数字化无线温度传感器毕业论文.doc

武汉纺织大学2011毕业设计数字化无线温度传感器毕业论文目 录1 选题背景 11.1 分析内容 11.2 国内、国外现状及发展情况 21.3 来源及意义 32 方案论证 52.1 总体方案设计 52.2 传感器方案 52.3 微处理器方案 62.4 射频模块方案 72.5 串行通讯方案 73 硬件原理与实现 83.1 PIC系列单片机 83.1.1 PIC系列微控制器硬件结构特点 93.1.2 PIC系列微控制器技术性能特点 113.1.3 PIC16F74单片机 133.2 温度传感器DS18B20 213.3 无线模块PTR4000 263.4 串行接口 304 技术要点 314.1 低功耗设计 314.1.1 实现低功耗的措施 314.1.2 嵌入式系统中的零功耗设计 334.1.3 本设计中的低功耗技术 354.2 软件抗干扰技术 364.2.1 软件出错对系统的伤害 364.2.2 数字滤波方法 364.2.3 软件冗余技术 394.3 I2C总线技术 405 软件设计 445.1 温度采集程序的实现 445.2 PTR4000的软件编程 515.3 上位机界面设计 545.4 工作流程 55参考文献 56英文资料57中文翻译60结束语 63致 谢 64武汉纺织大学2011毕业设计1 选题背景1.1 分析内容本课题的研究涉及两方面内容，其一是无线通讯技术，其二是数字化传感器技术。再将这两方面结合到一起的同时，研究低功耗的设计方法及无线传输中仰制噪音的滤波算法。在以单片机为核心的控制硬件电路设计上，采用及筛选低功耗的电子元件与集成电路，进行低功耗线路设计和线路板优化；在软件控制上采用降低功耗的休眠技术及采样周期优化，以期达到最大限度地降低计量仪表功耗，延长电池寿命。本设计中的测温范围在O100之间，测温精度为0.2，要求静态功耗电流小于10，动态功耗电流小于8mA，无线传输距离大于10米，传输速率为19.2Kbps 本设计中利用无线技术和数字化集成温度传感器技术，研制数字化无线集成温度传感器，以确保热量表一体化，解决现有热量表需有线测量回水温度带来的可靠性、安全性差等诸多问题。1.2国内、国外现状及发展情况目前集成化智能传感器技术发展非常迅速，然而由于我国国有资金和技术等方面的不足，在此方面的研究上同国外的差距还很大。 集成化智能传感器研制是较新的发展方向，具有广阔的市场空间，它主要利用集成电路的工艺和微机械加工技术取得研究进展；但比国外集成电路的主流工艺要落后到两代以上。如果我国把集成智能传感器的研制和生产作为半导体工艺的主要发展方向之一，就可以在现有的集成电路工艺和微机械加工的优势的基础上另辟蹊径，使集成智能传感器的研制与生产具有一定功能模块化能力，为传感器产业的集成化智能化发展积累新的技术经验，并拓展应用领域的广泛性，使其成为未来传感器发展的主流。 电子自动化产业的迅速发展与进步促使传感器技术、特别是集成智能传感器技术日趋活跃起来，近年来随着半导体技术的迅猛发展，国外一些著名的公司和高等院校正在大力开展有关集成智能传感器的研制，国内一些著名的高校和研究所也积极跟进，集成化智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。 大规模集成电路技术和微机械加工技术的迅猛发展，为传感器向集成化、智能化方向发展奠定了基础，集成智能传感器在应用领域成为传感器发展的新趋势。 集成智能传感器采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调制电路，以及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上。这样，使智能传感器达到了微型化和结构一体化，从而提高了精度和稳定性。 目前，市场上的集成智能传感器已经成为研究热点，其发展方向主要有以下几个方面： (1)向微型化发展； (2)应用新的物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理； (3)使用新型材料； (4)向微功耗及无源化发展； (5)采用新的加工技术(如化学微腐技术、微机械加工技术)； (6)向高可靠性、宽温度范围发展。