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摘要：介绍了82C54的基本功能和内部结构，控制寄存器的格式，模式0：计数结束发出中断信号的具体应用。本文给出了89C55单片机控制的硬件、软件设计实例。
关键词：计数仪；89C55；82C54；光电倍增管
在医学检验中，体内多类激素水平及其微量代谢产物、药物及代谢产物、维生素类及疾病相关抗原的分析测定总计可达几十至上百种之多。但由于其检测灵敏度要求较高，一般免疫技术难以达到。因此，长期以来一直沿用放射免疫法。它不仅对操作人员的健康造成了危害，而且其废弃物对环境也有严重的污染。因此需要特殊的防护及废物处理系统；同时由于受到自然衰变的限制，其试剂不便长期储存和运输，因而大大地限制了它的发展。
长期以来，人们大多采用光度计作为主要检测仪器，其原理通过光电转换器件将光信号转换为电信号(电压、电流)，再加以放大。其主要特点：具有结构简单、性能稳定；但灵敏度低、线性范围窄。目前常见的光学检测仪器，如：红外／可见／紫外光分光光度计、荧光分光光度计、酶标仪、照度计等均采用类似原理。随着现代量子物理学的发展，以及人们对光的微观特性认识的逐步深入，一种被称为单光子计数器的新型光电器件已经问世，这就是在一些发达国家刚刚普及的光子计数仪，其灵敏度及线性范围均已超过常规检测技术能达到的水平，它是在根本检测不到任何光线存在，即所谓“全黑环境”中正常工作，最主要的是该方法具有无辐射，无需对废液后续处理的投入。因此被迅速应用于社会生活的各个方面。如：航空航天、军事、公安、科研、医疗、环境保护、农业、工业等领域。成为现代高科技的一个重要组成部分。
测量原理
该仪器的测量原理采用单光子计数法。微弱光信号检测一般以光电倍增管(PMT)为检测器，在弱光下，光电倍增管的电流来源于光子碰撞光阴极产生的光电子发射，并经倍增后在阳极形成电脉冲输出。
光子检测装置的核心是光电倍增管(PMT)，它是一个超高真空的玻璃容器，其中向光的一面(称为端窗)，涂有一层特殊的具有光电效应的稀有金属，称为光阴极，而内部还装有许多的按一定规则排列的电极，称为打拿极或加速极；其后部另有一个电极称为阳极。上述各电极之间均加有规定值较高的直流电压。当光子打到光阴极时，由于光电效应的作用，其表面可以产生能量微弱的游离电子，称为光电子；该电子在直流高压产生的电场作用下离开光阴极，同时被加速，再次打到打拿极上并产生出能量更大数量更多的光电子，就这样经过多个打拿极的反复放大，最后使阳极产生电脉冲信号，该信号经前置放大器放大，在经比较器去除噪声信号，最后由分频器换算出光子脉冲数(通常以相对发光数为单位，即RLU为单位，一个RLU相当于10个光子)，如图1。
89C55的介绍和82C54基本功能和内部结构
89C55是Atmel公司的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含20kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容工业标准89C51和89C52芯片，采用通用编程方式，内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C55有40个引脚，32个外部双向输入／输出(I／0)端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内时钟电路，AT89C55采用两种软件控制其进入省电睡眠模式的静态逻辑工作闲置方式设计，可以用RAM、定时／计数器、串行口和外部中断唤醒睡眠状态而继续工作，在睡眠模式下，RAM被冻结，其他功能全部停止，直至下个外中断触发或硬件复位方可开始运行。特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
Intersil公司的82C54是8253的改进型，操作方式及引脚与8253完全相同。它的改进主要反映在82C54的计数频率更高，可高达12MHz。
82C54的基本功能和内部结构主要功能
每片内部包含有3个独立的16位计数通道；
每个计数器都可以按照二进制或二一十进制计数；
每个计数器的计数速率可高达12MHz
每个计数通道有6种工作方式，可由程序设置和改变；
所有的输入／输出电平信号都与TTL兼容。82C54的内部结构如图2所示。
