【文章內(nèi)容簡介】 節(jié)器硬件電路總體方框圖 最小單片機系統(tǒng)設(shè)計最小單片機系統(tǒng)就是指能使單片機工作所需的一些必備功能器件。在本設(shè)計中主要包括單片機芯片80C196KB、地址鎖存器74LS37程序存儲器2712靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器6264及譯碼器74LS138。 80C196KB單片機繼MCS51系列8位單片機后，Intel公司于1983年推出MCS96系列16位單片機。該系列單片機無論從硬件結(jié)構(gòu)，還是從指令系統(tǒng)都做了較大改進(jìn)，特別適合測控對象復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，實時性要求較高的應(yīng)用場合。如導(dǎo)彈制導(dǎo)控制，電子對抗，高性能汽車自動控制，工業(yè)機器人，高性能智能儀器等。 80C196KB的特點本設(shè)計所使用的80C196KB單片機其主要性能特點如下：(1) 高性能的16位CPU，主頻12MHz，采用了寄存器堆運算邏輯部件（RALU）。該CPU的最大特點是采用了寄存器寄存器結(jié)構(gòu)，CPU直接面向256B的寄存器空間，消除了累加器結(jié)構(gòu)中存在的瓶頸效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力；(2) 具有8KB的內(nèi)部程序存儲器，內(nèi)部程序存儲器可以加密；具有256B的內(nèi)部寄存器和專用寄存器，其中內(nèi)部寄存器為232B，它兼有通用寄存器和高速RAM的功能；(3) 與MCS51相比，單片機內(nèi)部增加了許多高性能功能部件，如I/O器（HSIO），特別適合快速脈沖的測量和生產(chǎn)；多通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，特別適合多路數(shù)據(jù)采集、智能儀器和工業(yè)控制系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域；脈寬調(diào)制輸出（PWM），可用于直接驅(qū)動電機類的執(zhí)行元件，或濾波后獲得直流輸出，作為D/A轉(zhuǎn)換器使用；外設(shè)事務(wù)服務(wù)器（PTS），專門用于處理外設(shè)中斷事務(wù)，和普通中斷服務(wù)過程相比，它能夠提供類似于直接存儲器存取DMA(Direct Memory Access)的響應(yīng)，大大減少了CPU的軟件開銷，從而提高了單片機的信息處理速度；(4) 有4條高速觸發(fā)輸入線和6條高速脈沖輸出線，同時具有兩個16位定時器；另外還有4個受高速輸出部件控制的軟件定時器；具有9個中斷源和8個中斷優(yōu)先級；(5) 8XC196XX內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器多具有轉(zhuǎn)換位數(shù)（有8位和10位）可選擇、采樣和轉(zhuǎn)換時間可選擇的特點，比8096中的A/D更靈活；(6) 運算能力和運算速度大大提高。在12MHz頻率輸入下，可實現(xiàn)16位加法運算（1μs），16位16位乘法和16位247。16位除法運算（）。許多指令既可用于雙操作數(shù)，也可用于三操作數(shù)，大大提高了指令效率，平均指令執(zhí)行時間為1μs~2μs；(7) 可使用面向工業(yè)控制的高級語言。如C語言、FORTH語言、PL/M語言等。本設(shè)計所用的80C196KB，是繼8096BH之后，Intel公司推出的高性能CHMOS16位單片機——8XC196XX系列中的一種。CHMOS芯片耗電少，除正常工作外還可工作于2種節(jié)電方式：待機方式和掉電方式，進(jìn)一步減少了芯片的功耗。 80C196KB的引腳介紹80C196KB是Intel公司的CHMOS型16位單片機8XC196XX系列的一種。它有68條引腳，： 80C196引腳圖由于芯片引腳較多，下面僅對本設(shè)計所涉及的主要引腳的功能予以描述：VCC：主電源電壓（+5V）；VSS：數(shù)字地（0V）；VREF：A/D轉(zhuǎn)換器和P0口的參考電壓（+5V）；AGND：A/D轉(zhuǎn)換器的參考地。必須與VSS保持同電位；ALE/：地址鎖存允許或地址有效輸出。變低時鎖存地址，并把它從地址/數(shù)據(jù)總線分離開；：存儲器選擇輸入。=1時，訪問2000H~3FFFH存儲器單元，指向片內(nèi)EPROM/ROM。