微控制系統原理
課程設計
題目基於s08aw微控制器的鬧鐘設計
院系名稱： 電氣工程學院專業班級： 自動化1004
學生姓名： 宮興鵬學號： 201046820926
摘要微控制器是將微型計算機的主要部分整合在乙個晶元上的單晶元微型計算機。微控制器誕生於20世紀70年代中期，經過20多年的發展，其成本越來越低，而效能越來越強大，這使其應用已經無處不在，遍及各個領域。例如電機控制、條碼閱讀器／掃瞄器、消費類電子、遊戲裝置、**、樓宇安全與門禁控制、工業控制與自動化和白色家電等。
而目前居於世界8位微控制器市場第一位的是摩托羅拉（現飛思卡爾）微控制器，其效能優越，內部模組功能多，可應用於廣泛的對功耗要求極為嚴格的領域。隨著飛思卡爾在中國市場戰略的推進及其大學計畫的實施，享譽全球的飛思卡爾系列微控制器以其優越的效能已被越來越多的教學機構、工程技術人員所熟悉和採用。
本次設計採用飛思卡爾公司生產的8位高階mcu s08aw60設計乙個微控制器實驗裝置，以s08aw/ac60為核心，建立最小化系統的中心系統，該實驗裝置能夠有效地投入實驗室使用，在這個實驗裝置上面有顯示、鍵盤、數模轉換、數字輸入輸出、pwm等功能模組。可以完成顯示、輸入、輸出、pwm、電子鬧鐘等基本功能。
微控制器是將微型計算機的主要部分整合在乙個晶元上的單晶元微型計算機。微控制器誕生於20世紀70年代中期，經過20多年的發展，其成本越來越低，而效能越來越強大，這使其應用已經無處不在，遍及各個領域。例如電機控制、條碼閱讀器／掃瞄器、消費類電子、遊戲裝置、**、樓宇安全與門禁控制、工業控制與自動化和白色家電(洗衣機、微波爐)等。
微程式控制的基本思想，就是仿照通常的解題程式的方法，把所有的控制命令訊號匯集在一起編碼成所謂的微指令，再由微指令組成微程式，存放在乙個eprom裡。系統執行時，一條又一條地讀出這些微指令，產生執行部件所需要的各種控制訊號，從而驅動執行部件進行所規定的操作[1]。微控制器可從不同方面進行分類：
根據資料匯流排寬度可分為8位、16位和32位機。intel公司作為最早推出微處理器的公司，同樣也是最早推出微控制器的公司。繼2023年推出mcs-48後，又於2023年推出了mcs-51，為發展具有良好相容性的新一代微控制器奠定了良好的基礎。
在8051技術實現開放後，philips、atmel、dallas和siemens等公司紛紛推出了基於80c5l核心的微控制器。微程式控制技術可代替直接由硬體連線的控制技術。由於微程式控制方法規整性好，靈活方便，通用性強，因此在大型複雜的數字系統設計中廣泛應用，成為控制器的主流設計方法。
mcu主要用於輸入輸出控制。通常嵌入某一具體的產品或裝置之中，例如智慧型冰箱、電子字典、汽車安全氣囊及倒車雷達等，所以又稱為嵌入式控制器，一般由mcu構成的嵌入式控制系統應具有實時、快速的外部響應，能迅速採集到所需的資料，並在確定的時間內作出邏輯判斷與推理後實現對被控制物件的引數調整與控制。當今的mcu從功能和形態上已不同pc，它更多的是以一種智慧型化的產品形式出現。
mcu以其功能強、體積小、可靠性高、面向控制及**低廉等一系列優點，已滲入到人們工作和生活的各個角落，幾乎是無所不在，無所不為，牢固樹立了其在生產和生活中的霸主地位。mcu的應用已從面向工業控制、通訊、交通及智慧型儀表等迅速發展到面向家用消費產品、辦公自動化、汽車電子、pc外設以及網路通訊等廣大領域[2]。
在汽車領域，嵌入式控制系統被喻為汽車的心臟。****的迅猛發展，使車載電子裝置的應用日趨普及。全球汽車半導體市場持續增長，2023年達到171億美元。
