选微处理器MPU，还是单片机MCU？两者区别详解

每项新应用设计都需要一个单片机或微处理器。当在两者之间选择其一时，需要考虑一些因素。以下是微处理器、单片机的概述和对比。

考虑选择微处理器(MPU)或者单片机(MCU)时，应用类型通常是关键因素。另一方面，最终选择取决于诸如操作系统和内存之类的因素。不过，有时可以将微处理器和单片机内核结合使用，这称作异构架构。

对于一些基于Linux或安卓等操作系统的计算机密集型工业和消费类应用，需要大量高速连接或功能范围广泛的用户接口，微处理器就是最佳选择。这是因为大多数单片机都没有操作系统，而只有裸机程序，借助于顺序处理循环和状态机，几乎无需任何人工干预即可运行程序。然而，许多高性能单片机可以支持诸如FreeRTOS之类的实时操作系统(RTOS)，从而以确定性方式实时响应需要硬实时行为的应用程序。

作为具有许多免费软件、广泛硬件支持和不断发展的生态系统的通用操作系统，嵌入式Linux取得了巨大的成功。它的另一个优点就是没有用户或授权许可费用。不过，与嵌入式Linux一起运行的应用程序至少需要300至400 DMIPS(ARM-Dhrystone MIPS)性能，因此较适合使用微处理器。单片机没有足够的计算能力和内存来应付此类应用。

如果是用于复杂或对实时性要求高的控制系统， RTOS则很有用，但至少要配合50 DMIPS的高性能单片机。这比嵌入式Linux所需的性能要求要少得多。传统的RTOS设计精简，因此可以在单片机上运行。针对实时计算硬件时，这是合理的，例如用于车辆的防抱死系统，若响应时间过长会带来致命的后果。即使必须支持大量的功能、中断源和标准通信接口，也建议使用带有RTOS的单片机。

微处理器与单片机之间的另一个主要区别是，微处理器依赖外部存储器来保存和执行程序，而单片机则依赖嵌入式闪存。在微处理器中，程序通常存储在非易失性存储器中，例如eMMC或串行闪存。在启动过程中，将其加载到外部DRAM中并在此执行启动程序。DRAM和非易失性存储器都可以具有几百兆甚至几千兆字节容量，这意味着微处理器几乎从来不受存储容量限制。但有一个潜在缺点：外部存储器或许会使得PCB布局的设计变得更加复杂。

即使是当前的高性能单片机，例如由意法半导体(STMicroelectronics)生产的STM32H7，最多也仅提供2 MB程序内存，对于许多需要操作系统的应用而言可能不足。由于程序位于片上内存中，因此其优点是执行启动和重置过程的速度明显更快。

计算能力

计算能力是典型的选择因素。不过，在这方面，微处理机与单片机之间的界线变得模糊了。例如，如果你将ARM体系结构视为单片机和微处理器市场中分布最广泛的体系结构之一，这就变得显而易见了。ARM提供了不同的处理器体系结构以满足各种要求：

Cortex-A提供了最高性能，并且已经针对综合操作系统进行了优化。它们主要部署在功能强大的设备中，比如智能手机或服务器。

Cortex-M较小，具有更多的片上外设，但是能耗较低，并且针对嵌入式应用进行了优化。

Dhrystone是比较不同处理器性能的测试基准。根据该基准，普通平价单片机具有30 DMIPS，而当前性能最高的单片机(包括嵌入式程序闪存)与这些平价单片机的差距高达1027 DMIPS。相比之下，微处理器的起步点约为1000 DMIPS。

能 耗

单片机在能耗方面表现出色，要比微处理器低很多。尽管微处理器具有节能模式，但其能耗仍然比典型的单片机高得多。而且，微处理器使用外部存储器，因此较难切换到节能模式。对于需要较长的电池运行时间，并且很少使用或没有用户接口的超低功耗应用，单片机是更好的选择，尤其是对于消费类电子产品或智能电表来说。

连接性

大多数单片机和微处理器都配备了所有常规外围设备接口。但是，如果用户需要的是超高速外围设备，在单片机里是找不到例如千兆以太网这种相关接口的。尽管这实际上已成为微处理器中的标准功能单片机。这是十分合理的，因为单片机几乎无法处理这些高速接口所产生的数据量。一个关键问题是：是否有足够的带宽和通道来处理爆发的数据量？

