姬冠妮

（西安交通工程學(xué)院 陜西 西安 710300）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)開發(fā)與運(yùn)用也取得了顯著的進(jìn)步，成為電子技術(shù)的重要組成部分。單片機(jī)技術(shù)具有成本低但性能優(yōu)秀的特點(diǎn)，并且具有多樣化的功能，同時(shí)操作簡(jiǎn)便，因此被廣泛運(yùn)用于不同領(lǐng)域中。例如當(dāng)前智能IC卡的開發(fā)與制作、網(wǎng)絡(luò)通信、機(jī)械自動(dòng)化等多項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都離不開單片機(jī)技術(shù)的運(yùn)用。單片機(jī)技術(shù)為居民的日常生活帶來了便利，并有效促進(jìn)電子技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中的廣泛運(yùn)用，為進(jìn)一步提高單片機(jī)的使用效率，促進(jìn)電子技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，提升相關(guān)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)充分研究單片機(jī)的原理，了解單片機(jī)的技術(shù)特征，并掌握單片機(jī)的開發(fā)技巧，從而進(jìn)一步促進(jìn)單片機(jī)在各項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的充分應(yīng)用，推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)向著智能化、科學(xué)化的方向發(fā)展。

1 單片機(jī)基本理論和應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 單片機(jī)概述

單片機(jī)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，在最初的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中主要是在自動(dòng)控制行業(yè)中起到重要作用。自動(dòng)控制系統(tǒng)是一種較為普遍的應(yīng)用系統(tǒng)，而單片機(jī)作為一種微型控制器在自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)有重要意義。從某種角度來看，單片機(jī)的出現(xiàn)從根本上推動(dòng)了工業(yè)變革，工業(yè)設(shè)備的控制系統(tǒng)也隨之趨向于微型化、集成化發(fā)展。在經(jīng)過多年的發(fā)展之后，單片機(jī)的應(yīng)用成本和制作成本大幅度下降，這也為單片機(jī)在非工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)條件?，F(xiàn)如今，單片機(jī)已經(jīng)對(duì)人們的日常生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，其廣泛的應(yīng)用空間也為智能化控制創(chuàng)造了條件。單片機(jī)系統(tǒng)能夠有效管理不同功能的零件，并通過各項(xiàng)操作指令對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌與調(diào)配。同時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但性能突出的特征，因此在行業(yè)內(nèi)格外受到重視與青睞，并迅速占據(jù)了相關(guān)市場(chǎng)[1]。

1.2 單片機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)

在單片機(jī)發(fā)展過程中出現(xiàn)了很多的品類，隨著市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，也出現(xiàn)了各種不同類型與型號(hào)的單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)的選用具有以下幾個(gè)技巧可以參考：（1）單片機(jī)在該時(shí)間段內(nèi)需要具有實(shí)用價(jià)值，能夠充分滿足系統(tǒng)運(yùn)行的需求；（2）單片機(jī)產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)容易獲得，相較于其他同類產(chǎn)品具有更加實(shí)惠的價(jià)格；（3）單片機(jī)的選擇應(yīng)當(dāng)結(jié)合個(gè)人對(duì)于單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用能力和技術(shù)理解情況，以免對(duì)后續(xù)的開發(fā)應(yīng)用過程造成阻礙。

綜上所述，對(duì)于單片機(jī)入門者來說，在考慮購買單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)需要參考以上意見。比較好的選擇包括51系列的8位單片機(jī)，在學(xué)習(xí)好51系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其他類型的單片機(jī)的學(xué)習(xí)，以便掌握更高級(jí)的操作技巧，滿足更復(fù)雜的使用需求。在選擇單片機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)采用能夠直接下載程序的類別，后續(xù)才能方便地修改程序。對(duì)于初級(jí)入門者來說，單片機(jī)的程序儲(chǔ)存區(qū)可以反復(fù)擦寫1千到10萬次。前述特征已經(jīng)足夠滿足入門者對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)要求。此外，除單片機(jī)系統(tǒng)外初學(xué)者也應(yīng)當(dāng)注意對(duì)單片機(jī)資料手冊(cè)的了解與學(xué)習(xí)，以便充分熟悉單片機(jī)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造，并掌握其硬件資源，了解單片機(jī)的性能，提高開發(fā)與利用效率[2]。

