Z86E72/73 OTP微控制器：特性、功能與設計應用指南

在電子設計領域，微控制器是眾多項目的核心組件，選擇一款合適的微控制器對于產品的性能和穩定性至關重要。今天，我們就來詳細探討ZiLOG公司的Z86E72/73 OTP微控制器，看看它在硬件設計中能為我們帶來哪些優勢。

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一、特性概述

Z86E72/73微控制器具有諸多出色的特性，使其在眾多應用場景中表現卓越。

1. 內存與電壓

從基本配置來看，Z86E73擁有32KB的ROM和236字節的通用RAM，而Z86E72則配備16KB的ROM和748字節的通用RAM。兩者的I/O電壓范圍均為3.0V至5.5V，能夠適應不同的電源環境。這種內存和電壓的配置，為不同規模和需求的項目提供了靈活的選擇。

2. 低功耗設計

低功耗是現代電子設備追求的重要指標之一，Z86E72/73在這方面表現出色。其典型功耗僅為60mW，還具備兩種待機模式。STOP模式下電流低至2μA，HALT模式下為0.8mA，這使得它非常適合用于電池供電的設備，能有效延長設備的續航時間。

3. 智能計數/定時器架構

為了應對復雜的脈沖或信號處理需求，Z86E72/73采用了特殊的架構。它擁有一個可編程的8位計數器/定時器，帶有兩個捕獲寄存器，以及一個可編程的16位計數器/定時器，帶有一個捕獲寄存器。同時，還配備了可編程的輸入毛刺濾波器，用于脈沖接收，能夠有效處理復雜的信號。

4. 中斷系統

該微控制器提供了五個優先級中斷，其中三個為外部中斷，另外兩個分配給計數器/定時器。這種豐富的中斷資源，使得系統能夠及時響應各種外部事件，提高了系統的實時處理能力。

5. 內部比較器

內置的兩個獨立比較器，具有可編程的中斷極性，可用于處理模擬信號，并與獨立的參考電壓進行比較。這在一些需要模擬信號處理的應用中非常有用，如傳感器數據采集和處理。

6. 時鐘選擇

內部振蕩器支持多種時鐘源，包括晶體、陶瓷諧振器、LC、RC（掩模選項）或外部時鐘驅動。這種多樣化的時鐘選擇，為不同的應用場景提供了更多的靈活性。

7. 軟件可選功能

在端口方面，Z86E72/73具有軟件可選的200±50% KΩ電阻晶體管上拉功能，可用于Port 0和Port 2。其中，Port 2的上拉功能還可以進行位選擇，并且當上拉引腳配置為輸出時，上拉功能會自動禁用。此外，P00至P03還提供了軟件鼠標/軌跡球接口，方便實現人機交互功能。

二、引腳說明

Z86E72/73提供了多種封裝形式，包括40引腳雙列直插封裝（DIP）、44引腳塑料有引腳芯片載體（PLCC）和44引腳薄型四方扁平封裝（LQFP）。不同封裝在標準模式和EPROM模式下的引腳分配有所不同，以下是一些關鍵引腳的功能說明：

1. 控制信號引腳

• /DS（輸出，低電平有效）：數據選通信號，在每次外部存儲器傳輸時激活。在讀取操作中，數據必須在/DS的后沿之前可用；在寫入操作中，/DS的下降沿表示輸出數據有效。
• /AS（輸出，低電平有效）：地址選通信號，在每個機器周期開始時脈沖一次。外部程序的地址通過Port 0/Port 1輸出，存儲器地址傳輸在/AS的后沿有效。在程序控制下，/AS可以與Port 0、Port 1、數據選通和讀/寫信號一起置于高阻抗狀態。
• R//W（輸出，寫為低電平）：讀/寫信號，當CCP向外部程序或數據存儲器寫入數據時，R//W信號為低電平。