实时表现

当实时性能是最重要的考虑因素时，单片机绝对是首选。凭借处理器内核、嵌入式闪存和软件(RTOS或裸机OS)，单片机可以出色地完成实时任务。因为Cortex-A微处理器使用高性能的流水线，用户可以看到在跳转和中断期间，随着流水线的深度不断增加，延迟时间也随之升高。由于OS与微处理器一起执行多任务，因此很难实现硬实时操作。

系统基础IC

由于电源已经集成在单片机中，因此它们仅需要一个单电平电源。另一方面，微处理器需要许多不同电压的电源来为内核和其它组件供电，所以通常需要一个特殊配置的电源管理IC（即所谓的系统基础芯片）来进行供电管理。

结 语

很难说微处理器或单片机哪个才是更好的选择，但经验法则是，你应该始终权衡各种利弊条件。以下几点可以用作大致指导：

单片机非常适合以能耗为主要关注点，且价格较低的移动应用以及具有实时需求的应用。

微处理器则非常适合与操作系统一起运行并需要高速接口的密集计算应用。游戏和其他图形密集型应用使用特殊的微处理器进行联网处理。

基于PIC单片机的交流净化稳压电源设计

本文完成了交流净化稳压电源的设计，定量设计和计算了系统的主回路，完成了控制电路的硬件设计。通过交流净化稳压电源仿真模型的建立，实现了电源主回路的仿真，进一步明确了主回路各元件参数对电源输出电压的影响。通过对样机稳压性能的实际测试证明，样机的稳压性能可以很好的满足对输出电压的稳定要求，并且在实际 试用 中，效果良好。

目前，现有的各类民用稳压电源均普遍针对一般民用电网的特点而设计，不适合航天发射计量测试的需求。一般说来，民用电网由于负荷大，电源电压通常偏低，而航天计量测试设备所用的电网由于采用了逆变不间断供电技术，供电容量相对较小，易受负荷变动的影响，为适应多种负荷的工作需要，电源电压通常偏高。

普通的交流稳压电源，由于供电波形失真大，过零检测不准确，易造成输出电压不稳，另外，由于某些交流稳压电源的一些固有的特点，当驱动非线性负载时易产生振荡。这样就造成的问题主要是现有稳压电源不适用于航天计量测试的条件，故障率高，使用寿命短，一般不超过2年，给计量测试工作带来很大的麻烦。

1 交流净化稳压电源设计方案

通过对国内外交流稳压电源技术现状了解和发展动态的分析，以及对发射基地供用电特点的调查，计量测试用精密交流净化稳压电源的设计方案主要考虑2个方面的内容，一是主调整回路采用正弦能量分配器，在设计上主要考虑输入电压普遍偏高，且变动幅度大，谐波含量丰富的基地供电特点，需要对正弦能量分配器各元件进行参数的设计；二是由于计量测试用电对稳压精度的要求较高，控制电路的设计成为研制的关键。

交流净化稳压电源的基本设计思路是，在设计正弦能量分配器、采用数字控制技术的基础上，充分借鉴目前交流稳压电源设计技术，根据对交流净化稳压电源自身特性的理解，着重克服基地实际使用中面临的问题，以达到预先的设计目标。根据上述思路，设计如图1所示的交流净化稳压电源原理框图。

该方案设计以含有功率滤波功能的正弦能量分配器为主回路，控制电路以PIC微处理器为核心，由过零检测电路、电压采样电路、波形采样电路、电平变化电路组成。当市电电压或负载波动引起输出电压变化时，通过采样电路和数字化处理之后，通过控制电路控制双向可控硅SCR的导通角，从而改变流过电感的电流的大小，进而改变补偿电压的大小及其相位，最后达到稳压的目的。

图1 原理框图

电源控制电路要解决的主要问题：精密过零检测技术，误差放大技术，振荡抑制技术，可控硅导通角精密控制技术，极速稳压技术，以克服正弦能量分配器主调整回路易产生低频振荡的缺陷，使长期稳压精度优于±1%，稳定时间减小到10ms。

2 控制电路硬件设计与仿真

传统精密交流净化稳压电源的改进，即数字监控精密交流净化稳压电源的开发方案根据当前技术发展、数字化趋势，通过对数字信号处理器DSP和可编程逻辑控制器PLD、单片机MPU三者组成数字监控系统的优缺点的比较，综合经济和功能实现的要求，精密交流净化稳压电源监控系统的改进任务由单片机实现。

