外部总线接口技术.ppt

第8章 单片机小系统及片外扩展,8.1 单片机小系统及应用8.2 并行扩展三总线的产生8.3 扩展数据存储器8.4 几种外部串行总线工作方式,2,8.1 单片机小系统,一个最小的单片机微机系统由三片集成块组成,它们是CPU(8031)、8位3态D锁存器74LS373、ROM或RAM。习惯上将这三样称作老三件。当然有了这三件单片机还是不能工作，还要加上一个时钟电路和复位电路，由这些基本电路组成一个完整的最小系统，见图8-1，该电路可提供P1口、P3口作为用户的输入、输出口（I/O）。,3,8031 最小系统,4,89C51 最小系统,5,8.1.1单片机最小系统的应用,最小系统只是单片机能工作的最低要求，它不能对外完成控制任务，还不能人机对话，要进行人工对话还要一些输入、输出部件，作控制时还要执行部件。常见的输入部件:开关、按钮、键盘、鼠标等输出部件:指示灯、数码管、显示器等执行部件:继电器、电磁阀等,6,8051彩灯控制器电路图,7,彩灯控制器设计,设计过程:对于彩灯控制器，只要在口线上加线驱动器就行。因8051每个口带负载的能力有限，也就是说在P1口的8根口线上同时直接接8个指示灯，若编程让8个灯同时亮，这时，8个灯一个也不亮，最多能接4个，要想8个指示灯能同时亮的方法是每一个口线加驱动，一般用同向放大器或反向放大器作为驱动器，若驱动电流还不够，应改用三极管作驱动器件，根据以上设计思路，加了8个发光二极管、8个电阻和8个同向放大器（74LS244），电阻是限流电阻，调整阻值使发光管最亮，电流又最小。,8,8.1.2 I/O端口的编址,1I/O端口和存储器统一编址方式 I/O端口和存储器公用一个地址空间，端口与存储器统一编址，即把每个I/O端口当做一个存储单元，给它分配存储空间的一个地址。2I/O端口独立编址方式这种方式是端口地址与存储器地址分开编址。对I/O端口独立编址，需要专门的I/O指令和接口信号访问I/O端口。,9,8.1.3 I/O口的直接应用,从P1.0P1.3输入开关状态，再经P1.4P1.7输出去驱动发光二极管，使发光二极管显示开关的状态。,10,程序如下：,ORG0000H AJMP MAIN ORG0030HMAIN：MOV P1，#0FH；熄灭发光二极管MOVA，P1；读入开关状态SWAPA；A高低半字节交换MOV P1，A；开关状态输出AJMP MAINEND,11,扩展I/O接口所用的芯片主要有通用可编程I/O芯片和TTL、CMOS锁存器、三态门电路芯片两大类。,简单并行I/O接口的扩展,12,采用74LS244做扩展输入、74LS273做扩展输出的简单I/O扩展电路。,13,程序如下：,ORG0000H AJMP MAIN ORG0030HMAIN：MOV DPTR，#0FEFFH；数据指针指向I/O口地址 MOVX A，DPTR；从244读入数据，检测按键MOVX DPTR，A；向273输出数据，驱动LEDAJMP MAINEND,14,8.1.4 显示器的扩展,1LED显示器的结构与原理,共阴极,共阳极,15,十六进制数字形代码表,16,2LED显示器接口方法,（1）以硬件为主的接口方法,17,（2）以软件为主的接口方法,18,8.1.5 矩阵式键盘的扩展,键盘上的键按行列构成矩阵，在行列的交点上都对应有一个键。所谓键实际上就是一个机械开关，被按下则其交点的行线和列线接通。非编码键键盘接口技术的主要内容就是如何确定被按键的行列位置，并根据此产生键码。,19,1键输入过程与软件结构,20,2键盘输入接口与软件应解决的任务,（1）键开关的可靠输入 抖动的处理有硬件处理和软件处理两种。（2）按键编码与键号定义（3）键盘检测与编制键盘程序,21,3矩阵式键盘电路的结构及工作原理,一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘。,22,扫描方法：先令列线Y0为低电平（0），其余3根列线Y1、Y2、Y3都为高电平，读行线状态。如果X0、X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态；如果Y0这一列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。用同样的方法检查Y1这一列上有无键闭合，依次类推，最后使列线Y3为低电平，其余列线为高电平，检查Y3这一列有无键闭合。