自动测试技术讲稿-第二章.ppt

,自动测试技术,西安电子科技大学机电工程学院,测控工程与仪器系 贺华,第2章,自动测试技术,智能仪器基本系统的设计,引言,单片机是现代自动化测控仪器仪表的核心部件，用单片机组成的仪器仪表不但可以用软件实现传统仪器仪表中许多硬件测量电路的功能，而且还可以用软件对测试结果进行进一步的整理、运算、加工或推演，获得传统仪器难于测量或者根本无法测量到的数据和深层结果。从这个意义上，人们将用微处理器或单片机构成的仪器统称为“智能仪器”。,智能仪器工作过程,1、微处理器接收来自键盘或GPIB接口命令，解释并执行这些命令； 2、微处理器通过接口发出各种控制信息给测试电路，以规定功能、启动测量、改变工作方式等， 3、当测试电路完成一次测量后，微处理器读取测量数据，进行必要的加工、计算、变换等处理，最后以各种方式输出。,早期智能仪器常用的微处理器有 M6800，Z80 等。近年来逐渐为 Intel的51系列和 96 系列单片机、Motorola 的M6805系列和 M68HC11系列，16系列和32系列等单片机所取代。 智能仪器的设计步骤： 在用单片机进行仪器设计时，先要按仪器的功能要求选择单片机的品种和型号并确定其工作模式，然后设计仪器主机的系统电路，各种功能接口电路、监控程序和各种仪器功能程序，最后进行系统的安装调试。,本章我们以8031，8751（包括 80c31、80c55等高性能低功耗兼容芯片），8098和M68HC11四种单片机为例来讨论单片机仪器基本系统的设计方法。介绍几种接口集成电路在智能仪器设计中的应用。讨论仪器键盘、显示器的接口设计及有声仪器语音电路的接口原理和方法。,2.1 仪器中单片机的工作模式与端口特性 2.2 存贮系统的扩展设计 2.3 仪用键盘系统设计 2.4 数据显示系统设计,自动测试技术,第2章 智能仪器基本系统的设计,2.1 仪器中单片机的工作模式与端口特性,在进行单片机仪器设计时，首先要按仪器系统的规模和性能要求选择所需要的单片机芯片的品种和型号，并设置好相应的单片机工作模式。单片机的端口引角多数是多功能的，一个端口可以拥有 1 种、 2 种甚至3 种功能，可分别称为该引脚的第1功能、第 2功能等等。因此在使用时首先要注意单片机各端口的功能以及在不同工作模式下的使用特点。,一、单片模式和扩展模式,在仪器仪表中设备的规模不同，单片机的工作模式也是不同的。 仪器中的单片机既可以按单片模式操作，也可以按扩展模式操作。,1、 单片模式 仪器系统的规模较小、单片机的片内存贮器和部件功能已经够用不需要外接的扩展部件，因而只用简单的 I/O 操作就构成一个独立的功能（仪器）系统，这种操作方式称为单片模式。这时单片机的绝大部分端口常工作与它们的第 1 功能状态，单片机对片外数据的读写只体现于对有关端口的简单 I/O 操作。因此在进行系统设计中，我们只要注意与所用端口相关的片内寄存器的设置、各端口的具体 I/O操作方法以及端口的负载能力就可以了。单片模式下的系统电路比较简单。,2、扩展模式当仪器系统的规模较大、除了使用片内存储器和功能部件外还需要外接扩展存储器或寻址其它功能部件才能满足系统要求时，可以使单片机选择在扩展模式下工作。在这种情况下，为了实现对外部数据的寻址读写，单片机的有些端口要按系统总线使用。例如 8031 的 P2 口在扩展模式下常按它的第 2 功能用作高 8 位地址总线， P3 中的 P3.6 、 P3.7 也按它们的第 2功能用作读写控制总线等等。因此，在扩展模式下的单片机系统电路要按实际需要进行专门总线扩展设计和地址空间的分配设计。,不管选择哪一种工作模式，仪器基本系统中的不同 I/O电路或功能部件总是通过接口电路与单片机端口引脚连接在一起的。为此，我们首先要熟悉各种仪用单片机引脚端口的使用特点。,二、单片机概览,单片机是一种集成在电路芯片，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/计时器等功能（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计算机系统。,单片机介绍 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。,目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端1的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。,单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。,单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。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。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。,单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。,单片机是靠程序运行的，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，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，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的也是承受不了的。,可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。,现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。,单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 单片机的基本结构 单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。 起初模型 1.SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。,2.MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。,3.嵌入式系统 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC （System on a Chip ）化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。,单片机发展史 1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一 。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器 ）其中4004（下图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。,1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。 