自动测试技术讲稿-第二章

第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计西 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 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 自 动 测 试 技 术 第 2章 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 ” 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 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 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计一 、 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计二 、 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计单 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 INTELi960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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 ！ 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 （ SingleChipMicrocomputer） 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 2.MCU即 微 控 制 器 （ MicroControllerUnit） 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 （ SystemonaChip） 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计单 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 Intel4004， 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 4001ROM芯 片 、 4002RAM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 3mm 4mm， 计 算 性 能 远远 超 过 当 年 的 ENIAC， 最 初 售 价 为 200美 元 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 1972年 4月 ， 霍 夫 等 人 开 发 出 第 一 个 8位 微 处 理 器Intel8008。 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 Intel8080， 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（ MillionInstructionsPerSecond） 。 1975年 4月 ， MITS发 布 第 一 个 通 用 型 Altair8800，售 价 375美 元 ， 带 有 1KB存 储 器 。 这 是 世 界 上 第 一 台 微 型 计 算 机 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计单 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 ： 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 ） 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计三 、 51 系 列 单 片 机 的 端 口 特 性 IntelMcs-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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计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 ： 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 （ 1 12） MHz， 相 应 补 偿 电 容 取 值 可为 C1 C2=（ 5 30） 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 A15 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 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 0000H 0FFFH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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计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。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 (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 。 第 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计 (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 87H 80H。 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 2章 智 能 仪 器 基 本 系 统 的 设 计