據strategyanalytics**，2023年全球汽車半導體市場收入將達到200億美元。目前，中國市場平均每輛車的電子裝置佔整車製造的成本也在不斷增加，中國汽車電子市場潛力巨大，其中，中國汽車微控制器（mcu）的市場需求量將在2023年達9100萬個，市場需求額將達42.83億元。
mcu的汽車市場空間。飛思卡爾半導體公司源於著名的motorola公司，是目前全球領先的半導體公司之一，它為汽車電子、消費電子、共軛控制、網路和無線市場設計並製造了眾多的嵌入式半導體產品，擁有多大19000種產品系列，飛思卡爾在8位mcu市場排名第一，同時在車用8位mcu領域也是排名第一的**商。飛思卡爾有超過20年的汽車電子經驗，從6801、68hc05、68hc11、68hc08到如今的s08，是業界最大供貨量的**商，當今超過50％的車用8位mcu來自飛思卡爾，其車用mcu的出貨量已超過10億。
飛思卡爾在業內提供最高質量的flash儲存器，從上世紀90年代開始有超過1億嵌入式快閃儲存器支援超高可靠性市場。飛思卡爾汽車電子具有嚴格的質量標準。每個飛思卡爾汽車微控制器都經過驗證，可以適用於特別複雜的汽車環境，其所具備的合格性包括適應乙個廣泛的溫度範圍和汽車測試流程。
飛思卡爾具備質量零缺陷定位，追求產品的領先和生產工藝、質量體系等多方面精益求精，創造零缺陷的質量管理體系。因此，可以滿足汽車電子產品執行環境及苛刻的要求（如-40℃—+120℃），保證足夠的可靠性和穩定性[3]。
freescale半導體公司的8位s08微控制器有以下特點：
1) 技術成熟、高可靠、高效能、抗干擾和電磁相容性強、內部資源豐富，且種類齊全，選擇餘地大，新產品多；
2) 開發技術先進且費用低廉，可提供免費的整合開發環境和開發偵錯程式；
3) 支援c高階語言開發，並進行了硬體和軟體優化，效率較高；
4) 可平滑完成從8位mcu到32位mcu核心的轉移，他們的引腳相容，開發環境不變。
5) 在多年從事嵌入式微控制器的科研、教學以及應用系統開發的工程當中，許多任務程師和教師一直採用在國際高可靠mcu市場上占有領先水平的freescale s08微控制器。
7) mcu是微電子技術和積體電路ic（integrated circuit）技術迅速發張的結晶，它除了在一塊晶元內高度整合了**處理單元、儲存器和外設介面外，近年來，位滿足高速控制領域應用的要求，又著力在片內增加了各種功能，如a/d、pwm、計數器、高速i/o及無線通訊協議等。
8) mcu已從20世紀80年代的8位獨大機發展到了今天的8位、16位、32位並存的局面。mcu的嵌入式市場應用繁多，需求千差萬別，工業機械人、車載資訊系統、住宅閘道器、ip**、ip攝像頭及可攜式醫療裝置等全如是市場的應用不勝列舉。這些應用的需求差別巨大，不是一兩個ic廠商、幾款晶元能搞定的。
intel公司擅長於做開放性的pc市場，即具有很多共同點的cpu市場；而對於嵌入式市場千變萬化的需求，要滿足定製性的要求，並不是該公司的特長，嵌入式系統的市場特點決定了需要眾多ic公司的參與。實際上80年代中期，intel公司就放棄了mcu的研發和生產，將技術轉給了其他廠商。
9) 當前，mcu種類繁多，至少有上千種，幾乎每星期都有新晶元產生。全世界已有幾十家mcu生產商，研製的不同版本、型別的mcu亦如雨後春筍般湧現。全球mcu市場大致可劃分位三個地理區域：
美國/歐洲、日本/南韓以及中國大陸和台灣地區。日本和南韓企業擁有mcu的系統設計與製造專門技術，因此在消費電子領域非常強大；美國和歐洲廠商在工業控制和汽車電子方面比較成功，中國大陸和台灣地區的mcu廠商則專注於低端消費電子產品。中國作為全球最大的消費電子產品與pc外設製造中心，2023年已成為mcu的最大單一買家，佔全球mcu市場的14.
