1、北京工業大學碩士學位論文高精度低功耗光柵計數系統設計研究姓名：石磊申請學位級別：碩士專業：微電子學與固體電子學指導教師：吳武臣20070501摘要摘要位移和角度的高精度測量是測量領域的重要內容，傳統方法往往無法滿足高精度要求。將光柵計數裝置和光柵傳感器結合起來可以實現對特定場合下位移和角度等幾何量的高精度測量，其先決條件是測量電路系統必須具備高精度。目前常規光柵計數裝置一般由信號輸入接口、細分電路、辨向電路、計數電路、單片機、顯示電路幾部分組成。被測幾何量通過傳感器轉變為兩相正交電信號，通過信號輸入接口傳入細分電路以完成對信號進行精度的提高，并將信號傳入辨向電路。辨向電路根據信號波形特征完成信

2、號（被測幾何量）正向或反向的判別。隨后計數電路對信號的增或減的進行計算，并將計算結果送入單片機。單片機對信號進行處理后得出位移或角度大小，最后由顯示電路進行顯示。從傳感器到單片機，其間經過了三個由很多器件構成的復雜外圍電路。因此，上述傳統測試結構不僅會降低信號處理速度，增加能耗和成本，還會導致測量精度的降低。本課題的研究內容是設計一種新的高精度低功耗光柵信號計數系統電路結構以克服上述常規電路結構所帶來的缺點。新的系統電路結構通過信號輸入接口接收光柵傳感器信號，將其輸入微控制器的端口，內核執行程序對信號進行處理，得出位移和角度的大小及方向，并驅動液晶將結果顯示出來。本論文通過對整體硬件組成和軟件

3、實現以及鍵盤和顯示子模塊的設計介紹，系統的闡述了新的高精度低功耗光柵計數系統的原理和實現。對比同類產品電路結構復雜的情況，新系統采用單芯片完成所有的功能并大大提高了測試精度，它具有結構簡單、可靠性高，功耗低等優點。課題研究成果實現了動態條件下對位移角度的高精度高采樣率測量并實現批量化生產，該產品在國民生產各行業和軍事領域均有廣泛的應用，因此具有廣闊的市場前景。關鍵詞測量；位移：角度；光柵傳感器；，船，￥山山。，），曲，曲，曲，髂，曲，：；：；獨創性聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表

4、或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京工業大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。關于論文使用授權的說明本人完全了解北京工業大學有關保留、使用學位論文的規定，即：學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學校可以公布論文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。（保密的論文在解密后應遵守此規定）簽名：盜盤導師簽名：差，窒蘭絲日期：絲：至石簽名：盤盈導師簽名：絲）絲！絲日期：至：蘭鄉第章緒論課題背景光柵測量技術背景傳統測量方法第章緒論科學技術的飛速發展，特別是信息技術、精密工程的發展

5、，催生了眾多的新工藝新材料、新產品，給人們的生產生活帶來了日新月異的變化，然而所有這些新工藝、新材料、新產品都離不開測試測量技術和精密儀器，測試測量技術是這些產品質量的重要保證，測量用精密儀器是其必不可少的工具。而位移和角度的測量是測量領域的一個重要組成部分。提到測量，人們通常會想到直尺，這是日常生活實踐所經常接觸的，其精度一般在的數量級，在一些要求更高的場合會用到游標卡尺或螺旋測微器，其精度在或的數量級。以上測量工具雖然操作簡單、成本低廉，但是缺點也是顯而易見的：首先是人的操作存在很大的偶然性，增加了測量誤差。其次是游標卡尺和螺旋測微器系統本身限制了測量的量程較小。以上這些工具共同的特點都是

6、采用了人為預先刻好的標準參照單元，經過人手工的調整對準程序后，以人眼的視覺感受作為判斷標準，最終報出讀數。這類傳統量具使用廣泛，在各類應用場合發揮了巨大的作用，但同時也暴露出種種弊端。柵式測量技術隨著被測試系統、產品的發展水平日趨提高速度越來越快、體積越來越小、應用覆蓋范圍越來越廣，人們對測試測量技術要求也越來越高：有的要求在動態的條件下測量，比如對于一個處于振動狀態的物體在各個時刻位置的測量。有的要求很高的采樣率，要求在一秒內進行上千上萬次的測量。這些種種苛刻的要求是采用傳統的量具進行測量所無法滿足的。促使測試測量技術和測量儀器不斷出現新理論，新技術和新方法，而柵式測量系統的出現較好的解決了

