数字电子技术与单片机的发展与应用.docx
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数字电子技术与单片机的发展与应用
数字电子技术与单片机的发展与应用
摘要:
在科学技术高速发展的今天,我们对信息技术并不陌生,信息化与数字化的产品层出不穷,日益改变着人们的物质文化生活,现如今我们每天都在与信息技术打交道,尽情享受信息技术带给我们的便捷服务。
数字电子技术是信息技术中一个重要组成部分,而计算机系统由若干个系统化的单片机构成,在当今社会中的各个领域中都有广泛的应用。
关键词:
数字电子技术;单片机;发展应用
0引言
单片机对于我们来说有些陌生,它其实是计算机系统的一个构成部分,与数字电子技术一起作为信息技术当中的重要技术之一,在各行各业中发挥了信息技术在当今时代无法比拟的重要作用。
随着数字电子技术与单片机不断发展,在各领域中都得到了广泛应用,各种具有现代化的电子设备不断衍生,形成了科学高效化的信息产业生产、服务供应链,为社会经济等各个领域都做出了万众瞩目的成就,立下了汗马功劳。
文章笔者结合数字电子技术与单片机这两个物质,从数字电子技术与单片机概述、发展、应用,对本文的主题数字电子技术与单片机的发展与应用展开了论述。
1数字电子技术与单片机概述
1.1数字电子技术
数字电子技术属于信息电子学科,是当前发展最快的学科之一,电子技术可分为数字电子技术和模拟电子技术,就逻辑器件而言,从20世纪40年代的电子管、20世纪50年代的晶体管和从20世纪60年代开始的小规模集成电路,直到至今发展到的超大规模集成电路,以及近几年出现的可编程器件、为数字电路设计提供了更加完善方便的器件设计过程和方法也再不断的演变和发展。
数字电子技术以集成芯片、电路、逻辑门电路为研究对象,伴随信息技术的发展,其电路对于信号处理显示出了明显的优势。
以处理信号为例,信号处理过程中,按照一定比例在数字电路上,把模拟信号转换成数字信号,再经数字电路将数字信号进行处理,完成处理之后,根据需要反复转化成模拟信号。
数字电子技术作为电子时代的支撑技术,在全球电子信息化的进程中起着巨大的推动作用。
数字电子技术较模拟电子技术的优势
数模信号之间的转换往往是要将模拟信号转换为数字信号、数模转换是将传感器从自然界获取的连续的信号波形经过滤波、去噪等处理,最后形成有固定高低电平组成的数字信号,也就是人们常说的“0101”信号。
之所以在信号处理中多是将模拟信号转换为数字信号,主要原因包括如下几点:
（1）模拟信号有无穷多种可能的波形,同一个波形稍微变化就成了另一种波形,而数字信号只有两种波形（高电平和低电平）,这就为信号的接收与处理提供了方便。
（2）模拟信号是由一连串连续的信号波形组成的,其信号极其容易受到干扰,这些干扰不仅仅是来自信号的采集阶段,也来自信号传输过程中和电子元器件造成的误差,这就导致了采集信号的精度难以得到保证,从而影响试验的准确性或系统的可靠性。
而数字电路中只采用高低电平对信号进行编码,这就保证了信号的抗感染能力,提高了信号的精度。
1.2单片机
单片机到底是什么呢?
单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片,是采用超大
规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
单片机是靠程序工作的,并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能,尤其是特殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的,有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列,或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话,电路一定是一块大PCB板!
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机,结果就会有天壤之别!
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性!
由于单片机对成本是敏感的,所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言（近几年,C语言也开始广泛被应用）,它是除了二进制机器码以外最低级的语言了,既然这么低级为什么还要用呢?
很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢?
原因很简单,就是单片机没有家用计算机那样的CPU,也没有像硬盘那样的海量存储设备。
一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮,也会达到几十K的尺寸!