=0時，全部存儲器的訪問指向片外存儲器；：復(fù)位輸入和開漏輸出。為了復(fù)位芯片，至少保持4個狀態(tài)周期，接著由低到高的跳變使CLOCKOUT重新同步并啟動了10個狀態(tài)周期的復(fù)位序列。在此序列中，清除了PSW，由2018H讀得的一個字節(jié)裝入CCR，并跳轉(zhuǎn)至2080H單元，開始執(zhí)行程序。正常操作時，輸入高電平，腳有內(nèi)部上拉；XTAL1：振蕩器反相器和內(nèi)部實時鐘發(fā)生器的輸入。若采用外部時鐘源，應(yīng)接至此腳；XTAL2：振蕩器反相輸出。若不接晶振或諧振電路，該腳應(yīng)浮置；CLKOUT：內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸出。頻率為1/2XTAL1，占空比為50%；：對外部存儲器的讀信號輸出。只有在讀外部存儲器期間是低電平；：對外部存儲器的讀和寫低位字節(jié)輸出。每次外部寫操作時，變低。只有寫偶字節(jié)時才變低。只有在寫外部存儲器期間，才有效；TXD/：在串行口模式2和3中，TXD作為發(fā)送腳。在模式0中，該腳作串行時鐘輸出用。該腳也可作輸出口；RXD/：串行口的接收腳。在模式0中，該腳用來作數(shù)據(jù)輸入或數(shù)據(jù)輸出。該腳也可作輸入口；PWM/：。PWM的占空比取決于裝入到PWM_CONTROL寄存器的值。該腳也可作輸出口；~：8位高阻輸入口。也用作A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，共8個通道ACH0~~；~：8位準(zhǔn)雙向I/O口。在本設(shè)計中用于接44矩陣式鍵盤；~~：有2種功能：① 具有開漏輸出特性的雙向口；② 訪問外部存儲器時，作為系統(tǒng)總線（AD0~AD15）。為低電平時，這些引腳總是作系統(tǒng)總線，否則，只有在訪問存儲器時才作總線[6]。 本設(shè)計中80C196KB單片機與外圍設(shè)備的連接在本設(shè)計中，80C196KB單片機外接12MHz晶振的JJ2與其XTAL1和XTAL2腳相連；串行接口芯片MAX485接在單片機的TXD和RXD兩個引腳上；看門狗芯片MAX705的腳與單片機的腳相連，；；D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果從PWM腳（）輸出；44矩陣式鍵盤接在P1口的8條引腳上；P3和P4口引腳作數(shù)據(jù)總線和地址總線用，與地址鎖存器74LS373線8線譯碼器74LS13總線收發(fā)器74LS24程序存儲器27128及數(shù)據(jù)存儲器6264相連，實現(xiàn)總線分離以及對外部存儲器的讀/寫等操作。 地址鎖存器74LS373的應(yīng)用74LS373是常用的地址鎖存器芯片，它實質(zhì)上是一個帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。在單片機系統(tǒng)中為了擴展外部存儲器，通常需要一塊74LS373芯片。在本設(shè)計中，采用74LS373作為地址鎖存器使用。 地址鎖存器74LS373的應(yīng)用電路80C196KB的P3口用作數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線，其先傳送地址碼的低8位，而后再傳送8位的數(shù)據(jù)碼。為了將地址線和數(shù)據(jù)線分離開來，用了74LS373鎖存器，其作用是鎖存P3口送出的低8位地址碼。這時，ALE鎖存信號為高，地址碼即進(jìn)入鎖存器，而后ALE鎖存信號變低，地址碼便被鎖存在鎖存器的輸出端，與P4口送出的高8位地址碼組成完整的16位地址碼。之后P3口傳送指令或數(shù)據(jù)代碼。在用373作地址鎖存器時，OE接地，LE接單片機的ALE信號，74LS373的數(shù)據(jù)輸入端D0~D7接P3口，74LS373的數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q7接存儲器的地址線A0~A7。這樣，當(dāng)ALE高電平時74LS373直通，使P3口輸出的低8位地址和P4口輸出的高位地址同時到達(dá)外部程序存貯器的地址線；而當(dāng)ALE降為低電平時，P3口低8位地址被74LS373鎖存保持，使外部程序存貯器的低8位地址信息維持不變，P3口讀到可靠的信息。 程序存儲器27128的應(yīng)用80C196KB不帶程序存儲器，所以要加外部程序存儲器。27128是16K8位的EPROM，單一+5V供電，工作電流為100mA，維持電流為40mA，讀出時間最大為250ns，DIP28封裝。