单片机系统的工作原理[1]
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z 输出无触点、无噪音、无火花、开关速度快；
– 输出部分内部一般含有ＲＣ过压吸收电路 ,以防止 瞬间过压而损坏固态继电器 ;
– 有多种规格可选择 :输入有电阻限流直流、恒流直 流、交流等类型。输出有直流输出方式和交流输出 方式。输出额定电压有 (２２０～３８０Ｖ)交流电 压及 (３０～１８０Ｖ)直流电压。交流输出中有过 零触发型和非过零触发型 (移相型 ) ;
信
多
采
数
号 调 理
路 切 换
样 保 持
AD 转 换
据 缓 冲
DATA BUS
AD 通 道 控 制
– 采样的同时性
z 采样保持器所处的位置
z ADC的通道数
z
信 号 调 理
采 样 保 持
多 路 切 换
AD 转 换
数 据 缓 冲
DATA BUS
AD 通 道 控 制
z 程序控制采样
选择模拟输入通道 采样 延时 保持
– 接点K闭合，电源Vdd经电阻R1，流经闭合接点K旁 路，发光二极管中无电流流过，光敏三极管关断， 电路的输出Vout＝“1”。
– 二极管D1和D2提供了反极性保护。D1防止输入信 号中耦合反极性干扰，以防损坏电源；D2为光电耦 合器的发光二极管提供保护。
– 快速击穿齐纳稳压二极管Dw ，输入中包含瞬态尖 峰脉冲或高电压信号时，Dw处于呈低阻的导通状态， 并将电压箝位在安全电平。
单片机的概念
z 将组成微型计算机的各功能部件：中央处 理器、存储器、I/O接口电路及定时/计数器 等制作在一块集成电路芯片中从而构成完 整的微型计算机。故称作单晶片微型计算 机，简称单片机（Single chip microcomputer)。或称微控制器 (MCU:Microcontroller)
单片机应用系统结构
译码控制与 存储器管理
程序存储器
数据存储器
微处理器
模拟量输入 模拟量输出
信号调理 信号驱动
串行通讯接口
开关量 输出及驱动
开关量 输入与识别
计算机测控系统组成
系统电源 系统监视
单片机应用系统的存储器扩充
单片机应用系统的开关量输入
z 开关量输入的分类
– 干接点型：继电器触点，开关触点，通为 “1”，断为“0”；
单片机的存储器分布
内 部 存 储 器 分 布
并行输入输出口
P0：D7－D0，A7－A0 P1：标准准双向IO口 P2：A15－A8
定时计数器控制
定 时 计 数 器 的 控 制
异步通讯帧格式
串 行 通 讯 口
串 行 口 的 控 制
串行口控制及工作方式
中断系统结构
中断入口地址
中断允许控制 中断优先控制
– 电压型：有高电平、低电平两种状态，高电 压为“1”，低电压为“0”；
– 混合型：电压型和干接点型从同一对输入端 子引入。
z 开关量输入的调理
– 信号转换：干接点～电压信号；电压～TTL； 电流信号～电压信号。
z （a）干接点动作转换 （b）电平转换/电流转换
– 滤波：滤除长线传输干扰、空间干扰，
单片机的发展趋势
z 性能不断提高
– CPU功能增强：速度、精度 – 内部资源增多：A/D、D/A、EEPROM – 多功能引脚： – 寻址范围大 – 高新技术下移，重点发展8位机性能
单片机的发展趋势
z 单片机的多品种：
– 超微型化： MC68HC705：20PIN，2KEPROM、 112BYTE RAM、15BIT TIMER WATCHDOG
存储器
译码控制
图4－1 程序控制波方式形输出
z 程序控制流程
生成波形数据
No
定时到？
Yes
No
输出波形数据
输出完成？
– 过零触发型固态继电器对外界的干扰非常小
– 具有防尘、耐湿、寿命长等优点
– 双向可控硅接口
z
单片机应用系统的模拟量输入
AD转换通道 z AD转化通道的结构
– ADC的精度与分辨力
z ADC分辨力与精度 z ADC的线性度