对于家用PC的硬盘来讲没什么,可是对于单片机来讲是不能接受的。
单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行,所以汇编虽然原始却还是在大量使用。
一样的道理,如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行,家用PC也是承受不了的。
单片机（Microcontrollers）作为计算机发展的一个重要分支领域,根据发展情况,从不同角度,单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
单片机通用型这是按单片机（Microcontrollers）适用范围来区分的。
例如,80C51式通用型单片机,它不是为某种专门用途设计的;专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的,例如为了满足电子体温计的要求,在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
单片机总线型这是按单片机（Microcontrollers）是否提供并行总线来区分的。
总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线,这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接,另外,许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内,因此在许多情况下可以不要并行扩展总线,大大减省封装成本和芯片体积,这类单片机称为非总线型单片机控制型这是按照单片机（Microcontrollers）大致应用的领域进行区分的。
一般而言,工控型寻址范围大,运算能力强;用于家电的单片机多为专用型,通常是小封装、低价格,外围器件和外设接口集成度高。
显然,上述分类并不是惟一的和严格的。
例如,80C51类单片机既是通用型又是总线型,还可以作工控用。
单片机是在1971年开始出现在人们的视野中的,发展到现在大致经历了三个发展阶段。
即单片微型计算机、微控制器以及单片机。
（1）单片微型计算机
单片机的最初发展形态就是单片微型计算机简称SCM,主要的组成在8位或4位单片机。
该结构主要是通过对嵌入式系统的结构的应用,而获得了创新模式的发展,使单片机的发展与传统的通用计算机在研究与发展方向上产生了不同。
并且在现代的工业生产中,此种形式的单片机还在被广泛应用中。
（2）微控制器
微控制器简称MCU。
随着工业化生产对控制领域的要求不断提高,单片机开始向着16位单片机发展。
在该发展阶段单片机主要实现了对嵌入式系统的扩大应用。
使微控制系统更加的向着智能化发展。
但是在不断的应用实践中,由于该系统的性价比不高,因此使用效果并不高。
（3）单片机阶段
单片机是目前被社会各个领域广泛应用的一种应用系统,简称SOC。
随着单片机的不断发展,嵌入式系统也向着微控制器的独立道路发展。
我们现在所使用的单片机随着电子技术的发展,已经实现了由16位向32位的高端转变,并成为市场的主流应用产品。
当代的单片机系统通过对大量的嵌入式系统的应用,使自身的开发与使用环境更加的广阔。
2数字电子技术与单片机的发展
2.1数字电子技术的发展趋势
随着信息化时代的到来,社会需求推动着电子技术的飞速发展,数字电子技术更是成为社会和经济发展的主力军,市场需求推动着信息技术向更深层次的迈进。
因此科技信息的不断进步加速了产业的升级换代,这就要求数字电子技术必须要顺应市场的需求。
数字化是电子技术的必由之路,这已经成为当代的共识。
我国的电子技术研究者经过多次探索和实验,使得数字化的历程在不断进行着一系列的重大变革。
当代我们所应用的电子产品由于技术的不断革新正在以前所未有的速度进行更新换代,而这种革新又主要表现在大规模可编程逻辑器件的广泛应用之中。
