基本信息
- 项目名称：
- 多功能数字集成芯片检测识别查询系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 多功能数字集成芯片检测识别查询系统具有芯片好坏检测，芯片型号识别，芯片替换查询的基本功能。具有支持用户对库中未涵盖芯片进行扩展，测试结果上位机界面直观显示，芯片pdf文档嵌在上位机软件内可直接查询，hex文件嵌在上位机软件内轻轻一按程序还原的扩展功能。该系统不仅蕴藏着可观的经济效益，还有巨大的社会效益，对普及电子知识尤其是数字电路知识有着明显的、直接的贡献。
- 详细介绍：
- 1.1作品研制背景 在进行电子电路的业余设计制作或实验教学中，会使用很多的数字集成芯片，多数芯片是重复利用过的，其中掺杂了一些已经损坏的芯片，如果使用了损坏的芯片就不能够完成电路的调试，通过普通的仪表仪器又很难在短时间内检测出芯片的好坏，常用的检测仪器，如万用表、欧姆表等，可以检测电阻、电容、二极管、三极管等分立电子元器件的好坏，但要用它们来检测数字集成芯片则就力不从心了。据了解，此类情况普遍存在于一些高校或高职类电子专业实践课程中，应用如此广泛的数字集成芯片，很需要一款设备可以直接检测它们的好坏。经查询，目前市场上存在一种可以对74系列、CD4000系列集成芯片进行检测的工程应用型测试仪，但是考虑到其价格较贵，而且设备体积庞大，主要用于工业生产检测领域，较难满足实验室使用。除此之外，此种设备只能对库中含有的芯片进行检测，而不支持用户进行库扩展。针对此种情况，我们设计了这款多功能数字集成芯片检测识别查询系统。 1.2作品工作原理 电路设置一个测试管座，管座设有为被测芯片供电的电源。将多数常用集成芯片的功能及相关信息储存在单片机存储器内。将要检测的集成芯片插到该管座上，将待测芯片的名称通过键盘输入给CPU，单片机通过对输出电流、输出电压直流参数进行测试，对真值表功能进行测试（同时完成“三态”（高阻状态）漏电流测试），以此来判断集成电路的好坏。 在上位机软件中建立一个界面，用来进行未知组合逻辑芯片的扩展。用户将芯片的使能条件、电源和地、真值表填写到芯片扩展界面的表格中，然后存储到AT24C16A中，便于检测端脱机使用。上位机软件建立一个库，用来存放芯片的pdf资料，检测端连接电脑后便可查询相应芯片的资料。 1.3作品功能 多功能数字集成芯片检测识别查询系统在脱离电脑使用时具有 1．检测已知型号的芯片（包括常用时序逻辑芯片），判断其好坏； 2．识别未知型号的芯片，判断其型号； 3．替换芯片型号的查询的基本功能。检测端基本功能说明： 芯片插入IC座中并检测端上电后，系统处于Ready状态，等待指令。指令可以是输入已知型号检测芯片好坏，如“功能”按键选74HC,“百位”选1，“十位”选3，“个位”选8，然后“执行”，这就是多功能数字集成芯片检测识别查询系统的检测功能。也可以直接按“执行”键，本系统会自动判断管脚数目，再搜索此管脚数的芯片的程序段并依次测试，直到可判断此芯片为“Good IC”或者列举完所有情况为止，这就是多功能数字集成芯片检测识别查询系统的识别功能。若库中有几款芯片的这真值表相同，芯片在识别时会显示几款型号，例如71HC138芯片插入IC座，按“执行”键后，会显示“74HC138”、“ 74HC137”、“Cd40138”、“Cd40137”，这就是多功能数字集成芯片检测识别查询系统的芯片替换查询功能。 与电脑连接后，具有 1．支持用户对未有芯片进行扩展； 2．测试结果上位机界面直观显示； 3．芯片pdf文档嵌在上位机软件内，可直接查询； 4．hex文件嵌在上位机软件内，轻轻一按程序还原的扩展功能。