,23,4键盘接口举例,82行列式键盘扫描接口电路,24,键盘扫描的程序（采用查询方法）,KS：MOVDPTR，#7FFFH；键扫描程序CLRP1.0；先扫描第1列（即07号键）MOVXA，DPTR；读入按键状态MOV37H，A；暂存按键状态CPLA；JZKSK1；07号键没有键操作，则跳LCALLDL20；07号键有操作，则延时去抖MOVXA，DPTR；再读键状态XRLA，37H；和延时前的状态一样吗？JZKS1；一样，则转去查询键号KSK1：SETBP1.0；开始扫描第2列，8F号键CLRP1.1MOVXA，DPTR；读入按键状态MOV37H，A；暂存按键状态CPLAJZKSK2；8F号键没有键操作，则跳LCALLDL20；8F号键有操作，则延时去抖,25,MOVXA，DPTR；再读键状态XRLA，37H；和延时前的状态一样吗？JZKS1；一样，则转去查询键号KSK2：AJMPKS9；8F号键也不存在操作，则跳KS1：MOVXA，DPTR；再读按键状态CPLAJNZKS1；按键没有松开，则等待松开MOVA，37H；查询有键操作的键号JBACC.0，KS2；不是第1个键，则跳MOV37H，#00H；赋键初值AJMPKS10KS2：JBACC.1，KS3；不是第2个键，则跳MOV37H，#01H；赋键初值AJMPKS10 KS9:AJMP KS9,26,8.1.6 输出执行部件,1 继电器继电器是用低电压控制高电压的器件，它分为线圈、铁芯、衔铁、触点，触点有常开触点、常闭触点之分。在开关特性上有单刀单置、双刀单置、单刀双置、双刀双置、单刀多置、双刀多置之别。2 光耦 光耦在电路中起隔离作用，由光作为信号传递媒介（工具），将单片机和外部设备在电器隔离。有三极管型光耦（又分带基极型和不带基极型）、可控硅型光耦（又分单向可控和双向可控）。,27,（a）继电器（b）光耦符号 继电器和光耦符号,28,继电器接口,29,常用的光电耦合的隔离作用有两种：一是输入信号隔离，用于单片机应用系统的前向通道，可防止由输入信号带来的干扰；二是控制隔离，用于系统的后向通道，可以防止来自强电开关上的干扰。,(a)发光二极管光晶体管(b)发光二极管光电阻器(c)高速光电耦合器,30,2.光电耦合器(隔离器)件及驱动接口,后向通道往往所处环境恶劣，控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁干扰较为严重。为防止干扰窜入和保证系统的安全，常常采用光电耦合器，用以实现信号的传输，同时又可将系统与现场隔离开。晶体管输出型光电耦合器的受光器是光电晶体管，如图所示。,光电耦合器4N25的接口电路,31,3 固态继电器的接口,普通继电器由于开关速度慢，易跳火、易机械磨损，通常用于要求不高的场合。在某些特殊应用场合，比如防火防爆等系统中则应采用固态继电器，固态继电器是一种无触点的电子继电器，它的输入端只要很小的控制电流，可以与单片机的I/O口直接连接，输出则采用双向晶闸管控制，其输入输出间均通过内部光电耦合器隔离，可以防止信号间的干扰，是单片机接口的理想器件。随着其技术的成熟、应用的广泛，价格也已经非常的便宜。1A/250V的目前在10元左右，当一端所接的P1.0为高电平时SSR导通负载工作,32,固态继电器内部结构,I/O口线与SSR接口电路,33,4N40和MOC3041的接口驱动电路。4N40是常用的单向晶闸管输出型光电耦合器，也称固态继电器。MOC3041是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器(固态继电器)。,晶闸管输出型光电耦合器驱动接口,34,8.2 并行扩展三总线的产生,通常情况下，微机的CPU外部都有单独的并行地址总线、数据总线和控制总线，而89C51单片机由于受引脚的限制，数据线和地址线是复用的，而且由口线兼用。为了将它们分离出来，以便同单片机片外的芯片正确地连接，需要在单片机外部增加地址锁存器，从而构成与一般CPU相类似的片外三总线，如图825所示。采用74HC373作锁存器的地址总线扩展电路如图826所示。,35,图825 89C51扩展的并行三总线,图826 89C51地址总线扩展电路,36,引脚图 功能表图8-27 74LS373引脚图和功能表,37,由89C51 P0口送出的低8位有效地址信号是在ALE(地址锁存允许)信号变高的同时出现的，并在ALE由高变低时，将出现在P0口的地址信号锁存到外部地址锁存器74HC373中，直到下一次ALE变高时，地址才发生变化。,38,8.2.1 片外三总线结构,所谓总线，就是连接系统中各扩展部件的一组公共信号线。按照功能，通常把系统总线分为3组，即地址总线、数据总线和控制总线。