一 集成智能传感器四大热点：1物理转化机理 由于集成智能传感器可以很容易对非线性的传递函数进行校正，得到一个线性度非常好的输出结果，从而消除了非线性传递对传感器应用的制约，所以一些科研工作者正在对这些稳定性好、精确度高、灵敏度高的转换机理或材料进行研究。 比如，谐振式传感器具有高稳定性、高精度、准数字化输出等许多优点，但传统的传感器频率信号检测需要较复杂的设备，限制了谐振式传感器的应用和发展，现在利用同一硅片上集成的智能检测电路，可以迅速提取频率信号，使得谐振式微机械传感器成为国际上传感器领域的一个研究热点。2数据融合理论 数据融合是集成智能传感器理论的重要领域，也是各国研究的热点，数据融合技术，简言之，即对多个传感器或多源信息进行综合处理，从而得到更为准确、可靠的结论。对于多个传感器组成的阵列，数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点，利用其互补性、冗余性，提高测量信息的精度和可靠性，延长系统的使用寿命。 数据融合是一种数据综合和处理技术，是许多传统学科和新技术的集成和应用，如通信、模式识别、决策论、不确定性理论、信号处理、估计理论、最优化技术、计算机科学、人工智能和神经网络等。近年来，不少学者又将遗传算法、小波分析技术、虚拟技术引入数据融合技术中。3CMOS工艺兼容 目前，国外在研究二次集成技术的同时，集成智能传感器在工艺上的研究热点集中在研制与CMOS工艺兼容的各种传感器结构及制造工艺流程，探求在制造工艺和微机械加工技术上有所突破。 利用CMOS工艺兼容的集成湿度传感器将敏感电容和处理电路集成在一块硅片上，通过Coventor模拟得到全量程总的敏感湿敏电容变化值，同时提高了可靠性并降低了成本，随着微机械加工技术的逐步发展，使得以CMOS工艺技术制造的集成湿度传感器已经成为当前研究的热点。图像传感器在CMOS工艺兼容基础上使得其动态范围扩展技术有所进步。4传感器的微型化 集成智能传感器的微型化决不仅仅是尺寸上的缩微与减少，而是一种具有新机理、新结构、新作用和新功能的高科技微型系统，并在智能程度上与先进科技融合。其微型化主要基于以下发展趋势：尺寸上的缩微和性质上的增强性；各要素的集成化和用途上的多样化；功能上的系统化、智能化和结构上的复合性。 本设计中的无线温度传感器为正在研究中的科研项目，暂时只用各种器件临时组合，如果方案进入成熟阶段，可将其集成在一块芯片上，实现其微型化。1.3 来源及意义 现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。 进入2 1世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。 随着国家对城镇供热采暖采用热量计量的不断推广，热量表项目将成为一项高科技、高效益的投资项目，将带动起一个年产值几百亿的新兴产业群，并且它的持续发展期在1 5年以上。在国家有关政策的引导下，目前，全国各地正在进行供热分户改造，未来几年内，国家将逐步实行按甩热量分户计量收费，届时将会催生一个非常庞大的实时在线供热表市场。因此，户用热量计是给暖商品化必不可少的工具，也是建筑节能的一项重要措，随着供暖事业的发展必将得到普遍应用。无线温度传感器作为热表的一部分，用来测量回水温度。 本设计中的无线温度传感器是测量回水温度的部件，以解决目前国内外热量表生产单位普遍采用的有线采集回水温度带来的施工安装不便及可靠性低这一突出的共性问题。以适应我国民用计量仪表使用的实际现状，达到节约能源和供需平衡的目的。2 方案论证2.1 总体方案设计数字化无线温度传感器的设计应包含两个部分：一部分是温度测量(发射)电路，一部分是温度处理(接收)电路。温度测量部分由传感器、MCU、和无线发射模块构成。温度处理部分由无线接收模块、MCU、与上位机通讯的接口电路构成。其系统原理框图如下所示：12CI/O温度传感器发射模块图1 温度测量部分原理框图接收模块上位机USART12C图2 温度处理部分原理框图2.2 传感器方案 温度传感器的种类很多，选择的空间就很广阔，可以使用热电偶，热电阻等测温元件，也可以选用集成温度传感器。 方案一：采用AD590作为传感器。AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在5-15V之间变化，其电流只是在l以下作微小变化。但是AD590是集成模拟传感器，需要进行AD转换才能与控制器连接。 