检测端与电脑连接后具有的扩展功能说明： 假设在库中不含74HC154（4线-16线译码器）芯片，该系统允许用户自己通过上位机软件将此芯片加到芯片库中，扩展芯片的信息存放在EEPROM中。用户扩展后的芯片库包含两部分，一是单片机程序中包含初始时的一千多种芯片的信息；二是EEPROM中用户扩展的芯片的信息。这就是支持用户对未有芯片进行扩展的功能。芯片检测的结果可以通过上位机界面直观的显示出来。该系统除了含有一个芯片库，还包含了一个芯片pdf文档库，方便用户查询芯片资料。为防止系统在使用中程序被损坏，上位机软件中还嵌入了单片机初始程序的hex文件，方便使用者复位单片机程序。 1.4 作品各组成部分介绍 1.4.1上位机软件的设计 上位机软件可与下位机（即检测端）连接使用，采用串口通信和USB口通信。 1．检测端与上位机连接后，测试结果可以在上位机界面上直观显示。显示组合逻辑芯片的逻辑图，在图上标注出完好的部分和损坏的部分。便于使用者准确、快速查找芯片损坏的部位。现有一片74LS00四2输入与非门，检测后发现其1、2、3引脚控制的与非门已损坏，而其余三片与非门完好，搭电路时我们就可以用余下的与非门，从而减少不必要的浪费。 2．提供芯片资料的查询功能。上位机软件把芯片库中所有芯片的pdf文档一一对应的封装到芯片文档库，并嵌在软件内。被检测芯片的文档可以由用户搜索调出，如同使用电子词典查阅单词一样，能够在短时间内根据输入的芯片型号为你查出该芯片的真值表及其逻辑表达式。若芯片完好被自动识别，芯片文档会在逻辑图界面上自动调出，用户自由选择是否显示。 3．单片机初始固化的主程序可一键还原。上位机软件还内嵌了初始主程序的hex文件，便于使用者在单片机程序不慎损坏后，能够自行快速下装。为了使软件更加体现人性化，这一功能通过软件界面的“程序初始化”选项卡来实现。可谓轻轻一按，一切如新。 4．使用者可以通过上位机软件扩展芯片库。对于库中不包含的芯片，上位机软件有“库扩展”选项卡，使用者可自行将芯片的真值表、使能条件及电源和地输入到“库扩展”界面的表格中。软件根据上述芯片资料，将必要的信息存放在电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）AT24C16A中。检测此芯片时，单片机调用I2C读取函数读取EEPROM中的内容。扩展的芯片信息存放在EEPROM中，不仅掉电不丢失，而且无须改变单片机固化的主程序和原始的芯片库。 1.4.2检测端设计 1．被检测芯片供电： 检测端采用外置5V直流电源供电，可以连接试验箱上的5V电源，也可用5V电源适配器供电，也可通过方口线连接电脑使用。考虑到大部分数字芯片的电源+5V和地分别是芯片的最右上脚和最左下脚,故本系统在处理不同引脚数芯片(如14引脚或16引脚 )的供电问题时是定VCC，不定GND（大部分芯片电源脚不是接5V就是接3.3V，接地管脚由程序控制给个低电平）。不同芯片的工作电源电压不同，数字芯片工作电源多为直流5V和3.3V，特殊的芯片要求电源电压在3.3v-5v之间，为了满足被测芯片对电源电压的要求，我们设计由LM317三端稳压管和数字电位器x9313来软件控制电压的产生，以使产生的电压尽量准确。 2．被检测芯片逻辑电平的提供与读取： 待测芯片各管脚电平不确定，任意管脚都可能是逻辑1、逻辑0或为悬空状态。本系统采用为每个管脚连接1 个P沟道的MOS管和1 个N沟道的MOS管，分别作为该管脚的逻辑1开关和逻辑0开关。两个MOS 管配合工作实现对待测芯片管脚的电源、接地、悬空三种状态的控制。仪器采用P沟道MOS管2502和N沟道MOS管6401设计电路，两者都具有较好的导通和截止特性，能够有效的实现对待测芯片管脚的三种状态控制。