数据总线缓冲器。这是82C54与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器，CPU通过数据总线缓冲器将控制命令字和计数初值写入82C54芯片，或者从82C54计数器中读取当前计数值。2．读／写逻辑。这是82C54内部操作的控制部分。首先有片选信号CS的控制部分，当CS为高时，数据总线缓冲器处在三态，系统的数据总线脱开，故不能进行编程，也不能进行读写操作。其次，由这部分选择读写操作的端口(3个计数器及控制字寄存器)，并控制数据传送的方向。3．控制字寄存器。在82C54初始化编程时，由CPU写入控制字以决定通道的工作方式。此寄存器只能写入而不能读出。实际上，82C54的3个计数器通道都有各自的控制字寄存器，存放各自的控制字，初始化编程时，这3个控制字分三次共用一个控制端口地址写入各自的通道．它们是利用最高两位的状态不同来区分的。
82C54控制寄存器的格式
为了让定时器／计数器正确工作，必须先设定控制字。82C54的控制寄存器的格式如下：
①BCD位用来设置计数值格式：
l－计数值为BCD码格式；
0－计数值为二进制格式；
②M2、M1、M0为模式选择。82C54工作时可以有6种模式可供选择、每种模式下的输出波形各不相同。到底当前工作干哪种模式，这是通过对控制寄存器中M2、M1、M0这3位的设置来决定的，具体对应关系如下：
M2M1M0 模式选择
0 0 0 模式0
O 0 1 模式1
x 1 0 模式2
x 1 1 模式3
1 0 0 模式4
1 O 1 模式5
③RW1和RW0是读／写指示位，具体为：
00-对计数器进行锁存操作，使当前计数值在输出锁存器中锁定，以便读出。 0 1一只读／写低8位字节。
1 0一只读／写高8位字节。
1 1一先读／写低8位字节，再读／写高8位字节。
④SC1和SC0用来选择计数器。不管是计数值格式设置、模式设置，还是读／写命令指示，对于82C54的3个计数器来说，互相都是独立的，因此，在设置控制字的时候，要指出是对82C54的哪一个计数器设置的，这便是SC1和SCo的功能。具体对应关系为：
0 O－选择计数器0。
0 1－选择计数器1。
1 O－选择计数器2。
1 1－无意义。
计数器通道。包括计数器0、计数器1、计数器2。它们的结构完全相同，彼此可以按照不同的方式独立工作。每个通道包括：一个8位的控制寄存器；一个16位的计数初值寄存器；一个计数执行部件，它是一个16位的减法计
数器；一个16位的输出锁存器。每个通道都对输入脉冲CLK按二进制或二一十进制，从预置值开始减l计数。当预置值减到零时，从OUT输出端输出一信号。计数过程中，计数器受到门控信号GATE的控制。
光子计数仪设计
基于仪器整体安装及可维护性的考虑，仪器采用整体形式。包括对仪器的控制，键盘操作及显示，仪器的传动部分及光子检测部分。采用96微孔板作为测量载体；为增强测量的定位准确度，运行的平稳性，光电检测系统以固定方式检测样品，送样机构可按要求进行Y方向及x方向顺序运动。采用可视性强的液晶显示器，可显示仪器当前所处状态及每孔测量结果。定义20种可选择的测量时间；可对微孔板的任意行数定义测量；数据输出采用外接打印机；原始数据可在主机独立测量完毕后由打印机输出。计算机控制测量可完全替代单机测量的功能，同时可在WINDOWS的操作软件包下进行样品区、标准区、阴阳性孔位定义、测量及数据处理。
硬件设计
本设计选用可编程定时器／计数器82C54，其最高计数频率可达12MHz充分利用82C54的定时器／计数器，防止程序进入死循环，增加了外部的硬件看门狗定时器MAX8 1 3L，其内部的看门狗定时器监控UP／UC的工作。如果在1．6s内未检测到其工作，内部的定时器将使看门狗输出WDO处于低电平状态，WDO将保持低电平直到在WDI检测到UP／UC的工作。将WR~NWDO连接可使看门狗超时产生复位。
具体硬件电路如图3所示。
软件设计
设置软件陷阱
当程序进入到非程序区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强迫程序回到初始状态。如对CPU的RST指令对应的字节码为0FFH，如果不用的程序存储区预先写入0FFH，则当程序因干扰而“飞”到该区域执行代码时，就相当于执行1条RST指令，从而达到系统复位的目的。
本设计选择82C54的模式O工作，计数器0、计数器1都工作于模式O：计数结束发出中断信号。
程序流程图如图4。
结论
整机无论从结构到电器性能都达到了设计要求，采用的原理科学，技术及关键器件先进。通过一段时间的使用，从各用户中反馈的信息都很满意。该样机从主机到应用软件符合国际设计潮流及临床操作要求。
参考文献：
1．石亚和，‘单片计算机接口技术，’东北大学自动化仪表教研室．
2．美国Atmel公司的89C55datasheet．
3．美国Intersil公司的82C54datasheet．