7、這些問題，從上個世紀年代到年代柵式測量系統從感應同步器發展到磁柵、容柵、球柵和光柵。感應同步器是利用兩組繞組之間產生的感應電動勢將直線位移或角度轉變為交流電壓信號的位移傳感器，分為圓盤式和直線式兩種。球柵尺用導磁介質量的變化實現電磁磁電轉換。球柵尺由高等級的進口無縫鋼北京工業大學工學碩士學位論文管和若干個精密鋼球密閉組合而成。磁柵由磁鋼組成的磁柵編碼陣列和霍爾開關元件組成的霍爾編碼陣列協調工作，霍爾編碼陣列檢測出位移量轉換為電信號。容柵測量系統是一種無差調節的閉環控制系統，它的基本測量部分是一個差動電容器，它的作用是利用電容的電荷耦合方式將機械位移量轉變成為電信號的相應變化量，將該電信號送入電

8、子電路后，再經過一系列變換和運算后顯示出機械位移量的大小光柵是利用基于光的干涉的莫爾效應，位移量轉換為明暗相間的條紋，再由光電檢測器件轉換為電信號具體原理在第章詳細闡述。這種測量系統都是將一個柵距周期內的絕對式測量和周期外的增量式測量結合了起來，測量單位不是像激光一樣的是光波波長。麗是通用的米制（或英制）標尺它們有各自的優勢，相互補充，在競爭中都得到了發展由于光柵測量系統的綜合技術性能優于其他種，而且制造費用又比感應同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發展得最快，技術性能最高，市場占有率最高，產量最大光柵在柵式測量系統中的占有率已超過。光柵長度測量系統的分辨力已覆蓋微米級、亞微米級和納米級，測量速度

9、從，。到。測量長度從，達到和。單片機技術背景隨著社會的發展和需求的提高，計算機也在不斷地更新與發展由于計算機的產生是應數值計算而產生的，因此長期以來電子計算機技術都是沿著滿足大量商速數值計算而發展的，直到世紀年代，電子計算機在數字邏輯運算、推理、自動控制等方面顯露出非凡的功能后，在各種控制領域開始對計算機技術發展提出了與傳統大量高速計算完全不同的要求。這些要求是：面對控制對象、面對各種傳感器信號、面對入機交互操作控制、能方便地嵌入工控應用系統中等。為了實現上述要求，單片微型計算機（簡稱單片機）應運而生。單片機也被稱做鑲控制器”、“嵌入式微控制器”。單片機一詞最初是源，簡稱。在單片機誕生時，是一

10、個準確、流行的稱謂，“單片機”一詞準確地表達了這一概念。隨著在技術上、體系結構上不斷擴展其控制功能，單片機已不能用“單片微型計算機”來準確表達其內涵。國際上逐漸采用，（來代替，形成了單片機界公認的、最終統一的名詞。在國內因為“單片機”一詞已約定俗成故而繼續沿用。單片機的歷史：第一代：七十年代后期，位邏輯控制器件發展到位。使用藝第章緒論（速度低，功耗大、集成度低）。代表產品：、。第二代：八十年代初，采用工藝，并逐漸被高速低功耗的工藝代替。代表產品：、。第三代：近十年來，的發展出現了許多新特點：在技術上，由可擴展總線型向純單片型發展，即只能工作在單片方式的擴展方式從并行總線型發展出各種串行總線。將

11、多個集成到一個中。在降低功耗，提高可靠性方面，工作電壓己降至。第四代：的使用使技術進入了第四代。目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡：（）適用于智能儀器、儀表中能夠使儀器儀表智能化，提高測試的自動化程度和精簡、簡化儀器儀表的硬件結構，提高其性能價格比。（）適用于機電一體化中機電一體化產品是指集機械技術、微電子技術、計算機技術于一體，具有智能化特征的機電產品。單片機作為產品中的控制器，能充分發揮它的體積小，可靠性高、功能強等優點，可大大提高機器的自動化、智能化程度。（）適用于實時控制中在工業測控子系統、航天航空、尖端武器、機器人等許多實時控制系統中，單片機都可