本系统采用地址控制的方式读取电平,将要提供的逻辑电平锁存于两片八进制 3态非反转透明锁存器 74HC573上，然后再通过一个4.7K的电阻提供给芯片，读取时通过地址控制的方式读取，并利用三态输出的八组缓冲器和总线驱动器74HC244使电平稳定。 3．检测结果的显示（显示电路） 显示电路的显示部分由7段数码管或LCD1602液晶组成。 数码管是LED显示器件，成本低，我们作品最先的显示部分就选择了它。数码管与LED点阵都是通过发光二极管的组合来显示内容的，相较于液晶显示器功率大，有“耗电之王”之称。显示数字芯片的型号，几片数码管就可以应付了。但是若想显示更多的信息，那就无能为力了。 LCD1602 液晶是一种字符型的液晶显示屏 ,显示信息量明显大于数码管。虽然与数码管相比成本略高 ,但具有控制简单，节省I/O，耗电少,显示信息量大的特点 ,最关键的是可以连接于本系统的总线上。将来随着多功能数字集成芯片检测识别查询系统的升级和功能扩展，用户将会对该系统有更大的信息量上的要求。所以，随着本系统功能越来越强大，需要显示的信息越来越多，我们会采用LCD1602液晶作为本系统显示电路的主要显示器件。 4．外部指令输入设计（按键选择电路设计） 按键部分含六个基本按键，功能选择类按键：“复位”、“功能”、“执行”，数字选择按键：“百位”、“十位”、“个位”。 复位按键：IC座中插入或更换芯片或想刷新一下重新检测时，须按下复位按键，让单片机程序重新开始执行。 功能按键：选择检测芯片的所属系列和具体型号，选择芯片型号识别要输入的芯片管脚数。 执行按键：将功能按键和数字选择按键敲入的芯片具体系列和型号的信息传送给单片机，要求单片机搜索此型号对应的程序段。 百位：74HC138 3线8线译码器的“1”。 十位：74HC138 3线8线译码器的“3”。 个位：74HC138 3线8线译码器的“8”。 5．电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）AT24C16A存储电路 此电路的功能是在检测端上存储用户扩展的芯片信息。将扩展的信息存储在EEPROM里而不是下装到单片机，这样做的好处是：○1不必改库，避免因芯片扩展频繁而造成程序损坏；○2信息存放在EEPROM中掉电不丢失，且检测端可脱离电脑检测此扩展的芯片；○3 AT24C16A有足够的ROM来存放芯片的信息（脱机运行用）。 6．单片机与电脑串口通信和USB口通信设计 串口通信： 串口通信使用3根线完成：（1）发送，（2）接收，（3）地线。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。 RS-232针脚的功能： TXD（pin 3）：串口数据输出(Transmit Data) RXD（pin 2）：串口数据输入(Receive Data) GND（pin 5）：地线 USB口通信： 随着笔记本电脑的普及，多数仪器同电脑的接口由串口改成了USB口。本系统也采用了USB口通信，用CH341芯片实现USB转串口。 CH341芯片的VCC引脚输入外部5v电源，并且V3引脚外接容量为4700pF 或者0.01uF的电源退耦电容。 7．单片机程序设计 程序编为以下程序模块：UART通信程序集、I2C通信程序集、芯片库芯片概要信息程序集（主要包含芯片的概要信息，这些信息有芯片电源电压、芯片引脚数、芯片所属系列等）、芯片库芯片详细信息程序集（包括组合逻辑芯片程序集、时序逻辑芯片程序集、各管脚程序集、74系列芯片程序集、cd4000系列芯片程序集）、数码管程序集、液晶显示程序集、按键选择程序集组成。 UART程序集用来实现CPU和电脑的通信。 