作者:鄧宏杰
工程部處長
Holtek香港分公司

Q1: 請介紹一下MCU的測試方法。

A1:MCU從生產出來到封裝出貨的每個不同的階段會有不同的測試方法,其中主要會有兩種:中測和成測。

所謂中測即是WAFER的測試,它會包含產品的功能驗證及AC、DC的測試。項目相當繁多,以HOLTEK產品為例最主要的幾項如下:

1. 接續性測試:檢測每一根I/OPIN內接的保護用二極管是否功能無誤；

2. 功能測試:以產品設計者所提供測試資料(TEST PATTERN)灌入IC,檢查其結果是否與當時SIMULATION時狀態一樣；

3. STANDBY電流測試:測量IC處于HALT模式時即每一個接點(PAD)在1態0態或Z態保持不變時的漏電流是否符合最低之規格；

4. 耗電測試:整顆IC的靜態耗電與動態耗電；

5. 輸入電壓測試:測量每個輸入接腳的輸入電壓反應特性；

6. 輸出電壓測試:測量每個輸出接腳的輸出電壓位準；

7. 相關頻率特性(AC)測試,也是通過外灌一定頻率,從I/O口來看輸出是否與之匹配；

8. 為了保證IC生產的長期且穩定品質,還會做產品的可靠性測試,這些測試包括ESD測試,LATCH UP測試,溫度循環測試,高溫貯存測試,濕度貯存測試等；

成測則是產品封裝好后的測試,即PACKAGE測試。即是所有通過中測的產品封裝后的測試,方法主要是機臺自動測試,但測試項目仍與WAFER TEST相同。PACKAGE TEST的目的是在確定IC在封裝過程中是否有任何損壞。

Q2:C語言和匯編語言在開發單片機時各有哪些優缺點？

A2:匯編語言是一種用文字助記符來表示機器指令的符號語言,是最接近機器碼的一種語言。其主要優點是占用資源少、程序執行效率高。但是不同的CPU,其匯編語言可能有所差異,所以不易移植。

C語言是一種結構化的高級語言。其優點是可讀性好,移植容易,是普遍使用的一種計算機語言。缺點是占用資源較多,執行效率沒有匯編高。

對于目前普遍使用的RISC架構的8bit MCU來說,其內部ROM、RAM、STACK等資源都有限,如果使用C語言編寫,一條C語言指令編譯后,會變成很多條機器碼,很容易出現ROM空間不夠、堆棧溢出等問題。而且一些單片機廠家也不一定能提供C編譯器。而匯編語言,一條指令就對應一個機器碼,每一步執行什么動作都很清楚,并且程序大小和堆棧調用情況都容易控制,調試起來也比較方便。所以在單片機開發中,我們還是建議采用匯編語言比較好。

Q3:初學者到底是應該先學C還是匯編？

A3:對于單片機的初學者來說,應該從匯編學起。因為匯編語言是最接近機器碼的一種語言,可以加深初學者對單片機各個功能模塊的了解,從而打好扎實的基礎。

Q4:MCU在射頻控制時,MCU的時鐘(晶振)、數據線會輻射基頻或基頻的倍頻,被低噪放LNA放大后進入混頻,出現帶內的Spur,無法濾除。請問有沒有好的解決方法？

A4:在設計高頻電路用電路板有許多注意事項,尤其是GHz等級的高頻電路,更需要注意各電子元件pad與印刷pattern的長度對電路特性所造成的影響。

最近幾年高頻電路與數位電路共用相同電路板,構成所謂的混載電路系統似乎有增加的趨勢,類似如此的設計經常會造成數位電路動作時,高頻電路卻發生動作不穩定等現象,其中原因之一是數位電路產生的噪訊,影響高頻電路正常動作所致。為了避免上述問題除了設法分割兩電路block之外,設計電路板之前充分檢討設計構想,才是根本應有的手法,基本上設計高頻電路用電路板必需掌握下列三大原則:

1. 高質感；

   
   

   
   

2. 不可取巧；

   
   

   
   

3. 不可倉促搶時間。

   
   

以下是設計高頻電路板的一些建議:

(a)印刷pattern的長度會影響電路特性。

尤其是傳輸速度為GHz高速數位電路的傳輸線路,通常會使用strip line,同時藉由調整配線長度補正傳輸延遲時間,其實這也意味著電子元件的設置位置對電路特性具有絕對性的影響。

(b)Ground作大better。

銅箔面整體設置ground層,而連接via的better ground則是高頻電路板與高速數位電路板共同的特徵,此外高頻電路板最忌諱使用幅寬細窄的印刷pattern描繪ground。