– ADC的转换速率
z ADC的参考电压
– 采样保存电路必要性
z 采样速率与信号频率 z 转换孔径与允许的采样误差
单片机的发展历史
z 初级阶段（1974~1976）FAIRCHILD
两片集成芯片（集成工艺限制）
z 低性能阶段（1976~1978）INTER MCS48
z 高性能阶段（1978~1982）MCS51 z 更高性能阶段（1983~ 多种机型并行发
展
单片机的应用
z 应用特点
– 体积小：基本功能部件满足要求 – 可靠性高：BUS大多在内部；易采取电磁屏蔽 – 功能强：实时响应速度；I/O直接操作 – 使用方便：硬件设计简单；提供开发工具资料 – 性能价格比高：电路板小；接插件少 – 易产品化：研制周期短
启动A/D转换 转换完成？ 读出数据 数据保存
z 中断采样
EOC S
锁
存
器
Qபைடு நூலகம்
INTR
R
INTA
EOC
锁
AD 转 换
存 器
器 OE
HOLD HLDA ADC_OE
z 典型ADC内部结构
z ADC与单片机的连接
单片机应用系统的模拟量输出
z DA转换通道输出波形THD分析
– 希望DA转换器发出一个连续的平滑的周期波形： 应该用尽可能多的数据点来描述一个周期的波形； 每个数据点应该有用尽可能高的分辨率。 K＝2－L
发展 z 计算机的发展趋势
– 微型化 – 巨型化 – 网络化 – 智能模拟化
单片机的概念
z 微型机是由LSI、VLSI等组成的具有功 能强，结构紧凑、系统可靠性高的特征， 它由一片集成电路为主组成的中央处理 器（CPU）、存储器、通用或专用I/O 接口电路等组成的。
z 它分单片微机、单板微机和多板微机。
– 荷兰: Philips – 德国：Siemens – 日本：Nec
单片机的选择依据
– 制造公司的状况 – 芯片的应用前景 – 芯片的供货渠道 – 技术支持状况 – 开发环境的方便性 – 开发环境的经济性
单 片 机 引 脚 分 布
MCS51单片机内部结构
单片机最小系统
内 部 寄 存 器 分 布
系统电源 系统监视
单片机的基本参数
z 微处理器
– 位数：
4，8，16
– 32机型： 单片机，DSP，通用CPU，嵌入 式微处理器
– 指令系统： CISC，RISC
– 时钟：
1M～40M
– 总线结构： 单总线，多总线
– 寻址空间： 地址线宽
典型单片机产品
z 器件厂家
– 美国：Intel、Motorola、Microchip、Atmel ADI、TI、Zilog、NSC
z （a）反极性输入保护 （b）瞬态尖脉冲保护 （c）过压保护
z 接点型开入量的识别电路分析
– 接点型开入量的调理电路：
z 向接点提供电源 z 完成信号转换 z 滤波 z 光电隔离 z 驱动、 z 反极性和过压保护
z 电路工作原理
– 接点K开启，电源Vdd经电阻R1、R2和R3，向光二 极管提供电流，光敏三极管导通，电路的输出Vout ＝“0”；
z
z
z
z
z
z
z 程序控制波形输出
– 传统方式的AWG利用微型计算机对波形的 函数表达式按一定的时间间隔求解出函数的 瞬时值，并将波形数据传送DA转换器，从 而合成出所需要的波形。这种方式具有电路 简单、实现方便等特点。
微
数据总线
处
理
器
地址、控制总线
数
据
锁
锁存控制
存
器
数 模拟量输出
模 转 换 器
单片机的应用
z 应用： 量大面广
– 机电一体化：电脑缝纫机 – 智能仪表：测量仪 – 实时控制：汽车 – 家电：（MOTOROLA） – 网络通信：通信协议集成其中 – 计算机外设：键盘、打印机 – 保健 产品：按摩器
典型单片机产品
•根据每种型号的存储器的类型
– 无ROM型 :8031 – ROM型:8051 – EPROM:8751 – EEPROM 型:8951
z 滤波器：集中参数的电阻、电容和电感网络 z 低通RC滤波电路，可以抑制高频干扰 z 在输入信号和输出信号间会产生一个延时