I2C通信程序集用来实现CPU和外挂EEPROM的通信，CPU从EEPROM中读取用户扩展芯片的信息。 组合逻辑芯片程序集用来存放组合逻辑芯片的使能条件、电源和地、真值表等信息。 时序逻辑芯片程序集用来存放RAM芯片和EEPROM芯片的相关信息。时序逻辑芯片的检测比较难，目前我们的作品只能检测RAM和E方这两种芯片。随着我们对逻辑芯片研究的深入，特别是Clock Pulse模拟精确度提高后，会有更多的时序逻辑芯片能够被我们的作品检测好坏，未来时序逻辑芯片库扩展的空间很大。 各数目管脚程序集、74系列芯片程序集、cd4000系列芯片程序集是根据芯片的管脚数目、所属系列而分类的，这几个程序集相互嵌套调用，最大限度的提高程序执行效率。 数码管程序集、液晶显示程序集、按键选择程序集分别用来实现信息显示和指令输入。 研究报告上述检测端具有检测识别的功能，那么单片机程序是如何设计来更好的提高程序执行效率的呢？ 若是用户通过按键输入芯片型号，则程序首先在芯片库芯片概要信息程序集里寻找if(输入xinghao==库中芯片)判断语句，从中获取此芯片的电源电压、管脚数、所属系列等信息，然后调用芯片库芯片详细信息程序集中的各子集。执行这些子集，对输出电流、输出电压直流参数进行测试的同时，完成真值表功能测试。真值表功能测试的同时，完成“三态”（高阻状态）漏电流测试。然后将测试结果显示在数码管或LCD上。 输入芯片型号检测其好坏，程序运行时针对性强，执行效率高。若是型号已磨损，要想进行型号识别程序算法该如何设计呢？ 型号识别，用户可以在芯片插入IC座后，直接按“执行键”，也可以通过按键敲入芯片的管脚数，然后“执行”，后者的效率要比前者高。 未知型号芯片插入IC座后，若是直接按“执行”按键，程序首先调用时序逻辑芯片程序集判断是否为时序逻辑芯片，目前库中只有RAM和EEPROM时序芯片，比较容易筛选。在执行其他组合逻辑芯片程序集，需要一个程序一个程序的判断，显然效率较低，执行时间在1-2秒。 未知型号芯片插入IC座后，用户通过按键敲入此芯片的管脚数，然后“执行”，则程序调用此管脚数的程序集，并按优先级依次判断芯片是否含CP和所属系列，最后判断型号。显然，此法进行型号识别效率要高于前者。 判断优先级 ：1管脚数目；2芯片是否含CP（组合逻辑芯片、时序逻辑芯片）；3芯片所属系列及型号（74系列、CD4000系列）。 按优先级1将芯片按照管脚数目分类，分别编成几个程序集。 例如8脚、14脚、16脚、20脚、24脚等程序集，调用此程序集的同时CPU控制电路只将此数目的引脚置逻辑电平，其余IC座的引脚悬空。 程序中将芯片按优先级2分为两类来处理，一种是只有简单组合逻辑的芯片，如 74LS138译码器，由门的各种逻辑组合构成。这种芯片只要简单向引脚输入逻辑电平，然后读取输出引脚逻辑值是否正确便可进行判断；另一种是带Clock Pulse信号，有置数端、清零端的芯片，如计数器，触发器等。这种芯片同样需要先复位一下，然后读取复位以后的输出电平是否正确，再给时钟信号，读取测试时序图，最后如果有初值装载的就直接调用前面一类的函数测试装载是否正常。 按优先级3将芯片按照系列分为74系列和CD4000系列程序集。 1.5作品特点和优势 1．芯片库丰富，检测品种多 芯片库丰富，检测端可以检测74系列、CD4000系列集成芯片，检测千余种组合逻辑芯片和RAM、EEPROM时序逻辑芯片，可检测时序逻辑芯片的种类还在增加。 2．支持用户对新的芯片种类进行扩展 支持用户对新的芯片种类进行扩展，设备使用寿命不至于因数字芯片的更新换代而短命，拓宽了设备的使用范围，也增强了设备的市场竞争力。 