2. 時鐘引腳

• XTAL1（時間輸入）：該引腳用于連接并聯諧振晶體、陶瓷諧振器、LC或RC網絡，或外部單相時鐘到片上振蕩器輸入。
• XTAL2（時間輸出）：連接并聯諧振晶體、陶瓷諧振器、LC或RC網絡到片上振蕩器輸出。

3. 端口引腳

• Port 0（P07 - P00）：8位雙向CMOS兼容端口，可通過軟件配置為半字節I/O端口或用于外部存儲器接口的地址端口。輸出驅動為推挽式，可進行握手控制。在外部存儲器訪問時，Port 0可根據需要提供不同的地址位。此外，P00 - P03還提供了軟件選項，可配置為0.4V CMOS觸發電平，方便直接連接鼠標/軌跡球紅外傳感器。
• Port 1（P17 - P10）：復用的地址（A7 - A0）和數據（D7 - D0）端口，與ZiLOG ZBus?兼容。其操作由地址選通（/AS）、數據選通（/DS）、讀/寫（R//W）和數據存儲器（/DM）控制線路支持。在多處理器和DMA應用中，Port 1可與Port 0、/AS、/DS和R//W一起置于高阻抗狀態，以共享公共資源。
• Port 2（P27 - P20）：8位雙向CMOS兼容I/O端口，每個引腳可獨立配置為輸入或輸出。提供軟件選項，可連接8個200KΩ（±50%）上拉電阻。編程為輸出的位可全局設置為推挽或開漏模式，也可進行握手控制。
• Port 3（P37 - P31）：7位CMOS兼容端口，由三個固定輸入（P33 - P31）和四個固定輸出（P37 - P34）組成。可通過軟件配置實現輸入/輸出、中斷、端口握手、數據存儲器功能以及計數器/定時器輸出。兩個內置比較器可處理P31和P32上的模擬信號，并參考Pref1和P33上的電壓。

4. 其他引腳

• R//RL（輸入）：當此引腳連接到GND時，禁用內部ROM，使設備作為無ROM的Z8運行。當不連接或拉高到VCC時，設備正常作為Z8 ROM版本運行。
• /RESET（輸入，低電平有效）：用于初始化MCU。復位可通過上電復位、看門狗定時器、停止模式恢復、低電壓檢測或外部復位實現。上電復位和看門狗定時器復位時，內部產生的復位信號會將復位引腳拉低一段時間。為避免復位沖突，驅動復位線的設備應使用開漏輸出。

三、功能描述

1. 復位機制

Z86E72/73的復位可通過多種方式實現，包括上電復位、看門狗定時器、停止模式恢復源、低電壓檢測和外部復位。上電復位和看門狗定時器復位時，內部產生的復位信號會將復位引腳拉低一段時間，確保VCC和振蕩器電路穩定后再開始執行指令。

2. 存儲器結構

• 程序存儲器：Z86E72/73可尋址16K/32KB的內部程序存儲器，其余部分為外部存儲器。程序存儲器的前12個字節用于存儲中斷向量，對應五個可用中斷。
• RAM：Z86E72擁有768字節的RAM，其中256字節組成寄存器文件，其余512字節組成擴展數據RAM；Z86E73則只有256字節的寄存器文件。
• 擴展數據RAM：Z86E72的擴展數據RAM占用地址范圍FE00H - FFFFH（512字節）。訪問擴展數據RAM需使用特定指令，且部分地址空間被保留，使用時需謹慎。
• 外部存儲器：可尋址高達32KB（減去FD00H - FFFFH）的外部存儲器，從地址8000H開始。通過P34上可選的/DM功能，可區分數據和程序存儲器空間。

3. 擴展寄存器文件

寄存器文件得到了擴展，以容納更多的系統控制寄存器和將更多的外圍設備映射到寄存器地址區域。Z8寄存器地址空間R0到R15被實現為16個存儲組，每組16個寄存器，這些組被稱為擴展寄存器文件（ERF）。通過寄存器RP的位7 - 4選擇工作寄存器組，位3 - 0選擇擴展寄存器文件存儲組。

