControllerUnit)概述（三）MCU的分类按照CPU对数据处理位数来分，单片机通常又可以分为以下四类。(1)4位单片机4位单片机的控制功能较弱，CPU一次只能处理4位二进制数。这类单片机常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制器。典型产品有美国NS（NatoinalSemiconductor）公司的COP4系列、Toshiba公司的TMP47系列以及Panasonic公司的MN1400系列等单片机。,1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.2MCU(MicroControllerUnit)概述（三）MCU的分类(2)8位单片机8位单片机的控制功能较强，品种最为齐全。其片内资源丰富且功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。代表产品有INTEL公司的MCS-51系列机、荷兰Philips公司的80C51系列机（同MCS-51兼容）、Motorola公司的M6805系列机、M公司的PIC系列机和A公司的AT89系列（同MCS-51兼容）等。,1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.2MCU(MicroControllerUnit)概述（三）MCU的分类(3)16位单片机16位单片机是在1983年以后发展起来的。CPU是16位的，运算速度普遍高于8位机，寻址能力高达1MB，片内含有A/D和D/A转换电路，支持高级语言。这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器，典型产品有Intel公司的MCS-96/98系列机、M公司的M68HC16系列机、NS公司的HPC系列机等。(P42),1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.2MCU(MicroControllerUnit)概述（三）MCU的分类(4)32位单片机32位单片机的字长为32位，是单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。近年来，随着家用电子系统新发展，32位单片机的市场前景看好。代表产品有M公司总裁的M6830系列机、英国Inmos公司的IM-ST414和日立公司的SH系列机等。(P44),1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.2MCU(MicroControllerUnit)概述（三）MCU的分类-MCS-51系列其中，8位MCU与4位MCU价差相无几，8位已渐成为市场主流；1997年市场份额为64.3%.它不仅具有较大的存储容量的寻址范围，而且增加中断源、并行I/O接口和定时器/计算器、片内增加了A/D和D/A转换器，并集成有全双工串行通信接口、定时器捕捉/比较寄存器、监视定时器（Watchdog）、总线控制部件和晶体振荡电路等。指令系统方面，普遍增设了乘除批令行和比较指令。,1.1MCU(MicroControllerUnit)概述,1.1.2MCU(MicroControllerUnit)概述（三）MCU的分类-MCS-51系列MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司,MCS-51兼容代表产品有:INTEL公司的MCS-51系列机;(P35,36,37)荷兰Philips公司的80C51系列机;A公司的AT89系列;(P38)EEPROM,FLASHAT90系列;AVRHarVard,华邦公司的78E系列,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.2仪器仪表（instrumentation）概述1.2.1仪器仪表定义仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。例如压力表、测长仪、显微镜、乘法器等。广义来说，仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表，和电动调节仪表，以及集散型仪表控制系统也皆属于仪器仪表。,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.2仪器仪表（instrumentation）概述1.2.1仪器仪表定义仪器仪表能改善、扩展或补充人的官能。人们用感觉器官去视、听、尝、摸外部事物，而显微镜、望远镜、声级计、酸度计、高温计等仪器仪表，可以改善和扩展人的这些官能；另外，有些仪器仪表如磁强计、射线计数计等可感受和测量到人的感觉器官所不能感受到的物理量；还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数，如高速照相机、计算机等。,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.2仪器仪表（instrumentation）概述1.2.2仪器仪表发展历史与趋势仪器仪表发展已有悠久的历史。据韩非子有度记载，中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器，称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。（指南仪器图片）,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.2仪器仪表（instrumentation）概述1.2.2仪器仪表发展历史与趋势1718世纪，欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计；利用光学透镜制成的望远镜，奠定了电学和光学仪器的基础。其它一些用于测量和观察的各种仪器也遂逐渐得到了发展。