【文章內(nèi)容簡介】 16 第 四 章 硬件及接口 電路 的設(shè)計 一 、 概述 本次設(shè)計的自動涂膠機采用 MCS51 的典型產(chǎn)品 8031 進行控制，因為其體積小、功能強和價格低廉的優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于自動化領(lǐng)域。由于 8031 是沒有 ROM 的單片機，數(shù)據(jù)存儲器也只有 128K 字節(jié)，因此它必須外接 EPROM 程序存儲器，才能構(gòu)成最小系統(tǒng)。 8031 的外部程序存儲器主要存放處理程序，也能存放處理程序所必需的常數(shù)?；镜臄U展包括：擴展片外程序存儲器 /擴展片外數(shù)據(jù)存儲 器 /擴展并行 I/O接口。 采用 74LS373 鎖存器 、 74LS138 譯碼器的輸出作為片選信號。 本系統(tǒng)擴展了一片 8255 可編程接口芯片和一片 8279 芯片。 二 、 主要芯片 的說明及接口簡圖 8031 引角說明 ： 8031 是無 ROM 型的單片機，它必須外接 EPROM 程序存儲器。 8031 的外部存儲器主要存放處理程序，也能存放處理程序所需的常數(shù)。 8031 最多可外擴 64K 程序存儲器， 64K 程序存儲器中有 5 個單元具有特殊用途，分別對應(yīng) 5 種中斷源的中斷服務(wù)入口地址。 8031 有一個可編程的、全雙工的串行接口。串行口可以通過指令設(shè) 置成四種不同的工作方式的一種，但主要 （ 1）、電源引腳 VCC：正常運行和掉電工作時的電源電壓。 VSS：電源接地端。 （ 2）、 I/O 總線 P0 口： P0 口是一個 8 位雙向 I/O 口，每位能驅(qū)動 8 個 LS 型 TTLFU 載。 P0 角在寫入 1 后浮空，這時可用作高阻輸入。 P0 口也是訪問外部程序和數(shù)據(jù)存貯器的多路低位地址和數(shù)據(jù)總線。這時它在輸出 1時具有強的內(nèi)部提升。 P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部提升的 8 位雙向 I/O 口。 P1 腳在寫入 1 后由內(nèi)部提升置為高電平，這時它可用作輸入。作為輸入，從外部拉為低電平的 P1 腳將放出電流，因為它有內(nèi)部提升電阻。 P2 口： P2 口是一個具有內(nèi)部提升的 8 位雙向 I/O 口。 P2 腳在寫入 1 后由內(nèi)部提升電阻置為高電平，這時它可用作輸入。作為輸入，從外部拉為低電平的 P2 腳將放出電流，因為它有內(nèi)部提升電阻。 17 在從外部程序存貯器取指和使用 16 位地址（ MOVX @DPTR）訪問外部數(shù)據(jù)存貯器是 P2口輸出高位地址。這時在輸出 1時它使用強的內(nèi)部提升。在使用 8 位地址 （ MOVX @Ri）訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時 P2 口輸出特殊功能寄存器 P2 的內(nèi)容。 P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部提升的 8 位雙向 I/O 口。 P3 腳在寫入 1 后由內(nèi)部提升電阻置為高電平，這時它可用作輸入。作為輸入，從外部拉為低電平的 P3 腳將放出電流，因為它有內(nèi)部提升電阻。 （ 3）、控制總線 RST/VPD：復(fù)位輸入信號。振蕩器運行時該腳為高兩個機器周期將復(fù)位本器件。內(nèi)部有一個擴散電阻接 VSS，允許只使用一個接到 VCC 的外部電容實現(xiàn)上電復(fù)位。 ALE：訪問外部存貯器時用于鎖存低位字節(jié)地址的地址鎖存允許脈沖。 在一般情況下 ， ALE 輸入為振蕩器頻率的 1/6，可用作外部定時或時鐘。然而必須注意在每次訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時少一個 ALE 脈沖。 PSEN：外部程序存儲器控制信號，是外部程序存貯器的讀選通。 EA/VPP：訪問內(nèi)部程序存儲控制信號。 EA 必須接地從允許從外部程序存貯器 0000到 FFFFH 取指。