12、以作為控制器，通過實時數據處理和控制可使系統始終保持在最佳工作狀態，提高系統的工作效率和產品質量。（）適用于分布式多機子系統中在比較復雜的系統中，常采用分布式多機系統。多機系統一般由若干臺功能各異的計算機組成，各自完成特定的任務，它們又通過通信相互聯系、協調工作。單片機在這種系統中，往往作為一個終端機，安裝在系統中的某些節點上，對現場信息進行實時的測量和控制。（）適用于人類生活中洗衣機、電冰箱、電視機、空調等家用電器配上單片機后，提高了自動化程度，增加了功能，改善了技術性能。課題依據現代測量技術的主流就是通過相應測量儀器使被測物理量通過敏感的傳感器轉變成電信號，經過適當處理，準確顯示出來或實施

13、定量控制。含有微處理器、單片北京工業大學工學碩士學位論文計算機或體積更小的微型機的智能儀器越來越多地應用到生產實踐當中。這類帶有自校準、自診斷、自修正誤差等功能的智能儀器不僅提高了測量的準確度，而且還在不同程度上實現了許多與測量有關的復雜的控制功能，為測量帶來了極大的方便。在對位移和角度的測量上，目前的光柵傳感器已經較為成熟，具有精度高相應快的特點，同時成本也不高。而單片機技術也在不斷發展，處理能力不斷提高，外圍模塊已經非常豐富。將二者結合起來應用符合當前測量技術的趨勢，可以較好實現對位移和角度的高精度高采樣率測量。這正是本課題的研究內容。國內外產品現狀插卡式產品光柵測量系統的關鍵是對光柵傳感

14、器信號進行處理的光柵信號計數裝置。此類產品分為兩類：插卡式和獨立工作式。插卡式：做成插卡形式插入計算機插槽或插槽借助計算機共同工作，因此又分為兩類：（）類類卡插入計算機插槽工作，其優點是對計算機硬件和操作系統沒有太多要求，適合于低配置的工控用機，另外本身價格低廉，具有較強的價格優勢。但是安裝類卡要使用所有的功能比類卡困難一些，主要原因類卡不是類型的設備，所需的資源（地址、中斷需在卡上進行手工設置。在不知計算機中哪些資源可用時就可能和其他設備產生沖突，特別是中斷資源很容易和其他設備沖突。同時由于總線的先天不足，數據傳輸率較低，近年來類卡已經逐漸淡出市場。（）類類卡工作時插入計算機插槽。相對于類卡

15、，類卡雖然對計算機的硬件配置和軟件配置提出了更高的要求，同時本身成本也高一些，但是同相比總線具有先天優勢，數據傳輸率高，具有高度的可靠性和兼容性，可以與總線兼容，可以實現即插即用，具有自動配置功能另外隨著計算機產業的飛速發展，計算機在性能不斷提高的同時價格同時不斷下降，即使在工控領域目前采用類卡已成為主流獨立工作式產品獨立工作式產品工作時無需計算機，采用獨立的硬件電路完成光柵信號的采集、第章緒論處理和結果的顯示，同卡式相比在處理能力、采集速率上要弱一些，但是由于無需相對笨重的計算機，所以環境適應性強，在各種現場條件下均可應用。如果采用電池供電的話，供電條件的限制也不復存在?？梢宰龅揭苿雍捅銛y，

16、這是卡式所無法比擬的。同時考慮到省了計算機的成本，性價比更高一些。較典型的比如飛博爾電子有限公司的智能計數器，其參數如下：適用于旋轉編碼器、旋轉光柵等雙相正交信號很高的跟蹤速度：脈沖數秒位數據顯示，顯示范圍加、減計數由用戶設定可設定自動清零功能儀表具有編號識別功能，方便系統組網高精度模擬量輸出（位）兩路（或三路）接點輸出，接點容量或可選或串行接口輸出電源：±，功耗使用環境：溫度。，相對濕度考慮到插卡已經落后，而卡類系統目前已經比較成熟，改進余地不大。故本課題研究的就是這類獨立工作式光柵計數系統。本章小結本章在節先講述了本課題的相關背景，介紹了測量的有關知識，指出了柵式測量系統特別是光