方案二：选用单线数字温度传感器DSl8B20，它与其他传感器相比有以下几个优点：(1)单总线，节省IO 口线；(2)数字化，内部自带AD，编程方便；(3)集成度高，外围硬件电路简单；(4)精度高，测温分辨率可达0.0625；本设计中选用DS18B20作为温度传感器。2.3 微处理器方案 方案一：主机采用以89C51系列单片机为核心的微控制器完成对无线发射接收模块的控制，实现对数据的采集。由于受单片机指令运行速度的影响，影响到它的数据采集能力，而且它不具有低功耗状态，不能满足低功耗的要求。 方案二：以高速数字信号处理器(DSP)TMS320F240为中央处理单元，配以极少的外围电路构成了检测器的核心控制部件。本方案的主要优点： 速度快，执行速度达到20MIPS，几乎所有的指令可以在50ns的单周期内完成，如此高的性能非常适合实时数据采集。 硬件结构简单，具有丰富的可编程多路复用IO引脚，能实现对温度传感器、键盘显示接口、输出打印接口的编程功能。 软件编程灵活，可采用C语言与汇编语言混合编程。 但其价格昂贵，功能强大，用在此处属于大材小用。 方案三：以PIC系列单片机作为中央处理单元，本方案具有前两个方案无法取代的优点： 1) 选型灵活，PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。 2) 精简指令使其执行效率大为提高。 3) 睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面已不能与新型的TIMSP430相比，但在大多数应用场合还是能满足需要的。基于低功耗的设计要求，本设计中采用，PIC系列单片机作为中央处理单元。2.4 射频模块方案方案一：采用PTR2000作为无线收发模块，其集成度相对较高，外围硬件电路简单，收发一体，但因为是无线通信，在通信过程中易受干扰，误码率高。方案二：采用PTR4000作为无线收发模块，它含有CRC硬件校验，当PTR4000接收到数据与摄制的本机地址一致且CRC效验正确时，才把接收到的数据以中断方式传给CPU，误码率低，与PTR2000相比较，其可靠性高。本设计中采用PTR4000作为无线收发模块。2.5 串行通讯方案 方案一:采用RS-422A标准规定了差分平衡的电气接口，它采用平衡驱动和差分接收的方法。这相当于两个单端驱动器，输入同一信号时，其中一个驱动器的输出永远是另一个驱动器的反向信号。 方案二:采用RS-485接口，它是RS-422A的变型，它与RS-422A的区别在于：RS-422A为全双工，采用两对平衡差分信号线；而RS-485为半双工，采用一对平衡差分信号线。RS-485对于多站互连是十分方便的。RS-485标准允许最多并联32台驱动器和32台接收器。总线两端接匹配电阻(100左右)，驱动器负载为54。驱动器输出电平在-1.5V以下时为逻辑“l，在+1.5V以上时为逻辑“O。接收器输入电平在-0.2V以下时为逻辑“l，在+0.2V以上时为逻辑“0。RS-485传输速率最高为10Mbit/s，最大电缆长度为1200米。 方案三：采用RS-232C接口。它是异步串行通讯中应用最广泛的标准总线，它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。适用于数据终端设备和数据通讯设备之间的接口。本设计中采用RS-232C接口进行异步通讯即可满足要求。3 硬件原理与实现3.1PIC系列单片机 在微控制器(Microcontroller)应用领域日益广泛的今天，各个领域的应用也向微控制器厂商提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、体积更小、价格更廉以及组成系统时所需要的外围器件更少；随着越来越多的各种非电子工程技术人员的应用需求，他们想把微控制器作为嵌入式部件应用到自己熟悉的领域，还提出简单易学用的要求，用户的需求就是商家的市场和动力，老的半导体厂商顺应潮流不断推出新品种，新的半导体厂商则后来居上，把越来越多的外围接口器件集成到片内，功能越来越强、性能越来越高。迄今为止，至少有35家半导体厂商的微控制器进入中国市场。应该说，每一个厂商的微控制器能在市场上占有一定份额，肯定有它存在的道理，即各个不同公司的芯片有它自己的特点才能吸引住有特定要求的部分用户。在这众多的五彩缤纷的微控制器中，美国Microchip技术公司的PIC系列微控制器则异军突起，独树一帜。