MCS196系列单片机分类与选型指南

2006-05-07 17:00:42来源: 互联网

 

摘要:介绍MCS196单片机的主要特色和分类,归纳各种型号的主要特点,对读者应用选型具有重要的参考价值。

关键词:MCS196 高速输入/输出 事件处理 电机控制

概述

    MCS196系列单片机是Intel公司继8X9X之后推出的16位嵌入式微控制器。它除了保留8X9X全部功能外,在功能部件和指令支持上又有很大改进,性能上也有了显著提高,使得它适用于更复杂的实时控制场合。MCS196单片机有多种型号,不同型号配置有不同的功能部件,且具有不同存储器空间和寻址能力,可满足不同场合的要求。
    MCS196系列单片机都有1个基于寄存器到寄存器结构的内核。这种结构消除了累加器的瓶颈现象,加快了数据传输。另有多种功能部件,在不同型号中进行不同配置。这些功能部件除包括在8X9X中就有的I/O口、10位A/D转换器、PWM(脉宽调制器)、SIO(全双工串行I/O口)、中断源、看门狗定时器、16位定时/计数器、HSI/O(高速输入/输出口)等以外,还包括在MCS196中出现的PTS(外围事务服务器)、EPA(事件处理器阵列)、WG(波形发生器)等。
与其他系列(如MCS51系列、PIC系列等)相比,HSI/O、PTS、EPA、WG是MCS196最具特色的功能部件。
    HSI/O(High Speed Inputs and Outputs):其中HSI用于记录某一外部事件相对于时间基准(如定时器1)的发生时刻。此功能部件在检测到引脚上规定的跳变事件(包括正跳变、负跳变、每次正跳变、8个正跳变)后,将发生事件的类型与时刻记录下来,并产生相关中断。此部件适用于信号的时间参数测量。HSO则用于按程序规定的时间去触发某一事件(如置位/清零口线、启动A/D转换等),要求CPU的开销极小,速度极高。此部件便于实时输出控制,可用来产生多种信号波形。
EPA(Event Processor Array):实质上是捕捉/比较模块。所谓“捕捉”就是捕获产生于引脚上的跳变事件(有正跳变、负跳变、正负跳变等),记载这些输入事件相对于时基定时器发生的时刻;“比较”则是和预先规定好的时间作比较,预定时间一到就去执行某种输出功能(比如输出置为高、输出置为低、输出翻转、启动A/D转换、复位定时器等等)。可见,EPA和HSI/O的功能类似,但EPA在CPU开销上要求更少,性能更好一些。表1给出在不同时钟频率下两者分辨能力的比较。
表 1 HSI/O和EPA分辨能力的比较

部件名称
时钟频率/MHz
单位
16
20
25
50
HSI
1.125
0.9
.
.
μs
HSO
1
0.8
.
.
μs
EPA
250
200
160
80
μs

    PTS(Peripheral Transaction Server):实质上是中断服务机制的改进。对正常的中断服务,CPU都要“亲自”去执行,而现在的PTS提供了一种类似DMA的操作。当中断发生后,由微代码执行PTS周期。该周期就像DMA周期那样插入正常的指令流中,完成中断服务,这样CPU的开销比一般的中断响应要少得多。
    WG(Waveform Generator):可产生独立的、具有相同频率和工作方式的3对PWM波形。特别适合控制三相交流感应电机、直流无刷电机和其他需要多个PWM输出的场合。
另外,MCS196单片机总线控制器还具有可编程的等待状态发生器,可方便地与慢速外设接口。在运行中可动态选择8位或者16位的总线宽度,并能通过HOLD/HLDA协议方便地实现多处理器通信。
目前,MCS196系列主要有3种:① HSI/O系列,这类芯片具有高速输入、输出口;② EPA系列,这类芯片内部具有事件处理器阵列;③ Motor Control系列,这类芯片适用于电机控制。要注意上述分类也不是绝对的,往往在同一个型号的部件中,可同时具有多种功能。

一、 HSI/O系列

    本系列主要芯片有8XC196KB、8XC196KC、8XC196KD,产品分类如表2所列。
表 2 HSI/O系列一览表
 

产品型号
最高频率 /MHz
程序空间 /KB
寄存器 RAM/B
程序 RAM
I/O 引脚
I/O 类型
A/D 通道
寻址空间 /KB
定时/ 计数器
串行口
封装形式
温度
8XC196KB16
16
8
232
NO
48
HSI/O
8
64
2
1
N-68,S-80
C,E,A
8XC196KC20
20
16
488
NO
48
HSI/O
8
64
2
1
N-68,S-80,SB-80
C,E,A
8XC196KD20
16,20
32
1000
NO
48
HSI/O
8
64
2
1
N-68,S-80,SB-80
C,E,A