27128有14條地址線A0~A13，8條數(shù)據(jù)輸出線O0~O7，為片選線，為數(shù)據(jù)輸出允許線，PGM為編程脈沖輸入端，Vpp為編程電源，Vcc為工作電源。 27128引腳圖 。 EPROM27128的應(yīng)用電路從上圖（）可知，本設(shè)計只接了13根地址線，并采用線選法與單片機80C196KB的總線相連，即將27128的片選控制端接到未用的高位地址線A15上。由地址線輸入的地址，經(jīng)x、y譯碼后選中內(nèi)部存儲矩陣中的一個單元，經(jīng)讀寫控制電路實現(xiàn)對該單元的讀出。8位數(shù)據(jù)線D0~D7與單片機80C196KB的P3口相連接，數(shù)據(jù)輸出允許線接至單片機80C196KB的RD端。 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器6264的應(yīng)用在程序運行中，有大量的臨時數(shù)據(jù)要暫存在存儲器中，將其存入單片機內(nèi)顯然是不合理的，因此選用8K的RAM6264作為數(shù)據(jù)存儲器。6264是一種8K8的靜態(tài)存儲器，主要包括512128的存儲器矩陣、行/列地址譯碼器以及數(shù)據(jù)輸入/輸出控制邏輯電路。地址線13位，其中A3~A12用于行地址譯碼，A0~AA10用于列地址譯碼。 6264的工作方式方式功 能000禁止不允許和同時為低電平010讀出數(shù)據(jù)讀出001寫入數(shù)據(jù)寫入011選通芯片選通，輸出高阻態(tài)1未選通芯片未選通。本設(shè)計采用全譯碼法與單片機80C196KB的總線相連。其中13根地址線A0~A12的低8位A0~A7與地址鎖存器74LS373的輸出端Q0~Q7相連，高5位A8~A12分別連至單片機80C196KB的P4口的低5位；8根數(shù)據(jù)線D0~D7與80C196KB的P3口相連；兩個片選端、CS2中的端接譯碼器74LS138（IC10）的譯碼輸出端Y0，CS2直接接高電平，使其始終有效；數(shù)據(jù)輸出選通端和寫信號端分別與單片機80C196KB的RD與WR端相連。 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器6264的應(yīng)用電路 譯碼器74LS138的應(yīng)用 74LS138為3線－8線譯碼器，它有三個輸入端，三個控制端及8個輸出端引腳。當(dāng)一個選通端（E3）為高電平，另兩個選通端（和）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。圖中IC11芯片的選通端的輸入信號來自單片機80C196KB的RD端與WR端相與的輸出信號。其它引腳的輸入/輸出信號將在其它模塊中介紹，這里就不再贅述了。 譯碼器74LS138的應(yīng)用電路 前向通道設(shè)計本設(shè)計的前向通道包括數(shù)據(jù)選通器、放大電路及A/D轉(zhuǎn)換。 數(shù)據(jù)選通器4052A的應(yīng)用在微型計算機測量及控制系統(tǒng)中，往往需要對多路或多種參數(shù)進(jìn)行采集和控制。由于微型計算機的工作速度很快，而被測參數(shù)的變化比較慢，所以一臺微型機可供十幾到幾十個回路使用。但是微型計算機在某一時刻只能接收一個通道的信號，因此必須通過多路開關(guān)進(jìn)行切換，使各路參數(shù)分時進(jìn)入微型計算機。多路開關(guān)的主要用途是把多個模擬量參數(shù)分時地接通并送入A/D轉(zhuǎn)換器，即完成多到一的轉(zhuǎn)換；或者把經(jīng)計算機處理且由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號按一定的順序輸出到不同的控制回路（或外部設(shè)備）中，即完成一到多的轉(zhuǎn)換。前者稱為多路開關(guān)，后者叫做多路分配器，或叫做反多路開關(guān)。本設(shè)計所用的4052A是獨立4通道數(shù)據(jù)選通器（雙4通道多路開關(guān)）。 數(shù)據(jù)選通器4052A的應(yīng)用電路 上圖（）是本設(shè)計的多路開關(guān)硬件連接圖。由圖可知，電路的核心芯片4052A的地址信號及片選信號都來自8D觸發(fā)器（8位地址鎖存器）74LS273（IC9）。兩片4052A的數(shù)據(jù)都通過模擬信號輸入/輸出插口J4進(jìn)行輸入/輸出。