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1、引 言仪器仪表所采用的电子器件经历了真空管、晶体管和集成电路三个时代；从组成结构、工作原理和功能特点等方面考察，仪器仪表经历了模拟式、数字式和智能化三个发展阶段，智能仪器是在数字化的基础上发展起来的，是计算机技术与仪器仪表相结合的产物。计算机是智能仪器的核心，微处理器在智能仪器中的作用主要体现在对测试过程的控制和对测试数据的处理两个方面：对测试过程的控制表现在微处理器可接受来自键盘或通讯接口的命令，解释并执行这些命令，从而控制仪器仪表各部分的工作过程，同时对工作状态进行监测；对测试数据的处理则表现为硬件电路只须具备最基本的测试能力，向微型计算机提供原始数据。对数据的进一步加工处理，如信号滤波、
2、数据的组装、运算、确定小数点位置和工程单位、将最终结果转换成七段码或显示器显示，或按规定格式从通讯接口输出等工作均可由专门的软件来完成。因为具有数字存储、运算、逻辑判断能力，可根据被测参数的变化自动选择量程，具有自动校正、自动补偿、自寻故障等功能，可以完成需要人类的智慧才能胜任的工作，即具备了一定的“智能”，故称之为智能仪器。在计算机技术和微电子技术迅猛发展的推动下，测量技术与仪器仪表技术不断进步，相继诞生了PC仪器、虚拟仪器等微机化仪器及其自动测试系统。计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊，测量领域和范围不断拓宽。由于仪器仪表对微计算机技术的依赖日益加剧，出现了“计算机就是仪器”和“软件就是
3、仪器”的提法。智能仪器由于功能强大、性能优越、体积小、操作方便等，在传统的测量领域得到了广泛应用，并涌现出诸如频谱分析仪、医疗监护仪、在线检测仪、在线分析仪等众多的新型仪器。PC仪器、自动测试系统、虚拟仪器、现场总线仪器、智能传感器系统和近年来出现的网络化仪器等，大大扩展了智能仪器的内涵和应用领域。随着人类文明的进步和科学技术日新月异的发展，新型的智能仪器还会不断产生，应用领域还将继续扩大，智能仪器的发展前景光明灿烂。 通过此次在用8098单片机设计智能仪表主控电路中，使我们对智能仪器仪表结构有了一个了解，为我们以后的工作和生活奠定了坚实基础。第一章 单片机概述1. 什么叫单片机所谓单片机就是
4、将中央处理器（CPU）随机存储器（RAM）只读存储器（ROM/EPROM）定时器/计数器和一些输入/输出（I/O）接口电路集成在一块芯片上的微型计算机，又可称之为微控制器（Microcontroller）。2. 单片机的特点单片机的共有特点：控制功能强；体积小；功耗小；成本低。由于上述优越性能，单片机已在工业工程领域得到广泛应用。特别是，随着数字技术的发展，它在很大程度上改变了传统的设计方法，在软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统,可使原来许多电路设计问题转化为程序设计问题。3. 单片机的发展过程单片机的发展非常迅速。70年代中期，Intel公司推出8位单片机MC
5、S-48系列，80年代初又推出高档8位单片机MCS-51系列。这之后 ，Intel公司于1983年推出MCS-96系列单片机，使单片机的发展进入了一个新阶段。MCS-96系列单片机采用最新的工艺技术，将12万只以上的晶体管制作在一块约4CM2的集成电路芯片上，构成一种高性能的16位单片微型计算机。它包括如下一些部件：一个16位的中央处理器CPU、256字节的片内随机数据存储器（RAM）、2个16位定时器/计数器、数字型I/O接口、全双工串行通行接口、监视跟踪定时器（WATCH DOG）、高速输入/输出（I/O）、中断控制逻辑电路、脉宽调制器（PWM）以及时钟信号发生器与反偏压发生器等。MCS-