特别是在当今这个时代,半导体的工艺水平经过不断开发已经达到了深亚微米,芯片的集成高度也达到千兆位,时钟频率也正在向千兆赫兹以上发展,数据传输位数甚至达到了每秒几十亿次,这些技术在之前是难以想象的,这就注定SOC（System0haCh5p）片上系统必将成为未来集成电路技术的发展趋势。
电子设计技术在不断的更新换代,发展到了今天,又将面临另一次更大意义的突破—5PGA在EDA（电子设计自动化）基础上的广泛应用,此技术的广泛应用必将在我们的信息时代再创奇迹。
2.1.1数字与模拟电子技术之间的融合
数字与模拟电子技术之间的融合促进了新型电子器件的诞生,不断地提高性能一直是电子器件追求的目标,模拟技术与数字电子技术的融合首先提高了传统电子器件的性能,促进了新型电子器件的诞生。
例如,传统电位器噪声大、使用寿命短、可靠性差,而集成了EEROM、电子开关和线性电阻技术数字电位器因改变了传统电位器的机械结构,从而根除了传统电位器的固有缺陷,提高了其性能。
目前各种电子产品中广泛应用的开关电压调节器、D类音频功率放大器都是数字与模拟相结合的新型电子器件。
（1）数字电路
数字电路在数字电子技术中主要起到传递与处理数字信号的作用,数字电路的出现,使处理的信号数量越来越多,对信号产生、控制、放大整形、传递、存储备份经过计算机的分析处理一次性完成,花费较少的时间能够完成一系列与信号处理相关的流程。
选择合适的工具对数字信号进行分析与设计,保证这些工具具有逻辑性与代数性质。
（2）数字信号
数字信号是对于电子电路处理来说最为关键的环节,最为基础的环节,处理好数字信号能够保证电子电路的总体质量。
数字信号是指在一定时间与数值,在离散状态下产生的信号。
在计算机系统中传递的数字化的信号,从另一个相反的角度来讲,模拟信号在时间、数字上,突显出连续变化的特征。
（3）数制与代码
对于信号的处理是利用数字电子技术传输信息数据的基础,对于信息数据快速传输,信号在其中起到了关键作用。
一个完整的数字电路离不开对于信号的处理,数字电路与数字信
号是一种逻辑关系。
针对数字设备的认识,以二进制代码为例,它对于电子技术的分析具有很重要的影响,数字电子技术运用了两种数码,采用“”逢二进一”的原则,对于数制代码的分析处理不仅只有二进制这种方法,还有更多的多进制方法,如八进制、十进制等方法,在机器内部中,二进制用于数据的处理,八进制等其他进制用于程序书写。
2.2单片机的发展
2.2.1单片机的发展趋势分析
为了满足不同生产领域和应用领域的需要,单片机的发展趋势是向人性化、高性能、低功耗、多样化、微型化发展,世界上各个著名厂商纷纷在其性价比上不断提升改进。
（1）更加人性化、生活化
随着社会物质生活水平的不断提高,人们对生活质量及品质的要求越来越高。
单片机自诞生以后,就步入了我们的生活,如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器都以单片机为机芯,提高了智能化程度,增加了功能,使人类生活更加方便、舒适,受到人们的欢迎。
因此为了满足人们的生活以及发展需要,智能化、人性化成为了单片机主要发展趋势。
只有单片机实现人性化与智能化的转变,家用电器等人类生活必须品才会达到提高人们生活水平的智能化标准。
（2）高性能化
尽管目前的单片机系统已经发展到了一定的水平。
但是随着社会发展需求的不断增加,将对单片机的性能要求越来越高。
目前,提高单片机的工作频率已经受到了关注,但是目前由于微控制器的屏蔽手段不足,又因材料原因,消除噪声成为问题。
在未来,单片机的设计将不断采用性能更强的一些新技术,提高其可靠性和工作速度,提高CPU的性能,比如降低噪声技术、抗干扰新技术等。
通过以上新技术新方法,逐步提升单片机的性能,进一步加快各种指令的运算速度,制造出功能更加强大的单片机产品。
在不久的未来,单片机的容量、性能和工作速度将会大幅提升,其应用也会更加广泛,这将成为未来单片机发展的重要方向。
（3）低耗能