它率先推出采用精简指令集计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛（Harvard）双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器（Embedded Controller)。其高速度（每条指令最快可达160ns）、低电压（最低工作电压可为2V）、低功耗（3V，32kHz时15A）、较大的输入输出电流直接驱动LED（灌电流可达25mA）、一次性编程OTP（One Time Programmable）芯片的低价位（最低的不到6元人民币）、小体积（8引脚）、指令简单易学易用等，都体现了微控制器工业发展的新趋势。该公司推出了三个不同层次系列、几十种产品来满足不同的产品设计需要，这三个系列微控制器的每一种型号的芯片都含有片内程序存储器，而且它们的指令系统向上兼容，用户可以根据需要选择具有各种不同外围接口功能、不同封装形式和不同电压范围的芯片；该公司还可以提供完整的可兼容的开发工具套件和世界范围的现场应用支持，所以这个系列的微控制器在市场上极具强劲的竞争力，在全球都可以看到PIC微控制器从办公自动化设备、消耗电子产品、电讯通信、智能仪器仪表、到汽车电子、金融电子、工业控制等不同领域的广泛应用。PIC系列微控制器在世界微控制器市场份额排名逐年上升，在8位微控制器市场，已从1990年的第20位提高到1996年的第5位，以至成为一种新的8位微控制器的世界标准和最有影响力的主流嵌入式控制器。3.1.1 PIC系列微控制器硬件结构特点1 精简指令集计算机(RISC-like-Reduced Instruction Set Computer-like)结构Microchip技术公司具有先进的类RISC结构的PIC系列微控制器的简洁性，为8位微计算机市场设立了一种事实上的新的性能标准。为了达到独一无二的高速性能，PIC微控制器采用了小型机设计结构。先进的类RISC结构体现在每一条高效率和功能强大的指令上。三个系列微控器的指令都是单字的宽字位指令：低档、中档和高档系列的指令位数分别为12、14和16位，且分别只有33、35和58条指令，它们向上兼容其指令系统除了程序分支指令是单字双周期指令外，其它指令都是单周期、单字指令，在这些指令中，没有功能相交叉的指令，使所有的指令具有简洁性；而一般CISC(Complex Instruction Set Computer)结构的微控制器通常有50到110条多字节多周期的指令。单字节指令提高了软件编码的效率和减少了所需要的程序存储单元，使系统具有高处理性能和突出性能。另外，由于所用指令数较少和较简洁，编程任务和调试相对就比较容易，而且学习和实现都非常快。在相同情况上，PIC微控制器所需要的编码比一般要少一半，其指令的高效率又可使编码开发时间节约30。 (1) 指令流水线结构可以在一个周期内同时完成一条指令的执行和下一条指令的取指。最大限度地提高了每个内部时钟周期的效率。 (2) 高速的指令执行时间，在20MHz时钟情况下达到200ns，在25MHz时可达到160ns。在单周期内可以对IO 口的任一位直接进行位操作。 程序分支指令CALL、GOTO和在PCL上的操作需要两个周期的执行时间，在20MHz的情况下为400ns。 (3) 由于采用宽字指令，在相同情况下，程序量大为减少，形成的代码是一般微控制器的一半。2 哈佛(Harvard)双总线结构 其存储结构是基于哈佛双总线概念，数据的指令传输总线完全分开以避免出现典型的普通CISC设计中经常出现的处理瓶劲问题。 传统的冯诺依曼结构的计算机是在同一个存储空间取指令和数据(即普林斯顿结构)，两者不能同时进行，故限制了工作带宽。而在哈佛结构的计算机中，指令和数据空间是完全分开的。一个用于指令，一个用于数据。由于可以对程序和数据同时进行访问，所以提高了数据吞吐率。正因为在PIC系列微控制器中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但低档、中档和高档系列的指令总线位数分别为12、14和16位。图3是表示两种不同结构的示意图。 CPU程序和数据存储 冯.诺依曼结构CPU数据存储程序存储 哈佛结构图3 两种不同结构的示意图3两级指令流水线结构PIC系列微控制器的取指和执行采用指令流水线结构(见图4)，当一条指令被执行时允许下一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。 