4. 計數器/定時器功能

計數器/定時器是Z86E72/73的重要組成部分，具有豐富的功能和靈活的配置。

輸入電路

輸入電路通過邊緣檢測器監測P31或P20上的輸入信號，根據CTR1 D5 - D4的設置，在檢測到邊緣時產生脈沖。同時，輸入信號中寬度小于指定值（CTR1 D3, D2）的毛刺會被過濾掉。

8位計數器/定時器電路

• 發送模式：當T8啟用時，其輸出取決于CTR1 D1的值。在單通模式下，T8計數到0后停止，輸出翻轉，并設置超時狀態位；在模N模式下，T8計數到終端值后，輸出翻轉，加載新的計數值并繼續計數。
• 解調模式：需將TC8L和TC8H編程為FFh。T8啟用后，檢測到第一個邊緣時開始計數，檢測到后續邊緣時，將當前值取反并存入捕獲寄存器，同時T8重新加載FFh并繼續計數。

16位計數器/定時器電路

• 發送模式：在正常或乒乓模式下，T16未啟用時，其輸出取決于CTR1 D0的值。T16啟用后，加載初始值，計數到0時輸出翻轉，設置狀態位并可能產生中斷。在單通模式下，T16停止計數；在模N模式下，T16重新加載并繼續計數。
• 解調模式：將TC16L和TC16H編程為FFh后，T16啟用，檢測到第一個邊緣時捕獲并重新加載，根據CTR2 D6的設置處理后續邊緣。計數到0時，繼續從FFFFh計數，并設置狀態位，可能產生中斷。

乒乓模式

乒乓模式僅在發送模式下有效。T8和T16需編程為單通模式，且在CTR1 D3, D2中設置乒乓模式。開始操作時，啟用T8或T16，兩者交替工作，循環執行。

5. 中斷系統

Z86E72/73具有五個不同的中斷，可屏蔽且具有優先級。其中三個中斷源來自Port 3的P33 - P31，另外兩個來自計數器/定時器。通過中斷屏蔽寄存器可全局或單獨啟用或禁用這些中斷請求。當多個中斷掛起時，由可編程優先級編碼器根據中斷優先級寄存器的設置解決優先級問題。

6. 時鐘系統

片上振蕩器具有高增益、并聯諧振放大器，可連接晶體、LC、陶瓷諧振器或外部時鐘源。晶體要求為AT切割，頻率范圍為1MHz至8MHz，串聯電阻（RS）小于等于100歐姆。也可使用成本效益高的RC網絡或其他合適的外部時鐘源驅動。

7. 低功耗模式

• HALT：此模式下關閉內部CPU時鐘，但不關閉XTAL振蕩，計數器/定時器和外部中斷仍保持活動。可通過外部或內部中斷恢復，中斷服務程序執行后，程序從HALT指令后的指令繼續執行。
• STOP：關閉內部時鐘和外部晶體振蕩，將待機電流降低到10μA（典型值）或更低。只有通過復位（如看門狗定時器超時、上電復位、停止模式恢復或外部復位）才能終止STOP模式，處理器將從地址000CH重新啟動應用程序。

8. 寄存器配置

• Port Configuration Register (PCON)：用于配置Port 3上的比較器輸出，位于擴展寄存器文件的Bank F，位置00。通過設置相應的位，可選擇比較器輸出是否連接到P34和P37，以及Port 0的輸出模式。
• Stop-Mode Recovery Register (SMR)：選擇時鐘分頻值并確定停止模式恢復的方式。除位7為只讀外，其他位為只寫。位7是一個標志位，在停止模式恢復時由硬件設置，上電周期時復位。
• Stop-Mode Recovery Register 2 (SMR2)：與SMR配合使用，確定停止模式恢復的另一種方式。指定的事件觸發時，可實現停止模式恢復。
• Watch-Dog Timer Mode Register (WDTMR)：看門狗定時器是一個可重觸發的單穩態定時器，若達到終端計數將復位Z8。該寄存器需在特定條件下訪問，用于設置看門狗定時器的超時時間、時鐘源以及在HALT和STOP模式下的活動狀態。