17、柵測量系統的重要。介紹了單片機的發展情況。根據以上兩部分內容，在中指出了根據現代測量技術的趨勢，本課題研究的屬于光柵傳感器和以單片機為核心的控制電路相結合的系統。在隨后的節中講述了目前國內外光柵信號計數裝置的情況，分為插卡式和獨立工作式兩類，根據現有發展情況，本課題選擇研究獨立工作式裝置。北京工業大學工學碩士學位論文第章總體方案同類獨立工作式產品工作原理分析同類獨立工作式產品舉例目前同類獨立工作式產品工作流程基本相同，一般是：光柵傳感器把被測位移量轉變為電信號，經前置放大和電路處理后，送入或單片機進行綜合運算處理后輸出。下邊以一款產品為倒，說明其工作流程。該系統采用光柵移動產生的莫爾條紋與電子

18、電路以及單片機相結合來完成對位移量的自動測量，它具有判別光柵移動方向、預置初值、實現自動定位控制及過限報警、自檢和掉電保護以及溫度誤差修正等功能。工作原理圖如圖所示。圈工作原理圖舉例（）電子細分與判向電路光柵將待測位移量轉換為電信號后，為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，采用了由低漂移運放構成的差分放大器。由個光電器件獲得的路光電信號分別送到只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為，為得到判向和計數脈沖，需對這兩路信號進行整形，首先把它們整形為占空比為；的方波，經由兩個與或非門芯片組成的四細分判向電路輸入可逆計數器，第章總體方案最后送入由組成的單片機系統中進行處理。（）單片機

19、與接電路為實現可逆計數和提高測量速度，該系統采用了可逆計數器。假設工作平臺運行速度為，光柵傳感器柵距為，細分數為，計數脈沖的頻率為：若，則，對應計數時間間隔為，單片機系統的響應為是不能勝任的。經可逆計數器分頻后，可大大提高測量速度。由于是位二進制輸出，為與單片機接口，把兩片采用了級聯的方式，這樣最多可計個脈沖，若再來脈沖，進位端或借位端將輸出一個脈沖送到單片機、端計數，保證送到的信號不丟失。從前置電路出來的脈沖經過片分頻后，直接進入的僅為大于的。大”數，而小于的“小”數是由兩片輸出通過接口輸入到內部處理，這個接口芯片是通過擴展一片實現的。其中，口設為基本輸入方式，作為輸入，作為輸入?？?、口的低

20、位設為輸出，作為系統并行碼輸出。由于單片機無內，外擴展一片（）。只用片選，不必增加地址譯碼為鎖存口輸入的地址信號，在和之間增加一片地址鎖存器。同類獨立工作式產品工作原理總結綜合現有獨立工作式產品工作原理，可以得出其一般由信號輸入接口、細分電路、辨向電路、計數電路、單片機、顯示電路幾部分組成。被測幾何量通過傳感器轉變為兩相正交電信號，該信號經信號輸入接口傳至細分電路，對信號進行精度的提高，并將信號傳入復雜的辨向電路，通過對信號特征的判別判斷出被測幾何量的運動方向，計數電路分別針對被測幾何量的運動方向完成增或減的計算，并將計算結果送入單片機。由單片機完成將計算結果反轉換成被測幾何量的處理，并發送至

21、顯示電路進行顯示如圖所示：北京工業大學工學碩士學位論文圖工作原理總結圖課題目標同類獨立工作式光柵信號計數器從傳感器到單片機，其間經過了三個的外圍電路，器件很多。其弱點是：）電路結構組成復雜。電路復雜的同時導致了功耗增加。）多個子電路本身以及之間的連接等導致了工作可靠性的下降。）元件數量多。成本較高。如何避免同類獨立工作式光柵信號計數器的弱點，同時完成對位移，角度進行高精度測量是本課題的任務，為此就需要全新的電路結構和工作原理。總體方案系統框架現在電子技術的一個重要發展趨勢是，即，一個芯片將系統功能一網打進，從而降低電路成本，增加了系統可靠性。這與本課題的目標恰恰不謀而合，的思想給了一個重要的啟