(c)電子元件的ground端子,以最短的長度與電路板的ground連接。

具體方法是在電子元件的ground端子pad附近設置via,使電子元件能以最短的長度與電路板的ground連接。

(d)信號線作短配線設計。

不可任意加大配線長度,盡量縮短配線長度。

(e)減少電路之間的結合。

尤其是filter與amplifier輸出入之間作電路分割非常重要,它相當于audio電路的cross talk對策。

(f)MCU回路Layout考量:

震蕩電路僅可能接近IC震蕩腳位；震蕩電路與VDD & VSS保持足夠的距離；震蕩頻率大于1MHz時不需加 osc1 & osc2 電容；電源與地間要最短位置并盡量拉等寬與等距的線,于節點位置加上104/103/102等陶瓷電容。

Q5:在車載DVD系統中,如何設計電子防震系統,有那些IC或器件選擇？

A5:1. 在車載DVD系統,最好選擇高檔DVD機,因為高檔DVD機都采用電子防震系統(ADVANCEDESP),當記憶緩沖區內的讀數降低,先進的電子防震設計會以雙速讀數系統,做出比正常速度快兩倍的讀數速率,以減低噪聲,即使連續震蕩仍可避免跳線情況出現,現在就說說怎樣叫電子防震。簡單地說:電子防震就是一個信號的儲存--釋放過程,首先CD要先把信號進行提前讀取,也就是我們見到機子的加速,再把信號儲存在RAM中,而我們在開防震的時候所聽到的就是經過RAM的聲音,這樣就是它的過程。當沒有防震時是由于信號是1比1讀取的,所以當受到沖擊后,就會出現跳音。而當開了防震時,機子受到沖擊后,由RAM釋放出來的聲音使音樂不停地播放,而與此同時,光頭迅速進行重定檢索,當檢索到信號后立即補充,所以不會出現跳音。大概的情況就是這樣。但是這樣還沒有滿足用家的要求,由于這種的方法帶來的時間短,通常只有3秒,所以跳音的機會還是蠻高,如果增大RAM又帶來造價的增高因為RAM這東西價格較貴,尤其是質量好的.

2. 在電子防震技術中,最重要的技術之一要數是RAM技術,而一直以來都是因為它的成本問題,所以防震時間都一直不能增加,也就是說RAM本身就有限制,RAM的容量越大,造價就越高。而許多廠家就如何在RAM的限制里得到最大限度的記憶時間展開了開發研究。

Q6:在demo板上采樣電壓時,不穩定,采樣結果有波動,如何消除？

A6:1.一般來說,仿真器都是工作在一個穩壓的環境(通常為5V)。如果用仿真器的A/D時,要注意其A/D參考電壓是由仿真器內部給出,還是需要外部提供；2.A/D轉換需要一個連續的時鐘周期,所以在仿真時不能用單步調試的方法,否則會造成A/D采樣值不準；3.至于A/D采樣不穩定,可以在A/D輸入口加一電容,起到濾波作用；在軟件處理時采用中值濾波的方法。

Q7:如何進行編程可以減少程序的bug?

A7:在此提供一些建議,因系統中實際運行的參數都是有范圍的。系統運行中要考慮的超范圍管理參數有:

物理參數:這些參數主要是系統的輸入參數,它包括激勵參數、采集處理中的運行參數和處理結束的結果參數。合理設定這些邊界,將超出邊界的參數都視為非正常激勵或非正常回應進行出錯處理。

資源參數:這些參數主要是系統中的電路、器件、功能單元的資源,如記憶體容量、存儲單元長度、堆疊深度。在程式設計中,對資源參數不允許超范圍使用。

應用參數:這些應用參數常表現為一些單片機、功能單元的應用條件。如E2PROM的擦寫次數與資料存儲時間等應用參數界限。

過程參數:指系統運行中的有序變化的參數。

在上述參數群對一程式編寫者而言,須養成良好習慣,在程式的開頭,有順序的用自己喜歡文字參數對應列表來替代,然后用自己定義的文字參數來編寫程序,這樣在做程式的修改及維護時只在程式的開頭做變動即可,不用修改到程序段,才比較容易且不會出錯。

Q8:如果已經有了針對某MCU的C實現的某個算法,保持框架不變,對核心的部分用匯編優化,請問有沒有一些比較通用的原則？有這些方面介紹的書么？

A8:1.每個人的編程都有自己的風格與習慣,如果你要利用別人的程序,在其中修修改改,如果它的程序并沒有很好的模塊化的話,建議你最好不要這么做,否則你本來預期達到事倍功半,說不定反而事半功倍了。要參考他人的程序當然可以,但是首要是你要看懂并理解他人程序的算法精髓,而不是在他的基礎上打補丁。而關于算法方面的優化,你可以購買一些數據結構的書籍,上面有比較詳細的說明。

