自动测试的技术

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2.2存贮系统的扩展设计存贮系统的扩展设计就是要按仪器的功能、规模要求为单片机配接适当的片外存贮器。设计时要根据单片机的性能，对所需扩展的存贮器的容量，工作速度和负载能力等进行必要的估算，然后按实际需要选择存贮器标准器件，再按单片机寻址空间的分配要求设计地址译码电路，完成对扩展存贮系统的总体设计。下面我们先了解一下各种单片机存贮器的组织形式，片内存贮器的结构与容量，在此基础之上再介绍存贮器的扩展设计方法。第2章智能仪器基本系统的设计提纲：2.2.1各种单片机存贮系统的组织形式2.2.2常用存贮器集成芯片2.2.3单片机寻址空间的分区设计2.2.451/96机扩展存贮系统设计2.2.5M68HC11存贮器的扩展设计第2章智能仪器基本系统的设计2.2.1各种单片机存贮系统的组织形式一、51系列机的存贮系统组织形式Mcs-51单片机的存贮器由片内片外两部分组成，按其作用又可分为程序存贮器和数据存贮器两种。程序存贮器一般用EPROM来构成，用来存放可执行的程序和命令；数据存贮器一般用RAM器件来构成，只能用于存放数据。程序存贮器用信号只读，数据存贮器用/RD、/WR信号进行读写。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二、8098存贮系统的组织形式96系列和8098单片机没有程序存贮器和数据存贮器之分，它们的存贮器系统是统一编址的，16条地址线，可寻址范围为64K，存贮器系统的组织形式可以用图2-6表示。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以上8098单片机的存储器组织形式中要注意以下几点：（1）CCR寄存器的配置。与96系列机一样，8098存储器系统中，2018H寄存器（即CCR）也是专门用来选配单片机总线运行方式的，如图2-7所示。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因此，在进行仪器系统设计时，一定要事前对2018H各位进行方式设定。例如要求8098仪器系统的总线设为8位宽，采用标准总线控制方式，就绪控制设置插入一个等待状态，则CCR的控制字应为8DH。第2章智能仪器基本系统的设计2.2.2常用存贮器集成芯片由于各种单片机片内存贮器的容量总是有限的，特别是片内无EPROM芯片，因此仪器设计中经常要求进行存贮器的扩展设计。这样，扩展存贮系统也就成为绝大多数智能仪器基本系统的重要组成部分。被用作扩展存贮器的存贮器件有两类：一类是只读存贮器，用来存放仪器的功能程序和监控程序及—些必要的数据表，能长期保存掉电不丢失,容量较大；另一类是随机存贮器，只用来存放一些临时的测量数据或中间结果，不要求长久保存，一般容量较小。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EPROMEPROM（ErasableProgrammableROM，可擦除可编程ROM）芯片可重复擦除和写入，解决了PROM芯片只能写入一次的弊端。EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压（VPP=12—24V，随不同的芯片型号而定）。第2章智能仪器基本系统的设计EPROM的型号是以27开头的，包括低功耗的COMS器件27Cxxx，如：27C32、27C64、27C128、27C512。如27C020(8*256K)是一片2MBits容量的EPROM芯片。EPROM芯片在写入资料后，还要以不透光的贴纸或胶布把窗口封住，以免受到周围的紫外线照射而使资料受损。EPROM芯片在空白状态时（用紫外光线擦除后），内部的每一个存储单元的数据都为1（高电平）。第2章智能仪器基本系统的设计EEPROMEEPROM（电可擦写可编程只读存储器）是可用户更改的只读存储器（ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的。EEPROM的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。EEPROM,一般用于即插即用（Plug&Play）。常用在接口卡中，用来存放硬件设置数据。也常用在防止软件非法拷贝的硬件锁上面。第2章智能仪器基本系统的设计实际中EEPROM集成器件有28系列。表2-9常用存贮器芯片的特性第2章智能仪器基本系统的设计RAM（随机存取存储器）RAM（随机存取存储器）RAM-randomaccessmemory随机存储器。存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（StaticRAM,SRAM)和动态随机存储器（DynamicRAM,DRAM)。第2章智能仪器基本系统的设计静态RAM是靠双稳态触发器来记忆信息的；动态RAM是靠MOS电路中的栅极电容来记忆信息的。由于电容上的电荷超过一定时间时（大约2ms），会泄漏，其存储的信息会自动丢失，需要定时给与补充，所以动态RAM需要设置刷新电路。但动态RAM比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容量存储器。所以主内存通常采用动态RAM，而高速缓冲存储器（Cache）则使用静态RAM。另外，内存还应用于显卡、声卡及CMOS等设备中，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。第2章智能仪器基本系统的设计高访问速度现代的随机存取存储器几乎是所有访问设备中写入和读取速度最快的，取存延迟也和其他涉及机械运作的存储设备相比，也显得微不足道。DRAM需要刷新现代的随机存取存储器依赖电容器存储数据。电容器充满电后代表1(二进制)，未充电的代表0。