22、示，是否可以考慮將同類獨立工作式產品的復雜外圍電路以及單片機所實現的功能用一款芯片來實現？這樣的話即可避免同類獨立工作式產品的缺點，實現課題目標?；诖怂枷耄岢隹傮w方案如圖所示：第章總體方案兩相正交單芯信號輸入霉片接口圖總體方案光柵傳感器將待測位移量或角度轉化為電信號后，該信號經信號輸入接口輸入單芯片處理，最后將結果顯示出來。虛線方框內的兩楣正交信號輸入接口和單芯片構成了系統的核心部分，課題所要重點解決的就是虛線方框內的部分。芯片選型總體方案確定后，首先要做的也是最重要的就是芯片的選型該芯片必須滿足如下性能要求：功能全面：要實現單芯片完成數據的輸入，整個運算處理過程及輸出顯示，功能必須全面，

23、否則就需要配以輔助復雜電路或輔助芯片來保證系統功能的實現。處理能力強：希望對于光柵信號傳感器傳來的信號的處理采用盡可能高的采樣率和盡可能高的精度，這要求芯片的處理能力足夠強大低功耗：考慮到應用場合可能包括各種野外環境無法保證外接電源，系統可能采用電池供電，所以要滿足低功耗的要求高可靠性：要求系統在各種惡劣環境下均可應用，作為系統核心的芯片必須有很高的可靠性。低成本：作為一個開發性應用性課題，要考慮方案是否經濟，在滿足性能要求的前提下盡可能的降低成本。根據以上要求，經過了對市場現有產品的充分調研后，最終選擇了美國德州儀器公司（）推出的系列超低功耗位混合信號處理器（）。集多種領先技術于一體，具有位

24、處理器、超低功耗、高性能模擬技術及豐富的片內外設巫翟蹦酎北京工業大學工學碩士學位論文本章小結本章先分析了同類獨立工作式光柵計數裝置的工作原理，指出其外圍電路過多帶來的缺點，提出了本課題的研究目標，即采用新的電路結構，避免其缺點。隨后據此提出了總體的方案，然后根據系統需求確定了采用為處理核心。第章光柵傳感器第章光柵傳感器光柵技術在玻璃尺或玻璃盤上類似于刻線標尺或度盤那樣，進行長刻線（一般為）的密集刻劃，得到黑白相間、間隔相同的細小條紋，沒有刻劃的白的地方透光，刻劃的發黑，不透光。這就是光柵。按形狀和用途光柵可分為長光柵和圓光柵兩種，如圖，其中左邊是長光柵、右邊是圓光柵。圖中為柵距，為線寬，為縫寬

25、，般取。 光墨條蚊圖光柵條紋光柵的作用是精密測量，那么，它是如何測微小位移呢？下面我們來介紹光柵的測量原理莫爾條紋。莫爾條紋我們以圖中的長光柵為例介紹莫爾條紋。將柵距相同的兩塊光柵的刻線面相對重疊在一起，并且使二者柵線有很小的交角口，這樣就可以看到在近似垂直柵線方向上出現明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋，如圖所示。莫爾條紋是基于光的干涉效應產生的。北京工業大學工學碩士學位論文 翼爾條故（）曩爾蠢紋）借向翼爾條故的臣寓圖莫爾條紋奠爾條紋的性質：當光柵付中任一光柵沿垂直于刻線方向移動時，莫爾條紋就會沿近似垂直于光柵移動的方向運動。當光柵移動一個柵距時。奠爾條紋就移動一個條紋間隔；當光柵改變運動方向時，

26、奠爾條紋也隨之改變運動方向兩者具有相對應的關系，因此可以通過測量莫爾條紋的運動來判別光柵的運動。光電元件光敏元件原理：光電元件是光電傳感器中最重要的部件，常見的有真空光電元件和半導體光電元件兩大類，它們的工作原理都基于不同形式的光電效應。根據光的波粒二像性，我們可以認為光是一種以光速運動的粒子流，這種粒子稱為光子。對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態就會發生變化，從而使受光照射的物體產生相應的電效應，我

27、們把這種物理現象稱為光電效應。通常把光電效應分為三類：在光線作用下能使電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應，基于外光電效應的光電元件有光電管，光電倍增管等。在光線作用下能使物體的電阻率改變的現象稱為內光電效應?；趦裙怆娦墓怆娫泄饷綦娮瑁饷艟w管等。第章光柵傳感器在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應，基于光生伏特效應的光電元件有光電池等。光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理是基于內光電效應，和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導體結上，結參與了光電轉換過程。光柵傳感器的結構和原理光柵傳感器的結構通常光柵傳感器是由光源、透鏡、主光柵、指示光柵和光電

