單片機開發應用技巧探討

姬冠妮

（西安交通工程學院 陜西 西安 710300）

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展以及技術的進步，單片機開發與運用也取得了顯著的進步，成為電子技術的重要組成部分。單片機技術具有成本低但性能優秀的特點，并且具有多樣化的功能，同時操作簡便，因此被廣泛運用于不同領域中。例如當前智能IC卡的開發與制作、網絡通信、機械自動化等多項技術的發展都離不開單片機技術的運用。單片機技術為居民的日常生活帶來了便利，并有效促進電子技術在社會生產活動中的廣泛運用，為進一步提高單片機的使用效率，促進電子技術的進步與發展，提升相關行業的經濟效益，相關行業的技術人員應當充分研究單片機的原理，了解單片機的技術特征，并掌握單片機的開發技巧，從而進一步促進單片機在各項技術領域的充分應用，推動計算機技術向著智能化、科學化的方向發展。

1 單片機基本理論和應用特點

1.1 單片機概述

單片機最早出現在20世紀70年代，在最初的技術應用領域中主要是在自動控制行業中起到重要作用。自動控制系統是一種較為普遍的應用系統，而單片機作為一種微型控制器在自動控制技術領域內有重要意義。從某種角度來看，單片機的出現從根本上推動了工業變革，工業設備的控制系統也隨之趨向于微型化、集成化發展。在經過多年的發展之后，單片機的應用成本和制作成本大幅度下降，這也為單片機在非工業領域的廣泛應用奠定了良好的基礎條件。現如今，單片機已經對人們的日常生活產生了深遠影響，其廣泛的應用空間也為智能化控制創造了條件。單片機系統能夠有效管理不同功能的零件，并通過各項操作指令對計算機系統進行統籌與調配。同時單片機系統具有結構簡單但性能突出的特征，因此在行業內格外受到重視與青睞，并迅速占據了相關市場[1]。

1.2 單片機的應用特點

在單片機發展過程中出現了很多的品類，隨著市場的不斷擴大，也出現了各種不同類型與型號的單片機系統。單片機的選用具有以下幾個技巧可以參考：（1）單片機在該時間段內需要具有實用價值，能夠充分滿足系統運行的需求；（2）單片機產品應當容易獲得，相較于其他同類產品具有更加實惠的價格；（3）單片機的選擇應當結合個人對于單片機技術的應用能力和技術理解情況，以免對后續的開發應用過程造成阻礙。

綜上所述，對于單片機入門者來說，在考慮購買單片機系統時需要參考以上意見。比較好的選擇包括51系列的8位單片機，在學習好51系列單片機的基礎上才能進一步加強對其他類型的單片機的學習，以便掌握更高級的操作技巧，滿足更復雜的使用需求。在選擇單片機時應當采用能夠直接下載程序的類別，后續才能方便地修改程序。對于初級入門者來說，單片機的程序儲存區可以反復擦寫1千到10萬次。前述特征已經足夠滿足入門者對單片機的學習要求。此外，除單片機系統外初學者也應當注意對單片機資料手冊的了解與學習，以便充分熟悉單片機系統中的結構與構造，并掌握其硬件資源，了解單片機的性能，提高開發與利用效率[2]。

1.3 單片機的基本特征

單片機的一項主要特征便是將多種功能集中于一張芯片上。一些人錯誤地認為將多種功能集中于一張芯片將導致單片機零件的使用量變少[3]。但實際上，因為單片機具有完整的計算機性能，內部也存有內存CPU等部件，而外部配備有完善的帶有通信接口的外接設備。這一套完整的系統能使得單片機具有較為良好的計算機性能，以便充分滿足使用者的運行需求。最早的單片機僅包括內存零部件，但隨著技術的不斷發展以及相關行業使用需求的多樣化，現在的單片機已經不僅包括內存部件也有外接設備，因此同時也具備了聲音、圖像等多種性能。除了以上基礎功能之外，經科學調查發現，單片機目前對于網絡檢索也具有重要的作用。最初在制作單片機時，往往只考慮到接入更多的外接設備，一是因為單片機功能具有豐富性，便于進一步減小計算機的體積，方便人們使用并增加操作的便捷性。另一方面，單片機通過直接連接網絡可以有效擴大適用范圍，便于使用者對現場進行控制，但是考慮到現場存在多項干擾因素。在單片機技術發展與完善的過程中，相關研究者應當注重對單片機抗干擾性的提高，從而進一步豐富單片機的功能[4]。