由于电容器或多或少有漏电的情形，若不作特别处理，数据会渐渐随时间流失。刷新是指定期读取电容器的状态，然后按照原来的状态重新为电容器充电，弥补流失了的电荷。需要刷新正好解释了随机存取存储器的易失性。对静电敏感正如其他精细的集成电路，随机存取存储器对环境的静电荷非常敏感。静电会干扰存储器内电容器的电荷，引致数据流失，甚至烧坏电路。故此触碰随机存取存储器前，应先用手触摸金属接地。第2章智能仪器基本系统的设计与SRAM相比，DRAM具有集成度高、功耗低、价格低等优点，但因为其需要刷新电路，与CPU进行联接时比SRAM复杂。静态RAM虽然集成度低、功耗高、但由于和CPU的接口电路简单，在单片机系统中被广泛采用。SRAM在单片机系统中主要用作数据存储器，常见的芯片有6116、6264、628128等。表2-9常用存贮器芯片的特性第2章智能仪器基本系统的设计存储器的主要参数存储器的主要性能参数有三个，即存储容量、存取周期和功耗。（1）存储容量。存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元又由若干存储元组成，每个存储元存放1位二进制代码。存储容量是表示存储器存放信息量的指标。存储容量越大，所能存储的信息就越多。一个存储器芯片的容量常用有多少个存储单元以及每个存储单元可存放多少位二进制数来表示。例如，某存储器芯片有1024个单元，每个存储单元可存放4位二进制数，则常以1024×4表示该存储器芯片的容量。容量的单位用K表示，1K即表示1024（210）个存储单元，这样，上述存储器芯片的容量便可记作1K×4。在单片机系统中，存取数据时常以字节（Byte）为单位，一个字节规定由8个二进制位组成，因此，单片机中的数据存储器一般情况下每个单元都是由8个存储元组成，表示存储器容量时更常见的是KB。第2章智能仪器基本系统的设计存储器的主要参数（2）存取周期。存储器从接收到寻找存储单元的地址码开始，到它取出或存入数据所需要的时间，称为存取周期，这是用以表示存储器工作速度的重要指标。MOS型存储器的存取周期约为100~300ns。（3）功耗。每个存储器芯片的功率称为功耗，单位为mW／芯片。功耗又分为工作功耗和维持功耗。维持功耗是存储器未选通时，处于低功耗、高输出阻抗、后备状态下时的功耗，芯片被选通后，它能自动进入读／写工作状态，对DRAM而言，维持功耗要比工作功耗小1~2个数量级。有时功耗的单位为μW／b(每存储位的功耗)。第2章智能仪器基本系统的设计2.2.3单片机寻址空间的分区设计实际中多数单片机仪器系统的寻址空间为64K。为了有效利用这个空间，使仪器系统的各个组成部件能各就各位，在进行仪器系统电路设计时一般都要对单片机的寻址空间进行区间划分。扩展存贮器件:EPROM、EEPROM、SRAM等存储器件I/O器件：可编程并行接口器件、ADC器件、DAC器件、键盘、显示模块等等第2章智能仪器基本系统的设计考虑到扩展存贮器件占用的寻址空间最大，区间划分首先要满足扩展存贮器空间的需要，也即要以存贮器空间的大小为依据。常用存贮器件的容量有4K～32K等多种形式，因此区间的划分可按4K、8K、16K等多种形式进行。第2章智能仪器基本系统的设计一、区间为4KB的分区设计第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二、区间为8KB的分区设计第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2.2.451／96机扩展存贮系统设计实例一、程序存贮器的扩展设计寻址空间划分之后就可以进行存贮器的扩展设计了。单片机仪器中的程序存贮器常用2732、2764、27128、27256等EPROM器件来构成。1、用2732设计的程序存贮器(1)2732的引脚功能。2732EPROM存贮器容量为4K字节，有12位地址线，它的封装引脚及功能表如图2--12所示。第2章智能仪器基本系统的设计图2-122732封装及引脚功能第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第2章智能仪器基本系统的设计(2)2732与8031的接口方法。第2章智能仪器基本系统的设计(3)2732与8098的接口方法。如果主机是8098，由于它的复位向量地址为2080H，这样，2732(I)中的存贮单元就可以从2000H开始编址，寻址范围成为2000H～2FFFH。相应地，8098的复位处理程序要从2080H单元开始存放。另外，8098实行程序/数据存贮统一编址工作方式，它没有设置/PSEN只读线，要用/RD线与2732的/OE端相连。其它引脚的连接方法与8031相同。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2、用2764设计的程序存贮器(1)2764的引脚功能。2764EPROM存贮容量为8K字节，拥有13条地址线A12～A0，它的封装引脚及其功能表如图2-14所示。第2章智能仪器基本系统的设计(2)2764的接口方法。第2章智能仪器基本系统的设计3、用27128～27512设计的程序存贮器27128～27512EPROM存贮容量为(16～64)K字节、拥有14～16条地址线，其封装引脚和功能表如图2-16所示。可以看出，27128～27512在引脚结构和功能上与2764相比除分别多了1、2、3条地址线和编程线配置稍有不同外，其它都是相同的。因此它们与单片机的接口设计方法与2764是一样的。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采用EEPROM器件进行存贮系统扩展设计时，设计方法与EPROM电路相同。由于EEPROM采用电擦除方式，在实际使用时对它的写输入端(/WR)状态要加以特别注意。在只读状态时，最好将/WR端与实际写信号输入线断开，用一只电阻将它接在+5V上并要加以滤波。在需要编程改写其内容