89C51单片机的片外引脚可构成如图8-25所示的并行三总线结构，所有的外围芯片都将通过这三种总线进行扩展。,39,1.地址总线,地址总线(Address Bus,AB)用于传送单片机送出的地址信号，以便进行存储单元和端口的选择。地址总线是单向的，只能由单片机向外发送信息。地址总线的数目决定了可直接访问的存储单元的数目。例如，n位地址可以产生2个连续地址编码，因此，可访问2个存储单元，即通常所说的寻址范围为2个地址单元。89C51单片机存储器扩展最多可达64 KB，即2个地址单元，因此，最多需16位地址。,40,2.数据总线,数据总线(Data Bus,DB)用于单片机与存储器之间或单片机与端口之间传送数据。数据总线的位数与单片机处理数据的字长一致。例如，89C51单片机是8位字长，所以，数据总线的位数也是8位。数据总线是双向的，可以进行两个方向的数据传送。,41,3.控制总线,控制总线(Control Bus，CB)是单片机发出的以控制片外ROM、RAM和口读写操作的一组控制线。,42,8.2.2 系统扩展的实现,1.以P0口作地址数据总线此处的地址总线是指系统的低8位地址线。因为P0口线既用作地址线，又用作数据线(分时使用)，因此，需要加一个8位锁存器。在实际应用时，先把低8位地址送锁存器暂存，然后再由地址锁存器给系统提供低8位地址，而把P0口线作为数据线使用。实际上，单片机P0口的电路设计已考虑了这种应用需要，P0口线电路中的多路转接电路MUX以及地址数据控制即是为此目的而设计的。,43,2.以P2口的口线作高位地址线如果使用P2口的全部8位口线，再加上P0口提供的低8位地址，便可形成完整的16位地址总线，使单片机系统的寻址范围达到64 KB。但实际应用系统中，高位地址线并不固定为8位，需要用几位就从P2口中引出几条口线。,44,除了地址线和数据线之外，在扩展系统中还需要一些控制信号线，以构成扩展系统的控制总线。这些信号有的是单片机引脚的第一功能信号，有的则是第二功能信号。其中包括：使用ALE作为地址锁存的选通信号，以实现低8位地址的锁存；以信号作为扩展程序存储器的读选通信号；以信号作为内、外程序存储器的选择信号；以和作为扩展数据存储器和端口的读/写选通信号。执行MOVX指令时，这两个信号分别自动有效。,45,可以看出，尽管89C51单片机号称有4个口，共32条口线，但由于系统扩展的需要，真正能作为数据使用的，就只剩下P1口和P3口的部分口线了。特别需要强调的是，程序存储器不应再采用外扩的方案。因为89系列单片机内有432 KB的不同型号产品可供选择。如果课题需要功能更强的MCU，则可选择ADC8、C8051F和MAX7651等SOC芯片。,46,8.3 扩展数据存储器,由于89C51单片机片内RAM仅有128字节，当系统需要较大容量RAM时，就需要片外扩展数据存储器RAM，最大可扩展64 KB。由于单片机是面向控制的，实际需要扩展容量不大，因此，一般采用静态RAM较方便，如6116(2K8位)，6264(8K8位)。如有特殊需要，可采用62256(32K8位)，628128(128K8位)等。与动态RAM相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，故扩展电路较简单；但由于静态RAM是通过有源电路来保持存储器中的数据，因此要消耗较多的功率，价格也较高。,47,扩展数据存储器空间地址，由P2口提供高8位地址，P0口分时提供低8位地址和用作8位双向数据总线。片外数据存储器RAM的读/写由89C51的（.7）和(P3.6)信号控制。,48,8.3.1 常用的数据存储器芯片,数据存储器用于存储现场采集的原始数据、运算结果等，所以，外部数据存储器应能随机读写，通常由半导体静态随机存取存储器RAM组成。EPROM芯片也可用作外部数据存储器，且掉电后信息不丢失。,49,1.静态RAM(SRAM)芯片,目前常用的静态RAM电路有6116、6264、62256、628128等。它们的引脚排列如图827所示。注：6264的26脚为高电平有效的片选端。,图827 常用静态RAM芯片引脚图,50,其引脚功能如下：A0Ai 地址输入线，i=10(6116),12(6264),14(62256)。D0D7 双向三态数据线；片选信号输入线，低电平有效，当6264的26脚(CS)为高电平，且为低电平时。才选中该片；读选通信号输入线，低电平有效；写允许信号输入线，低电平有效；工作电源，电压为；GND 线路地。这3种RAM电路的主要技术特性见表85。,51,52,静态RAM存储器有读出、写入和维持3种工作方式，这些工作方式的操作控制如表86所列。