5%。2023年用於資料處理、汽車與工業電子的mcu營業額增長率達到兩位數，僅資料處理領域的營業額就比2023年增長了31%。2023年瑞薩科技公司是中國市場中的最大**商，freescale半導體公司和微芯技術公司分列第二位和第三位[4]。
11) 本次設計的實驗裝置的目的是希望能夠投入到實驗室使用，所以在設計該專案是應該考慮到各個方面的因素，比如適用性、成本等都要考慮。本設計在方案上經過論證採取最佳的方案。
13) 設計乙個專案首先要考慮的是簡單、適用以及費用成本等。考慮到這些因素，我選擇了s08aw60作為主控模組晶元，該晶元擁有62kb片上**可程式設計flash儲存器和2kb片上ram，具有模組保護與安全選項功能。該晶元還可以通過bdm進行**程式設計及除錯，無需頻繁的插拔微控制器，可避免損壞晶元。
鑑於以上原因，所以選擇了s08aw60微控制器。
15) lcd液晶顯示由微控制器驅動。它主要用來顯示大量資料、文字、圖形，能夠顯示的位數多，顯示得清晰多樣、美觀，但同時液晶顯示器的編寫程式複雜，**昂貴，從而降低了整個系統的價效比；點陣顯示，是由八行八列的發光二極體整合在一塊電路上組成，主要用來顯示漢字，同時也能顯示數字和少量圖象，但它的焊接較麻煩，**高；led數碼管靜態顯示，電路容易理解且驅動的程式簡單，多片七段解碼器驅動顯示，這不僅增加了成本，還需要占用微控制器多個i/o口，也給電路的焊接帶來一定的困難；採用led數碼管動態掃瞄顯示，**低廉，不僅減少了對i/o口的浪費，而且能夠同時驅動多個數碼管。其驅動程式容易編寫和理解。
經過以上的比較，最後選擇led數碼管動態掃瞄顯示來設計顯示模組[5]。
為了使本實驗裝置能夠操作方便和穩定，而且在使用中不會帶來過多不必要的麻煩和困難，這次設計採用了飛思卡爾系列mcu最普遍的除錯方式：背景除錯模式（background debug mode簡稱bdm）。所使用的程式語言為功能強大的c語言。
bdm除錯工具是用來向目標板**程式用的，也可以將目標板上的微控制器flash中的舊程式擦出。這就是bdm除錯工具的flash寫入、擦出功能，也稱程式設計功能，通常具有這種程式設計功能的開發工具也稱程式設計頭。片內整合有flash的微控制器都具備**程式設計的能力，開發含有flash的微控制器至少需要的就是乙個有程式設計頭功能的**工具。
**除錯是freescale s08系列微控制器一項比較新的技術。它利用了後台除錯模式bdm，僅占用s08 mcu的乙個引腳就可以對mcu應用程式進行動態除錯以及擦出和編寫。s08mcu採用的後台除錯技術是在每片s08微控制器片內設計乙個具有硬體除錯功能的模組，外接的bdm模組可建立s08mcu與pc機的通訊，該模組可以對片內flash進行擦出和寫入操作，同時在mcu正常執行的情況下，實現實時**除錯，且只占用mcu的乙個i/o口。
s08aw系列是freescale公司推出的新一代s08系列為控制器中的一款增強型8位微控制器，它不僅整合度高、片內資源豐富，還有很寬的工作溫度範圍（-40~+125℃）,s08aw微控制器採用8位s08cpu,片內匯流排時鐘頻率可高達20mhz，片內資源包括2kb ram，約62kb flash、序列通訊模組、定時器模組、並可選擇寬範圍時鐘頻率，還提供乙個8位/10位精度的模/數轉換，並支援後台除錯模式bdm。在汽車電子、工業控制和中高檔機電產品等領域具有廣泛的用途。
飛思卡爾的新型8位微控制器是第一款基於高度節能型s08核的器件，支援5v應用。這使得其成為工業應用的理想之選，而求他還是第一款認可用於汽車市場的s08微控制器。s08aw系列有4種晶元：
s08aw60/48/32/16,他們之間的區別主要是片上程式儲存器的容量不同而且具有各種引腳封裝形式，s08aw特性如下:
● **處理器位s08cpu。
● 最高可達40mzcpu時鐘頻率和20mhz內部匯流排頻率。
● 約62kb片上**可程式設計flash儲存器，具有模組保護與安全選項功能。
● 2kb片上ram。
● 時鐘源選項為晶體振動器、陶瓷諧振器、外部時鐘和內部時鐘。
● 可選的看門狗（cop）復位。
● 具有復位和中斷的功能的低壓檢測。
● 2個定時器tpm模組為共有（2+6）通道的16位定時器/脈寬調變器，每個通道都有可選的輸入捕捉、輸出比較及pwm功能。
● 多達54個通用輸入/輸出（i/o）引腳。
● 具有主復位和引腳和上電復位（por）功能。
● 單線後台除錯模組bdm。
● 可支援多達32個中斷/復位源。
s08aw系列是freescale公司推出的新一代s08系列為控制器中的一款增強型8位微控制器，它不僅整合度高、片內資源豐富，還有很寬的工作溫度範圍（-40~+125℃）,s08aw微控制器採用8位s08cpu,片內匯流排時鐘頻率可高達20mhz，片內資源包括2kb ram，約62kb flash、序列通訊模組、定時器模組、並可選擇寬範圍時鐘頻率，還提供乙個8位/10位精度的模/數轉換，並支援後台除錯模式bdm。在汽車電子、工業控制和中高檔機電產品等領域具有廣泛的用途。
香粉中學安全管理1 封面
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