在大多数在大多数微控制器中，取指和指令执行都是顺序进行的。而在指令流水线结构中，取指和指令执行在时间上是相互重叠的，所以才可能实现单周期指令。只有涉及到改变程序计数器PC（Progran Counter）值的程序分支指令（例如GOTO、CALL或对PC写操作）等才需要两个周期。 周期0 周期1 周期2 周期3 周期4执行1取指1执行2取指2取指3执行3执行4取指4图4 指令流水线结构示意图PIC的结构特点还体现在寄存器组上（见图5)。所有的寄存器，包括I/0口、定时器和程序计数器等都是采用RAM结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。而大多数其它微控制器都有需要两个以上的周期才能改变寄存器的内容。INSDTMROPCLSTATUSFSRPORTA其他专用寄存器通用寄存器GPRA L UW寄存器图5 寄存器组示意图3.1.2 PIC系列微控制器技术性能特点1高速度由于PIC系列控制器所用的宽字单周期指令、哈佛双总线和PISC结构，其数据吞吐率最高可达6MIPS(即每秒钟可执行600万条指令)，这几乎是其它大多数8位微控制器速度的4倍。 2实时执行 对时间要求苛刻的应用，例如电机控制、高速I/O或串行数据位流操作等，PIC系列微控制器可以提供一种新的低成本的解决方案。利用PIC高性能算法处理能力的实时性可以取代低效率的存储操作和精确度不高的查表法。设计师还可以用PIC微控制器，通过对其编程来取代那些低档的门阵列、PLD、胶合(G1ue Logic)逻辑和多芯片状态机等设计来进一步开发其高性能价格比的优点，PIC微控制器除了其价格优势外，设计师还可以得到多方面的可编程灵活性、强有力的控制器功能和节约空间的诸多好处。3 低功耗 由于采用全静态CMOS设计，电源操作能耗很低，但非常可靠。因为片内有上电复位电路、监视定时器电路和RC振荡器电路选择等，所以就不需要增加价格较高的片外支持的功能元器件，从而降低了系统成本和系统功耗。PIC的小晶片尺寸加上MICROCHIP先进的CMOS技术使芯片具有很宽的性能范围以及低工作电流(典型值：在3V，32kHz时工作电流为15A)和极小的待命状态电流(休眠方式3V工作情况下小于1A)。低电流特性应用于长寿命电池供电的系统是很理想的。4 用户可选择振荡器 片内集成带有RC振荡器的监视定时器，而且引进了“用户可选择振荡器的新设计概念，它允许用户在4种从直流到20MHZ(200ns)频率范围内选择一种振荡形式让芯片执行指令，以优化系统的功耗。这4种振荡方式是：RC型低成本的RC振荡器，XT型一标准的石英晶体振荡器，HS型一高速石英晶体振荡器和LP型低功耗低频石英晶体振荡器。5 程序代码加密保护 具有程度代码加密保护功能，可通过对片内EPROM保密设置进行加密。6 功能强大的IO性能 PIC系列微控制器的一个特点就是其输入输出功能十分强大。芯片可以在一个指令周期内(200ns)对任何寄存器(包括IO寄存器)中的任何一位完成位置I、位清零和位测试功能。所以PIC系列芯片与外部电路和接口效率非常高，可以用来作为高速IO控制器。PIC的I/O 口有多种功能，通过软件配置，每2个引脚都可以对输入和输出分别分时多路复用，或者可以被编程呈高阻状态，例如可以支持用普通总线进行多片配置。数据输入线允许有25mA的倒灌电流，可以直接驱动LED。7 可编程的特殊外围接口性 (1)双lO位20KHZ，8位80KHZ的PWM(脉宽调制)接口； (2)可多达8个通道8位、26s SAR AD转换器； (3)16通道16位单斜率积分AD转换器； (4)双5mV典型偏置的比较器； (5)8位DA转换器； (6)内部集成的温度传感器； (7)内部集成的基准电压源； (8)内部集成的振荡器； (9)32*4点阵多路复用的LCD驱动器； (10)89位通用异步串行接收发送器USART(串行通信接口)； (11)用电池供电的实时时钟； (12)双1 6位200ns捕捉寄存器； (13)双1 6位200ns比较输出接口； (14)并行从动(SLAVE)端口； (15)64字节EEPROM数据存储器。8 中断特性 PIC16CXX和PIC17CXX有中断功能。根据要求可以选用多个不同数目的内容和外部中断源。