目前全球都面临着能源紧缺的困境。
随着我们要求单片机功耗越来越低,当前各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）或是HMOS（高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。
比较而言,CMOS虽功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征更适合于在要求低功耗、电池供电的场合应用,因此这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
同时,各个厂家在单片机内部电路中采用新技术,降低功耗,提高产品抗干扰能力以及产品的低电压化。
因此对于未来社会的发展方向,都以低耗能作为目标。
因此在单片机的未来发展中,除了要注重对其性能的提升之外,还要对其制作材料、制作工艺以及产生能耗等方面加以考虑,使其发展满足低耗能的发展需求。
（4）多样化
随着科技的进步,社会的发展需求在不断的增多,因此对单片机出现了不同方面的需求。
单片机发展到今天,已经经历了漫长的过程。
可以看到,在今天的市场上,世界各个公司都分别推出了自己的单机片产品,种类纷繁复杂,从8位、16位到32位,应有尽有。
因此随着市场需求的不断增多以及竞争的激烈化。
在未来那个科技发达的时代,单片机将迎来它的繁盛时代,必将有更多种类的单机片产品出现在世界市场,以满足更多产业的需求。
（5）微型化
上文已经说到,单片机是将中央处理器、存储器等主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机,但现在因受到工艺和其他方面的限制,很多功能部件并未全部集成在单片机芯片内部。
我们相信,随着集成电路技术的快速发展,单片机生产厂家将会更加充分考虑用户的需求,将一些常用的功能部件,如A/D（模/数转换器）、D/A（数/模转换器）等集
成到芯片内部,尽量做到单片化;同时,用户还可以提出要求,由厂家量身定作或自行设计。
并且,未来的单片机产品会随着技术的改进而变得体积更小、重量更轻。
3数字电子技术与单片机的应用
3.1数字电子技术的应用
从二十世纪七十年代以来,信号的数字化处理模式席卷了全球的电子技术领域,模拟信号的数字化越来越得到推崇
3.1.1在USB总线的“微波功率测量计”中的应用
将数字电子技术应用于虚拟仪器中,结合相应的软件设计,开发出USB总线微薄功率计,以实现对微波功率的采集测量与传输。
该微波功率计由USB通信接口、微信号检测电路等组成功率探测器,在探测器采集到相应的微波功率信号后,首先由已烧写程序的微信号检测电路芯片对采集信号进行去噪、求差值和累加等操作,然后对信号数据进行固件程度修改,最后,USB通信接口通过链路将处理好的数据信息发送到上位机,再由上位机程序来对数据进行分析处理。
由于集成应用了数电技术,该功率计体积小巧、测量精度高、系统操作简单,而且收发数据可以与PC机进行交互,匹配性较好。
3.1.2在网络中的应用
网络在今天发挥的作用不言而喻,我们今天越来越便利的生活服务大部分都要归功于网络。
数字电子信息技术也促进了计算机网络技术的更新换代,与此同时网络也推动了数字电子技术的快速发展。
从目前现状来说,数字电子技术在网络中发挥的作用越加突出,如我们日常生活中运用照相机、手机拍摄的照片,都会以数字化的形式经过网络传输,或者是纸质的文件可以转化成数字化的文件,各种信息之间可以相互转化,从而实现资源的共享。
基于数字电子技术在网络中发挥的重要作用,其应用前景越发广阔,网络传输也需要网络信号的传输,数字电子技术在其中承担了网络信号传输的责任,借助其高质量的数字信号有利于提高网络的稳定性,具备很强的抗干扰能力,提高对于网络数据的保存能力,使信息数据传输更加方便快捷,归纳起来来说,网络与数字电子技术二者的结合是设备集成化、综合数字化共同影响作用下而产生的。
3.1.3强化信号进行数字化处理