4．哈尔滨思创生物SC-I光子计数仪使用说明书．
5．何勇、王生泽，‘光电传感器及其应用，’化学工业出版社，2004年6月．
关键词：计数仪；89C55；82C54；光电倍增管
在医学检验中，体内多类激素水平及其微量代谢产物、药物及代谢产物、维生素类及疾病相关抗原的分析测定总计可达几十至上百种之多。但由于其检测灵敏度要求较高，一般免疫技术难以达到。因此，长期以来一直沿用放射免疫法。它不仅对操作人员的健康造成了危害，而且其废弃物对环境也有严重的污染。因此需要特殊的防护及废物处理系统；同时由于受到自然衰变的限制，其试剂不便长期储存和运输，因而大大地限制了它的发展。
长期以来，人们大多采用光度计作为主要检测仪器，其原理通过光电转换器件将光信号转换为电信号(电压、电流)，再加以放大。其主要特点：具有结构简单、性能稳定；但灵敏度低、线性范围窄。目前常见的光学检测仪器，如：红外／可见／紫外光分光光度计、荧光分光光度计、酶标仪、照度计等均采用类似原理。随着现代量子物理学的发展，以及人们对光的微观特性认识的逐步深入，一种被称为单光子计数器的新型光电器件已经问世，这就是在一些发达国家刚刚普及的光子计数仪，其灵敏度及线性范围均已超过常规检测技术能达到的水平，它是在根本检测不到任何光线存在，即所谓“全黑环境”中正常工作，最主要的是该方法具有无辐射，无需对废液后续处理的投入。因此被迅速应用于社会生活的各个方面。如：航空航天、军事、公安、科研、医疗、环境保护、农业、工业等领域。成为现代高科技的一个重要组成部分。
测量原理
该仪器的测量原理采用单光子计数法。微弱光信号检测一般以光电倍增管(PMT)为检测器，在弱光下，光电倍增管的电流来源于光子碰撞光阴极产生的光电子发射，并经倍增后在阳极形成电脉冲输出。
光子检测装置的核心是光电倍增管(PMT)，它是一个超高真空的玻璃容器，其中向光的一面(称为端窗)，涂有一层特殊的具有光电效应的稀有金属，称为光阴极，而内部还装有许多的按一定规则排列的电极，称为打拿极或加速极；其后部另有一个电极称为阳极。上述各电极之间均加有规定值较高的直流电压。当光子打到光阴极时，由于光电效应的作用，其表面可以产生能量微弱的游离电子，称为光电子；该电子在直流高压产生的电场作用下离开光阴极，同时被加速，再次打到打拿极上并产生出能量更大数量更多的光电子，就这样经过多个打拿极的反复放大，最后使阳极产生电脉冲信号，该信号经前置放大器放大，在经比较器去除噪声信号，最后由分频器换算出光子脉冲数(通常以相对发光数为单位，即RLU为单位，一个RLU相当于10个光子)，如图1。
89C55的介绍和82C54基本功能和内部结构
89C55是Atmel公司的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含20kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容工业标准89C51和89C52芯片，采用通用编程方式，内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C55有40个引脚，32个外部双向输入／输出(I／0)端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内时钟电路，AT89C55采用两种软件控制其进入省电睡眠模式的静态逻辑工作闲置方式设计，可以用RAM、定时／计数器、串行口和外部中断唤醒睡眠状态而继续工作，在睡眠模式下，RAM被冻结，其他功能全部停止，直至下个外中断触发或硬件复位方可开始运行。特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
Intersil公司的82C54是8253的改进型，操作方式及引脚与8253完全相同。它的改进主要反映在82C54的计数频率更高，可高达12MHz。
82C54的基本功能和内部结构主要功能
每片内部包含有3个独立的16位计数通道；
每个计数器都可以按照二进制或二一十进制计数；
每个计数器的计数速率可高达12MHz
每个计数通道有6种工作方式，可由程序设置和改变；
所有的输入／输出电平信号都与TTL兼容。82C54的内部结构如图2所示。
