Z86E72/73 OTP微控制器：特性、功能与设计应用指南

在电子设计领域，微控制器是众多项目的核心组件，选择一款合适的微控制器对于产品的性能和稳定性至关重要。今天，我们就来详细探讨ZiLOG公司的Z86E72/73 OTP微控制器，看看它在硬件设计中能为我们带来哪些优势。

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一、特性概述

Z86E72/73微控制器具有诸多出色的特性，使其在众多应用场景中表现卓越。

1. 内存与电压

从基本配置来看，Z86E73拥有32KB的ROM和236字节的通用RAM，而Z86E72则配备16KB的ROM和748字节的通用RAM。两者的I/O电压范围均为3.0V至5.5V，能够适应不同的电源环境。这种内存和电压的配置，为不同规模和需求的项目提供了灵活的选择。

2. 低功耗设计

低功耗是现代电子设备追求的重要指标之一，Z86E72/73在这方面表现出色。其典型功耗仅为60mW，还具备两种待机模式。STOP模式下电流低至2μA，HALT模式下为0.8mA，这使得它非常适合用于电池供电的设备，能有效延长设备的续航时间。

3. 智能计数/定时器架构

为了应对复杂的脉冲或信号处理需求，Z86E72/73采用了特殊的架构。它拥有一个可编程的8位计数器/定时器，带有两个捕获寄存器，以及一个可编程的16位计数器/定时器，带有一个捕获寄存器。同时，还配备了可编程的输入毛刺滤波器，用于脉冲接收，能够有效处理复杂的信号。

4. 中断系统

该微控制器提供了五个优先级中断，其中三个为外部中断，另外两个分配给计数器/定时器。这种丰富的中断资源，使得系统能够及时响应各种外部事件，提高了系统的实时处理能力。

5. 内部比较器

内置的两个独立比较器，具有可编程的中断极性，可用于处理模拟信号，并与独立的参考电压进行比较。这在一些需要模拟信号处理的应用中非常有用，如传感器数据采集和处理。

6. 时钟选择

内部振荡器支持多种时钟源，包括晶体、陶瓷谐振器、LC、RC（掩模选项）或外部时钟驱动。这种多样化的时钟选择，为不同的应用场景提供了更多的灵活性。

7. 软件可选功能

在端口方面，Z86E72/73具有软件可选的200±50% KΩ电阻晶体管上拉功能，可用于Port 0和Port 2。其中，Port 2的上拉功能还可以进行位选择，并且当上拉引脚配置为输出时，上拉功能会自动禁用。此外，P00至P03还提供了软件鼠标/轨迹球接口，方便实现人机交互功能。

二、引脚说明

Z86E72/73提供了多种封装形式，包括40引脚双列直插封装（DIP）、44引脚塑料有引脚芯片载体（PLCC）和44引脚薄型四方扁平封装（LQFP）。不同封装在标准模式和EPROM模式下的引脚分配有所不同，以下是一些关键引脚的功能说明：

1. 控制信号引脚

• /DS（输出，低电平有效）：数据选通信号，在每次外部存储器传输时激活。在读取操作中，数据必须在/DS的后沿之前可用；在写入操作中，/DS的下降沿表示输出数据有效。
• /AS（输出，低电平有效）：地址选通信号，在每个机器周期开始时脉冲一次。外部程序的地址通过Port 0/Port 1输出，存储器地址传输在/AS的后沿有效。在程序控制下，/AS可以与Port 0、Port 1、数据选通和读/写信号一起置于高阻抗状态。
• R//W（输出，写为低电平）：读/写信号，当CCP向外部程序或数据存储器写入数据时，R//W信号为低电平。

2. 时钟引脚

• XTAL1（时间输入）：该引脚用于连接并联谐振晶体、陶瓷谐振器、LC或RC网络，或外部单相时钟到片上振荡器输入。
• XTAL2（时间输出）：连接并联谐振晶体、陶瓷谐振器、LC或RC网络到片上振荡器输出。

3. 端口引脚

• Port 0（P07 - P00）：8位双向CMOS兼容端口，可通过软件配置为半字节I/O端口或用于外部存储器接口的地址端口。输出驱动为推挽式，可进行握手控制。在外部存储器访问时，Port 0可根据需要提供不同的地址位。此外，P00 - P03还提供了软件选项，可配置为0.4V CMOS触发电平，方便直接连接鼠标/轨迹球红外传感器。
• Port 1（P17 - P10）：复用的地址（A7 - A0）和数据（D7 - D0）端口，与ZiLOG ZBus®兼容。其操作由地址选通（/AS）、数据选通（/DS）、读/写（R//W）和数据存储器（/DM）控制线路支持。在多处理器和DMA应用中，Port 1可与Port 0、/AS、/DS和R//W一起置于高阻抗状态，以共享公共资源。
• Port 2（P27 - P20）：8位双向CMOS兼容I/O端口，每个引脚可独立配置为输入或输出。提供软件选项，可连接8个200KΩ（±50%）上拉电阻。编程为输出的位可全局设置为推挽或开漏模式，也可进行握手控制。
• Port 3（P37 - P31）：7位CMOS兼容端口，由三个固定输入（P33 - P31）和四个固定输出（P37 - P34）组成。可通过软件配置实现输入/输出、中断、端口握手、数据存储器功能以及计数器/定时器输出。两个内置比较器可处理P31和P32上的模拟信号，并参考Pref1和P33上的电压。