用户可以通过上位机软件将未有芯片的使能条件和电源、地及真值表等信息填到软件界面的表格里，存储到检测端的AT24C16A中，信息存储在EEPROM中，不仅掉电不丢失而且检测端可以脱机使用。 3．检测端和上位机软件的人性化设计 脱离电脑使用时，检测端具有芯片好坏检测、型号识别、替换查询的功能。连接电脑后，还能够提供数字集成电路文档的查询，未知芯片的扩展，初始程序的还原。 4．市场广阔 适合各类学校学生，数字电路研发人员以及电子爱好者使用。为电子爱好者或者电子专业学生提供有效地学习工具，能为学生学习集成电路提供很大方便。学生查阅数字芯片，不仅缩短时间，而且使学生更直观的了解芯片。在实验教学中发挥更大作用，节省大量的教育经费。 5．工作稳定、性能可靠 该系统的检测端（硬件部分）是以8位单片机数据处理电路为核心，由电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）AT24C16A存储电路、串口与USB口双通信电路、稳压电源电路、7段数码管（或1602液晶）显示电路和过流保护电路组成。工作稳定，性能可靠。 6．便于普及，可作为仪器仪表进行推广 本装置通过PCB制板加以塑料外壳封装可以制成一体化的装置，体积可以大大减小，如同万用表一样随身携带，简直就是一款检测逻辑芯片的万用表。 1.6应用前景和市场预测 应用前景： 实验教学使用，该系统能够快速检测出数字逻辑芯片的好坏，将完好的数字芯片重复使用，节省大量的教育经费。 适合各类学校学生使用，学生查阅数字芯片pdf资料，不仅缩短时间，而且使学生更直观的了解芯片，为学生学习集成电路提供很大方便。 数字电路研发人员以及电子爱好者使用，在电子电路的调试及设计中发挥不可替代的作用。 商业检测使用，采购大量的数字芯片，该系统能够高效的辨别真伪。 多功能数字集成会像万用表，成为电子技术人员、电子专业学生、电子技术爱好者人手一台的工具；会像示波器，成为每个实验室必配的仪器。 市场预测： 如果将本装置通过PCB制版加以塑料外壳封装可以制成一体化的装置，体积可以大大减小，便于携带，应用场合不受限制。该系统成本分析约为300元人民币/台，建议售价800元/台。 全国两千余所高校，拥有工科教学实验室不下6万个，按一个实验室配一台计算，则有6万台（4800万人民币）的市场。 全国两千多万高校学生，电子、计算机专业学生也得两百万，照40个人配一台计算，则有5万台（4000万人民币）的市场。 全国电子工程师、电子爱好者有六七百万，照100个人配一台计算，则有6万台（4800万人民币）的市场。 全国涉及电子领域的公司、工厂不下几万家，在日常商务活动中需对大量的数字芯片进行检测，多功能数字集成芯片检测识别查询系统的需求量也大，照10万台计算，有8000万人民币的市场。 综合上述分析，那么多功能数字集成芯片检测识别查询系统全国拥有的市场是27万台，销售额2.16亿人民币，利润1.35亿人民币。21世纪的中国电子业正蓬勃发展，数字芯片的使用会越来越广，多功能数字集成芯片检测识别查询系统的潜在市场不可估量。 一言以蔽之，看看优利德，看看今天的万用表市场，你就知道明天我们的作品市场有多广阔。 1.7参考文献 1.吴霞,沈明.常用数字芯片检测装置开发[N].仪表技术 2008年第10期，文章编号:1006-2394(2008)10-0050-02. 2．康华光主编.电子技术基础 数字部分[M].高等教育出版社出版 书号ISBN 978-7-04-007986-9. 3. 关善亮等.智能数字芯片检测仪的研制[J].中国科技信息 2009年第11期. 4.浙江天煌科技实业有限公司.天煌教仪DZX-1型电子学综合实验装置说明书. 5.北京金三航科技发展有限公司.GT2100A数字集成电路多参数筛选测试仪说明书.
