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微電腦介面晶片和單晶片在化學上的應用
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作 者╱
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施正雄
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出版社別╱
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五南 |
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出版日期╱
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2018/11/23
(1版 1刷)
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I
S B N ╱
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978-957-763-158-9
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書 號╱
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5B34
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頁 數╱
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440
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開 數╱
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16K
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定 價╱
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600
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施正雄
學歷
美國密西根州立大學化學博士
國立清華大學化學碩士
國立臺灣師範大學化學學士
經歷
國立臺灣師範大學化學系所教授、系主任、所長
經濟部工業技術研究院化工所研究員
國防部中山科學研究院核能研究所副研究員
臺灣化學感測器科技協會理事長
消基會委員
專長
儀器分析、化學感測器、放射化學、無機化學
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第一章 微電腦介面晶片及單晶片導論（Introduction to Interface Chips and Single-Chip Microcomputers）
1.1 化學實驗微電腦系統
1.2 微電腦結構簡介
1.3 單晶片微電腦簡介
1.4 訊號轉換及系統控制介面晶片簡介
1.5 半導體
1.6 二進位及十六進位
1.7 晶片實驗常用配件
第二章 邏輯閘晶片（Logic Gate Chips）
2.1 邏輯閘簡介
2.2 邏輯閘種類及功用
2.3 布林定律
2.4 邏輯閘之應用
第三章 繼電器（Relays）
3.1 繼電器簡介
3.2 磁簧繼電器
3.3 磁簧開關
3.4 光繼電器
3.5 固體繼電器
3.6 聲控繼電器
3.7 溫度(控)繼電器
3.8 光控繼電器
3.9 遙控繼電器
第四章 運算放大器(OPA)晶片（OPAOperational Amplifier (OPA) Chips）
4.1 運算放大器簡介
4.2 運算放大器種類及功用
4.3 運算放大器應用
第五章 振盪晶片和計數晶片（Oscillating and Counting Chips）
5.1 振盪晶片
5.2 計數晶片
第六章 數位／類比轉換器（DAC）晶片（Digital to Analog Converter (DAC) Chips）
6.1 數位／類比轉換器（DAC）簡介
6.2 數位／類比轉換器內部結構及訊號轉換原理
6.3 DAC-OPA系統