– 光电隔离
z 电气隔离：防止被测对象耦合的干扰信号冲击检 测系统的正常工作
z （a）干接点输入隔离 （b）电压信号输入隔离
– 保护
z 防止输入信号引入的过电压、瞬态尖峰脉 冲和反极性信号
– 低功耗，低电压：CHMOSA工艺、空闲等待和 掉电停机方式 、电 压 2.4~5.5V：
微机系统的结构特征
CPU的结构
单片机应用系统结构
译码控制与 存储器管理
程序存储器
数据存储器
微处理器
模拟量输入 模拟量输出
信号调理 信号驱动
串行通讯接口
开关量 输出及驱动
开关量 输入与识别
计算机测控系统组成
单片机系统的工作原理
东南大学 电工电子实验中心 Prof. 胡仁杰 Tel:3792790
Email: hurenjie@seu.edu.cn
单片机系统概述
• 单片机的概念 • 单片机的应用特点 • 单片机现状和发展趋势 • 单片机的工作原理 • 单片机应用系统结构
单片机的概念
z 电子计算机是科技发展的产物 z 计算机的飞速发展归功于半导体集成技术的
– R2和C1构成“RC”低通滤波网络，以滤除高频干扰。
z 电压型开入量的识别电路分析
– 电路工作原理
z 输入高电压信号经DW2 、电阻R2和R3，向发光二极管提供 电流，光敏三极管导通，电路的输出Vout＝“1”；
z 输入为低电压时，DW2不导通，发光二极管中无电流流过， 光敏三极管关断，电路的输出Vout＝“0”。
单片机应用系统的开关量输出
z 开关量输出通道
– 晶体管驱动
– 光电隔离
– 继电器驱动电路
– 固态继电器
– 固态继电器有如下特点 :
z 输入控制电压低（３～１４Ｖ），驱动电流小 （３～１５ｍＡ），输入控制电压与ＴＴＬ、Ｄ ＴＬ、ＨＴＬ电平兼容 ,直流或脉冲电压均能作 输入控制电压 ;
z 输出与输入之间采用光电隔离 ,可实现在以弱控 强的同时 ,做到强电与弱电完全隔离 ,两部分之间 的安全绝缘电压大于２ｋＶ ,符合国际电气标准 ＵＬ的器件 ;
– 输出部分内部一般含有ＲＣ过压吸收电路 ,以防止 瞬间过压而损坏固态继电器 ;
– 有多种规格可选择 :输入有电阻限流直流、恒流直 流、交流等类型。输出有直流输出方式和交流输出 方式。输出额定电压有 (２２０～３８０Ｖ)交流电 压及 (３０～１８０Ｖ)直流电压。交流输出中有过 零触发型和非过零触发型 (移相型 ) ;
信
多
采
数
号 调 理
路 切 换
样 保 持
AD 转 换
据 缓 冲
DATA BUS
AD 通 道 控 制
– 采样的同时性
z 采样保持器所处的位置
z ADC的通道数
z
信 号 调 理
采 样 保 持
多 路 切 换
AD 转 换
数 据 缓 冲
DATA BUS
AD 通 道 控 制
z 程序控制采样
选择模拟输入通道 采样 延时 保持
– 接点K闭合，电源Vdd经电阻R1，流经闭合接点K旁 路，发光二极管中无电流流过，光敏三极管关断， 电路的输出Vout＝“1”。
– 二极管D1和D2提供了反极性保护。D1防止输入信 号中耦合反极性干扰，以防损坏电源；D2为光电耦 合器的发光二极管提供保护。
– 快速击穿齐纳稳压二极管Dw ，输入中包含瞬态尖 峰脉冲或高电压信号时，Dw处于呈低阻的导通状态， 并将电压箝位在安全电平。
单片机的概念
z 将组成微型计算机的各功能部件：中央处 理器、存储器、I/O接口电路及定时/计数器 等制作在一块集成电路芯片中从而构成完 整的微型计算机。故称作单晶片微型计算 机，简称单片机（Single chip microcomputer)。或称微控制器 (MCU:Microcontroller)
单片机应用系统结构
译码控制与 存储器管理
程序存储器
数据存储器
微处理器
模拟量输入 模拟量输出
信号调理 信号驱动
串行通讯接口
开关量 输出及驱动
开关量 输入与识别