6、96系列单片机有三种分类方式：一种是按片内有无ROM进行分类；第二种是按片内是否有A/D分类；第三种是按管脚数目分类（可为48/68）。其中48引脚采用双列直插式结构，陶瓷或塑料封装；68引脚采用格栅阵列和扁平式结构，陶瓷或塑料封装。16位8096单片机虽在性能上高于51系列，但是由于价格昂贵，与目前广泛使用的8位I/O接口芯片匹配较为复杂，故使其普及及应用受到很大限制。1988年底Intel公司又推出了具有16位机性能、8位机价格的8098单片机，8098单片机采用内部数据总线16位，外部数据总线8位的准16位CPU结构，从而使8096系列单片机的应用有了飞跃性的突破。第二章 8098单片机
7、的硬件基础Intel公司推出的8X98单片机统称为8098，典型产品包括8398、8795BH和8098，其三者的不同之处在于：8398具有片内掩膜ROM；8795BH具有8K字节EPROM；8098片内无ROM（EPROM）。其中最为实用的是8098。2.1 8098单片机的特点（1）16位中央处理器8098中央处理器（CPU）在结构上的最大特点，是抛弃了类似MCS-51系列单片机的只有12个累加器的常规结构，CPU是在特殊功能寄存器（SFR）和片内寄存器阵列所构成的256个字节空间内进行操作。这些寄存器都具有累加器的特殊功能，它们可使CPU对运算数据进行快速交换，并且提供了高速数据处理和频
8、繁的输入/输出功能，从而消除了常规累加器结构的单片机中存在的瓶颈现象。16位CPU支持位（BIT）、字节（BYTE）和字（WORD）操作，在部分指令中还支持32位双字操作，如32位乘除运算。（2） 高效的指令系统8098单片机指令系统与MCS-51单片机指令系统相比，不但运算速度快，而且编程效率高 。同等运算任务的情况下，8098单片机的速度比MCS-51系列单片机（如8031）要高出56倍，并且指令字节数还不到8031单片机的一半。8098单片机的指令系统可以对带符号和不带符号数进行操作，支持16位乘法运算、32位除16位除法运算和直接字加减运算，且有符号扩展、数字规格化指令（有利于浮点运算
9、）等。许多指令既可用双操作数，也可用三操作数，使用非常灵活。12MHZ晶振下一条指令最短执行时间为1s，最长（外部操作数的乘法指令）为9.5s 。（3）脉宽调制输出（PWM）与MCS-51系列单片机相比，8098的独到之处之一是脉宽调制输出，它可以直接提供一路定周期（12MHZ时，64s；6MHZ时，128s）可变占空比的脉冲信号，并且这种脉冲信号经简单的输出可作为具有8位分辨率的数模（D/A）转换输出。（4）高速输入/输出（HSI/HSO）口8098单片机另一优越的I/O性能是无需CPU干预，能自动在8个状态周期（12MHZ）中处理8个输入事件和8个输出事件，可人为设置某个高速输出口的触发时
10、刻，从而引起CPU对外部事件的中断服务。利用高速输出口的输出可实现具有16位分辨率的D/A转换功能，高速输入/输出（HSI/HSO）口尤其适用于测量和产生分辨率高达2s的脉冲信号。（5）4路10位A/D转换器8098单片机片内有4路A/D转换单元，通过适当的外部接口处理，可使其分辨率更高。在12MHZ晶振下，完成一次A/D转换所需时间仅为22s。（6）全双工串行口8098单片机的串行口具有可以同时发送和同时接收的全双工串行通信功能。另外，它还设有一个提供串行口的波特率发生器，并且可以利用HSI/HSO构成异步全双工软件串行口。这个串行口也有4种操作模式，能方便地用于I/O扩展，多机通信及与CR
11、T终端等设备进行通信。（7）多用途接口8098单片机的P0口引脚既可作为数字输入口（P0.4P0.7），也可用作A/D转换器的模拟量输入口。P2口除作标准的I/O口外，还具有一些特殊功能，如：串行口通信功能。P3口和P4口为多路复用地址/数据总线和数据总线，它们的引脚内部有很强的上拉作用（复位时呈高阻态）。（8）8个中断源8098单片机的8个中断源对应8个中断矢量，可处理20种中断事件。（9）16位监视定时器（WATCH DOG TIMER）这是8098较MCS-51系列又一特有功能。它可以在软件、硬件发生故障时使系统复位，恢复CPU的工作能力。（10）2个16位定时器其中定时器T1在系统中作