如 EA 接 VCC，則除非程序計數(shù)器地址大于 0FFFH，器件總是從內(nèi)部程序存貯器取指。 （ 4）、時鐘 XTAL1：內(nèi)部振蕩器外接晶體引腳 1。 XTAL2：內(nèi)部振蕩器外接晶體引腳 2。 C230PF 2C1晶體XYAL2VccXTAL1MCS 51振蕩器的定時元件連接圖 18 外部時鐘VssXTAL1MC S5 1XTAL2HMO S器 件外部時鐘連接圖 MCS51 單片機為 40 腳雙列直線式結(jié)構(gòu)，其引腳排列如下： VccEA/VPPALE/PROGPSENXTAL2XTAL1VssRST/VPD /RXD /TXD803180518751MCS5 1單 片機的引腳圖 程序存儲器的擴展 在 MCS51 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，程序存儲器的擴展，對于 ROM 的單片機是不可缺少的工作。片外程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器的操作使用不同指令和控制信號，故允許二者的地址重復(fù)，片外可擴展的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器分別為 64K 字節(jié)。由于片外程序存儲器與片內(nèi)程序存儲器采用相同的操作指令，所以片內(nèi)、片外程序 存儲器的選擇靠硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。當(dāng) EA=0 時，不論片內(nèi)有無程序存儲器，片外存儲器的地址可從 0000H 開始設(shè)置（最大可到 FFFFH， 64K 字節(jié)，由外擴芯片容量決定）；但當(dāng) EA=1時，前 4K 字節(jié)地址 0000H0FFFH 為片內(nèi)程序存儲器所有，片外擴展的程序存儲器的地址只能從 1000H 開始設(shè)置（最大可到 FFFFH， 60K 字節(jié)，由外擴芯片容量決定）。 19 （ 1） 程序存儲器有單獨的地址編號（ 0000HFFFFH），使用單獨的控制信號（ PSEN 控制）和指令（ MOVC 查表指令）。 （ 2） 程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器共用地址總線與數(shù)據(jù)總線。 （ 3） 采用 線選法而不用地址片選譯碼。 I/O 口的擴展 “接口”是微處理器 CPU 與外界的連接部件（電路），是 CPU 與外界進行信息交換的中轉(zhuǎn)站。“接口技術(shù)”是研究 CPU 如何與外部世界進行最佳耦合與匹配，以實現(xiàn)雙方高效，可靠地交換信息的一門技術(shù)，它是軟硬件結(jié)合的體現(xiàn)，是微型計算機應(yīng)用的關(guān)鍵。 按 CPU 與外界交換信息的要求，一般來講，接口部件應(yīng)具有如下功能特點： （ 1）、數(shù)據(jù)緩沖功能 接口中一般都設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器或鎖存器，以解決高速 CPU 和低速外設(shè)之間的矛盾，避免丟失數(shù)據(jù)。另外，這些鎖存器常常有驅(qū)動作用。 （ 2）、設(shè)備選 擇功能 微機系統(tǒng)中通常都有多臺外設(shè)，而 CPU 在同一時間里只能與一臺外設(shè)交換信息，這就要借助接口的地址譯碼器對外設(shè)進行尋址。高位地址用于芯片選擇，低位地址用于選擇接口芯片內(nèi)部寄存器或鎖存器，以選定需要與 CPU 交換信息的外設(shè)。 （ 3）、信號轉(zhuǎn)換功能 由于外設(shè)所能提供和所需要的各種信號常常與微機總線信號不兼容，因此信號變換就不可避免，它是接口設(shè)計中的一個重要方面。通常遇到的信號變換包括：信號電平轉(zhuǎn)換、模 /數(shù)和數(shù) /模轉(zhuǎn)換、串 /并和并 /串轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)寬度變換及信號的邏輯關(guān)系和時序上的配合所要求的變換等。 （ 4）、接受、 解釋并執(zhí)行 CPU 命令的功能 CPU 發(fā)往外設(shè)的各種命令都是以代碼的形式先發(fā)到接口電路，再有接口電路解釋后，形成一系列控制信號送往外設(shè)的。為了實現(xiàn) CPU 與外設(shè)之間的聯(lián)絡(luò)，接口電路還必須提供寄存器的“空”或“滿”，外設(shè)的“忙”或“閑”等狀態(tài)信號。 （ 5）、中斷管理功能 當(dāng)外設(shè)需要及時得到 CPU 的服務(wù)，例如，在出現(xiàn)故障而要求 CU 進行刻不容緩的處理時，就應(yīng)在接口中設(shè)置中斷控制邏輯，由它完成向 CPU 提出中斷請求，進行中斷優(yōu)先級排隊，接收中斷響應(yīng)信號以及向 CPU 提供中斷向量等有關(guān)中斷事物工作。這樣，除了能使 CPU 實時處理 緊急情況外，還能使快速 CPU 與慢速外設(shè)并行工作，從而大大提高 CU 的效率。 （ 6）、可編程功能 為使接口具有較強的通用性、靈活性和可擴充性，現(xiàn)在的接口芯片多數(shù)都是可編 20 程的，這樣在不改變硬件的條件下，只改變驅(qū)動程序就可改變接口的工作方式和功能，以適應(yīng)不同的用途。 需要說明的是：上述功能并非每個接口芯片都同時具備，對不同配置和不同用途的微機系統(tǒng)，其接口芯片的功能及實現(xiàn)方式有所不同，接口電路的復(fù)雜程度相差甚遠。 MCS/51 共有四個八位并行口，即 P0— P3。對于 8031 來說，由于無片內(nèi) ROM，必須在外部擴展 ROM。這時，需要使用 P0、 P2 口作為地址總線輸出口及數(shù)據(jù)總線口使用。因此，對于 8031，只有 P1 口及 P3 口的一部分可提供給用戶作為 I/O 口使用，這對于系統(tǒng)是不夠的，需要進行 I/O 口擴展。 可編程 I/O 口的擴展 可編程 I/O 接口芯片電路復(fù)雜，功能較多，可滿足各種應(yīng)用要求。INTEL8155/8255CPU 是為 8031CPU 設(shè)計的通用 I/O 接口。 8255A 的外部引線與內(nèi)部結(jié)構(gòu) （如圖） PA4PA5PA6PA7WRRESETD0D1D2D3D4D5D6D7VCCPB7PB6PB5PB4PB3PA3PA2PA1PA0RDCSGNDA1A0PC7PC6PC5PC4PC0PC1PC2PC3PB0PB1PB2825582 55 的引腳配置圖 8255A 是一個單 +5V 電源供電， 40 個引腳的雙列 直插式組件其外部引線如圖所示：作為接口電路的 8055A 具有面向主機系統(tǒng)總線和面向外設(shè)兩個方面的連接能力。它的引腳正是為了滿足這種連接要求而設(shè)置的。 21 數(shù)據(jù)總線緩沖器讀/寫控制邏輯B組控制B組端口B（8）B組端口C下半部（4）A組端口C上半部（4）A組端口A（8）A組控制DBRDWRA0A1RESETCSCPU接口 內(nèi)部邏輯 外設(shè)接口I/OPA7~PA0I/OPC7~PC4I/OPC3~PC0I/OPB7~PB08255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 （ 1） 面向系統(tǒng)總線的信號線有： D0— D7：雙向數(shù)據(jù)總線。 CPU 通過它向 8255A 發(fā)送命令、數(shù)據(jù)； 8255A 通過它向CPU 回送狀態(tài)、數(shù)據(jù)。 CS：選片信號線，該信號低電平有效，有系統(tǒng)地址總線經(jīng) I/O 地址譯碼器產(chǎn)生。 CPU通過發(fā)高位地址信號使它變成低電平時，才能對 8255A 進行讀寫操作。當(dāng) CS 為高電平 時，切斷 CPU 與芯片的聯(lián)系。 A1， A0：芯片內(nèi)部端口地址信號線，與系統(tǒng)地址總線低位相連。該信號用來尋址 8255A內(nèi)部寄存器。兩位地址，可形成片內(nèi)四個端口地址。 RD：讀信號線，該信號低電平有效。 CPU 通過執(zhí)行 IN 指令，發(fā)讀信號將數(shù)據(jù)或狀態(tài)信號從 8255A 讀至 CPU。 WR：寫信號線，該信號低電平