计算机测控系统组成
系统电源 系统监视
单片机应用系统的存储器扩充
单片机应用系统的开关量输入
z 开关量输入的分类
– 干接点型：继电器触点，开关触点，通为 “1”，断为“0”；
单片机的存储器分布
内 部 存 储 器 分 布
并行输入输出口
P0：D7－D0，A7－A0 P1：标准准双向IO口 P2：A15－A8
定时计数器控制
定 时 计 数 器 的 控 制
异步通讯帧格式
串 行 通 讯 口
串 行 口 的 控 制
串行口控制及工作方式
中断系统结构
中断入口地址
中断允许控制 中断优先控制
– 电压型：有高电平、低电平两种状态，高电 压为“1”，低电压为“0”；
– 混合型：电压型和干接点型从同一对输入端 子引入。
z 开关量输入的调理
– 信号转换：干接点～电压信号；电压～TTL； 电流信号～电压信号。
z （a）干接点动作转换 （b）电平转换/电流转换
– 滤波：滤除长线传输干扰、空间干扰，
单片机的发展趋势
z 性能不断提高
– CPU功能增强：速度、精度 – 内部资源增多：A/D、D/A、EEPROM – 多功能引脚： – 寻址范围大 – 高新技术下移，重点发展8位机性能
单片机的发展趋势
z 单片机的多品种：
– 超微型化： MC68HC705：20PIN，2KEPROM、 112BYTE RAM、15BIT TIMER WATCHDOG
存储器
译码控制
图4－1 程序控制波方式形输出
z 程序控制流程
生成波形数据
No
定时到？
Yes
No
输出波形数据
输出完成？
– 过零触发型固态继电器对外界的干扰非常小
– 具有防尘、耐湿、寿命长等优点
– 双向可控硅接口
z
单片机应用系统的模拟量输入
AD转换通道 z AD转化通道的结构
– ADC的精度与分辨力
z ADC分辨力与精度 z ADC的线性度
– ADC的转换速率
z ADC的参考电压
– 采样保存电路必要性
z 采样速率与信号频率 z 转换孔径与允许的采样误差
单片机的发展历史
z 初级阶段（1974~1976）FAIRCHILD
两片集成芯片（集成工艺限制）
z 低性能阶段（1976~1978）INTER MCS48
z 高性能阶段（1978~1982）MCS51 z 更高性能阶段（1983~ 多种机型并行发
展
单片机的应用
z 应用特点
– 体积小：基本功能部件满足要求 – 可靠性高：BUS大多在内部；易采取电磁屏蔽 – 功能强：实时响应速度；I/O直接操作 – 使用方便：硬件设计简单；提供开发工具资料 – 性能价格比高：电路板小；接插件少 – 易产品化：研制周期短
启动A/D转换 转换完成？ 读出数据 数据保存
z 中断采样
EOC S
锁
存
器
Qபைடு நூலகம்
INTR
R
INTA
EOC
锁
AD 转 换
存 器
器 OE
HOLD HLDA ADC_OE
z 典型ADC内部结构
z ADC与单片机的连接
单片机应用系统的模拟量输出
z DA转换通道输出波形THD分析
– 希望DA转换器发出一个连续的平滑的周期波形： 应该用尽可能多的数据点来描述一个周期的波形； 每个数据点应该有用尽可能高的分辨率。 K＝2－L
发展 z 计算机的发展趋势
– 微型化 – 巨型化 – 网络化 – 智能模拟化
单片机的概念
z 微型机是由LSI、VLSI等组成的具有功 能强，结构紧凑、系统可靠性高的特征， 它由一片集成电路为主组成的中央处理 器（CPU）、存储器、通用或专用I/O 接口电路等组成的。
z 它分单片微机、单板微机和多板微机。
– 荷兰: Philips – 德国：Siemens – 日本：Nec
单片机的选择依据
– 制造公司的状况 – 芯片的应用前景 – 芯片的供货渠道 – 技术支持状况 – 开发环境的方便性 – 开发环境的经济性
单 片 机 引 脚 分 布
MCS51单片机内部结构
单片机最小系统
内 部 寄 存 器 分 布