2.算法的運行時間是指一個算法在計算機上運算所花費的時間。它大致等于計算機執行簡單操作(如賦值操作,比較操作等)所需要的時間與算法中進行簡單操作次數的乘積。通常把算法中包含簡單操作次數的多少叫做算法的時間復雜性。它是一個算法運行時間的相對量度,一般用數量級的形式給出。度量一個程序的執行時間通常有兩種方法:

一種是事后統計的方法。因為很多計算機內部都有計時功能,不同算法的程序可通過一組或若干組相同的統計數據以分辨優劣。但這種方法有兩個缺陷:一是必須先運行依據算法編制的程序；二是所得時間的統計量依賴于計算機的硬件、軟件等環境因素,有時容易掩蓋算法本身的優劣。因此人們常常采用另一種事前分析估算的方法。

事前分析估算的方法。一個程序在計算機上運行時所消耗的時間取決于下列因素:

① 依據的算法選用何種策略；

② 問題的規模。例如求100以內還是1000以內的素數；

③ 書寫程序的語言。對于同一個算法,實現語言的級別越高,執行效率就越低；

④ 編譯程序所產生的機器代碼的質量。這個跟你的編譯器有關；

⑤ 機器執行指令的速度。

顯然,同一個算法用不同的語言實現,或者用不同的編譯程序進行編譯,或者在不同的計算機上運行時,效率均不相同。這表明使用絕對的時間單位衡量算法的效率是不合適的。撇開這些與計算機硬件、軟件有關的因素,可以認為一個特定算法“運行工作量”的大小,只依賴于問題的規模(通常用整數量n表示),或者說,它是問題規模的函數。

一個算法是由控制結構(順序、分支和循環三種)和原操作(指固有數據類型的操作)構成的,則算法時間取決于兩者的綜合效果。為了便于比較同一問題的不同算法,通常的做法是,從算法中選取一種對于所研究的問題(或算法類型)來說是基本運算的原操作,以該基本操作重復執行的次數作為算法的時間度量。

Q9:我想請教遙控的編解碼的思路和設計流程,在設計的時候要注意什么？

A9:一般來說完整的遙控碼分為頭碼、地址碼、數據碼和校驗碼四個組成部分。頭碼根據不同的廠家各不相同,地址碼和數據碼都由邏輯“1”和邏輯“0”組成。編碼的設計目的,就是按照編碼規則發送不同的碼值。我們最常見的碼型有SONY、松下、NEC等廠家型號。遙控編碼芯片最常用的是在空調、DVD、車庫門等遙控器上。

設計編碼程序可以分為三個部分。

第一部分是了解碼型的特性。遙控碼的頭碼和地址碼(也稱為客戶碼)是固定不變的,數據碼和校驗碼根據不同的鍵值而改變。

第二部分是計算發碼時間。遙控碼大部分都是由邏輯“1”和邏輯“0”組成,也就是由一串固定占空比、固定周期的方波所組成。通常這些方波的周期是毫秒甚至微秒等級,需要在時間上計算的比較精確。所以你選擇發碼單片機型號的時候,就要考慮到單片機的運行速度是不是夠快,以及程序運行時間夠不夠。

第三部分就是程序的編寫。選定單片機型號之后,開始設計程序流程。一般來說我們使用I/O口就可以做發碼的輸出端口。發碼程序一般由幾個子程序組成,頭碼子程序、邏輯1子程序,邏輯0子程序以及校驗碼的算法子程序。一旦我們得到要發送碼的命令后,首先調用頭碼子程序,然后根據客戶碼和鍵值調用邏輯1子程序或者邏輯0子程序,最后調用校驗碼算法子程序輸出校驗碼。

HOLTEK公司的HT48CA0/HT48RA0、HT48CA3/HT48RA3和HT48CA6是專為遙控器設計的單片機,它們具有專門紅外輸出口,可以實現絕大部分發碼的要求。