12、实时时钟用，系统运行过程中不停地循环计数；定时器T2受外部事件控制，根据外部事件计数。（11）4个软件定时器4个软件定时器受高速输入口控制，一旦到达预定时间，设置相应的软件定时器标志，可以激活软件定时器中断。（12）寄存器阵列和特殊功能寄存器8098片内具有256字节的寄存器阵列（RAM）和特殊寄存器（SFR），其中232字节为寄存器阵列，它兼有一般微处理器中通用寄存器和高速RAM的功能，其余24字节为特殊功能寄存器。通过它们管理着所有的片内I/O口。（13）统一的编址方式8098单片机的编址与MCS-51系列编址（外部存储空间RAM和ROM的地址可以重叠）不同，采用统一编址方式，外部可寻址寄
13、存器空间总共为64K。构成系统方便，输入/输出指令更为简练，但存储空间较MCS-51有所减少。2.2 8098基本结构8098单片机内部结构如图2-1所示。图2-1 8098单片机内部结构框图2.3 CPU结构8098单片机CPU中的主要器件有：高速寄存器阵列、特殊功能寄存器（SFR）、存储器控制器和寄存器算术逻辑单元（RALU）。CPU与外界的通信是通过特殊功能寄存器（SFR）或存储器控制器进行的。2.3.1 CPU总线与MCS-48/51相同，8098单片机内部也采用总线结构。CPU内部的一个控制单元和两条总线将寄存器阵列和RALU 连接起来。其中：地址总线为8位，简称A总线；数据总线16
14、位，简称D总线。D总线只能在寄存器算术/逻辑部件RALU与寄存器阵列或特殊功能寄存器之间传输数据，而A总线既可用来传送内部地址，又可作为存储控制器的多重地址/数据总线。对片内存储器ROM和外部存储器的访问都通过存储器控制器进行。2.3.2 片内寄存器阵列片内寄存器阵列共232字节RAM单元，它可按字节、字或双字存取。由于上述任何一个单元都能被RALU 所用，如同CPU有232个累加器一样。寄存器阵列中的第1个字是专门留作堆栈指针使用的，不能用它来存放数据。访问存储器阵列和特殊功能寄存器的地址由CPU硬件控制，它们暂存在两个8位地址寄存器内如图2-2所示。图2-2 寄存器算术逻辑运算单元（RAL
15、U）框图2.3.3 寄存器算术逻辑运算单元（RALU）8098单片机的运算主要由RALU来完成，其逻辑部件构成如图2-2所示。RALU包括算术逻辑单元ALU和程序状态字PSW、程序计数器PC、循环计数器及3个暂存寄存器TSC。其中所有寄存器都是16位或17位（16位加符号扩展位）。PC附有一个专用增量器，它的用途是CPU每取1个字节指令之后PC 值自动增1，但程序转移必须由ALU来处理。高位字寄存器和低位字寄存器本身带有移位功能，在需要逻辑移位操作时，都可以不受ALU控制而借助于移位逻辑实现。其中，字、字节移位操作可由高位字寄存器独立完成，双字移位操作时，需高位字寄存器和低位字寄存器共同完成。
16、高位字寄存器也可作为许多指令的暂存寄存器。若有循环移位操作，则5位“循环计数器”进行循环计数，暂存寄存器用作存放两个操作数指令的第2个操作数。在进行减法运算时，该寄存器存放的减数输出取补后，送入ALU的“B”输入端。图2-2中延时电路用以将16位总线上的数据转换成8位总线上的数据。当要把所有地址和指令送到8位总线上时，就需要借助这个环节。此外，有几个常数（0，1和2）存放在RALU中，以用于加速某些运算，如地址自动增量、求2的补码、执行加1或减1指令。2.4 引脚功能详述8098芯片引脚的功能如图2-3所示。图2-3 8098引脚图2.4.1 引脚功能说明8098芯片均采用48脚双列直插封装形式。引脚功能如下：VCC（38脚）