,53,图829 89C51扩展2 KB RAM,8.4.1 SPI串行总线,1.SPI总线的特点（串行外围设备接口:serial peripheral interface）一般使用4条线串行时钟线（SCK）主机输入/从机输出数据线MISO主机输出/从机输入数据线MOSI低电平有效的从机选择线SSSPI总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口,8.4 几种外部串行总线工作方式,2.SPI总线系统的构成,单片机与多个SPI串行接口设备典型结构如图6.1所示。,图8.1 单片机与多个SPI串行接口设备典型连接,3.SPI串行总线在MCS-51系列单片机中的实现,MCS-51单片机I/O口模拟SPI总线接口原理图如图6.2所示。,图8.2 MCS-51单片机I/O口模拟SPI总线接口原理图,单片机，如Motorola公司的M68HC08系列、Cygnal公司的C8051F0XX系列、Philips公司的P89LPC93X系列。A/D和D/A转换器，如：AD公司的AD7811/12、TI公司的TLC1543、TLC2543、TLC5615等。实时时钟RTC，如Dallas公司的DS1302/05/06等。温度传感器，如AD公司的AD7816/17/18；NS公司的LM74等。其他设备，如LED控制驱动器MAX7219、HD7279等，集成看门狗、电压监控、E2PROM等功能的X5045等。,4.常用SPI串行总线接口的器件,8.4.2 I2C总线,I2C（Inter Integrated Circuit）常译为内部集成电路总线，或集成电路间总线，它是由Philips公司推出的芯片间串行传输总线。使用2线实现数据通信。1根串行数据线（SDA）1根串行时钟线（SCL）。,1.I2C总线的基本特性,硬件结构上具有相同的硬件接口界面。,图8.3 I2C器件连接实例,总线接口器件地址具有很大的独立性。在单主系统中，每个I2C接口芯片具有唯一的器件地址，各从器件之间互不干扰，相互之间不能进行通信。MCU与I2C器件之间的通信是通过独一无二的器件地址来实现的。,数据传输首先从最高位开始。传输速率在标准模式下可达100kbit/s，在快速模式下达400kbit/s，在高速模式下达3.4Mbit/s。它是一个真正的多主机总线。如果两个或更多主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。软件操作的一致性。任何器件通过I2C总线与MCU进行数据传送的方式基本一样，决定了I2C总线软件编写的一致性。,2.I2C总线工作原理,（1）I2C总线信号类型开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的器件在接收到8bit数据后，向发送数据的器件（发送器）发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。发送器接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为接收器出现故障。起始信号与结束信号都是由主器件产生。,（2）I2C总线数据传输,主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为单片机）控制，主器件产生串行时钟控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。,在起始信号结束后，主器件将发送一个用于选择从器件地址的7位地址码和一个数据方向位（R/W），方向位为“0”表示主器件把数据写到所选择的从器件中，此时主器件作为发送器，而从器件作为接收器；方向位为“1”表示主器件从所选择的从器件中读取数据，此时主器件作为接收器，而从器件作为发送器。在寻址字节后是按指定读、写操作的数据字节与应答位。在数据传送完成后主器件必须发送停止信号。,8.4.3 单总线,单总线（1-Wire）是Dallas公司推出外围串行扩展总线，采用单根信号线完成数据的双向传输。单总线技术有三个显著的特点：单总线芯片通过一根信号线进行地址信息、控制信息和数据信息的传送，并通过该信号线为单总线器件提供电源；每个单总线芯片都具有全球唯一的访问序列号，当多个单总线器件挂在同一单总线上时，对所有单总线芯片的访问都通过该唯一序列号区分；单总线芯片在工作过程中，不需要提供外接电源，而通过它本身具有的“总线窃电”技术从总线上窃取电源。,图8.4 单总线多节点系统的示意图,