1.3 單片機(jī)的基本特征

單片機(jī)的一項(xiàng)主要特征便是將多種功能集中于一張芯片上。一些人錯(cuò)誤地認(rèn)為將多種功能集中于一張芯片將導(dǎo)致單片機(jī)零件的使用量變少[3]。但實(shí)際上，因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有完整的計(jì)算機(jī)性能，內(nèi)部也存有內(nèi)存CPU等部件，而外部配備有完善的帶有通信接口的外接設(shè)備。這一套完整的系統(tǒng)能使得單片機(jī)具有較為良好的計(jì)算機(jī)性能，以便充分滿足使用者的運(yùn)行需求。最早的單片機(jī)僅包括內(nèi)存零部件，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及相關(guān)行業(yè)使用需求的多樣化，現(xiàn)在的單片機(jī)已經(jīng)不僅包括內(nèi)存部件也有外接設(shè)備，因此同時(shí)也具備了聲音、圖像等多種性能。除了以上基礎(chǔ)功能之外，經(jīng)科學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)目前對(duì)于網(wǎng)絡(luò)檢索也具有重要的作用。最初在制作單片機(jī)時(shí)，往往只考慮到接入更多的外接設(shè)備，一是因?yàn)閱纹瑱C(jī)功能具有豐富性，便于進(jìn)一步減小計(jì)算機(jī)的體積，方便人們使用并增加操作的便捷性。另一方面，單片機(jī)通過直接連接網(wǎng)絡(luò)可以有效擴(kuò)大適用范圍，便于使用者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，但是考慮到現(xiàn)場(chǎng)存在多項(xiàng)干擾因素。在單片機(jī)技術(shù)發(fā)展與完善的過程中，相關(guān)研究者應(yīng)當(dāng)注重對(duì)單片機(jī)抗干擾性的提高，從而進(jìn)一步豐富單片機(jī)的功能[4]。

在使用特征上，單片機(jī)首先具備良好的集成度，能夠?qū)⒍喾N程序運(yùn)用于一張芯片中，此外，單片機(jī)所占空間小，方便攜帶，但同時(shí)單片機(jī)也具有優(yōu)秀的控制功能，操作風(fēng)險(xiǎn)和難度都較小[5]。并且單片機(jī)性價(jià)比較高、成本低廉。正因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有以上功能和優(yōu)勢(shì)，使其廣泛地應(yīng)用于各領(lǐng)域，例如國防、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、計(jì)算機(jī)通信等[6]。

1.4 STM32系列嵌入式單片機(jī)

STM32系列嵌入式單片機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)之一，其具有高性能、低成本、低功耗的特征。STM32系列產(chǎn)品基于超低功耗的 ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核。該產(chǎn)品家族共有 200余款產(chǎn)品，全系列產(chǎn)品共用大部分引腳、軟件和外設(shè)，優(yōu)異的兼容性為開發(fā)人員帶來最大的設(shè)計(jì)靈活性。除新增的功能強(qiáng)化型外設(shè)接口外，STM32互連系列還提供與其它STM32微控制器相同的標(biāo)準(zhǔn)接口，這種外設(shè)共用性提升了整個(gè)產(chǎn)品家族的應(yīng)用靈活性，使開發(fā)人員可以在多個(gè)設(shè)計(jì)中重復(fù)使用同一個(gè)軟件。STM32系列嵌入式單片機(jī)作為目前的主流產(chǎn)品，其自身的廣泛應(yīng)用空間也決定了將進(jìn)一步影響現(xiàn)代生活。從某種角度來看，正是因?yàn)镾TM32系列嵌入式單片機(jī)的廣泛應(yīng)用和普及，才從根本上推動(dòng)家居智能化、機(jī)械生產(chǎn)智能化趨勢(shì)的出現(xiàn)。

2 單片機(jī)開發(fā)技巧

2.1 減少程序運(yùn)行中的漏洞

對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，及時(shí)控制與修復(fù)程序漏洞具有重要意義。一旦程序出現(xiàn)漏洞或錯(cuò)誤代碼的問題，將會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)無法使用，甚至出現(xiàn)芯片損壞等嚴(yán)重后果，對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行與使用具有較大的負(fù)面影響，導(dǎo)致整個(gè)工作流程停滯不前。因此，相關(guān)開發(fā)者在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行研究的過程中，必須要重視對(duì)程序漏洞的控制與及時(shí)修復(fù)。在編程過程中需要根據(jù)實(shí)際情況預(yù)判可能出現(xiàn)的參數(shù)問題，并依據(jù)各項(xiàng)物理參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行進(jìn)一步地完善與優(yōu)化。對(duì)運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生重要影響的物理參數(shù)主要包括以下部分的內(nèi)容：過程參數(shù)、資源參數(shù)、結(jié)果參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)。參數(shù)主要是系統(tǒng)內(nèi)部功能零件、電路等單元中的資源，例如堆疊深度、記憶體容量等，應(yīng)用參數(shù)指的是單片機(jī)的操作前提條件，而過程參數(shù)指的是系統(tǒng)運(yùn)行過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的變化。以上參數(shù)類型對(duì)于程序系統(tǒng)運(yùn)行具有重要的影響。在編程過程中必須嚴(yán)格進(jìn)行設(shè)計(jì)與安排，從而方便對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行處理，降低程序漏洞，提高計(jì)算機(jī)整體運(yùn)行效果。

