1.5 单片机的应用特点及领域

1.5.1 单片机的应用

单片机最早是以嵌入式微控制器面貌出现的。在嵌入式系统中，它是最重要、也是应用最多的核心部件。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉，目前已经渗透到人们工作和生活的各个角落，几乎是“无处不在，无所无为”。单片机的应用对各个行业的技术改造和产品的更新换代起到了重要的推动作用。

1.单片机在智能仪表中的应用

单片机广泛用于实验室、交通运输工具、计量等各种仪器仪表中，提高其测量精度，加强其功能，简化仪器仪表的结构，便于使用、改进和维护。例如，电度表校验仪，电阻、电容、电感测量仪，船舶航行状态记录仪，智能超声波测厚仪等。

2.单片机在机电一体化中的应用

机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。例如，微机控制的铣床、车床、钻床、磨床等。单片微型机的出现促进了机电一体化的发展，它作为机电产品的控制器能充分发挥其体积小、可靠性高、功能强、安装方便等优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。

3.单片机在实时控制中的应用

单片机也广泛用于各种实时控制系统中，如对工业上各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥数据处理和实时控制功能，使系统工作于最佳状态，提高系统的生产效率和产品的质量。在航空航天、通信、遥控、遥测等各种实时控制系统中都可以用单片机作为控制器。

4.单片机在分布式多机系统中应用

分布式多机系统具有功能强、可靠性高的特点，在比较复杂的系统中，都采用分布式多机系统。系统中有若干台功能各异的计算机，各自完成特定的任务，它们又通过通信相互联系、协调工作。单片机在这种多机系统中，往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。高档的单片机多机通信（并行或串行）功能很强，它们在分布式多机系统中将发挥很大作用。

5.单片机在家用电器等消费类领域中的应用

家用电器等消费类领域的产品特点是量多面广，市场前景看好。单片机应用到消费类产品之中，能大大提高它们的性能价格比，因而受到用户的青睐，提高产品在市场上的竞争力。目前家用电器几乎都是单片机控制的电脑产品，如空调、冰箱、洗衣机、微波炉、彩电、音响、家庭报警器、电子宠物等。

1.5.2 单片机的应用系统的结构

从系统设计角度来看，单片机应用系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。硬件系统是指单片机扩展的存储器、外围设备及其接口电路等，软件系统包括监控程序和各种应用程序。这里主要讨论单片机应用系统的一般硬件结构组成。

由于单片机主要用于工业测控，典型应用系统包括单片机系统、用于测控前向传感器输入通道、后向伺服控制输出通道以及基本的人机对话通道。

图1-2是一个典型单片机应用系统的结构框图。

1.前向通道的组成及其特点

前向通道是单片机与测控对象相连的部分，是应用系统的数据采集的输入通道。

来自被控对象的现场信息有多种多样，按物理量的特征可分为模拟量和数字、开关量两种。

对于数字量（频率、周期、相位、计数）的采集，输入比较简单。它们可直接作为计数输入、测试输入、I/O口输入或中断源输入进行事件计数、定时计数，实现脉冲的频率、周期、相位及记数测量。对于开关量输入，一般被控对象都是交变电流、交变电压、大电流系统，而单片机属于数字弱电系统，因此要用隔离器件（如光电耦合器件）。

模拟量输入通道比较复杂，一般包括变换器、隔离放大器、滤波、采样保持器、多路电子开关、A/D转换器及其接口电路。变换器是各种传感器的总称，采集现场信号并变换成电信号；隔离放大与滤波的作用是放大信号，滤出噪声干扰；采样保持器是实现多路模拟信号的同时采集；多路电子开关用于实现一个A/D转换器分时对多路模拟信号进行转换；A/D转换器则用于实现模拟量到数字量的转换。

综上所述，前向通道的特点如下。

① 与现场采集对象相连，是现场干扰进入的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位。

② 由于采集的对象不同，有开关量、模拟量、数字量，而这些都是由安放在测量现场的传感、变换装置产生的，许多参量信号不能满足单片机输入的要求，故有大量的、形式多样的信号变换调节电路，如测量放大器电路、I/F变换电路、A/D转换电路、放大电路、整形电路等。

③ 前向通道是一个模拟、数字混合电路系统，其电路功耗小，一般没有功率驱动要求。

2.后向通道的组成与特点

后向通道是应用系统的伺服驱动通道。作用于控制对象的控制信号通常有两种：一种是开关量控制信号，另一种是模拟控制信号。开关量控制信号的后向通道比较简单，只需采用隔离器件进行隔离及电平转换。模拟控制信号的后向通道，需要进行D/A转换、隔离放大、功率驱动等。

后向通道具有以下特点。

① 是应用系统的输出通道，大多数需要功率驱动。

② 靠近伺服驱动现场，伺服控制系统的大功率负荷易从后向通道进入单片机系统，故后向通道的隔离对系统的可靠性影响很大。

③ 根据输出控制的不同要求，后向通道电路有多种多样，如模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流输出、电压输出、开关量输出及数字量输出等。

3.人机通道的结构及其特点

单片机应用系统中的人机通道是用户为了对应用系统进行干预（如启动、参数设置等），以及了解应用系统运行状态所设置的对话通道。主要有键盘、显示器、打印机等通道接口。

人机通道具有以下特点。

① 由于通常的单片机应用系统大多数是小规模系统，因此，应用系统中的人机对话通道以及人机对话设备的配置都是小规模的，如微型打印机、功能键、LED/LCD显示器等。若需高水平的人机对话配置，如通用打印机、CRT、硬盘、标准键盘等，则往往将单片机应用系统通过外总线与通用计算机相连，享用通用计算机的外围人机对话设备。

② 单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多数采用内总线形式，与计算机系统扩展密切相关。

③ 人机通道接口一般都是数字电路，电路结构简单、可靠性好。

4.相互通道及其特点

单片机应用系统中的相互通道是解决计算机系统间相互通信的接口。在较大规模的多机测控系统中，就需要设计相互通道接口。

相互通道设计中需考虑的问题如下。

① 单片机大多有串行口，方便构成相互通道。

② 单片机串行口只为相互通道提供了硬件结构及基本的通信方式，并没有提供标准的通信规程。故利用单片机串行口构成相互通道时，要配置比较复杂的通信软件。

③ 在很多情况下，采用扩展标准通信控制芯片来构成相互通道，如扩展8250、SIO、MA×232等通用通信控制芯片来构成相互通信接口。

④ 相互通信接口都是数字电路系统，抗干扰能力强。但大多数都需要远距离传输，故需要解决长线传输的驱动、匹配、隔离等问题。