中断控制可以进行全局控制和分别控制。外围接口的中断优先级用软件确定。可以用几个不同的中断源激活处理从休眠状态中苏醒。有固定的中断开销时间，同步中断是3个周期(Tcy)。3.1.3 PIC16F74单片机3.1.3.1 特点一、高性能RISC结构CPU 精简指令集，仅35条单字节指令，易学易用 除地址分支跳转指令(GOTO、CALL)为双周期指令，其余皆为单周期指令执行速度时钟振荡指令周期40HZ100us1MHZ4us4MHZ1us101VIHZ400ns20MHZ200ns八级硬件堆栈多种硬件中断 直接、间接、相对三种寻址方式二、功能部件特性 带8位AD转换输入 高驱动电流，IO脚可直接驱动数码管(LED)显示 -每个IO引脚最大拉电流25MA -每个IO引脚最大灌电流20MA 双向可独立编程设置I0引脚 8位定时器计数器TMR0，带8位预分频 有12路捕抓输入比较输出PWM输出(CCP) 16位定时器计数器TMRl，睡眠中仍可计数 8位定时器计数器TMR2，带有8位的周期寄存器及预分频和后分频 并行口操作 同步串行I2CSPI总线操作 同步通讯接 SCIUSART操作 flagsh存储器。三、微控制器特性 内置上电复位电路(POR) 上电定时器，保障工作电压的稳定建立 振荡定时器，保障振荡的稳定建立 断电复位锁定内置自振式(RC振荡)看门狗程序保密位，可防程序代码的非法拷贝四种可选振荡方式 一低成本阻容：RC 一标准晶体陶瓷：XT 一高速晶体陶瓷：HS 一低频晶体：LP四、CMOS工艺特性低功耗 2MA5V，4MHZ 15UA3V，32KHZ 1UA低功耗Sleep模式下 全静态设计 宽工作电压：2OV6OV宽工作温度范围： 一商用级：O+70 一工业级：一40+85 一汽车级：一40+125 PIC16F74是片内带A/D的芯片所以它在测量仪器表、工业控制、汽车电子、家用电器及通讯等众多方面应用广泛。而它所拥有的高性能，如CCP模块、并行口、12CSPI、SCI通讯等等使它能适合于各种应用要求。3.1.3.2管脚说明 图6 PICl6F74的管脚图表1 管脚功能引脚名IO特性电平功能OSCICLKIN输入COMS振荡输入脚OSC2/CLKOUT输出震荡输出脚MCLR输入斯密特输入复位输入脚，低电平有效RAO/ANORA1/AN1RA2/AN2RA3/AN3/VREFRA4/TOCK1RA5/AN4/SSI/OI/OI/OI/OI/OI/OTTLTTLTTLTTL斯密特输入TTLPORTA数字I/O口，双向可编程，并可做A/D输入A/D输入通道0A/D输入通道1A/D输入通道2A/D输入通道3可作为TMRO外部时钟输入亦可作A/D输入通道4，或同步串行口的从属器选择输入RBO/INTRB1RB2RB3RB4RB5RB6RB7I/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OTTL/斯密特TTLTTLTTLTTLTTLTTLTTLPORTB口，双向可编程，弱上位，外部中断输入具有电平变化中断功能具有电平变化中断功能具有电平变化中断功能具有电平变化中断功能RCO/T10SI/T1CK1RC1/T10ST/CCP2RC2/CCP1RC3/SCK/SCLI/OI/OI/OI/O斯密特输入斯密特输入斯密特输入斯密特输入PORTC口，双向可编程亦可作为TIMER1震荡输入、TIMER1的时钟输入亦可作为TIMER1震荡输入、CCP2输入输出亦可作为CCP1输入输出亦可作为同步串行通讯时钟RC4/SDI/SDARC5/SD0RC6/TX/CKRC7/RX/DTI/OI/OI/OI/O斯密特输入斯密特输入斯密特输入斯密特输入亦可作为SPI通讯之数据输入线或I2C数据线亦可作为SPI通讯之数据输出亦可作为异步发送线或SCI同步传输的时钟线亦可作为异步发送线或SCI同步传输的数据线RD0/PSP0RD1/PSP1RD2/PSP2RD3/PSP3RD4/PSP4RD5/PSP5RD6/PSP6RD7/PSP7I/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/O斯密特/TTL斯密特/TTL斯密特/TTL斯密特/TTL斯密特/TTL斯密特/TTL斯密特/TTL斯密特/TTLPORTD口，双向可编程，亦可作为并行口，作为并行口是TTL输入，作为一般I/O口时为斯密特输入REO/RD/AN5RE1/WR/AN6RE2/CS/AN7I/OI/OI/O斯密特/TTL斯密特/TTL斯密特/TTLPORTE口，双向可编程，亦可作为并行楼的控制线或A/D输入RD:并行口读信号线或A/D输入通道5WR:并行口写信号线或A/D输入通道6CS:并行口片选线或/D输入通道7VSS地VDD电源3.1.3.3工作寄存器一、 