2.2 提升C語言編程效率

在單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的初期，主要是通過匯編語言的方法進(jìn)行程序的編制和使用。這一初級(jí)的匯編語言方式，在當(dāng)時(shí)能夠滿足程序的運(yùn)行。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與電子技術(shù)的提高，這一功能已逐漸無法滿足使用的需求，并且匯編語言程序較為復(fù)雜，開發(fā)效率低?，F(xiàn)在大部分領(lǐng)域開始用C語言取代匯編方法。利用C語言進(jìn)行編程能夠更好地提高開發(fā)效率，優(yōu)化技術(shù)特征，對(duì)各行各領(lǐng)域的發(fā)展都具有關(guān)鍵作用。在這一背景下，單片機(jī)的開發(fā)與運(yùn)用也是未來計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步的重要前提以及重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。一方面相關(guān)開發(fā)者應(yīng)當(dāng)充分掌握C語言編譯器的使用方法以及對(duì)應(yīng)的語句行數(shù)，由此更為高效地把握編程內(nèi)容。程序員應(yīng)當(dāng)利用對(duì)編程語句熟悉掌握以便進(jìn)行技術(shù)的開發(fā)。市場(chǎng)上不同廠家生產(chǎn)的不同品牌的編譯器在使用性能上也具有較大的差異。也進(jìn)一步影響著編程的效率。因此，當(dāng)開發(fā)復(fù)雜程度較高且耗時(shí)較長的情況下就可以使用C語言進(jìn)行編程，程序員在開發(fā)過程中需要格外注意編譯系統(tǒng)中所支持的算法類型和數(shù)據(jù)類型[7]。

2.3 提高單片機(jī)抗干擾性

單片機(jī)的抗干擾性進(jìn)一步影響著整體程序運(yùn)用的準(zhǔn)確性和有效性。最有效的抗干擾方法便是將干擾因素進(jìn)行有效隔斷，盡量減小干擾源中的di/ dt、du/dt，將屯容并連到干擾源兩端位置可以有效實(shí)現(xiàn)干擾源的隔斷效果。前述抗干擾方法的主要技術(shù)原理是通過安裝二極管或者將電阻串聯(lián)到干擾源回路中從而實(shí)現(xiàn)抗干擾的目標(biāo)[8]。這一抗干擾方法主要是通過設(shè)置電路來實(shí)現(xiàn)，能夠進(jìn)一步完善電路系統(tǒng)的抗干擾性能，并且同時(shí)操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用到單片機(jī)抗干擾設(shè)計(jì)過程中。最為常見的干擾問題就是復(fù)位，相關(guān)技術(shù)人員可以通過相關(guān)軟件幫助程序進(jìn)行有效修復(fù)。一般情況下可以利用標(biāo)志判斷各種復(fù)位原因，并且進(jìn)入程序內(nèi)部找出復(fù)位原因。保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)始終處于連續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)。另一方面，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)程序的檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間超出規(guī)定范圍時(shí)，便可以認(rèn)定程序運(yùn)行已進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)，需要及時(shí)進(jìn)行處理，并找出漏洞與問題。尤其在工業(yè)領(lǐng)域范圍，一旦發(fā)生嚴(yán)重的干擾因素，將導(dǎo)致程序的終端無法及時(shí)修復(fù)，但通過及時(shí)的程序修改能夠解決這一問題[9]。

3 單片機(jī)有效應(yīng)用

3.1 使用壽命

通過技術(shù)優(yōu)化提高單片機(jī)的使用壽命主要表現(xiàn)在延長單片機(jī)的使用時(shí)間，例如穩(wěn)定的系統(tǒng)能夠運(yùn)行10～20年。較一般的處理器而言，單片機(jī)能夠使用更長時(shí)間并保持良好的性能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷優(yōu)化，MPU更新?lián)Q代速度的不斷提升，相關(guān)企業(yè)也獲得了十分突出的發(fā)展，并推動(dòng)單片機(jī)市場(chǎng)逐步發(fā)展完善，同時(shí)發(fā)展時(shí)間較短的CPU核心同樣會(huì)隨著I/0模塊的發(fā)展而不斷豐富，技術(shù)的進(jìn)步也進(jìn)一步促進(jìn)了單片機(jī)使用壽命的延長，也為消費(fèi)者提供了更多的消費(fèi)機(jī)會(huì)與選擇。當(dāng)前市場(chǎng)上采用的單片機(jī)的主要是32位、16位和8位單片機(jī)，相較于發(fā)展初期只有8位的單片機(jī)系統(tǒng)，隨著人們使用需求的提升以及互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷深化，32位單片機(jī)逐漸發(fā)展起來，并且受到市場(chǎng)的追捧，銷量也不斷提升，且32位單片機(jī)的應(yīng)用空間更為廣泛，性能更為出眾。其他類型的單片機(jī)因使用性能的不斷完善與豐富也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，并具有長遠(yuǎn)的進(jìn)步空間[10]。