系统电源 系统监视
单片机的基本参数
z 微处理器
– 位数：
4，8，16
– 32机型： 单片机，DSP，通用CPU，嵌入 式微处理器
– 指令系统： CISC，RISC
– 时钟：
1M～40M
– 总线结构： 单总线，多总线
– 寻址空间： 地址线宽
典型单片机产品
z 器件厂家
– 美国：Intel、Motorola、Microchip、Atmel ADI、TI、Zilog、NSC
z （a）反极性输入保护 （b）瞬态尖脉冲保护 （c）过压保护
z 接点型开入量的识别电路分析
– 接点型开入量的调理电路：
z 向接点提供电源 z 完成信号转换 z 滤波 z 光电隔离 z 驱动、 z 反极性和过压保护
z 电路工作原理
– 接点K开启，电源Vdd经电阻R1、R2和R3，向光二 极管提供电流，光敏三极管导通，电路的输出Vout ＝“0”；
z
z
z
z
z
z
z 程序控制波形输出
– 传统方式的AWG利用微型计算机对波形的 函数表达式按一定的时间间隔求解出函数的 瞬时值，并将波形数据传送DA转换器，从 而合成出所需要的波形。这种方式具有电路 简单、实现方便等特点。
微
数据总线
处
理
器
地址、控制总线
数
据
锁
锁存控制
存
器
数 模拟量输出
模 转 换 器
单片机的应用
z 应用： 量大面广
– 机电一体化：电脑缝纫机 – 智能仪表：测量仪 – 实时控制：汽车 – 家电：（MOTOROLA） – 网络通信：通信协议集成其中 – 计算机外设：键盘、打印机 – 保健 产品：按摩器
典型单片机产品
•根据每种型号的存储器的类型
– 无ROM型 :8031 – ROM型:8051 – EPROM:8751 – EEPROM 型:8951
z 滤波器：集中参数的电阻、电容和电感网络 z 低通RC滤波电路，可以抑制高频干扰 z 在输入信号和输出信号间会产生一个延时
– 光电隔离
z 电气隔离：防止被测对象耦合的干扰信号冲击检 测系统的正常工作
z （a）干接点输入隔离 （b）电压信号输入隔离
– 保护
z 防止输入信号引入的过电压、瞬态尖峰脉 冲和反极性信号
– 低功耗，低电压：CHMOSA工艺、空闲等待和 掉电停机方式 、电 压 2.4~5.5V：
微机系统的结构特征
CPU的结构
单片机应用系统结构
译码控制与 存储器管理
程序存储器
数据存储器
微处理器
模拟量输入 模拟量输出
信号调理 信号驱动
串行通讯接口
开关量 输出及驱动
开关量 输入与识别
计算机测控系统组成
单片机系统的工作原理
东南大学 电工电子实验中心 Prof. 胡仁杰 Tel:3792790
Email: hurenjie@seu.edu.cn
单片机系统概述
• 单片机的概念 • 单片机的应用特点 • 单片机现状和发展趋势 • 单片机的工作原理 • 单片机应用系统结构
单片机的概念
z 电子计算机是科技发展的产物 z 计算机的飞速发展归功于半导体集成技术的
– R2和C1构成“RC”低通滤波网络，以滤除高频干扰。
z 电压型开入量的识别电路分析
– 电路工作原理
z 输入高电压信号经DW2 、电阻R2和R3，向发光二极管提供 电流，光敏三极管导通，电路的输出Vout＝“1”；
z 输入为低电压时，DW2不导通，发光二极管中无电流流过， 光敏三极管关断，电路的输出Vout＝“0”。
单片机应用系统的开关量输出
z 开关量输出通道
– 晶体管驱动
– 光电隔离
– 继电器驱动电路
– 固态继电器
– 固态继电器有如下特点 :
z 输入控制电压低（３～１４Ｖ），驱动电流小 （３～１５ｍＡ），输入控制电压与ＴＴＬ、Ｄ ＴＬ、ＨＴＬ电平兼容 ,直流或脉冲电压均能作 输入控制电压 ;
z 输出与输入之间采用光电隔离 ,可实现在以弱控 强的同时 ,做到强电与弱电完全隔离 ,两部分之间 的安全绝缘电压大于２ｋＶ ,符合国际电气标准 ＵＬ的器件 ;