中断控制寄存器INTCONGIEPEIETOIEINTERBIETOIFINTFRBIFRBIF：PORTB口中断标志位，需由软件清零 1=RB有电平变化、 0=RB无电平变化INTF：外部INF中断标志位，需由软件清零 1=INT脚上有中断触发信号 0=INT脚上无中断触发信号TOIF：TIMERO溢出中断位，需由软件清零 1=TIMERO溢出中断 0=TIHERO未发生溢出RBIE：PORTB中断使能位 1=使能PORTB中断 0=屏蔽PORTB中断INTE：中断使能位 l=使能INT中断 0=屏蔽INT中断TOIE：TIMERO中断使能位 1=使能TIMERO中断 0=屏蔽TIMERO中断PEIE：外设中断使能位 1=使能所有未屏蔽的外设中断 0=屏蔽所有外设中断GIE：中断总使能位 1=使能所有未屏蔽中断 0=屏蔽所有中断二、 数据存储器的组织结构 由于数据存储器被集成在片内，可以直接用内部总线传送信息，所以它们都是以寄存器方式工作和寻址。由于包括I/0端口在内的80个寻址的8位寄存器组成的寄存器组，通过8位的片内数据总线与算术逻辑运算单元ALU相连。 寄存器组可以分成两大类：通用寄存器和专用寄存器。通用寄存器用于指令执行中存放数据或控制信息；专用寄存器SFR(Special Function Register)包括定时器、寄存器、程序计算器PC(Program Counter)、状态寄存器SATAUS、I/0寄存器(端口)和(寄存器)组选择寄存器FSR(File Select Register)等。另外还有用于I/O口配制和预分频选择的专用寄存器。(1)通用寄存器组通过(寄存器)组选择寄存器FSR可对寄存器组进行直接或间接访问。 (2)专用寄存器 它又可分成两类：一类用于CPU核心操作，另一类用于控制外围功能芯片操作。三、状态寄存器STATUS(F3)状态寄存器是一个8位寄存器，实际上在这个系列中目前只用了7位。这个寄存器用于提供当前ALU指令操作结果所引起的算术状态、复位状态和适当程序存储器大于512个字时的页面地址预选等变化的信息位。状态寄存器各位安排如下所示：PA2PAlPAOTOPDZDCC其各位功能如下所示： (1)C(D0)-(CarryBorrow)进位借位标志位 对加法指令ADDWF和ADDLW，加法运算结果的最高有效位产生进位时，该位被置1元进位时清零。但对减法指令SUBWF，减法运算结果产生借位时，该位被清零，而无借位时被置l。这一点与大多数微处理机的情况不一样。 对循环移位指令RRF和RLF，该位将与源寄存器的数据一起循环移位。 (2)DC(D)-(Di gi t CarryBorrow)半进位借位标志位 对加法指令ADDWF和ADDLW，运算结果中的低4位向高4位有进位，被置l，无进位清零。对减法指令的借位极性能则刚好相反。 (3)Z(D2)-(Zero)全零标志位当算术运算或逻辑运算的结果为O时，该位被置l，否则为O。 (4)PD(D3)-(Power Down)低功耗标志位 芯片上电后或执行CLRWDT指令后，该位被置l；当执行SLEEP指令后，该位被清零。 (5)TO(D4)-(Time Out)定时时间到标志位 芯片上电后或执行CLRWDT和SLEEP指令后，该位被置l；当监视定时器WDT定时时间到时，该位被清零。 (6)PAl、PAO(D6、D5)-(Program Page Pre-select)程序存储器页面地址预选位，对不同型号的芯片它们的定义不一样。 对PIC16C56/57，片内有4页(2K个字)程序存储器，需要2位页面预选地址，故PAl和PAO两位都作为页面预选地址。当这两位分别为00、01、10和平共处l时，就分别选中O、l、2和3页程序存储器，其对应的地址范围是000h-1FFh、200h-3FFh、400h-5FFh和600h-7FFh。 (7)PA2(D7)-保留位未用四、选择寄存器ORTION选择寄存器OPTION不属于数据存储器，是一个用来设置TMRO/WDT预分频值、外部INT中断和TMRO存放各种控制位的只写寄存器，本身是一个8位寄存器，但是只用了其中的低6位。 