4. 其他引脚

• R//RL（输入）：当此引脚连接到GND时，禁用内部ROM，使设备作为无ROM的Z8运行。当不连接或拉高到VCC时，设备正常作为Z8 ROM版本运行。
• /RESET（输入，低电平有效）：用于初始化MCU。复位可通过上电复位、看门狗定时器、停止模式恢复、低电压检测或外部复位实现。上电复位和看门狗定时器复位时，内部产生的复位信号会将复位引脚拉低一段时间。为避免复位冲突，驱动复位线的设备应使用开漏输出。

三、功能描述

1. 复位机制

Z86E72/73的复位可通过多种方式实现，包括上电复位、看门狗定时器、停止模式恢复源、低电压检测和外部复位。上电复位和看门狗定时器复位时，内部产生的复位信号会将复位引脚拉低一段时间，确保VCC和振荡器电路稳定后再开始执行指令。

2. 存储器结构

• 程序存储器：Z86E72/73可寻址16K/32KB的内部程序存储器，其余部分为外部存储器。程序存储器的前12个字节用于存储中断向量，对应五个可用中断。
• RAM：Z86E72拥有768字节的RAM，其中256字节组成寄存器文件，其余512字节组成扩展数据RAM；Z86E73则只有256字节的寄存器文件。
• 扩展数据RAM：Z86E72的扩展数据RAM占用地址范围FE00H - FFFFH（512字节）。访问扩展数据RAM需使用特定指令，且部分地址空间被保留，使用时需谨慎。
• 外部存储器：可寻址高达32KB（减去FD00H - FFFFH）的外部存储器，从地址8000H开始。通过P34上可选的/DM功能，可区分数据和程序存储器空间。

3. 扩展寄存器文件

寄存器文件得到了扩展，以容纳更多的系统控制寄存器和将更多的外围设备映射到寄存器地址区域。Z8寄存器地址空间R0到R15被实现为16个存储组，每组16个寄存器，这些组被称为扩展寄存器文件（ERF）。通过寄存器RP的位7 - 4选择工作寄存器组，位3 - 0选择扩展寄存器文件存储组。

4. 计数器/定时器功能

计数器/定时器是Z86E72/73的重要组成部分，具有丰富的功能和灵活的配置。

输入电路

输入电路通过边缘检测器监测P31或P20上的输入信号，根据CTR1 D5 - D4的设置，在检测到边缘时产生脉冲。同时，输入信号中宽度小于指定值（CTR1 D3, D2）的毛刺会被过滤掉。

8位计数器/定时器电路

• 发送模式：当T8启用时，其输出取决于CTR1 D1的值。在单通模式下，T8计数到0后停止，输出翻转，并设置超时状态位；在模N模式下，T8计数到终端值后，输出翻转，加载新的计数值并继续计数。
• 解调模式：需将TC8L和TC8H编程为FFh。T8启用后，检测到第一个边缘时开始计数，检测到后续边缘时，将当前值取反并存入捕获寄存器，同时T8重新加载FFh并继续计数。

16位计数器/定时器电路

• 发送模式：在正常或乒乓模式下，T16未启用时，其输出取决于CTR1 D0的值。T16启用后，加载初始值，计数到0时输出翻转，设置状态位并可能产生中断。在单通模式下，T16停止计数；在模N模式下，T16重新加载并继续计数。
• 解调模式：将TC16L和TC16H编程为FFh后，T16启用，检测到第一个边缘时捕获并重新加载，根据CTR2 D6的设置处理后续边缘。计数到0时，继续从FFFFh计数，并设置状态位，可能产生中断。

乒乓模式

乒乓模式仅在发送模式下有效。T8和T16需编程为单通模式，且在CTR1 D3, D2中设置乒乓模式。开始操作时，启用T8或T16，两者交替工作，循环执行。

5. 中断系统

Z86E72/73具有五个不同的中断，可屏蔽且具有优先级。其中三个中断源来自Port 3的P33 - P31，另外两个来自计数器/定时器。通过中断屏蔽寄存器可全局或单独启用或禁用这些中断请求。当多个中断挂起时，由可编程优先级编码器根据中断优先级寄存器的设置解决优先级问题。

6. 时钟系统

片上振荡器具有高增益、并联谐振放大器，可连接晶体、LC、陶瓷谐振器或外部时钟源。晶体要求为AT切割，频率范围为1MHz至8MHz，串联电阻（RS）小于等于100欧姆。也可使用成本效益高的RC网络或其他合适的外部时钟源驱动。