6.4 多電壓輸出數位／類比轉換器晶片
6.5 USB-DAC晶片及微電腦-USB-DAC系統
6.6 微電腦-DAC系統
6.7 微電腦-DAC-ADC電化學偵測系統
第七章 類比／數位轉換器（ADC）晶片（Analog to Digital Converter (ADC) Chips）
7.1 類比／數位轉換器（ADC）簡介
7.2 類比／數位轉換器種類與轉換原理
7.3 並列及串列ADC晶片
7.4 微電腦-ADC系統
7.5 ADC/DAC組合晶片
第八章 訊號輸出輸入晶片（Signal Input/Output Chips）
8.1 訊號輸出輸入晶片簡介
8.2 PPI 8255輸出輸入晶片
8.3 PIA 6821輸出輸入晶片
8.4 微電腦並列埠介面
8.5 微電腦輸出輸入位址解碼器
8.6 串列介面RS232
8.7 並列介面IEEE488
8.8 並列-串列轉換晶片
8.9 電子可擦式程式化唯讀記憶體EEPROM晶片
8.10 USB-串列介面晶片
8.11 USB-並列／串列轉換晶片
第九章 MCS-51單晶片微電腦（MCS-51 Single-Chip Microcomputers）
9.1 單晶片微電腦簡介
9.2 MCS-51單晶片微電腦結構及功能
9.3 單晶片C8951-ADC類比／數位轉換器輸入系統
9.4 單晶片C8951訊號輸出系統
9.5 單晶片C8951-USB系統
9.6 單晶片微電腦MC8951化學實驗自動控制系統
9.7 內建ADC式MCS-51單晶片微電腦
9.8 無線電（RF）型MCS-51單晶片微電腦
第十章 PIC單晶片微電腦（PIC Single-Chip Microcomputers）
10.1 內建ADC式PIC16-18F(c)XX單晶片微電腦簡介
10.2 單晶片微電腦PIC16C71
10.3 單晶片微電腦PIC16F/C74
10.4 資料儲存PIC16F84單晶片微電腦
10.5 單晶片微電腦PIC16F877輸入／輸出系統
10.6 USB內建ADC式PIC18FXX單晶片微電腦
10.7 PIC16F877單晶片在化學自動控制系統之應用
10.8 PIC單晶片無線電系統
第十一章 MC68XX單晶片微電腦及數位訊號處理器（DSP）晶片（MC68XX Single-Chip Microcomputers and Digital Signal Processor (DSP) Chip）
11.1 MC68XX單晶片微電腦簡介
11.2 內建ADC式MC68(7)05R系列單晶片微電腦
11.3 內建ADC式MC68HC11系列單晶片微電腦
11.4 內建ADC式16位元MC68HC16系列單晶片微電腦
11.5 內建ADC式32位元MC68300系列單晶片微電腦
11.6 USB-MC68XX單晶片系統
11.7 數位訊號處理器（DSP）晶片
第十二章 Raspberry Pi（樹莓派）微電腦（Raspberry Pi Microcomputer）
12.1 Raspberry Pi微電腦簡介
12.2 Raspberry Pi微電腦GPIO輸出輸入系統
12.3 Raspberry Pi微電腦-ADC類比／數位轉換器系統
12.4 Raspberry Pi微電腦-DAC數位／類比轉換器系統
參考文獻
索引
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在化學上化合物的製造及產品分析，都需藉由化學分析儀器來分析及測量，而化學分析儀器輸出訊號（如電壓、電流或ON/OFF及0/1數位訊號）都需利用微電腦及其介面晶片來收集、轉換、控制、處理及顯示。然傳統的微電腦體積相當大，一些體積小可掛在化學反應／分析器上的單晶片微電腦（Single-Chip Microcomputers）因應而生。對單晶片微電腦及常用介面晶片的功能及應用的初步了解對任何一化學研究人員都有其必要。本書除分章介紹體積小的單晶片微電腦（如Intel公司MCS-51及Microchip公司PIC和Motorola公司MC68XX系列產品）外，將分章介紹化學實驗微電腦系統及常用微電腦介面晶片（如邏輯閘、繼電器、運算放大器、振盪晶片、計數晶片、數位／類比轉換器、類比／數位轉換器及訊號輸出輸入晶片）並介紹近年來才發展出來的信用卡大小的Raspberry Pi（樹莓派）微電腦及簡單介紹內部結構類似單晶片微電腦但可快速處理數位信號之數位信號處理器（DSP, Digital Signal Processor）晶片。