OPTION寄存器的设置是通过执行ORTION指令，把工作寄存器W中的数据加载到OPTION寄存器中。复位操作将使OPTION寄存器低6位全部为“l。选择寄存器OPTIONTOCSTOSEPSAPS2PSPSO 其中各位意见如下：(1) PS2、PS1、PS0(D2、D1、D0)-(Perscaler)预分频位PS2 PS1 PS0 TMRO分辨率 WDT分辨率 PS2 PS1 PS0 TMRO分辨率 WDT分辨率0 0 0 1:2 1:11 0 0 1:32 1:160 0 1 1:4 1:21 0 1 1:64 1:320 1 0 1:8 1:41 1 0 1:128 1:640 1 1 1:16 1:81 1 1 1:256 1:128(2)PSA(D3)-(Perscaler Assignment)预分频器分配位 PSA=O 预分频器指定分配为TMRO用； PSA=I 预分频器指定分配为WDT用。(3)TOSE(D4)-(TMRO source edge select)TMRO源触发沿选择位 TOSE=O当TOCK1引脚上出现上升沿对计数器加l； TOSE=I当TOCK1引脚上出现下降沿肘计数器加l.(4)TOSE(D5)-(TMRO clock source)TMRO时钟信号源选择位 TOSE=0用内部指令周期时钟(CLKOUT) TOSE=1用TOCKl引脚上外部输入的脉冲。(5)D7、D6位-保留位未用五、 间接寻址INDF和FSR寄存器 INDF间址寄存器不是一个物理寄存器，它被用来协同寄存器FSR实现间接寻址操作，实际有效地址是寄存器FSR的内容。对INDF寄存器本身进行间接寻址访问，将读出FSR寄存器的内容。 FSR寄存器在PIC16C57中是7位寄存器，其低5位用来存储选择32个数据存储单元的地址00h-1Fh.在PICl6C57中，由于片内有128个存储单元，分成4个“体”，每个“体有32个单元。FSR的高位D6和D5用来选择不同的体.而体Bankl、Bank2、Bank3的低位地址的l 6个寄存器都被跌射到BankO，即4个体的低位地址的16个逻辑地址的寄存器共用16个物理寄存器，这就是说只能对80个物理寄存器进行访问。其关系如下：FSR D6 D5 存储体 逻辑地址 物理寄存器地址 0 0 Bank0 00h1Fh 00h1Fh 10h1Fh 0 1 Bank1 20h3Fh 00h1Fh 30h3Fh 1 0 Bank2 40h5Fh 00h1Fh 50h5Fh 1 1 Bank3 60h7Fh 00h1Fh 70h7Fh六、程序计数器PC 程序计数器PC可以产生最多对2K*12位片内EPROM/OTP ROM存储单元进行寻址的地址信号。PICl6C57/58芯片的程序计数器PC宽度为11位，堆栈宽度为11位。芯片复位后，程序计数器PC的所有位都被置“1。除了以下几种情况指令执行的结果会改变PC本身的地址值外，其他情况都随着指令的执行会自动加l。(1)“GOTO无条件转移指令可以直接改变PC的低9位地址(D8-D0)值。当程序计数器的计数值大于512个字时，PC的高2位D10和D9将用状态寄存器STATUS中的页面选择位PA1和PAO(D6和D5位)来加载作为高位地址。由此“GOTO可以跳到任意单元。 (2)“CALL调用指令可直接把低位装入PC，同时对第9位清零。PC的值加l后指向返回的地址，再把断点地址压栈保护。当程序计数器大于512个字时，PC的高2位D10t和D9将用状态寄存器STATUS中的页面选择位PA1和PAO(D6和D5位)来加载作为高位地址。 (3)“RETLW，返回指令的功能是把堆栈栈顶的数据(即断口地址)送入程序计数器PC，以确保正确保证返回调用的主程序。 (4)如果任何一条指令中PC被作为目标操作数，那么计算的8位结果将被送入PC的低8位，PC的低8位，PC的第9位将被清零。PC的高2位D10和D9交用状态寄存器STATUS中的页面选择位PA1和PAO(D6和D5位)来加载作为高位地址。七、工作寄存器W W寄存器是一个8位的用于ALU运算的工作寄存器，相当于一般微处理机中的A累加器，但它是一个不可寻址的寄存器。 八、I/O端口控制寄存器TRISX 这是一个只写寄存器。通过执行TRIS f指令可以用工作寄存器W的内容对输出驱动控制寄存器加载。