臺灣博碩士論文加值系統

本研究主要是設計一顆八位元之微控制器，並將其應用於離子感應場效電晶體(Ion sensitive field effect transistor, ISFET) 感測器陣列訊號之讀取、校正與補償。由於ISFET感測器陣列中的每個感測器所輸出電之壓準位不同，且會因溫度的變化、量測的順序與反應時間的長短不同而使輸出的訊號產生漂移，所以在量測上不僅需要計算出相對的靈敏度，還需要做校正與補償，因此在本研究中是以自己所設計開發的微控制器來進行資料的運算與程序的控制，藉以進行感測器陣列的補償與校正，並計算出精準的pH值。
　　
陣列型酸鹼溶液濃度量測系統與傳統單一感測器相比，確實是可提高量測值的可靠度、穏定度與準確度，且若能具有即時量測之功能，並提供操作方便之介面則更可提高其使用性與方便性。將所設計之微控制器應用於陣列型酸鹼溶液濃度量測系統，除減少電路設計之複雜度與降低晶片面積外並可達中央控制系統之目的，晶片微小化後則可提升其應用範圍，在本論文中除對所設計之微控制器做一深入的探討外，並說明如何以所設計之微控制器完成一酸鹼度計(pH meter)。

The objective of this research is to design an eight-bit microcontroller, which is used in a portable array-type pH-meter with ISFET sensors. With this controller, we can improve reliability, stability and accuracy of the pH-meter system. There are a lot of reasons will make the output signals produce by the sensor array drift in different experiments, such as the read-out voltages sensed by each sensor in ISFET sensor array have different reference levels, the variation in temperature, the orders we examined, and the different response time of each sensor. Therefore, we not only need to calculate the relative sensitivity in quantity, also need to adjust and compensate. In this reseach, we develop an eight-bit RISC architecture microcontroller and related software to do data calculation and process control.

Compare to the traditional single sensor, array type pH-meter have a better reliability, stability and accuracy of the system. If the system has a user-friendly interface, it will promote its usability. According to the experiments we have done, we find out applying the microcontroller to the pH-meter system can abate the complexity of the circuit design and the chip area. In this thesis, we will do a deep discussion about how to design the microcontroller, and explain how to apply this microcontroller in a pH-meter system.

摘要 ………………………………………………………………… i
ABSTRACT ………………………………………………… ii
誌謝 ………………………………………………………………… iii
目錄 ………………………………………………………………… iv

第一章 緒論 ………………………………………………………… 1
1-1 研究背景 …………………………………………… 1
1-2 研究動機與目的 …………………………………… 3
1-3論文架構簡介及研究流程………………………… 4
第二章 微控制器之設計流程與方法 ……………………… 7
2-1 RISC架構 ………………………………………… 7
2-2 RISC_8指令集 ….......……………………………… 7
2-3 RISC_8之架構 ……………………………………… 8
2-4 RISC_8暫存器之配置 ……………………………… 11
2-5 RISC_8管線化 …...………………………………… 13
2-6 RISC_8指令集組譯器……….………………………. 15
2-7 RISC_8指令集仿真器 …..……………….………… 18
2-8 RISC_8 模擬驗證　…………………………………... 19
第三章ISFET感測器訊號之量測、校正與補償……………… 21
3-1 ISFET感測器陣列訊號讀取電路 ………………… 21
3-2 ISFET感測器訊號之校正 ………………………… 22
3-3 ISFET感測器訊號之溫度補償……………………… 24
3-4 ISFET感測器陣列之時漂校正……………………… 26
第四章 酸醶度計之系統設計 ……………..……….………… 28
4-1 系統架構 ……………………….………………………… 28
4-2 酸醶度計系統程式之流程 ……………………………… 37
4-3 酸醶度計之量測與計算 ……………………...…………… 38
4-4 二進碼對二進制十進碼 ………………..……………...... 39

第五章 結論與未來展望 ……………………………………… 40
結論 …………………………………………………………… 40
未來展望 ……………………………………………………… 42

參考文獻 ……………………………………………………………. 45
附錄A ………………………………………………………………… 46
附錄B ………………………………………………………………… 49
附錄C ………………………………………………………………… 54
附錄D ………………………………………………………………… 55
附錄E ………………………………………………………………… 56


圖 目 錄
圖1-1 ISFET基本結構 ………………………………………… 2
圖1-2 研究流程圖 ……………………………………………… 5
圖1-3 酸醶度計系統架構圖 ……………………………………… 6
圖2-1 Instruction layout for RISC_8 …………………………. 7
圖2-2 RISC_8系統方塊圖 ……………………………………… 8
圖2-3全加器電路 ………………………………………………… 9
圖2-4加/減法電路 ………………………………………………… 9
圖2-5加/減法電路之概念 ………………………………………… 10
圖2-6邏輯運算單元 ……………………………………………… 10
圖2-7 ALU之結構圖 ……………………………………………… 11
圖2-8 RISC_8暫存器之位址配置圖 …………………………… 12
圖2-9 RISC_8三級管線化示意圖 ……………………………… 13
圖2-10 RISC_8 Data Path ………………...…………………….. 14
圖2-11 Branch 指令之處理時序 ………………………………… 14
圖2-12 RISC_8 Assemble 輸出檔 ………………………………… 15
圖2-13 RISC_8 Instruction Set Simulator .……………………… 19
圖2-14 RISC_8 於 FPGA驗證時所用之SignalTap-II ………… 19
圖3-1定電壓定電流橋式源極浮接訊號讀取電路 ……………… 22
圖3-2 三點校正與時漂校正之曲線示意圖 ……………………… 23
圖3-3 不同溫度下的ISFET之IDS對VGS特性曲線 ………… 24
圖3-4 感測器陣列之操作點調整電路圖 ……...…………………… 25
圖4-1 pH meter系統方塊連接圖 ……...………………………… 28
圖4-2 ADG708 ………………………………………………………. 30
圖4-3 TMP35 ……………………………………………………….. 30
圖4-4定電壓定電流源極追隨訊號讀取電路 ..………………….. 31
圖4-5橋式讀出電路虛線方框1及2均可看成一低通濾波器… 32
圖4-6 LTC1273 ……………………………………………………… 33
圖4-7半矩式鍵盤電路 ……………………………………………… 34
圖4-8半矩式鍵盤電路之掃瞄訊號 ………………………………… 35
圖4-9 20x2 LCD/LCM ……………………………………………. 35
圖4-10 RISC_8微控制器 …………………………………………… 36
圖4-11 pH meter 系統程式流程圖 ……….………………………… 37
圖5-1 RISC_8 於 FPGA邏輯合成 ………………………………… 40
圖5-2 RISC_8 於 FPGA邏輯合成結果 …………………………… 41
圖5-3 RISC_8 含pad之電路示意圖 ……………………………… 41
圖5-4 RISC_8 於 TSMC.18 Standard-cell邏輯合成之結果 ..…… 42
圖A-1 pH 感測器陣列實體外觀 ………………….………………… 46
圖A-2 波蘭所提供之pH感測器晶圓 ……...……………………… 46
圖A-3 pH感測器於晶圓上之相對位置 …….……………………… 47
圖A-4 pH感測器各端點 ……………………………………………. 47
圖A-5鎊線後之pH感測器 ……………………………………….. 48

表一 不同感測膜之pH ISFET特性比較 ...……………………… 21
表二 操作在非等溫點及接近等溫點之溫度係數 ………………… 25

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