2.1 控制电路中各功能电路设计

控制电路设计应遵循下列设计原则:

2.1.1市电同步正弦波电路

该部分电路的作用是获得与市电同步的正弦波。因为与市电同步的正弦波是以后产生与市电同步脉冲波的基础，而整个数字监控系统的工作都是按照与市电同步的脉冲波的时序来进行的，系统监控核心PIC单片机处于中断工作方式，与市电同步的脉冲波是它的中断触发信号，可见这部分电路的作用十分重要。

2.1.2 同步脉冲波电路

交流净化稳压电源是根据输出电压的大小改变晶闸管导通的相位角来稳定电压的，这个相位角由众多因素来决定,同时晶闸管触发脉冲必须与交流信号同步,而交流过零点脉冲的提取是确定相位角的基础，只有准确无误的捕获它,才能准确确定相位角。

当为整流滤波型负载时,使其交流输入电流为严重的非正弦波,使输出电压波形平顶化,并最终影响到过零采样点处的电压幅值和波形，这是造成普通控制电路控制的净化型交流稳压电源振荡的主要原因，波形示意图如图2，3所示。

图2 市电同步正弦波电路波形示意图

图3 市电同步脉冲示意图

这里选取的方案是与市电同步的正弦波先通过一片LM339组成的比较器得到方波，然后通过一片LM339组成的电平转换电路进行电平转换，最后通过一片线性光耦TIL117进行光电隔离，得到与市电同步的脉冲波。脉冲波的上升沿十分陡峭，而且使用了线性光耦TIL117进行光电隔离，保证数字监控系统免受其他外来噪声的干扰，实现强弱电的隔离。

光电隔离器传输信号采用光电转换原理，使信号输入端与信号接受并输出端实现电绝缘。因此，可以消除输入回路中噪声信号、共地杂波等对输出回路的信号干扰，实现直流信号到交流或脉冲信号间的传送，如图4所示。

图4 市电同步脉冲电路原理图

图5 电压采样电路原理图

2.1.3 电压采样电路

任何一个含有智能处理单元的电路系统中，采样信号处理的好坏，对整个电路系统的性能都起着至关重要的作用。这是因为，一方面采样电路的好坏，关系到能否为智能处理单元提供正确、稳定的采样信号，如实地反应电路系统的状态；另一方面，质量优异的采样信号为相应的电路提高转换质量和稳定性提供了保障。电源实际控制电路的设计中，为提高整个交流稳压系统的稳压精度和系统故障检测功能，在稳压电源的输入电压和输出电压都设置了采样电路。

输出电压采样值的精确与否对本数字监控式精密净化稳压电源技术指标的提高的影响是十分关键的，因为根据输出电压采样值来计算可控硅触发脉冲的起始时间，以达到监控的目的。输出电压进行采样的同时，加上了电压限幅电路和高频滤波电路。 先把输出电压通过全波整流，转换为纹波较小的脉动直流，然后通过两个二极管组成的限幅电路，最后通过RC电路进行高频滤波，送入PIC单片机A/D转换口，如图 5所示。

另外，为了实时的相对准确的显示输入电压和输出电压的波形，还设计了波形采样电路及信号处理电路，晶闸管触发电路,报警电路,控制电路供电电源等等这里不一一叙述。

2.2 电源主回路仿真

在确定电路主回路参数的基础上，利用PSPICE的电路仿真能力，对于主回路中各参数的作用做了较为详细的研究，仿真图如图6所示。

图6 净化稳压电源主回路仿真示意图

图7 输出电压与可变电感曲线关系图

图8 输出电压与负载阻抗曲线关系图

在电源主回路的仿真研究中，为了清晰的、直观的显示主回路参数对输出电压的影响，假设电源主回路其他元件参数固定不变。单独分析可变电感L在(38.7mH-200 mH)变化时，输出电压呈现了逐渐下降的趋势。

这种主回路元件参数的组合，在没有控制电路稳压控制的时候，最大电压输出值达到280V，最小电压输出值可以达到160V，如图7所示，如显然难以满足稳定输出电压的要求，但只要通过控制电路实现晶闸管控制角的相应改变，可变电感值必然发生相应变化，输出电压的变化趋势一定会发生相应的变化，可以达到电源稳压的目的。

在交流稳压电源的实际使用中，影响电源稳压特性的因素很多，而电源负载阻抗的复杂特性和大小变化也是其中的重要影响元素。那么电源负载阻抗的变化，对于稳压电源输出电压的影响到底怎么样呢？假设电源负载阻抗从空载阻抗一直变化到满载阻抗，稳压电源的输出电压变化规律怎么样呢？