1973年intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。 1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。,1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。 Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。 20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。,单片机的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：,1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。,2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。,4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。,5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。,6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。,7.单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。,三、51 系列单片机的端口特性,Intel Mcs-51 系列单片机是我国当前应用最广泛的一种单片机机种。该系列的标准芯片有三个主要品种： 8051 、 8751 和8031。他们的指令系统，封装系统是完全兼容的，仅在内部结构和使用方法上存在一些差异。 3 种芯片有一个相同的 8 位微处理器，都拥有 128 个字节的 RAM ， 21 个特殊功能寄存器， 4 个 8位并存 I/O 口，一个全双工串行口和两个 16 位定时 / 计数器。,8051 片内拥有 4KB 的 ROM ，由于片内 ROM 需要由芯片制造厂家专门的工艺进行编程，使用十分不便，我国很少采用。 8751 芯片改用 4KB 片内EPROM，用户能按自己的要求对它进行编程，使用十分方便，因此不但可用来设计单片模式仪器系统，也多用在扩展模式的仪器系统中，缺点是芯片的价格较贵。 8031 芯片无片内 EPROM ，要外接EPROM器件来构成它的程序存贮器，这种方法虽然在硬件联接上比较麻烦一些，但使用灵活，芯片价格也十分低廉，因此在单片机仪器设计中采用最多，不过它只能在扩展模式下工作。,1、51 系列单片机的封装引脚 用单片机进行设计时，总是首先关心它的封装引脚及其功能。图 2-1 （ a ）画出了 8031 （ 80c31 ）和 8751的封装引脚排列，现将各引脚的主要功能简要介绍如下：,18 ， 19 （ XTAL1 ， XTAL2 ）分别为片内时钟电路的输入端和输出端。用来构成自激式或外接式时钟电路，如图 2-1（b）所示。时钟频率可设计为（112）MHz，相应补偿电容取值可为C1C2=（530）pF，在仪器设计中可选用 6MHz 晶振， C1 ,C2 可取 22pF 。 9 ( RST/Vpp ) 作复位输入端用时，此端高电位有效，复位正脉冲的持续时间应大于 10ms。为了确保上电时系统有能力自动复位，可选用图 2-1(c) 所示的复位电路。在对 8751 片内 EPROM 实施编程操作时，9 脚应接入5V 的编程电压。,1 8 （ P1.0 P1.7 ） 8 位准双向 I/O 口，简称 P1 口。 P1 口的每一位都可独立地用作输入段或输出端。 21 28 （ P2.0 P2.7 ） 称 P2 口，也是准双向 I/O 口。它的第 2 功能作高 8 位地址总线，输出 A 15 A8 的信息。 39 32 （ P0.0 P0.7 ） 8 位三态双向 I/O 口。在扩展模式下用数据 /地址总线，可以时分的输出 8 位数据（ D0 D7 ）和低 8 位地址（ A0 A7 ）的信息。,30 （ALE / PROG ）地址锁存信号和编程脉冲输入端。当P0口输出低8位地址信息时，该端同时输出ALE正脉冲。用它可以将 P0 口输出的低 8 位地址打入到片外地址锁存器中。在对 8751 片内 EPROM进行编程时，要按规定在该端引入一个负向的编码脉冲。,10 17 （ P3.0 P3.7 ） 8 位准双向口 I/O口，他也是双工的。作第一功能使用时，操作方法与 P1 口相同。 P3 口每一位的第 2 功能具体定义如表 2 1 所示。,29 （PSEN）程序存储器读选通信号输出端。用于读取片外存储器的内容。 31 （EA）程序存储器编码方式设置端。对拥有片内EPROM或ROM的8751和8051单片机来讲， EA 1（接高电位），片内 EPROM 存储器被编址到0000H0FFFH 空间。而片外扩张 EPROM 被编址到 1000H FFFFH空间，且要用PSEN作选通信号。 当EA =0(接地)时，单片机只允许寻址片外EPROM并从0000H开始编址。在这种情况下即便片内还有 EPROM或 ROM 也不能在被访问了。 对 8031 单片机，由于它没有片内程序存储器，因此 EA端必须接地。,2、51 系列机端口特性 (1) P0 口是三态双向的，负载能力为 8 个 LSTTL 负载。 P1 、P2 、P3 三个端口也是双向的。与P0 口不同的是这些端口在作输入口用时，必须先在端口锁存器中写入 1 ，因此只能称它们为“ 准双向口 ”。他们的负载能力都为 4 个 LSTTL 电路。 (2) 在单片机复位时， P0 P3 的所有端口锁存器都被写入了 1 ， 因此复位后各端口的输入状态都为 FFH 。,(3) P1 口的 8 位中每一个端口都可以按位独立地进行 I/O读写。也可以按字节进行 I/O 操作。按位操作时， P1.7 P1.0 每个端口的位地址分别为 97H 90H 。按字节操作时 P1 口的字节地址为 90H 。在非复位且 P1 端口锁存器状态未知的情况下将 P1作输入口使用时必须先写 1 到端口锁存器（MOV，90H，#0FFH），然后才能进行对 P1 口输入数据的读取。 (4) P3 口按操作指令的不同，第一功能用作 I/O 口，与 P1功能相同，既可以按位进行单独操作，也可以按字节进行 I/O 操作。按字节操作时， P3 口的字节地址为 B0H ，按位操作时，P3.7 P3.0 的位地址分别为 B7H B0H 。 P3 的第二种功能按表 2-1 所列功能用作某一指定操作的信号线。,(5) P2口按第1功能用作 I/O 口用，可以按字节操作，字节地址为A0H；也可以按位操作，P2.7P2.0各位的位地址分别为 A7H A0H 。 P2 口的第 2 功能用作扩展系统的高 8 位地址总线。对 8031单片机，它片内无 EPROM ，只能工作于扩展模式，因此它的 P2 只能用作高 8 位地址口。 (6) P0 在单片模式系统中用作I/O口。可以按字节操作，也可以按位操作。字节地址为80H，P0.7 P0.0 各位的位地址分别为 87H80H 。在扩展系统中，它只能用作时分的低8 位地址 / 数据双功口 AD7 AD0 。,第二章1结束 同学们再见,