数字电子技术对不同的信号都能进行处理,在信号处理中尤其注意的一点是需要处理的信号是什么种类的,针对不同种类的信号再进行处理。
其处理方式通常采用量化的方式,并采取抽样的方法判断出信号的质量,对同一个种类的信号进行分离,这样有利于保证连续性。
保证信号质量的前提下,对设计好的信号编码,按照设计方案要求转换数据信号,经由网络载体传播转换后的信号。
3.1.4在高效运输网络信息中的应用
要想使网络信息达到理想的处理效果,促进其优化发展,通常采用数字电子技术来强化处理效果,它有利于提高传输效率,是网络建设的重要举措。
它将网络信息中的信号转化成数字化的信号,达到高效处理的目的。
针对网络信号与数字信号的转化,数字电子技术能够在网络信息建设中充分发挥其优势,再转化为模拟信号,利用其技术上的优势,保证通信安全性,网络信号生成电子网络系统,大大提高了网络信息的传输效率,为网络信息传输提供了方便。
3.1.5提升网络展开信号处理能力
数字电子技术很容易与计算机网络技术相混淆,二者是不同的系统,却又是相互协作的关系,是智能化系统中的重要组成部分。
两者的结合能够强化网络展开信号处理能力。
在强化作用机制的影响下,将二进制代码应用在数字电路处理之中,干扰其他系统,以免受到其
他系统的影响,而使网络系统不能正常运转。
数字电子技术对信号进行加密处理,保证了信号安全性,避免了其他原因的影响,存储也比较方便。
3.2单片机的应用
随着科学技术的不断发展,人们的生活正在向着智能化的方向发展。
在现代化的生产生活中,由于单片机具有微型化、智能化、耗能低、体积小等优势,已经被应用在通信事业、工业事业、医疗事业、家用电器等各个发展方面。
在人们的日常生活中的很多方面,已经离不开单片机系统的应用,它给人们的生活带来了很大的便利。
3.2.1计算机网络与通信设备中的应用。
单片机所具备的通信接口,为实现计算机与通信网络的对接提供了重要的物质交换条件,通过单片机可以将计算机系统所采集到的信息由单片机控制系统传递到计算机主机系统进行相关信息的处理,这样的单片机可以大大提高工作效率,提高相关数据的;准确性,因此现在的单片机在通信系统中具有普遍的应用空间,从我们日常生活中应用的手机、对讲机、楼宇自动通信系统、列车无线通信再到各种生产领域的自动化操作系统,比如地震部门、油田采油部门用的单片机控制技术。
3.2.2在工业控制中的应用
既然单片机是计算机系统中一个重要组成部分,计算机被广泛应用到工业生产控制中,那么单片机在工业控制领域中也会有充分的用武之地,传统的工业化生产模式已经不能满足人类社会的发展需求,因此现代工业正在向着智能化生产的方向发展。
当前的工业发展都大力的引进先进的智能控制系统对工业生产进行管理控制,工业生产中主要应用的智能控制系统有测控系统、数据采集系统以及通信系统等等。
然而这些系统的功能实现则主要依靠于单片机的应用。
如工业生产中采用的流水线生产方式,对于控制系统的依赖极强,主要是通过对计算机与单片机之间进行网络设置从而实现的智能化生产控制。
3.2.3在智能仪器仪表设备中的应用
单片机作为一种新型高端的信息技术设备,具有体积小、高度集成、控制灵活、可操作性强,可靠性高等优势,基于这些优势又在智能仪器仪表设备中大有作为。
它在测量控制方面,对于传统半自动化的仪器仪表的性能、运行质量测量控制彻底发生了改观,向着智能化的方向发展,在电路应用方面远远优于传统仪器仪表,从而实现测量控制一体化,与现代智能仪器仪表设备的发展保持高度的一致性。
目前,单片机在仪器仪表中的应用能大大推进该行业的发展而被广泛运用。
随着单片机在仪器仪表中的广泛应用,不仅能促进仪器仪表往数字化、智能化等方向进行发展,而且还能大大提升仪器仪表在处理、测试及控制等方面的功能。
如在航空中应用单片机技术,能有效提高仪器的集成性、准确性及可靠性,通过提升航空电子系统的智能化水平,从而降低事故的发生率。
3.2.4单片机在医疗器械中的应用
随着现代医学技术的不断发展及人们生活水平的不断提高,人们对健康的重视程度越来越高。