在使用特征上，單片機首先具備良好的集成度，能夠將多種程序運用于一張芯片中，此外，單片機所占空間小，方便攜帶，但同時單片機也具有優秀的控制功能，操作風險和難度都較小[5]。并且單片機性價比較高、成本低廉。正因為單片機具有以上功能和優勢，使其廣泛地應用于各領域，例如國防、航空航天、醫療設備、計算機通信等[6]。

1.4 STM32系列嵌入式單片機

STM32系列嵌入式單片機是目前應用最為廣泛的單片機之一，其具有高性能、低成本、低功耗的特征。STM32系列產品基于超低功耗的 ARM Cortex-M4處理器內核。該產品家族共有 200余款產品，全系列產品共用大部分引腳、軟件和外設，優異的兼容性為開發人員帶來最大的設計靈活性。除新增的功能強化型外設接口外，STM32互連系列還提供與其它STM32微控制器相同的標準接口，這種外設共用性提升了整個產品家族的應用靈活性，使開發人員可以在多個設計中重復使用同一個軟件。STM32系列嵌入式單片機作為目前的主流產品，其自身的廣泛應用空間也決定了將進一步影響現代生活。從某種角度來看，正是因為STM32系列嵌入式單片機的廣泛應用和普及，才從根本上推動家居智能化、機械生產智能化趨勢的出現。

2 單片機開發技巧

2.1 減少程序運行中的漏洞

對于計算機系統而言，及時控制與修復程序漏洞具有重要意義。一旦程序出現漏洞或錯誤代碼的問題，將會導致單片機無法使用，甚至出現芯片損壞等嚴重后果，對單片機的運行與使用具有較大的負面影響，導致整個工作流程停滯不前。因此，相關開發者在對單片機進行研究的過程中，必須要重視對程序漏洞的控制與及時修復。在編程過程中需要根據實際情況預判可能出現的參數問題，并依據各項物理參數對系統運行進行進一步地完善與優化。對運行結果產生重要影響的物理參數主要包括以下部分的內容：過程參數、資源參數、結果參數和激勵參數。參數主要是系統內部功能零件、電路等單元中的資源，例如堆疊深度、記憶體容量等，應用參數指的是單片機的操作前提條件，而過程參數指的是系統運行過程中各項數據指標的變化。以上參數類型對于程序系統運行具有重要的影響。在編程過程中必須嚴格進行設計與安排，從而方便對各種參數進行處理，降低程序漏洞，提高計算機整體運行效果。

2.2 提升C語言編程效率

在單片機技術發展的初期，主要是通過匯編語言的方法進行程序的編制和使用。這一初級的匯編語言方式，在當時能夠滿足程序的運行。但隨著社會經濟的發展與電子技術的提高，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雜，開發效率低。現在大部分領域開始用C語言取代匯編方法。利用C語言進行編程能夠更好地提高開發效率，優化技術特征，對各行各領域的發展都具有關鍵作用。在這一背景下，單片機的開發與運用也是未來計算機技術進步的重要前提以及重點研究內容。一方面相關開發者應當充分掌握C語言編譯器的使用方法以及對應的語句行數，由此更為高效地把握編程內容。程序員應當利用對編程語句熟悉掌握以便進行技術的開發。市場上不同廠家生產的不同品牌的編譯器在使用性能上也具有較大的差異。也進一步影響著編程的效率。因此，當開發復雜程度較高且耗時較長的情況下就可以使用C語言進行編程，程序員在開發過程中需要格外注意編譯系統中所支持的算法類型和數據類型[7]。

2.3 提高單片機抗干擾性

單片機的抗干擾性進一步影響著整體程序運用的準確性和有效性。最有效的抗干擾方法便是將干擾因素進行有效隔斷，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現干擾源的隔斷效果。前述抗干擾方法的主要技術原理是通過安裝二極管或者將電阻串聯到干擾源回路中從而實現抗干擾的目標[8]。這一抗干擾方法主要是通過設置電路來實現，能夠進一步完善電路系統的抗干擾性能，并且同時操作簡便、穩定性強、成本低廉的優點，因此被廣泛應用到單片機抗干擾設計過程中。最為常見的干擾問題就是復位，相關技術人員可以通過相關軟件幫助程序進行有效修復。一般情況下可以利用標志判斷各種復位原因，并且進入程序內部找出復位原因。保證計算機系統始終處于連續的運行狀態。另一方面，相關技術人員應當加強對程序的檢測，當發現程序循環時間超出規定范圍時，便可以認定程序運行已進入死循環狀態，需要及時進行處理，并找出漏洞與問題。尤其在工業領域范圍，一旦發生嚴重的干擾因素，將導致程序的終端無法及時修復，但通過及時的程序修改能夠解決這一問題[9]。