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：我们设计的作品不仅可以检测芯片好坏、识别芯片型号，更为重要的设计是它支持用户对库中未含芯片进行扩展，延长了设备的使用寿命，使它永不过时。 基本思路：单片机通过对真值表功能进行测试（同时完成“三态”（高阻状态）漏电流测试），以此来判断集成电路的好坏。通过上位机软件，用户可以对库进行扩展，从而扩展使用范围，延长设备的使用寿命。 创新点： 1.芯片好坏检测，芯片型号识别，芯片替换查询。2.人性化的上位机软件。芯片的pdf文档嵌在上位机软件中，便于用户查询；初始hex文件嵌于操作软件，便于还原。 3.时序逻辑芯片的检测。该系统可检测RAM类、EEPROM类和其它常用时序逻辑芯片的好坏。 4.本作品最大的创新点在于：库扩展，实现对新的芯片种类的测试，从而扩展了系统的测试范围，使系统永不过时！ 技术关键：实现当前库内不涵盖的芯片的测试、芯片引脚电平控制设计、过流保护设计、时序逻辑芯片检测设计、Clock Pulse模拟。 主要技术指标：1.芯片种类：检测74系列、CD4000系列千余种组合逻辑芯片，检测RAM类、EEPROM类和其它常用时序逻辑芯片并可根据需要对可测试逻辑芯片的种类进行（理论上）无限制扩展。2.测试速度：芯片好坏检测只需0.2-0.5秒；型号识别需要1-2秒。3.电源电压、功耗：工作电压5v，可采用实验箱5v或电源适配器供电。功耗18w/h。4.可靠运行时间：九年。5.体积、重量：宽15.4厘米，长25.5厘米，高10.5厘米。重量1-1.2Kg。
科学性、先进性
- 科学性、先进性： 我们作品——多功能数字集成芯片检测识别查询系统功能介绍： 在脱离电脑使用时它具有好坏检测、型号识别功能，与电脑连接后，具有 1．支持用户对库中未有芯片进行扩展； 2．测试结果上位机界面直观显示； 3．芯片pdf文档嵌在上位机软件内，可直接查询； 4．hex文件嵌在上位机软件内，轻轻一按程序还原的扩展功能。 多功能数字集成芯片检测识别查询系统比起北京金三航科技发展有限公司的GT2100A数字集成电路多值逻辑测试仪突出的创新点在于用户可通过上位机软件自行扩展未知芯片，使系统永不过时。
获奖情况及鉴定结果
- 未有
作品所处阶段
- 实验室阶段，样机
技术转让方式
- 未转让
作品可展示的形式
- 现场演示 图片 实物、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 具有好坏检测、型号识别、替换查询的基本功能。与电脑连接后，具有支持用户对未有芯片进行扩展、测试结果上位机界面直观显示、芯片pdf直接查询、hex文件一键还原的扩展功能。 技术特点和优势： 1.芯片库丰富，检测品种多。2.支持用户对新的芯片种类进行扩展。3.检测端和上位机软件的人性化设计。4.工作稳定、性能可靠。 作品使用范围、推广前景： 实验教学使用，每年它可以至少为我们节省千万人民币的教育经费。适合各类学校学生使用，为学生学习集成电路提供很大方便。电子爱好者使用，在电子电路的调试及设计中发挥不可替代的作用。 市场分析与经济效益预测： 成本约为300元人民币/台，建议售价800元/台。高校实验室使用有6万台的市场。高校电子专业学生使用有5万台的市场。全国电子工程师、电子爱好者使用有6万台的市场。全国涉及电子领域的公司使用量按10万台计算，有8000万人民币的市场。综合上述分析，它全国拥有的市场是27万台，销售额2.16亿人民币/年，利润1.35亿人民币。
同类课题研究水平概述
- 据我们了解，北京金三航科技发展有限公司在数字芯片检测领域技术比较成熟，它的GT2100A数字集成电路多值逻辑测试仪是数字芯片检测设备的典型代表，它可以实现的功能有： 1．测试电源拉偏状态下，输出电平加载测试。 2．对输出电流、输出电压直流参数进行测试的同时，完成真值表功能测试。 3．真值表功能测试的同时，完成“三态”（高阻状态）漏电流测试。 4．对IC 输入电流、功耗电流测试。 5．输入漏电流及交叉漏电流测试。 6．测试过程无须人工干预。 7．用户可以自选测试模式，使用方便、操作简洁。 8．可自动识别74 系列中的CMOS 器件。 9．可以查找未知IC 的型号。 多功能数字集成芯片检测识别查询系统比起北京金三航科技发展有限公司的GT2100A数字集成电路多值逻辑测试仪突出的创新点在于用户可通过上位机软件自行扩展未知芯片，对于库中不包含的芯片，上位机软件有“库扩展”选项卡，使用者可自行将芯片的真值表、使能条件及电源和地输入到“库扩展”界面的表格中。软件根据上述芯片资料，将必要的信息存放在电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）AT24C16A中。检测此芯片时，单片机调用I2C读取函数读取EEPROM中的内容。扩展的芯片信息存放在EEPROM中，不仅掉电不丢失，而且无须改变单片机固化的主程序和原始的芯片库。
