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第2章智能仪器基本系统的设计课件1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课件2自动测试技术第2章智能仪器基本系统的设计课件3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课件4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课件5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课件6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课件72.1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课件82.1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课件9一、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课件101、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课件112、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课件12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课件13二、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课件14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课件15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课件16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课件17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课件18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课件19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课件20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课件21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课件22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课件23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课件242.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课件253.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课件26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