本章將簡介化學實驗微電腦系統、微電腦基本結構及常用單晶片微電腦和介面晶片（如訊號控制晶片、訊號放大晶片、類比／數位訊號轉換晶片、訊號輸入輸出晶片、振盪晶片及計數晶片）和晶片材質與元件有關之半導體及常用實驗配件（如發光二極體、可變電阻體及電容器）。
1.1 化學實驗微電腦系統
圖1-1為一般化學實驗微電腦系統之基本結構圖。一般化學實驗系統都需用如圖1-1所示的各種偵測器以偵測化學實驗系統中各種物質之物理性質（如溫度、壓力、黏度）及化學性質（如各成分濃度及性質、pH值）變化。這些偵測器通常會輸出類比訊號（Analog Signal (A)），如電壓、電流及頻率訊號，而有的偵測器則可輸出數位序列訊號。如圖1-1所示，不同偵測器輸出的電壓（Vo）、電流（Io）訊號或頻率（Fo）或數位序列訊號（D）可利用繼電器系統（繼電器A）分別一一輸入電流／電壓（I/V）放大器，計數器或直接輸入／輸出（I/O）晶片處理。因為一般微電腦只能接受數位訊號（1或0）之輸出輸入，故化學儀器所輸出的電壓及電流類比訊號（Analog signal）經放大器（如運算放大器（Operational amplifier, OPA）放大後需用類比／數位轉換器（Analog/Digital converter, ADC）轉換成數位訊號（Digital signal (D)），再經輸入輸出（I/O）晶片輸入微電腦或單晶微電腦做數據處理。同樣地，頻率訊號經計數器（Counter）轉換成數位訊號後，也需經輸入輸出（I/O）晶片輸入微電腦做數據處理。
微電腦或單晶微電腦也可用來控制化學實驗系統之特性（如溫度、壓力及電極電位或電流強度）及透過繼電器系統選擇偵測器及選擇化學實驗系統。如圖1-1所示，透過微電腦電腦程式之執行及I/O晶片或I/O埠（Port）以數位訊號（1或0）起動繼電器A及繼電器B系統分別做偵測器之選擇及多系統化學實驗系統之系統選擇。同樣地，微電腦可透過接在其I/O埠或I/O晶片上之數位／類比轉換器（Digital to Analog converter, DAC），將微電腦輸出的數位訊號（D）轉換成類比訊號（A，如電壓或電流），數位／類比轉換器（DAC）所輸出電壓可直接使化學實驗系統之電極改變，使化學實驗系統中產生氧化還原變化，亦可用電壓／電流（V/I）轉換器轉換成電流使化學實驗系統之加熱器加熱及馬達運轉或起動化學實驗系統中其他儀器運作，而由電壓或電流的改變亦可能會引起化學實驗系統中各種物質之物理性質（如溫度）或化學性質（如各成分濃度、pH值）變化。反之，在化學實驗系統中各偵測器偵測得的類比訊號（如電壓或電流）可經類比／數位轉換器（ADC）轉成數位訊號輸入PC微電腦或單晶片微電腦做數據處理。此化學實驗微電腦系統中所用之繼電器（Relay）、運算放大器（OPA）、數位／類比轉換器（DAC）及類比／數位轉換器（ADC）和訊號輸入輸出晶片除在本章1-4節簡介外，將分別在本書第3、4、6、7、8章中詳細介紹。
1.2 微電腦結構簡介
一般微電腦[1-5]之基本結構如圖1-2所示，主要包含中央處理機（Central processing Unit, CPU）、RAM（Random access memory，隨機存取記憶體）、ROM（Read only memory，唯讀記憶體）、微電腦神經網路線與支援晶片如輸入輸出晶片（I/O晶片）、控制晶片、邏輯晶片及振盪晶片。
中央處理機（CPU）是主要由邏輯計算單元（Arithmetic logic unit, ALU）及控制單元（Control unit, CU）所構成。邏輯計算單元由一連串邏輯閘（Logic gates）所組成用來負責微電腦資料及數據之計算及處理，而控制單元則控制微電腦資料之輸出輸入。一般將中央處理機（CPU）製成的積體電路（IC）晶片通稱為微處理機（Microprocessor）。例如Intel公司生產的64位元Pentium 4 CPU晶片為常用的中央處理機（CPU）之一。