这里，设交流稳压电源空载时，负载阻抗值为1KΩ；满载时，设定其负载值为50Ω。如图8 所示，在主回路其他元件参数固定的情况下，负载阻抗的变化，确实可以引起输出电压的相应变化。当负载阻抗从满载阻抗增大时，输出电压相应的呈增大趋势。

图9 输出电压与感性阻抗曲线关系图

图10 输出电压与容性阻抗曲线关系图

交流稳压电源的实际应用中，负载阻抗的表现为感性的情况较多。当负载阻抗存在感性阻抗时，交流输出电压值相应的产生变化。在交流稳压电源主回路其他元件参数不发生变化时，输出电压随感性负载的增大，呈现减小的趋势，如图9所示。

图10中所示的这种变化关系，是一种理想的变化状况，在实际的电源使用中负载的变化规律复杂，但是这样的关系直观的表达了感性负载变化时输出电压的变化规律。

交流稳压电源的实际应用中，电源负载的特性复杂，容性阻抗作为阻抗类型的一种，到底对于交流稳压电源的输出电压影响作用如何，本文在规定其他主回路元件参数不变的基础上做了仿真分析。

图10中显示，容性阻抗在一定的范围内，当容性阻抗逐渐增大时，输出电压呈上升趋势。但是当容性阻抗超出这个范围后，输出电压随着容性阻抗逐渐增大而逐渐减小。这种固定其他因素不变，单独反映容性阻抗的影响作用的曲线图，从一个侧面直观的反映了电源负载阻抗对于输出电压影响的复杂性。

图11 输出电压与可变电感并联电容曲线关系图

图12 输出电压与滤波电容曲线关系图

交流净化稳压电源的稳压原理是通过改变晶闸管导通角的大小，来改变可变电感的大小，进而改变可变电感与并联电容组成的电抗属性和大小，通过控制电路从而实现输出电压的稳定输出。所以，并联电容的选取很关键。

图11中显示，一定范围内增大并联电容，减小可变电感与并联电容组成的电抗值，输出电压呈下降趋势。但是，当并联电容增大超过一定范围后，对输出电压的影响作用变化不定，这样会影响电源工作的稳定性，这也为主回路并联电容大小的选取提供了必要的指导。

在交流净化稳压电源主回路的设计中，有专门谐振于市电3倍频和5倍频的滤波电容和电感的设计，除此之外，在交流净化稳压电源的设计中，与电源负载并联的滤波的电感的设计也很重要，它在一定意义上将极大的影响交流净化稳压电源的低通滤波特性。从图12中可以清晰看出，滤波电容的选取不宜太大，太大会对电源的工作稳定性产生不良影响。

3.样机稳压性能测试

交流稳压电源中，负载变化、主回路参数、输入电压等因素会引起输出电压的变化。在实际交流稳压电源的应用中，各种相关因素是不断变化的，而输出电压最大限度保持恒定的能力是用户最关心的事情。样机经性能测试，其指标完全符合设计要求，后在计量站进行了实际试用，效果良好。

图13是实验样机的实物图片，为说明其主要性能表现，给出了稳压电源在5KW输出负载时，通过调压器对输入电压进行突变调节时，图14所示实测的输入输出比对波形, 图15所示外场实测的输入输出比对波形。

图13 高稳定度精密供电电源样机实物图

图14 实测输入输出比对波形（上波形为输入，下波形为输出）

图15 外场实测输入输出比对波形（上波形为输出，下波形为输入）

从图14中明显看出，稳压精度优于±1%，稳压输出的调整速度不大于10ms，表明研制的稳压电源具有优良的性能。从图15中可以看出，外场实际的输入电压波形得到了很好的改善，输出电压可以满足实际需求。

4.总结

通过交流净化稳压电源仿真模型的建立，实现了电源主回路的仿真，进一步明确了主回路各元件参数对电源输出电压的影响，为主回路参数的斟酌选取提供了理论指导，并且克服了实际设计中器件更换繁琐的缺点，对于各元件参数的影响有了直观的认识。

通过对样机稳压性能的实际测试证明，样机的稳压性能可以很好的满足基地对输出电压的稳定要求，并且在实际试用中，效果良好。

（本文选编自《电气技术》，作者为任贤。）

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