28、接收元件組成，如圖所示。光源：供給光柵傳感器工作時所需光能。透鏡：將光源發出的光轉換成平行光。主光柵和指示光柵：主光柵又叫標尺光柵，是測量的基準，另一塊光柵為指示光柵，兩塊光柵合稱光柵付。一般來說標尺光柵比指示光柵長。在光柵測量系統中的指示光柵一般固定不動，標尺光柵隨測量工作臺（或主軸）一起移動（或轉動）但在使用長光柵尺的數控機床中，標尺光柵往往固定在床身上不動，而指示光柵隨拖板一起移動。標尺光柵的尺寸常由測量范圍確定，指示光柵則為一小塊，只要能滿足測量所需的莫爾條紋數量即可光柵付是光柵傳感器的主要部分，整個測量系統的精度主要由主光柵的精度來決定。兩塊光柵互相重疊錯開一個小角度占，以便獲得莫爾

29、條紋。彤、卅“名彤彰：蘭一群彰光柵傳感器的組成光疆透鏡主光冊年指示光冊一光電接收元件圖光柵傳感器結構北京工業大學工學碩士學位論文光電接收元件：將光柵付形成的莫爾條紋的明暗強弱變化轉換為電量輸出。莫爾條紋測量位移原理根據莫爾條紋的性質，在理想情況下，對于一固定點的光強，隨著主光柵相對于指示光柵的位移變化而變化的關系如圖）所示。但由于光柵副中留有間隙、光柵的衍射效應、柵線質量等因素的影響，光電元件輸出信號為近似于圖（）所示的正弦波。主光柵移動一個柵距，輸出信號變化一個周期。輸出信號經整形變為脈沖，脈沖數、條紋數、光搬移動的柵距數是一一對應的，因此位移量為其中為條紋數，是柵距。廳入煽光忸立移廳入光冊

30、位移光強與位移的關系圖光強與位移的關系本章小結本章先講述了光柵是什么，以及莫爾條紋的概念，然后介紹了光電元件在這三者的基礎上講述光柵傳感器，首先是光柵傳感器的組成結構然后是其將位移或角度轉換為電信號的原理。第章性能和結構第章性能和結構綜述性能特點系列是一個位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型芯片，在年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發手段，已成為眾多微控制器系列中一顆耀眼的新星。系列的迅速發展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下的特點（）強大的處理能力系列采用一個位的，采用了精簡指令集（）結構，具有豐富的尋址方式（種源操作數尋址、種目的操作數尋址）、簡潔的條內核指令

31、以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在晶體驅動下指令周期為這些特點保證了可編制出高效率的源程序。在運算速度方面，能在晶體的驅動下，實現的指令周期。位的數據寬度、的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現乘加）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如等）（）超低功耗之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，的電源電壓采用的是電壓。因而可使其在的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在（左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有。其次，獨特的時鐘系統設計。在中有兩個不同的系統時鐘系統：基本時鐘

32、系統和鎖頻環（和）時鐘系統或數字振蕩器時鐘系統。有的使用一個晶體振蕩器（），有的使用兩個晶體振蕩器）。由系統時鐘系統產生和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。由于系統運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統中共有一種活動模式（）和五種低功耗模式（，）。在等待方式下，耗電為，在節電方式下，最低可達，。北京工業大學工學碩士學位論文（）豐富的片上外圍模塊的各成員都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（）、模擬比較器、定時器（皿）、定時器（鈿）、串口、（、）、硬件乘法器、液晶驅動器、位位、總線直接數據存?。?/p>

33、）、端口（）、端口巧（）、基本定時器（盯）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出轉換器；位定時器（盱和衄盯）具有捕獲比較功能，大量的捕獲，比較寄存器，可用于事件計數、時序發生、等；有的型號更具有可實現異步、同步及多址訪問串行通信接口，可方便的實現多機通信等應用；具有較多的端口，最多達條口線；、端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；位硬件轉換器有較高的轉換速率，最高可達，能夠滿足大多數數據采集應用；能直接驅動液晶多達段：實現兩路的位轉換；硬件串行總線接口實現存儲器串行擴展；以及為了增加數據傳輸速度，而采用直接數據傳