数据总线缓冲器。这是82C54与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器，CPU通过数据总线缓冲器将控制命令字和计数初值写入82C54芯片，或者从82C54计数器中读取当前计数值。2．读／写逻辑。这是82C54内部操作的控制部分。首先有片选信号CS的控制部分，当CS为高时，数据总线缓冲器处在三态，系统的数据总线脱开，故不能进行编程，也不能进行读写操作。其次，由这部分选择读写操作的端口(3个计数器及控制字寄存器)，并控制数据传送的方向。3．控制字寄存器。在82C54初始化编程时，由CPU写入控制字以决定通道的工作方式。此寄存器只能写入而不能读出。实际上，82C54的3个计数器通道都有各自的控制字寄存器，存放各自的控制字，初始化编程时，这3个控制字分三次共用一个控制端口地址写入各自的通道．它们是利用最高两位的状态不同来区分的。
82C54控制寄存器的格式
为了让定时器／计数器正确工作，必须先设定控制字。82C54的控制寄存器的格式如下：
①BCD位用来设置计数值格式：
l－计数值为BCD码格式；
0－计数值为二进制格式；
②M2、M1、M0为模式选择。82C54工作时可以有6种模式可供选择、每种模式下的输出波形各不相同。到底当前工作干哪种模式，这是通过对控制寄存器中M2、M1、M0这3位的设置来决定的，具体对应关系如下：
M2M1M0 模式选择
0 0 0 模式0
O 0 1 模式1
x 1 0 模式2
x 1 1 模式3
1 0 0 模式4
1 O 1 模式5
③RW1和RW0是读／写指示位，具体为：
00-对计数器进行锁存操作，使当前计数值在输出锁存器中锁定，以便读出。 0 1一只读／写低8位字节。
1 0一只读／写高8位字节。
1 1一先读／写低8位字节，再读／写高8位字节。
④SC1和SC0用来选择计数器。不管是计数值格式设置、模式设置，还是读／写命令指示，对于82C54的3个计数器来说，互相都是独立的，因此，在设置控制字的时候，要指出是对82C54的哪一个计数器设置的，这便是SC1和SCo的功能。具体对应关系为：
0 O－选择计数器0。
0 1－选择计数器1。
1 O－选择计数器2。
1 1－无意义。
计数器通道。包括计数器0、计数器1、计数器2。它们的结构完全相同，彼此可以按照不同的方式独立工作。每个通道包括：一个8位的控制寄存器；一个16位的计数初值寄存器；一个计数执行部件，它是一个16位的减法计
数器；一个16位的输出锁存器。每个通道都对输入脉冲CLK按二进制或二一十进制，从预置值开始减l计数。当预置值减到零时，从OUT输出端输出一信号。计数过程中，计数器受到门控信号GATE的控制。
光子计数仪设计
基于仪器整体安装及可维护性的考虑，仪器采用整体形式。包括对仪器的控制，键盘操作及显示，仪器的传动部分及光子检测部分。采用96微孔板作为测量载体；为增强测量的定位准确度，运行的平稳性，光电检测系统以固定方式检测样品，送样机构可按要求进行Y方向及x方向顺序运动。采用可视性强的液晶显示器，可显示仪器当前所处状态及每孔测量结果。定义20种可选择的测量时间；可对微孔板的任意行数定义测量；数据输出采用外接打印机；原始数据可在主机独立测量完毕后由打印机输出。计算机控制测量可完全替代单机测量的功能，同时可在WINDOWS的操作软件包下进行样品区、标准区、阴阳性孔位定义、测量及数据处理。
硬件设计
本设计选用可编程定时器／计数器82C54，其最高计数频率可达12MHz充分利用82C54的定时器／计数器，防止程序进入死循环，增加了外部的硬件看门狗定时器MAX8 1 3L，其内部的看门狗定时器监控UP／UC的工作。如果在1．6s内未检测到其工作，内部的定时器将使看门狗输出WDO处于低电平状态，WDO将保持低电平直到在WDI检测到UP／UC的工作。将WR~NWDO连接可使看门狗超时产生复位。
具体硬件电路如图3所示。
软件设计
设置软件陷阱
当程序进入到非程序区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强迫程序回到初始状态。如对CPU的RST指令对应的字节码为0FFH，如果不用的程序存储区预先写入0FFH，则当程序因干扰而“飞”到该区域执行代码时，就相当于执行1条RST指令，从而达到系统复位的目的。
本设计选择82C54的模式O工作，计数器0、计数器1都工作于模式O：计数结束发出中断信号。
程序流程图如图4。
结论
整机无论从结构到电器性能都达到了设计要求，采用的原理科学，技术及关键器件先进。通过一段时间的使用，从各用户中反馈的信息都很满意。该样机从主机到应用软件符合国际设计潮流及临床操作要求。
参考文献：
1．石亚和，‘单片计算机接口技术，’东北大学自动化仪表教研室．
2．美国Atmel公司的89C55datasheet．
3．美国Intersil公司的82C54datasheet．
4．哈尔滨思创生物SC-I光子计数仪使用说明书．
5．何勇、王生泽，‘光电传感器及其应用，’化学工业出版社，2004年6月．