四、電氣特性

1. 絕對最大額定值

在使用Z86E72/73時，需要注意其絕對最大額定值。電源電壓（VMAX）的范圍為 -0.3V至 +7.0V，存儲溫度（TSTG）范圍為 -65°C至 +150°C，工作環境溫度（TA）需參考訂購信息。超過這些額定值可能會對設備造成永久性損壞。

2. 電容特性

輸入電容、輸出電容和I/O電容的最大值均為12pF，測試條件為TA = 25°C，VCC = GND = 0V，f = 1.0MHz，未測量的引腳連接到GND。

3. 直流特性

直流特性包括最大輸入電壓、時鐘輸入高低電壓、輸入高低電壓、輸出高低電壓、復位輸入高低電壓、比較器輸入失調電壓、輸入泄漏電流、輸出泄漏電流、復位輸入電流、電源電流、待機電流等。不同的電壓和溫度條件下，這些參數會有所不同，設計時需根據具體應用進行考慮。

4. 交流特性

交流特性主要涉及外部I/O或存儲器的讀寫時序，包括地址有效到/AS上升延遲、/AS上升到地址浮動延遲、/DS低電平寬度、讀寫數據有效延遲等參數。這些時序參數對于確保系統的正常運行至關重要，設計時需嚴格按照規格要求進行電路布局和信號處理。

五、編程與測試

1. EPROM編程

Z86E72/73支持多種編程和測試模式，包括EPROM讀取、編程、驗證、RC選項、邊距讀取、陰影行讀取/編程/驗證、陰影列讀取/編程/驗證、頁面編程等。不同模式下，需要對設備引腳施加不同的電壓和信號，并遵循特定的時序要求。

2. 編程時序

編程波形的時序參數包括地址建立時間、數據建立時間、VPP建立時間、VCC建立時間、芯片使能建立時間、編程脈沖寬度、數據保持時間等。嚴格控制這些時序參數，才能確保編程的準確性和可靠性。

六、應用建議與注意事項

1. 電源設計

為了保證Z86E72/73的穩定運行，電源設計至關重要。建議使用穩定的電源，避免電源波動對芯片造成影響。同時，在電源線路上添加適當的濾波電容，以減少電源噪聲。

2. 時鐘設計

時鐘是微控制器的“心臟”，穩定的時鐘信號對于系統的正常運行至關重要。在選擇時鐘源時，應根據具體應用需求選擇合適的晶體或其他時鐘源，并按照推薦的電容值進行連接，以確保時鐘信號的穩定性。

3. 低功耗設計

如果應用場景對功耗有嚴格要求，可充分利用Z86E72/73的低功耗模式。在進入HALT或STOP模式前，確保指令流水線已清空，避免指令執行中斷。同時，合理配置看門狗定時器和停止模式恢復寄存器，以滿足系統的功耗和可靠性要求。

4. 中斷處理

中斷處理是提高系統實時性的關鍵。在設計中斷處理程序時，應盡量減少中斷服務程序的執行時間，避免影響其他任務的執行。同時，合理設置中斷優先級，確保重要的中斷能夠及時得到處理。

5. 編程與調試

在進行EPROM編程時，務必嚴格按照編程時序和引腳電壓要求進行操作，避免編程錯誤導致芯片損壞。在調試過程中，可利用芯片的調試接口和寄存器，對系統進行實時監測和調試，確保系統的穩定性和正確性。

綜上所述，ZiLOG的Z86E72/73 OTP微控制器憑借其豐富的特性、靈活的功能和良好的電氣性能，在消費電子、汽車、計算機外設和電池供電手持設備等領域具有廣泛的應用前景。通過深入了解其特性和功能，合理設計硬件電路和軟件程序，我們可以充分發揮該微控制器的優勢，開發出高性能、低功耗的電子產品。希望本文對電子工程師在使用Z86E72/73進行設計時有所幫助。如果你在設計過程中遇到任何問題，歡迎在評論區留言討論。