其中，第一片4052A（IC12）用于接收輸入的4路模擬電壓信號，其輸出數(shù)據(jù)（電壓量）直接送往放大電路進(jìn)行放大；第二片4052A（IC13）用于輸出經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換后的電流信號，其輸出數(shù)據(jù)（電流量）直接用來控制被控對象。 運算放大電路。 三運放高共模抑制比放大電路上圖（）所示電路是目前廣泛應(yīng)用的高共模抑制比放大電路。它由三個集成運算放大器組成，其中UU2為兩個性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同相輸入精密集成運算放大器，構(gòu)成平衡對稱（或稱同相并聯(lián)型）差動放大輸入級，U3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進(jìn)一步抑制UU2的共模信號，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。由于UU2性能一致，輸入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在R11兩端抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部匹配電阻。但為了消除UU2偏置電流等的影響，通常取R12=R13。另外，這種電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)R11可以改變增益而不影響電路的對稱性。本設(shè)計中的UUU3選用的是偏置電壓及電流小、增益大的精密型集成運算放大器OP07（偏置電壓特別小為25μV，環(huán)路增益大，低噪聲性最好，輸入特性比uA741還要好兩位數(shù)），使該電路獲得相當(dāng)優(yōu)良的性能。 A/D轉(zhuǎn)換本設(shè)計所選用的單片機80C196KB片內(nèi)集成了10位A/D轉(zhuǎn)換器。共有8個模擬量輸入通道，~~ACH7。A/D轉(zhuǎn)換由一個8通道的模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、一個采樣/保持電路、一個10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、A/D命令寄存器、A/D結(jié)果寄存器和控制邏輯組成。外部模擬信號被選通后，由采樣/保持電路采樣和保持后，逐次與內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器的輸出作比較，共比較10次。A/D命令寄存器位于02H單元，用于選擇轉(zhuǎn)換通道號和轉(zhuǎn)換啟動方式。每次A/D轉(zhuǎn)換都要重寫命令寄存器。且應(yīng)注意：在新的轉(zhuǎn)換開始前，應(yīng)把原結(jié)果讀走。A/D結(jié)果寄存器位于02H和03H。它不能按字讀取，必須按2個字節(jié)分別讀取。結(jié)果寄存器除了存放轉(zhuǎn)換結(jié)果外，還包括有通道號及A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信息。A/D轉(zhuǎn)換過程：執(zhí)行HSO的0FH通道命令或者向A/D命令寄存器的GO位寫一個 “1”，就啟動了轉(zhuǎn)換過程。一旦A/D單元接收到開始轉(zhuǎn)換信號后，在采樣前將有一個延時（采樣延時），在這段時間內(nèi)，逐次逼近寄存器將復(fù)位，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選通到適當(dāng)?shù)耐ǖ郎?。采樣延時后，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出將連接到采樣保持電容上，并保持接通4個狀態(tài)周期（采樣時間）。4個狀態(tài)周期后，“采樣窗口”關(guān)閉，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與采保電容斷開，因而在轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行中，模擬輸入腳上的信號變化不會改變采保電容上所存儲的電荷?！安蓸哟翱凇币魂P(guān)閉，比較器自動調(diào)零，轉(zhuǎn)換開始。逐次逼近的基本原理是：把一個以二進(jìn)制規(guī)則變化的參考電壓序列逐次與模擬輸入作比較，以尋找一個與輸入最接近的參考電壓[6]。 人機交互接口設(shè)計 鍵盤電路設(shè)計獨立按鍵編程簡單但占用口I/O多，不適合在按鍵較多的場合應(yīng)用。而本設(shè)計中需要16個