34、輸（）模塊。的這些片內外設為系統的單片解決方案提供了極大的方便。（）適應工業級運行環境系列器件均為工業級的，運行環境溫度為似攝氏度，所設計的產品適合用于工業環境下系列與系列的比較系列的單片機是最普及的，為了加深對的認識，我們將兩者進行一下比較。首先，單片機是位單片機。其指令是采用的被稱為?！钡膹碗s指令集，共具有條指令而是位的微控制器，采用了精簡指令集（）結構，只有簡潔的條指令，大量的指令則是模擬指令，眾多的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算。這些內核指令均為單周期指令，功能強，運行的速度快。其次，單片機本身的電源電壓是伏，有兩種低功耗方式：待機方式和掉電方式正常情況下消耗的電流為，在掉電

35、狀態下，其耗電電流仍為；即使在掉電方式下，電源電壓可以下降到，但是為了保存內部中的數據，還需要提供約的電流。而在低功耗方面的優越之處，則是系列不可比擬的正因為如此，更適合應用于使用電池供電的儀第章性能和結構器、儀表類產品中。再者，￥系列單片機由于其內部總線是位的，其內部功能模塊基本上都是位的雖然經過各種努力其內部功能模塊有了顯著增加，但是受其結構本身的限制很大，尤其模擬功能部件的增加更顯困難。系列其基本架構是位的，同時在其內部的數據總線經過轉換還存在位的總線，在加上本身就是混合型的結構，因而對它這樣的開放型的架構來說，無論擴展位的功能模塊，還是位的功能模塊，即使擴展模數轉換或數模轉換這類的功能

36、模塊也是很方便的。這也就是為什么系列產品和其中功能部件迅速增加的原因。結構主要部件系列包含以下主要部件程序存儲器（或）運行控制外圍模塊振蕩器和倍頻器系列采用存儲器一存儲器結構，即用一個公共帶空間對全部功能模塊進行尋址；同時，用精簡指令組對所有功能模塊進行操作。以為例說明的結構，如圖所示北京工業大學工學碩士學位論文苗杓捌如瑚帳嗍眥船鷴刪一門一一一一圖結構圖（運行正交設計對模塊高度透明的精簡指令集。它由一個位、個寄存器和一套指令控制邏輯組成其中個寄存器有特殊用途，集程序計數器、堆棧指針、狀態寄存器以及常數發生器、。除了和外，所有寄存器都可作為通用寄存器來用所有指令操作。常數發生器用于指令執行時提供

37、常數，而不是用于存儲數據。對、訪問的尋址模式可以區分常數的數據。、和配合精簡指令組所實現的控制，使應用開發可實現復雜的尋址模式和軟件算法。其邏輯簡圖如下所示第章性能和結構圖邏輯圖存儲器系列采用。馮一紐曼結構”。因此，、和全部外圍模塊都位于同一個地址空間內，即用一個公共的空間對全部功能模塊進行尋址。支持外部擴展存儲器。特殊功能寄存器及外圍模塊安排在區域；和共享區域，數據存儲器（）的起始地址是）。存儲器與及存儲器數據總線（）、存儲器地址總線（）的連接關系如圖所示北京工業大學工學碩士學位論文圖存儲器與及總線關系，（）程序存儲器系列程序存儲器的類型有、和三種，存的的容量在之間；對于型的芯片，內部還集成

38、有兩段（共）的信息存儲器以及存放自舉程序的自舉存儲器（）；對代碼存儲器的訪問總是以字形式取得代碼，而對數據可以用字或字節方式訪問。每次訪問需要條數據總線（）和訪問當前存儲器模塊所需的地址總線（）；存儲器模塊由模塊允許信號自動選中。最低的空間的頂部個字，即，保留存放復位和中斷的向量；在程序存儲器中還可以存放表格數據，以實現查表處理等應用；程序對程序存儲器可以任意讀取，但不能寫入（）數據存儲器數據存儲器（）經兩條總線與相連，即存儲器地址總線和存儲器數據總線數據存儲器可以以字或字節寬度集成在片內，其容量在之間：所有指令可以對字節或字進行操作。但是對堆棧和的操作是按字寬度進行的，尋址時必須對準偶地址運