（望远镜图片）,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.2仪器仪表（instrumentation）概述1.2.2仪器仪表发展历史与趋势19世纪到20世纪，工业革命和现代化大规模生产促进了新学科和新技术的发展，后来又出现了电子计算机和空间技术等，仪器仪表因而也得到迅速的发展。现代仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。（电子产品图片）,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.2仪器仪表（instrumentation）概述1.2.2仪器仪表发展历史与趋势科学技术的进步不断对仪器仪表提出更高更新的要求。仪器仪表的发展趋势是不断利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件.例如利用超声波、微波、射线、红外线、核磁共振、超导、激光等原理和采用各种新型半导体敏感元件、集成电路、集成光路、光导纤维等元器件。其目的是实现仪器仪表的小型化，减轻重量、降低生产成本和更便于使用与维修等。（电子产品图片）,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.2仪器仪表（instrumentation）概述1.2.2仪器仪表发展历史与趋势另一重要的趋势是通过微型计算机的使用来提高仪器仪表的性能，担高仪器仪表本身自动化、智能化程度和数据处理能力。仪器仪表不仅供单项使用，而且可能过标准接口和数据通道与电子计算机结合起来，组成各种测试控制管理综合系统，满足更高的要求。推进仪表系统的数字化、智能化、网络化，完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变。（电子产品图片）,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.2仪器仪表（instrumentation）概述1.2.3仪器仪表分类仪器仪表是多种科学技术的综合产物，品种繁多，使用广泛，而且不断更新，有多种分类方法。按使用目的和用途来分，主要有:量具量仪、汽车仪表、拖拉机仪表、船用仪表、航空仪表、导航仪器、驾驶仪器、无线电测试仪器、载波微波测试仪器、地质勘探测试仪器、建材测试仪器、地震测试仪器、大地测绘仪器、水文仪器、计时仪器、农业测试仪器、商业测试仪器、教学仪器、医疗仪器、环保仪器等。,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.2仪器仪表（instrumentation）概述1.2.4性能指标衡量仪器仪表性能的主要技术指标有精确度、灵敏度、响应时间等。精确度表示仪表测量结果与被测量真值的一致程度。仪器仪表的精确度常用精确度等级来表示，例如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级等。灵敏度表示当被测的量有一个很小的增量时与此增量引起仪表示值增量之比，它反映仪表能够测量的最小被测量。,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.2仪器仪表（instrumentation）概述1.2.4性能指标响应时间是指仪表输入一个阶跃量时，其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔，一般规定以到达稳定值的95%时的时间为准。此外，还有重复性、线性度、滞环、死区、漂移等性能技术指标。,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.1MCU仪器仪表的定义采用MCU硬软件技术的仪器仪表=智能仪器仪表1.3.2MCU仪器仪表的发展历史MCU仪器仪表在经过这多年不断地研究,发展,历经4位,8位,到现在的16位及32位,甚至64位MCU仪器仪表。4位MCU：大部份应用在计算器、车用仪表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD播放器、LCD驱动控制器、LCD游戏机、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等；,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计8位MCU：大部份应用在电表、电动玩具机、变频式冷气机、传真机、来电辨识器（CallerID）、电话录音机、CRT显示器、键盘及USB等；16位MCU：大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等；32位MCU：大部份应用在Modem、GPS、PDA、手持电脑HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN电话、激光打印机与彩色传真机；64位MCU：大部份应用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器及高级终端机等。,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.3MCU仪器仪表的分类MCU仪器仪表按其功能类型主要可分为：测量显示仪表和测量控制仪器.测量显示仪表：是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。例如(电子温度计).测量控制仪器：具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，例如(自动恒温箱).