設計解碼程序也可以分為三部分。

第一部分了解編碼波形特性。從分析編碼的高、低脈沖寬度入手,了解邏輯“1”和邏輯“0”的波形占空比、周期。了解頭碼的特性。

第二部分確定接收方式。一般我們可以用I/O口查詢方法或者INT口中斷響應方法來接收編碼。這兩者的區別是I/O口查詢方式比較耗費單片機的運行時間資源,需要不斷的去偵測I/O的電平變化,以免漏掉有效的碼值；而INT口中斷接收方式則比較節省資源,當外部有電平變化時,單片機才需要去處理,不需要時刻進行偵測。但是INT口中斷接收方式不能辨別相同周期不同占空比的波形特性,當編碼所攜帶的邏輯“1”和邏輯“0”具有這種特性時,就無法通過INT口中斷接收方式來辨別了,因為INT中斷只是在上升沿或者下降沿的時候才觸發。

第三部分將接收的碼值存儲并分析執行。根據判斷高低電平的寬度(定時器或者延時),可以得到碼值,也就是我們所說的解碼。一般我們連續收到3個相同的完整碼值,就確認此碼的確被發出,并接收成功。當解碼結束,根據碼值我們可以判斷出是哪個按鍵被按下,由此去執行相對的按鍵功能。

HOLTEK公司的HT48以及HT49(帶LCD)系列單片機,都可以符合大多數解碼的任務。

Q10:單片機系統為了省電,經常要進入掉電(POWER DOWN)狀態,此時單片機的I/O口的PIN應設置為何種狀態能獲得最低功耗？

A10:單片機I/O口可用作輸入和輸出狀態。以HOLTEK一款最簡單的I/O單片機HT48R05A-1為例,當作為輸入時可設置成帶上拉電阻的斯密特輸入；作為輸出時是CMOS輸出。如果程序進入省電狀態(HALT)時,首先,各個有用的I/O仍需輸出一定值,以保證外部電路工作正常,同時請小心不要讓外部電路保持長耗電狀態(如長時間導通繼電器)；對于暫時不用的I/O口,為了節約功耗我們建議將I/O置為輸出狀態,并且輸出為低。

Q11:比如我用400減50,在程序語句上如何利用SUBB實現呢？

A11:MCS-51單片機的指令系統中的減法指令只有一組帶借位的減法指令(SUBB),而沒有不帶借位的減法指令。若要進行不帶借位的減法操作,則需要在減法之前先用指令對進位C清零,具體指令:CLR C ,然后再相減。在進行多字節減法時首先應進行低字節的不帶進位的減法,具體做法是先 CLR C,再用SUBB,而以后的高字節相減則都需要使用帶進位的減法,直接使用SUBB指令即可。

Q12:我們在開發一個需要長時間可靠工作的控制系統(發電機系統),如何設計復位電路？條件:與看門狗配合使用,同時復位后能與復位前的各個狀態無縫的連接起來。

A12:單片機復位可分為內部與外部事件復位。外部事件復位包括上電復位、RES復位和低電壓復位。

上電復位和RES復位是人為的正常復位,以保證程序計數器被清零且程序從頭開始執行。要正常進行這兩種復位動作,需要外接正確的RES復位電路,一般來說不同的單片機的復位電路稍有不同,單片機廠商都會提供標準的復位電路資料。以HOLTEK IC為例,我們提供的復位電路是RES腳接100K歐姆的電阻至VDD；RES腳再接10K電阻和的電容至VSS。

當電源電壓受外部干擾,低于正常工作電壓時,會造成程序功能運行不正常,嚴重的還可能造成單片機死機。此時對你所說的發電機系統就會造成嚴重的后果,我們就需要用低電壓復位來解決這個問題。通常我們可以用兩個方法實現低電壓復位:1、外加一個電壓檢測芯片(例如7033)加到RES腳上,當電源電壓低于某個臨界值時,電壓檢測芯片會給出一個低電平到RES腳是單片機復位,防止單片機死機。2、有些廠家的單片機內部會有一個低電壓檢測LVR的功能,例如HOLTEK單片機。當電源電壓低于某一個臨界值時,單片機會自動復位避免死機,外部不需要再連接任何檢測電壓的電路。

除了外部電源不穩定會造成單片機復位,內部WDT溢出也會造成復位,即內部事件復位。對于你說的需要長時間穩定工作的系統來說,看門狗是十分必要的,它可以避免程序跑飛造成的錯誤。

當復位發生時,要保證復位后能與復位前的各個狀態無縫的連接起來,就需要用軟件來判定復位前程序執行到哪個程序段。以HOLTEK MCU為例,除了上電復位之外,通用寄存器復位前后的值不會發生變化。那么就可以設定一些寄存器記錄程序當前運行在哪一個程序功能段。一旦發生復位,只需要讀出那些寄存器的值就可以跳轉到復位之前運行的程序功能段運行。另外HOLTE MCU內部有兩個特殊標志位PD和TO,可以根據此兩位的值來判定具體是什么原因造成的復位。

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