RAM及ROM晶片為微電腦用來儲存電腦程式及資料之記憶體。RAM為隨機記憶體，資料輸入時隨機儲存，然當微電腦關機時，這些存在RAM晶片之電腦程式及資料即不再存在。反之，存在ROM晶片之電腦程式及資料微在電腦關機時仍然會存在。一般所使用之光碟片、磁碟片及硬碟之記憶體皆屬ROM，有的ROM其資料只可讀而不能去除或修改，但有的ROM其資料或程式可讀亦可去除或重複寫入新資料，此種可重複讀寫之ROM特稱可擦式程式化唯讀記憶體EPROM（Erasable Programming Read-Only Memory），而EPROM可用照UV光照射其晶片櫥窗或用電子指令去除其內之程式或資料，可用電子指令去除其資料之EPROM特稱電子可擦式程式化唯讀記憶體EEPROM（Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory）。圖1-2所示之2764晶片為可用照UV光照射去除或重寫資料的EPROM記憶體之一種，而93C46晶片及AT28C256晶片則為常用串列及並列傳輸之EEPROM晶片。近年來，發展一種構造及工作原理與EEPROM相似，但讀寫抹除都相當快速且可大區塊（通常是千位元組）抹除資料的快閃ROM（Flash ROM, Flash Programming Read-Only Memory），快閃ROM可說是一種特殊的、以大區塊（blocks）抹寫的EEPROM。NOR Flash晶片和NAND Flash晶片為較常見的快閃ROM晶片。
微電腦中央處理機（CPU）和其他各單元之間有各種連線做為各單元間數據輸送及控制各單元訊號輸出輸入，這些微電腦單元間之連線如同人體內之神經線因而又稱微電腦神經網路線（Buses），此種電腦神經網路概分三大類：(1)控制線（Control buses），(2)資料數據線（Data buses）及(3)位址線（Address buses）。控制線可控制中央處理機數據之輸出輸入及其他動作。資料數據線用來輸出輸入資料數據，所有微電腦之資料數據線數目皆為八的倍數（即8、16、24、32、48、64條），所謂48位元（Bit）電腦，即此電腦有48條資料數據線，資料數據線至少為8條（D0∼D7）為8位元，8位元組成一位元組（Byte），即8位元 = 1 Byte，此8位元（D0∼D7）代表一數據，若微電腦要輸出一為120之數據（Data），可由圖1-3所示換算方法（將120除於2，第一個餘數（0）為D0，第二個餘數（0）為D1，餘者類推），將D=120換成二進位（Binary）成0111 1000經這8條（D0∼D7）資料數據線輸出（1, 0分別表示各資料數據線輸出電壓分別為5V及0V；1 = 5V，0 = 0V）。
微電腦另外一神經網路線為位址線（Address buses），微電腦中央處理機（CPU）透過這些位址線控制資料數據從一特定位址之元件（CPU本身或ROM，RAM或輸出輸入晶片）輸出輸入。若要從位址320元件輸出數據，這時就如圖1-4所示，由位址線輸出01 0100 0000（A9∼A0），位址線和資料線二進位之換算方法一樣，且1，0也分別表示各位址線輸出電壓為5V及0V。微電腦位址線最少也有16條（A0∼A15），也有48，64或更多條的。
微電腦除了CPU、ROM及RAM主要晶片外，還有一些支援晶片如輸入輸出晶片（I/O晶片）、控制晶片、邏輯晶片及振盪晶片。輸入輸出晶片常用有IC 8255系列晶片及IC 6821系列晶片，它們分別接有3組（Ports A, B, C）及2組（Ports A, B）八位元I/O埠（I/O Ports）可做八位元數位訊號輸入輸出。控制晶片（如圖1-2之IC 74139）中在微電腦內常用來選擇晶片、起動晶片及控制數位訊號或資料之輸入或輸出。輸入輸出（I/O）晶片及控制晶片和可儲
存／輸出數位資料之EEPROM晶片將在本書第8章詳細介紹。
在微電腦中除在中央處理機（CPU）之邏輯計算單元有一連串邏輯閘（Logic gates）外，其他部分或晶片內也含許多邏輯閘，邏輯閘就如同人體的細胞普遍存在各種IC晶片中。邏輯閘除在本章1-4節簡介外，將在本書第2章詳細介紹。
振盪晶片為產生一定頻率之超音波脈衝，使微電腦中央處理機（CPU）依時序脈動（如同人體之脈搏），在一般微電腦及單晶微電腦中一般都採用可產生4-20 MHz之石英晶片當振盪器。振盪晶片除在本章1-5節簡介外，將在本書第5章詳細介紹。
除一般多晶片微電腦外，單晶片微電腦（簡稱「單晶片」亦可應用在各種電子控制化學實驗系統及化學感測系統中。單晶片微電腦在下一節（1-3節）簡介外，將在本書第9、10、11章詳細介紹。
1.3 單晶片微電腦簡介