注:① 封装形式N:PLCCS:QFPSB:SQFPU:窄DIP。② 温度C:0~70℃E:-40~85℃A:-40~125℃。 (以上含义表3和表4同)
    8XC196KB是MCS196系列的第1个成员,片内具有8KB程序空间,232个字节的寄存器RAM。它采用高速输入/输出口进行事件处理。HSI/O最多有4个高速输入口,6个高速输出口。2个16位的定时/计数器均可用作时基发生器。其余的片内资源有:1路PWM,1个全双工串行通信口,1个看门狗定时器,1个8通道10位A/D转换器。48条输入/输出口(与部件复用)。
    8XC196KC的性能比8XC196KB要更进一步。它的片内有16KB的程序空间,488个字节的寄存器RAM,最高工作频率可达20MHz。除了具有8XC196KB的全部特点外,还具有如下特点:有3路PWM发生器;A/D转换器具有8位和10位2种方式;可对采样率和转换时间编程。在片内还加入外围事务处理服务器PTS,可大大减轻CPU在中断处理上的负担。
    8XC196KD除具有8XC196KC所具有的全部特点以外,它的片内还具有32KB的程序空间,1000个字节的寄存器RAM。由于片内存储空间的增大,所以,更适合于使用高级语言编程。这种芯片的最高频率也可达20MHz。

二、 EPA系列

    EPA系列芯片主要包括8XC196KR、8XC196KT、8XC196NT、8XC196NP、8XL196NP、80C196NU、80C196EA、87C196CA、87C196CB等,产品分类如表3所列。
    8XC196KR是MCS196系列中集成度较高、较复杂的一员。程序空间为16KB,488个寄存器RAM,256字节的内部RAM,内部RAM既可用来存储程序,也可用来存储数据。它使用EPA部件对事件进行监测与控制。当工作于16MHz时,EPA有250ns的分辨能力,包括10个捕捉/比较模块,2个仅用于比较的模块。EPA使用时非常灵活,可用来产生PWM输出。
    8XC196KR片内还有1个从机口,便于与其他系统总线相连。这种特性可将8XC196KR本身作为一灵活的、可编程的外设与PC总线相连。
    在8XC196KR中有2个串行口,一个是标准的串行口SIO;另一个是同步串行口SSIO,可进行全双工同步通信。2个串行口的波特率可独立编程。片内的A/D转换器继承于8XC196KC,又增加了可编程的阈值检测和偏差校正功能。
    8XC196KT是8XC196KR的增强型。程序空间为32KB,有1000个字节寄存器RAM和512个字节的片内RAM。它的总线控制器在支持存取低速存储器时具有新的工作模式。
    8XC196NP提供了可动态选择的多路复用总线。其他特点有:片内有片选单元,1MB的寻址能力,3路PWM输出,5V供电时最高工作频率可达25MHz。
表 3 EPA系列一览表

产品型号
最高频率 /MHz
程序空间 /KB
寄存器 RAM/B
程序 RAM
I/O 引脚
I/O 类型
A/D 通道
寻址空间 /B
定时/ 计数器
串行口
封装形式
温度
87C196KR
16
16
488
256
56
10EPA
8
64K
2
2
N-68
未查实
87C196KT
16
32
1000
512
56
10EPA
8
64K
2
2
N-68
未查实
8XC196NP
25
4
1000
NO
32
4EPA
0
1M
2
1
S-100,SB-100
C
C8XL196NP
13
4
1000
NO
32
4EPA
0
1M
2
1
S-100,SB-100
C
C8XC196NT
20
32
1000
512
56
10EPA
4
1M
2
2
N-68
C,E
E80C196NU
40,50
0
1000
NO
33,32
4EPA
0
1M
2
2
S-100,SB-100
C
C80C196EA
40
0
1K
3K
83
17EPA
3
2M
4
3
S-160
C
C87C196CA
16
32
1000
256
44
6EPA
6
64K
2
2
N-68
E
E87C196CB
16
56
1.5K
512
56
10EPA
8
1M
2
2
N-84
E

    E8XL196NP类似于8XC196NP,但可工作于低功耗工作方式(3V时,13MHz)。
8XC196NT和8XC196KT类似,但它有1MB外部寻址能力。A/D输入的4路由扩展地址口EPORT(the Extended Address Port)代替。4个EPORT口既可作标准口,也能作高4位地址线(A16~A19)。工作频率可达20MHz。
表 4 Motor Control系列一览表