3.2 運(yùn)行速度

MU一向注重發(fā)展需求是不斷提升運(yùn)行速度，考量標(biāo)準(zhǔn)主要是以時(shí)鐘頻率為主要標(biāo)志，進(jìn)而進(jìn)行運(yùn)行效果的提升，但是單片機(jī)卻和MPU存在一定的差異。在單片機(jī)的技術(shù)完善過程中，一項(xiàng)重要的開發(fā)要點(diǎn)便是降低時(shí)鐘頻率，從而切斷被干擾源的影響，為進(jìn)一步提升單片機(jī)的運(yùn)行速度需要對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行改善，例如調(diào)控內(nèi)在時(shí)序、提高時(shí)鐘頻率、優(yōu)化運(yùn)行速度等方式和手段都能夠有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免出現(xiàn)程序漏洞。

3.3 高可靠性和低噪音技術(shù)

一方面，EFT技術(shù)屬于抗干擾技術(shù)的重要組成部分，該項(xiàng)技術(shù)的主要操作方法是利用正弦信號(hào)遇到外界干擾時(shí)所發(fā)出的波形與信號(hào)進(jìn)行及時(shí)處理，隨后電路振蕩毛刺就會(huì)變成觸發(fā)信號(hào)干擾的時(shí)鐘，交替利用RC濾波電路和施密特電路能夠有效消除毛刺作用，避免系統(tǒng)運(yùn)行受到干擾源的影響，方便信號(hào)的有效傳輸，從而促進(jìn)單片機(jī)的整體運(yùn)行速度。另一方面，低噪音技術(shù)的發(fā)展對(duì)于單片機(jī)性能的完善也具有重要的作用。以往單片機(jī)的電信號(hào)傳導(dǎo)主要是通過電源設(shè)置，但是往往因?yàn)槲恢迷O(shè)置不夠精確導(dǎo)致運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音過大，影響整體使用效果，單片機(jī)通過電源引腳與地線設(shè)置在兩個(gè)相鄰引腳中從而減少傳導(dǎo)整個(gè)芯片的電流，有效去除運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音。

3.4 掩膜與0TP

OTP屬于一次性輸入的單機(jī)片，以往技術(shù)還尚不發(fā)達(dá)時(shí)，掩膜的單片機(jī)產(chǎn)量的擴(kuò)大意味著單片機(jī)產(chǎn)品逐漸發(fā)展完善的標(biāo)志。近年來隨著技術(shù)的調(diào)整與進(jìn)步，0TP型號(hào)的單片機(jī)的制作成本在不斷減少，售賣價(jià)格在不斷降低，通過0TP進(jìn)行產(chǎn)品制造逐漸受到更多廠商的關(guān)注和青睞。與掩膜相比，0TP型號(hào)的單片機(jī)擁有成本低廉、生產(chǎn)周期短的優(yōu)勢(shì)，因此市場(chǎng)上對(duì)于OTP型號(hào)的單片機(jī)需求量也在不斷上升[11]。因此，為進(jìn)一步運(yùn)用更為高階的技術(shù)，滿足實(shí)際需要，使用再編程技術(shù)進(jìn)行芯片的生產(chǎn)逐漸成為流行趨勢(shì)。

3.5 單片機(jī)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)階段，常用的單片機(jī)均配備了通信結(jié)構(gòu)，以便于與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這也為單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通信設(shè)備之間的連接創(chuàng)造了良好的客觀條件。從實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀來看，如今的通信設(shè)備均能夠通過單片機(jī)進(jìn)行智能化控制，且后續(xù)隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，控制效果以及智能化水平也勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步提升。單片機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用應(yīng)當(dāng)充分考慮到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合其實(shí)際的發(fā)展需求，不斷開發(fā)新功能，同時(shí)強(qiáng)化現(xiàn)有的性能水平，降低自身的應(yīng)用成本。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)應(yīng)用與開發(fā)技術(shù)也獲得了長遠(yuǎn)的進(jìn)步。隨著人們使用需求的豐富，單片機(jī)的應(yīng)用具有著關(guān)鍵的意義，對(duì)于相關(guān)行業(yè)來說是不可或缺的存在，能夠進(jìn)一步滿足控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行。因此，相關(guān)開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)充分掌握單片機(jī)的開發(fā)與運(yùn)用技巧，并將軟件方法運(yùn)用到實(shí)際控制過程中，并不斷提高單片機(jī)的運(yùn)行效率與控制效率，有效發(fā)揮單片機(jī)的作用。