39、行控制的運行主要受控于存儲在特殊寄存器（）中的信息不同中的位可以允許中斷，以支持取決于中斷標志狀態的軟件以及定義外圍模塊的工作模第章性能和結構式。禁止外圍模塊，停止它的功能，可以減少電流消耗，而所有存儲在模塊寄存器中的數據仍被保留。外圍模塊的工作模式可以用的特定位置來標明外圍模塊外圍模塊包括基本定時器（）、位定時器（及】、轉換器、端口、異步及同步串行通訊口（）以及液晶顯示驅動模塊等。外圍模塊經、與相連。圖所示為外圍模塊的連接總線示意圖從圖中可以看出，外圍模塊可分為字（位）模塊和字節（位）模塊兩種。對大多數外圍模塊，通常是位，是位或位。字節（位）模塊的數據總線是位的，需經總線轉換電路與位的相連。

40、這些模塊的數據交換毫無例外地要用字節指令處理；對字（位）模塊，其數據總線是位的，無需經過轉換而直接與的位數據總線相連。模塊的操作指令沒有任何限制。圖外圍模塊連接總線示意北京工業大學工學碩士學位論文振蕩器和時鐘發生器振蕩器（）是專門為通用的低功耗時鐘晶振設計的。除了晶體外接外，所有的模擬元件都集成在片內但是也可以用一個高速的晶振工作，這時需要外接負載電容。對于、和以及系列，片內還有一個可接入高速晶振的）振蕩器。除了晶體振蕩器之外，、和系列都有一個數字控制振蕩器（），用它實現對振蕩器的數字控制和頻率調節；對于系列，將晶振頻率用一個鎖頻環電路或）進行倍頻?；蛟谏想姾笠宰畹皖l率開始工作，并通過控制一個

41、數控振蕩器（）來調整到適當的頻率。供處理器工作的時鐘發生器的頻率固定在晶振的倍頻上，并提供時鐘信號。外圍模塊及的時鐘源選擇非常靈活?？梢杂靡詫崿F各種低功耗模式下的運行本章小結首先介紹了的性能特點，接著通過與系列的對比加深了對認識接下來剖析了的結構，結合圖分析了其各組成部分：、存儲器、運行控制、外圍模塊、振蕩器和時鐘發生器。第章系統硬件實現第章系統硬件實現電路總體架構圖整個光柵計數系統是一個軟硬件協同工作的系統。在課題整個研發過程中，芯片選型后第一步工作是搭建一個基本的硬件平臺，以此為基礎進行軟件初步的調試，整個過程不是一蹴而就的，是一個不斷反饋反復修改完善的過程。軟件初步調試后，然后再進一步修

42、改硬件平臺，然后再調試軟件，直至最終軟硬件良好的協同工作，實現系統預定功能。整個硬件框架如圖所示。圖電路總體架構硬件開發工具考慮本次課題的硬件板級設計的特點，采用了目前較為通用的板級設計工具，其特點如下：（）新一代的前端設計工具為電子學設計帶來了全新理念，集成了世界領先的特性和技北京工業大學工學碩士學位論文術。提供了實現和設計的多維輸入、仿真、仿真與綜合、信號完整性分析和文件的編輯與驗證等功能。而且，打破了傳統的設計工具模式，兩個產品都提供以項目為中心的設計環境，包括強大的導航功能、源代碼控制、對象管理、設計變量和多通道設計等高級設計方法。（）靈活和用戶可自定制的設計環境建立在獨特的設計瀏覽器

43、集成平臺上設計瀏覽器允許系統的各個模塊交互工作在起，就像操作單一的模塊工具一樣，界面統一。還為用戶提供了一個集成的，用戶可自定義的操作環境，支持各種設計方式（）真正的多維設計工具具有多維輸入、多維分析和多維實現的設計環境。支持的設計項目包括項目、（後項目、集成庫管理和嵌入式項目。設計項目中可包括原理圖、仍、網表、元件庫、各種模型以及各種圖形文件和表報文件。全面支持和設計的多功能和完整的設計輸入系統。支持基于文本的和代碼輸入，包括和原理圖混合設計時交互導航特性（）真正的多通道設計工具完全支持真正的嵌入式多通道設計，包括原理圖紙符號的范例化、多通道元件名稱的管理、自動產生元件類和房間（）、分步重復通道的布局和布線支持層次化原理圖設計，對圖紙數和層數沒有限制。從原理圖到