7. 低功耗模式

• HALT：此模式下关闭内部CPU时钟，但不关闭XTAL振荡，计数器/定时器和外部中断仍保持活动。可通过外部或内部中断恢复，中断服务程序执行后，程序从HALT指令后的指令继续执行。
• STOP：关闭内部时钟和外部晶体振荡，将待机电流降低到10μA（典型值）或更低。只有通过复位（如看门狗定时器超时、上电复位、停止模式恢复或外部复位）才能终止STOP模式，处理器将从地址000CH重新启动应用程序。

8. 寄存器配置

• Port Configuration Register (PCON)：用于配置Port 3上的比较器输出，位于扩展寄存器文件的Bank F，位置00。通过设置相应的位，可选择比较器输出是否连接到P34和P37，以及Port 0的输出模式。
• Stop-Mode Recovery Register (SMR)：选择时钟分频值并确定停止模式恢复的方式。除位7为只读外，其他位为只写。位7是一个标志位，在停止模式恢复时由硬件设置，上电周期时复位。
• Stop-Mode Recovery Register 2 (SMR2)：与SMR配合使用，确定停止模式恢复的另一种方式。指定的事件触发时，可实现停止模式恢复。
• Watch-Dog Timer Mode Register (WDTMR)：看门狗定时器是一个可重触发的单稳态定时器，若达到终端计数将复位Z8。该寄存器需在特定条件下访问，用于设置看门狗定时器的超时时间、时钟源以及在HALT和STOP模式下的活动状态。

四、电气特性

1. 绝对最大额定值

在使用Z86E72/73时，需要注意其绝对最大额定值。电源电压（VMAX）的范围为 -0.3V至 +7.0V，存储温度（TSTG）范围为 -65°C至 +150°C，工作环境温度（TA）需参考订购信息。超过这些额定值可能会对设备造成永久性损坏。

2. 电容特性

输入电容、输出电容和I/O电容的最大值均为12pF，测试条件为TA = 25°C，VCC = GND = 0V，f = 1.0MHz，未测量的引脚连接到GND。

3. 直流特性

直流特性包括最大输入电压、时钟输入高低电压、输入高低电压、输出高低电压、复位输入高低电压、比较器输入失调电压、输入泄漏电流、输出泄漏电流、复位输入电流、电源电流、待机电流等。不同的电压和温度条件下，这些参数会有所不同，设计时需根据具体应用进行考虑。

4. 交流特性

交流特性主要涉及外部I/O或存储器的读写时序，包括地址有效到/AS上升延迟、/AS上升到地址浮动延迟、/DS低电平宽度、读写数据有效延迟等参数。这些时序参数对于确保系统的正常运行至关重要，设计时需严格按照规格要求进行电路布局和信号处理。

五、编程与测试

1. EPROM编程

Z86E72/73支持多种编程和测试模式，包括EPROM读取、编程、验证、RC选项、边距读取、阴影行读取/编程/验证、阴影列读取/编程/验证、页面编程等。不同模式下，需要对设备引脚施加不同的电压和信号，并遵循特定的时序要求。

2. 编程时序

编程波形的时序参数包括地址建立时间、数据建立时间、VPP建立时间、VCC建立时间、芯片使能建立时间、编程脉冲宽度、数据保持时间等。严格控制这些时序参数，才能确保编程的准确性和可靠性。

六、应用建议与注意事项

1. 电源设计

为了保证Z86E72/73的稳定运行，电源设计至关重要。建议使用稳定的电源，避免电源波动对芯片造成影响。同时，在电源线路上添加适当的滤波电容，以减少电源噪声。

2. 时钟设计

时钟是微控制器的“心脏”，稳定的时钟信号对于系统的正常运行至关重要。在选择时钟源时，应根据具体应用需求选择合适的晶体或其他时钟源，并按照推荐的电容值进行连接，以确保时钟信号的稳定性。

3. 低功耗设计

如果应用场景对功耗有严格要求，可充分利用Z86E72/73的低功耗模式。在进入HALT或STOP模式前，确保指令流水线已清空，避免指令执行中断。同时，合理配置看门狗定时器和停止模式恢复寄存器，以满足系统的功耗和可靠性要求。

4. 中断处理

中断处理是提高系统实时性的关键。在设计中断处理程序时，应尽量减少中断服务程序的执行时间，避免影响其他任务的执行。同时，合理设置中断优先级，确保重要的中断能够及时得到处理。

5. 编程与调试

在进行EPROM编程时，务必严格按照编程时序和引脚电压要求进行操作，避免编程错误导致芯片损坏。在调试过程中，可利用芯片的调试接口和寄存器，对系统进行实时监测和调试，确保系统的稳定性和正确性。

综上所述，ZiLOG的Z86E72/73 OTP微控制器凭借其丰富的特性、灵活的功能和良好的电气性能，在消费电子、汽车、计算机外设和电池供电手持设备等领域具有广泛的应用前景。通过深入了解其特性和功能，合理设计硬件电路和软件程序，我们可以充分发挥该微控制器的优势，开发出高性能、低功耗的电子产品。希望本文对电子工程师在使用Z86E72/73进行设计时有所帮助。如果你在设计过程中遇到任何问题，欢迎在评论区留言讨论。