3 單片機有效應用

3.1 使用壽命

通過技術優化提高單片機的使用壽命主要表現在延長單片機的使用時間，例如穩定的系統能夠運行10～20年。較一般的處理器而言，單片機能夠使用更長時間并保持良好的性能。隨著半導體技術的不斷優化，MPU更新換代速度的不斷提升，相關企業也獲得了十分突出的發展，并推動單片機市場逐步發展完善，同時發展時間較短的CPU核心同樣會隨著I/0模塊的發展而不斷豐富，技術的進步也進一步促進了單片機使用壽命的延長，也為消費者提供了更多的消費機會與選擇。當前市場上采用的單片機的主要是32位、16位和8位單片機，相較于發展初期只有8位的單片機系統，隨著人們使用需求的提升以及互聯網計算機技術的不斷深化，32位單片機逐漸發展起來，并且受到市場的追捧，銷量也不斷提升，且32位單片機的應用空間更為廣泛，性能更為出眾。其他類型的單片機因使用性能的不斷完善與豐富也呈現出良好的發展態勢，并具有長遠的進步空間[10]。

3.2 運行速度

MU一向注重發展需求是不斷提升運行速度，考量標準主要是以時鐘頻率為主要標志，進而進行運行效果的提升，但是單片機卻和MPU存在一定的差異。在單片機的技術完善過程中，一項重要的開發要點便是降低時鐘頻率，從而切斷被干擾源的影響，為進一步提升單片機的運行速度需要對內部系統進行改善，例如調控內在時序、提高時鐘頻率、優化運行速度等方式和手段都能夠有效保證系統的穩定運行，避免出現程序漏洞。

3.3 高可靠性和低噪音技術

一方面，EFT技術屬于抗干擾技術的重要組成部分，該項技術的主要操作方法是利用正弦信號遇到外界干擾時所發出的波形與信號進行及時處理，隨后電路振蕩毛刺就會變成觸發信號干擾的時鐘，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，避免系統運行受到干擾源的影響，方便信號的有效傳輸，從而促進單片機的整體運行速度。另一方面，低噪音技術的發展對于單片機性能的完善也具有重要的作用。以往單片機的電信號傳導主要是通過電源設置，但是往往因為位置設置不夠精確導致運行過程中產生的噪音過大，影響整體使用效果，單片機通過電源引腳與地線設置在兩個相鄰引腳中從而減少傳導整個芯片的電流，有效去除運行過程中產生的噪音。

3.4 掩膜與0TP

OTP屬于一次性輸入的單機片，以往技術還尚不發達時，掩膜的單片機產量的擴大意味著單片機產品逐漸發展完善的標志。近年來隨著技術的調整與進步，0TP型號的單片機的制作成本在不斷減少，售賣價格在不斷降低，通過0TP進行產品制造逐漸受到更多廠商的關注和青睞。與掩膜相比，0TP型號的單片機擁有成本低廉、生產周期短的優勢，因此市場上對于OTP型號的單片機需求量也在不斷上升[11]。因此，為進一步運用更為高階的技術，滿足實際需要，使用再編程技術進行芯片的生產逐漸成為流行趨勢。

3.5 單片機在計算機網絡及通信領域的應用

現階段，常用的單片機均配備了通信結構，以便于與計算機系統進行數據通信，這也為單片機與網絡系統和通信設備之間的連接創造了良好的客觀條件。從實際應用現狀來看，如今的通信設備均能夠通過單片機進行智能化控制，且后續隨著單片機技術的不斷進步，控制效果以及智能化水平也勢必會進一步提升。單片機的開發和應用應當充分考慮到計算機網絡和通信領域的發展趨勢，結合其實際的發展需求，不斷開發新功能，同時強化現有的性能水平，降低自身的應用成本。

4 結語

綜上所述，隨著社會經濟的發展以及電子技術的發展，單片機應用與開發技術也獲得了長遠的進步。隨著人們使用需求的豐富，單片機的應用具有著關鍵的意義，對于相關行業來說是不可或缺的存在，能夠進一步滿足控制系統的設計與運行。因此，相關開發人員應當充分掌握單片機的開發與運用技巧，并將軟件方法運用到實際控制過程中，并不斷提高單片機的運行效率與控制效率，有效發揮單片機的作用。