产品型号
最高频率 /MHz
程序空间 /KB
寄存器 RAM/B
程序 RAM
I/O 引脚
I/O 类型
A/D 通道
寻址空间 /KB
定时/ 计数器
串行口
封装形式
温度
8XC196MC
16
16
488
NO
53
8EPA
13
64
2
1
N-84,S-80,U-64
E
8XC196MD
20
16
488
NO
64
12EPA
14
64
2
1
N-84,S-80
E
8XC196MH
16
32
744
NO
52
6EPA
8
64
2
1
N-84,S-80,U-64
E

    E80C196NU可工作于50MHz(5V时),使得它的性能比NP系列增强1倍。片内运算器采用32位,使乘除指令执行更快。NU系列的引脚和NP系列是兼容的,可方便地对NP系列进行升级。其他特点为:1MB寻址能力,3路PWM输出,片内选择单元等。
    80C196EA是MCS196系列中第1片用于电力机车控制的芯片。与其他型号相比,其性能有显著提高,包括:40MHz的工作频率、2MB的寻址能力、4KB的片内RAM、3条片选线的片内片选单元、每条片选线可动态分时实现地址/数据复用、每条片选线的等待状态可编程、17个高速捕捉/比较模块、8个高速比较输出模块、4个灵活的16位定时/计数器、8路PWM输出、2个全双工串行口、1个全双工同步串行口、堆栈溢出自动检查、16通道自动巡回A/D转换、串行调试接口等。
    在87C196CA和87C196CB中集成了符合CAN2.0规范的CAN总线控制器82527,使它们更适合于需要实时事件控制的场合。例如,可应用于防抱死刹车系统、四缸发动机控制系统中。

三、 Motor Control系列

    Motor Control系列主要芯片包括8XC196MC/MH、8XC196MD,产品分类如表4所列。
    8XC196MC/MH芯片内部有专门用于三相交流感应电机和直流无刷电机控制的硬件,也能用于电源逆变器中。MC芯片内部有仅供CPU使用的488个字节的寄存器RAM,程序空间16KB;MH芯片内部有744个字节仅供CPU使用的寄存器RAM,程序空间32KB。当时钟频率为16MHz时,进行一次16bit×16bit运算需1.75μs;进行一次32bit÷16bit运算需3μs。
    在MC/MH内部有独特的功能部件WG。它可以产生三相互补不重叠的PWM脉冲。在采用边沿触发时,具有125ns的分辨能力;中心触发时,具有250ns的分辨能力。WG具有多种可编程频率、占空比和消隐时间,每路波形输出的驱动能力很强,输出极性可以编程,并能强制为高或低电平。此外,还具有保护功能:当发生某意外事件时,响应该外部事件能立即停止输出。片内3路PWM,都有8位分辨率。既可同时控制,也可分开独立控制。
    在MC/MH中也采用EPA部件进行事件监测与控制:MC中有4路捕捉/比较模块和独立的4路比较模块;MH中有2路捕捉/比较模块和独立的4路比较模块。EPA具有125ns的事件处理分辨能力。
MC中A/D转换有13个通道;MH中有8个通道。可工作在8位或10位模式,采样时间、转换时间、阈值检测方式和偏差校正均可编程。
    在MC中具有特殊的PTS方式支持串行输入、输出(SIO)功能。MH中2个UART,均支持同步和异步方式。
    MC中有40条I/O口线和部件共用,另有13条输入线可作为模拟与数字输入;MH中有44条I/O口线和部件共用,另有8条输入线可作为模拟与数字输入。
    MD除具有MC的全部功能外,还有如下功能:
    ① 1路频率发生器产生频率可编程的方波,适用于红外遥控通信中;
    ② 在EPA中,再添加2路捕捉/比较模块和独立的2路比较模块;
    ③增加8条I/O口线,2条仅用于输入的口线和1路仅用于模拟/数字输入的口线。
    MD和MC的引脚兼容,便于对现有设计进行升级。MES

参考文献

1 8XC196MC 8XC196MD 8XC196MH Microcontroller User's ManualIntel Corporation
2 8XC196EA Microcontroller User's ManualIntel Corporation
3 8XC196NP 8XC196NU Microcontroller User'sManualIntel Corporation
4 8XC196Kx 8XC196Jx 87C196CA Microcontroller User's ManualIntel Corporation
5 孙涵芳主编.Intel 16位单片机.北京:北京航空航天大学出版社,1995

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/control/200605/3648.html
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