單晶片微電腦（Single Chip Microcomputer或One-Chip Microcomputer，簡稱「單晶片」）[4]，單晶片微電腦顧名思義是含微電腦（C）各主要元件（如中央處理機（CPU）、ROM、RAM及輸入輸出（I/O）阜）在單一晶片的微電腦。市售單晶片微電腦種類相當多，其中以Intel、Microchip及Motorola公司生產的八位元單晶片微電腦較常見。表1-1為各廠商生產常見的八位元單晶片微電腦晶片。表1-1可看出各種單晶片微電腦所需撰寫的執行電腦程式，除8671C為BASIC語言外，其他為組合語言（Assembly）。各種單晶片微電腦的ROM功能亦有所不同，有的單晶片微電腦（如IC8671，IC8048，IC8051）之ROM寫入後只能讀，不能清除重寫。有的單晶片微電腦（如IC8748，IC8751，PIC16C71，PIC16C74）之ROM為可用照紫外線（UV）光清除其含程式而可重新寫入新的電腦程式之可擦式EPROM（Erasable Programming ROM），而有的單晶片微電腦（如IC8951，PIC16F84，PIC16F877，MC68705R5S）之ROM為只要用電腦指令即可清除其程式而可重新寫入新的電腦程式之電子可擦式EEPROM（Electric EPROM）。
另外，有些單晶片微電腦（如PIC16C71，PIC16C74，PIC16F877及MC68705R5S）具有內建ADC，而有的單晶片微電腦（如IC8671，IC8748，IC8951，PIC16F84）則不含內建ADC。
本書第9，10及11章將分別較詳細介紹較常用之不含及含內建ADC的MCS-51系列（分別如IC8951及C8051F35X單晶片）單晶片微電腦與含內建ADC的PIC系列（如IC16C71，IC16C74，IC16F877）及MC68XX單晶片微電腦。
1.4 訊號轉換及系統控制介面晶片簡介
圖1-5為微電腦和周邊各種訊號轉換及系統控制介面晶片（Signal Transfer/System Control Interface Chips）關係圖。微電腦周邊常見的訊號轉換介面晶片如圖所示，其中有將化學實驗系統的化學偵測器所輸出的類比訊號（如電壓或電流）放大或轉換的運算放大器晶片（Operational Amplifier（OPA）Chip），有將化學偵測器輸出的類比訊號轉換成數位訊號輸入微電腦之類比-數位訊號轉換晶片（Analog/Digital Converter(ADC) Chip）或將微電腦之數位訊號轉換成類比電壓訊號輸出之數位-類比轉換晶片（Digital/Analog Converter(DAC) Chip）、訊號輸入輸出晶片（Signal Input/Output Chips）、產生振盪頻率之振盪器晶片及將化學偵測器產生頻率訊號轉換成數位訊號之計數器晶片。而控制晶片常見的有可起動及選擇系統之繼電器（Relays）及用來起動特殊位址之晶片的解碼器（Decoder）和當晶片基本元件之邏輯閘（Logic Gates）。各種訊號轉換及系統控制介面晶片除在本節簡介外，本書將分章詳細介紹各種介面晶片。
1.4.1 系統控制晶片-繼電器、解碼器及邏輯閘
本小節將分別簡介常見的系統控制晶片：繼電器（Relays）、解碼器（Decoders）及邏輯閘（Logic gates）之基本功能。
1.4.1.1 繼電器
繼電器（Relays）[14-15]主要功能為啟動及選擇電子線路系統。圖1-6為一般繼電器外觀之結構圖，其主要含IN（數位輸入端（Input）及類比線路NC（Normal close）、NO（Normal open）及COM（Common，共接點）等端點。
(1) 正常時（外界無訊號時，Input(IN) = 0.0V）：
NC和COM接通，故圖1-6之系統A可運轉
(2) 外界數位訊號1（Input(IN) = 5.0V）時：
NO和COM接通，切斷NC和COM連接，故可起動圖1-6之系統B，而切斷系統A。
因此可由外界數位訊號（1或0）之改變經由繼電器選擇，可起動不同電子線路系統。各種繼電器的結構及功能將在本書第3章專章做較詳細介紹。
1.4.1.2 解碼器
解碼器（Decoder）[16]晶片用來選擇性啟動不同電子系統或晶片。解碼器晶片種類相當多，而IC 74138晶片為較常用的解碼器晶片，如圖1-7所示，利用輸入IC74138晶片之三個輸入訊號（C0, C1, C2）的改變，依其真值表可選擇及啟動八個不同電子系統或晶片（Q0 - Q7）。例如C0=C1=C2=0，可啟動Q0（其他系統則關閉），而C0=1，C1=C2=0，則啟動Q1。若C0=C1=C2=1，就可啟動Q7電子系統或晶片。輸出輸入位址解碼器（Address I/O Decoder）將在本書第8章專章做較詳細介紹。
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