其典型系统结构如下：,1.3MCU仪器仪表设计1.3.3MCU仪器仪表的结构与原理典型系统结构,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,单片机,键盘,传感器,显示器,控制设备,A/D,D/AI/O,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.4MCU仪器仪表的结构与原理,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.4MCU仪器仪表的结构与原理,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.4MCU仪器仪表的结构与原理,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.4MCU仪器仪表的用途MCU仪器仪表的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域.在工业、农业、军事、保安、金融、航空航天、医疗、通讯、办公设备、娱乐休闲、健身、体育竞赛、服务领域,大量单片机-嵌入式MCU仪器仪表已经无处不在。正迅速改变着人们传统的生产和生活方式。2000年资料表明：美国单个家庭用MCU达到226个，每个自动化办公室所用MCU增加到42个，每辆汽车用MCU高达35个，所有这些MCU将主要是8位单片机。,单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.4MCU仪器仪表的用途用于人民生活的吃穿住行等：吃：电饭锅，电冰箱等;穿：洗衣机，干洗机等;住：智能家居系统，智能大厦系统、变频式冷气机等;行：机动车仪表、控制设备，停车场设备;娱乐：(见发展历史实例),第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.4MCU仪器仪表的用途用于社会生活的各行各业：工业:生产过程自动控制中的电动调节仪表，以及集散型仪表控制系统等;农业：大篷温度控制设备，无土化工厂控制系统，酸度计仪器仪表、磅秤，滴灌系统等;军事：导弹控制系统，通信设备、航空仪器仪表、机器人;科研：信号发生器、数字示波器、声级计、酸度计、高温计，磁强计、电子天平，恒温箱等.,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.5MCU仪器仪表设计与实例分析等离子体渗氮温度模糊控制系统的设计步骤一:系统方案设计过程分解：系统功能和操作规范确定；系统结构与原理设计；（传感器、自动控制技术）原理计算机算法设计；（传感器、自动控制技术）,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.5MCU仪器仪表设计与实例分析等离子体渗氮温度模糊控制系统的设计步骤二:硬件设计过程分解：原理图设计SCH，（电路原理图设计软件，如：PROTEL）；电路板设计PCB，（电路板设计软件，如：PROTEL）；电路板制版；元气件采购；电路板焊接；电路板调试。（数字电路，传感器，模拟电路，MCU硬件技术）;,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.5MCU仪器仪表设计与实例分析等离子体渗氮温度模糊控制系统的设计步骤三:软件设计过程分解：MCU资源分配设计，（MCU硬软件技术）软件流程框图、数据结构设计、（MCU软件设计方法技术）软件各程序编程调试；（MCU软件指令系统、编程技术，软件开发工具）系统硬软件联合调试。（MCU硬软件技术）,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.3MCU仪器仪表设计1.3.5MCU仪器仪表设计与实例分析总结:MCU仪器仪表产品设计工程师必须系统掌握以下3项完整的真实技能.要求达到:掌握MCU仪器仪表硬软件基础知识;掌握MCU仪器仪表硬软件基本设计方法:（包括1种MCU仪器仪表硬软件设计资料和基本设计方法）;掌握MCU仪器仪表设计工具使用（硬件设计工具PROTEL等；软件设计开发环境）.,1.4、课程教学安排1.4.1课程内容10章分3部分,讲解设计的完整过程和内容.第1章介绍MCU仪器仪表定义/发展历史/分类/用途;通过设计实例分析,总结实际设计步骤和内容;第2章分别讲解MCU单片机硬件与工作原理;第3-4章分别讲解MCU单片机软件指令系统和汇编语言程序设计;第6-10章分别讲解MCU单片机内外部功能部件的硬件及其软件程序设计技术,包括:半导体存储器,并行I/O接口,A/D和D/A接口,中断/定时器系统,串行通讯等;第11章讲解MCU仪器仪表设计方法和设计实践.,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.4、课程教学安排1.4.2课程时间,教室安排(具体见课表,邮件附件查收),第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.4、课程教学安排各位同学：以后课程文件通知可登陆此课程公共邮箱，附件查收。地址：scutmemcu密码：scutmemcu2010,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.4、课程教学安排1.4.3课程教材教材:姜涛，MCU智能仪器仪表设计，华南理工大学出版社.参考书:胡汉才,单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.(含CAI)李朝青,单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社.,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.4、课程教学安排1.4.4课程考核期末考试50%；作业考核30%；平时（考勤）20%；旷课3次平时成绩为0。,1.5、课程学习目的与意义1.5.1课程学习目的:学习掌握MCU仪器仪表产品设计的真实技能，培养未来的智能仪器仪表产品设计工程师.,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,第1章、MCU仪器仪表（设计）概述,1.5、课程学习目的与意义1.5.2课程学习意义掌握一种社会需求和用途广泛的实用知识技能,运用得当可