由于单片机自身的优点,将其应用到医疗器械中,能实现对多种疾病的有效、准确分析,不仅能有效提高设备对疾病诊断的准确性,还能提高对症治疗的可靠性,从而降低误诊、漏诊等不良事件的发生率。
而且,单片机的应用,还能实现医疗设备结构的自动化、智能化发展。
如在超声波检测中应用,其对疾病的诊断更准确,更可靠。
3.2.5在家用电器中的应用
单片机在当前技术条件支持下,广泛应用在家用电器中,用于对其更新升级。
通过单片机在其中的应用,家用电器生产商能够提高产品质量,提高市场竞争力,为家电企业带来丰
厚的利润。
如在洗衣机中的应用,能够分出衣服类型,判断出是否真正洁净,然后选择对应的洗涤时间与程序;在电冰箱中识别事物种类,选取冷藏温度;对于微波炉与烤箱能够对食物种类进行自动识别;能够以智能化的控制方式对电视游戏机进行控制;门锁的指纹识别等等智能化功能的实现。
通过单片机在这几种家用电器中的应用可知,单片机提高了家用电器的使用性能,方便了社会大众,促进了家用电器行业向着智能化发展。
4我国单片机技术发展的对策分析
4.1我国单片机技术的发展现状
我国应用单片机技术始于20世纪80年代,自此在全国掀起了单片机发展大潮。
如今单片机已经广泛应用于诸多行业,渗透到各个领域,其生产技术随着科技发展也飞速进步,全国各地出现了许多单片机产品的商家,单片机产品也品种多样。
但是,我国单片机技术与国外市场相比还有一定差距,尚未形成规模。
据统计,我国的单片机年需求量已达1亿-3亿片,且以每年大约16%的速度增长,但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。
同时,我国单片机生产的高端技术也有待提升。
4.2制约我国单片机技术发展的因素分析
虽然我国单片机应用开发正以前所未有的兴旺势头蓬勃发展,但是目前我国单片机技术与国外相比差距还很大,造成这一局面的原因是多方面的。
首先,受历史原因的影响,我国的微电子技术比较落后,而单片机相比而言集成度更高,生产工艺也相当复杂,所以设计开发起来难度较大。
其次,我国从事单片机技术研究和开发的专业人才十分缺乏。
据调查,目前我国的单片机从业人员只有140万人,单片机领域的人才缺口相当大,严重制约了我国单片机市场的发展。
最后,国内单片机生产工艺和生产效率较低,国际上成熟的发单片机厂家因产量很大而把价格压得很低,但国内生产的单片机却无价格优势,无法更多占有市场。
4.3关于促进我国单片机技术发展的建议
单片机技术在未来的发展必将更加迅速,而如今它在我国还处于起步阶段,其前景十分广阔。
对于我国单片机技术的发展,笔者有如下建议:
首先,国家和相关部门应该重视单片机技术的发展。
国内单片机厂商迫切需要国家的职能部门进行扶持。
例如,规定国内的特色产业应使用国产芯片,或对采用国产化器件的厂商提供贷款优惠等等政策倾斜措施。
政府应该持单片机的发展,以缩小与国外的差距,抢占国内单片机市场。
其次,国家应该加大力度养更多的单片机技术专业人才,以满足发展需要。
随着社会的发展,单片机从业人员将更为抢手,而且人才的培养是需要长期坚持不懈努力的,全国高科技教工委教育技术专业委员会委托全国职业教育技术专业人才评审委员会推出单片机设计人员职业岗位培训合格证书项目正是迎合单片机市场的需求,解决了燃眉之急。
最后,改进管理模式,提高生产效率,研究先进单片机生产工艺。
同样一条流水线,在国内的生产率就明显低于国外,这已深刻表明国内的技术工艺方面以及管理方式等方面的不足。
如今越来越多的人已经意识到了这一点,并逐步地解决这些问题。
我们希望厂商能够积极学习国外先进的管理经验,并结合国内生产实际,制定出合适的生产模式,并加大对先进生产工艺开发的经费投入和研究力度。
5结语
综上所述,单片机虽然在我国的应用时间较短,但是已经渗透到人们生活的点点滴滴,极
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