【大学课件】单片机系统的扩展.ppt

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1、1,第九章 单片机系统的扩展,http:/,2,图9-1 89C51最小应用系统,http:/,3,MCS-51系列典型产品资源配置,http:/,4,图9-2 89C51单片机三总线扩展方法（非总线型的单片机不能采用）,http:/,5,图9-3 89C51单片机扩展框图,http:/,6,图9-4 P0口地址和数据复用图,http:/,7,单片机P0口地址和数据分离电路,http:/,8,单片机扩展能力,受地址信号限制，64K空间。程序空间和数据空间独立。其它功能共用数据空间（操作方法与数据存储器相同）。控制信号产生方法在指令控制下，自动产生，不用BIT操作。如ALE、/RD、/WR和/P

2、SEN等。,http:/,9,9.1 数据存储器RAM扩展方法 常用的数据存储器SRAM芯片有61166264和62256等。,http:/,10,D0D7：三态数据线,CE：片选线,OE：读出选通线,WE：写允许信号输入线,VCC：电源线，接+5VGND:电源地,A0Ai：地址输入线，i=10（6116），i=12（6264）i=13（62128），i=14（62256）,http:/,11,数据存储器扩展电路,OE,6264,A7,:,:,A0,A8-A12,D0D7,7,4,L,S,5,7,3,OE,G,ALE,89C51,D7,:,:,D0,Q7,:,:,Q0,RD,EA,P2.0-P

3、2.4,P0,CS,+5V,WE,WR,P2.7,CE,http:/,12,存储器片选信号的连接,线选法：地址信号直接连接片选。地址不连续。译码法：地址组合译码后连接片选。增加芯片。编址：地址的确定。时序配合存储器的时序和单片机提供的时序必须一致（见教材P217的时序图）。,http:/,13,P2.7,P2.5,P2.6,P0口,/CE,/CE,/CE,P2.2-2.0,RAM（2K）,A10 A9 A8,P2.5 做 RAM 片选线（C000HC7FFH）P2.2,P2.1,P2.0与P0口共同寻址 2K字节存储单元地址范围：110X X000 0000 0000 110X X111 11

4、11 1111说明：X可取1或0，一般取0,线选例子：用地址线对外寻址,MCS-51单片机,AD7-0,D7-0,D7-0,Q7-0,Q7-0,锁存器,缓冲器,http:/,14,P2.7,P2.5,P2.6,P0口,/CE,/CE,/CE,P2.2-2.0,RAM（2K）,A10 A9 A8,P2.7 做输出锁存器的片选线 地址范围：011X XXXX XXXX XXXX,MCS-51单片机,AD7-0,D7-0,D7-0,Q7-0,P2.6 做输入缓冲器的片选线 地址范围：101X XXXX XXXX XXXX,锁存器,缓冲器,(例:6000H),(例:A000H),http:/,15,P

5、2.7,P2.5,P2.6,/CE,/CE,/CE,常用译码器件：74LS138：3-8译码器（C高A低）,译码例子：地址线经过译码器后对外寻址,P0.7-P0.0,74LS138,Y0,A,B,C,G G2A G2B,0#8K,1#8K,2#,7#,+5V,MCS-51,Y1,Y2,Y7,/CE,74LS139：双2-4译码器,0000H1FFFH,2000H3FFFH,4000H,E000H,http:/,16,访问扩展数据存储器的方法,如对4000H的地址单元操作，指令是：MOV DPTR,#4000HMOVX A,DPTR;读操作MOVX DPTR,A;写操作操作时，数据、地址和/RD

6、，/WR控制信号自动产生，不需要其它指令。,http:/,17,C51操作扩展RAM的例子,#include unsigned char newdata;unsigned char xdata ramdata _at_ 0 x4000;void main(void)XBYTE0 x4000=0 xaa;newdata=XBYTE0 x4000;ramdata=0 xaa;newdata=ramdata;while(1);,http:/,18,9.2 程序存储器flash ROM扩展方法 常用AT29系列芯片进行扩展。,三种封装AT29010A的引脚图,http:/,19,程序存储器扩展电路,O

7、E,29C010A,A7,:,:,A0,A8-A15,CE,D0D7,7,4,L,S,5,7,3,OE,G,ALE,89C51,D7,:,:,D0,Q7,:,:,Q0,PSEN,EA,P2,P0,+5V,A16,http:/,20,访问程序存储器的方法（编程不区分是否扩展）,如对5000H的地址单元操作，指令是：MOV DPTR,#5000HCLR AMOVC A,A+DPTR;只有读操作C51的操作方法：#include unsigned char newdata;void main(void)newdata=CBYTE0 x9000;while(1);,http:/,21,接口：在微型计算

8、机系统中，CPU 与外部设备之间的联系，需要有特定的硬件连接和相应的软件控制。完成这一任务的软、硬件综合称为接口。端口：指接口电路中那些完成信息传送，可由程序寻址进行读写的寄存器。四种数据传送方式：无条件、查询、中断、DMA可用74系列芯片和可编程芯片进行扩展。操作方法与数据存储器相同。,9.3 I/O端口的扩展方法,http:/,22,常用的74系列芯片有：,通常输出需要锁存，输入需要三态缓冲。,CLR VCC 1Q 8Q 1D 8D 2D 7D 2Q 7Q 3Q 6Q 3D 6D 4D 5D 4Q 5Q GND CLK,OE VCC 1D 1Q 2D 2Q 3D 3Q 4D 4Q 5D 5

9、Q 6D 6Q 7D 7Q 8D 8Q GND CP,DIR VCC A1 OE A2 B1 A3 B2 A4 B3 A5 B4 A6 B5 A7 B6 A8 B7 GND B8,74LS273,74LS245,74LS574,http:/,23,利用74LS245扩展输入口原理：地址、数据分离，编址,http:/,24,简单I/O扩展电路,输出指令：MOV DPTR，#0100H;P2.1=0,P2.0=1 MOVX DPTR，A输入指令：MOV DPTR，#0200H;P2.1=1,P2.0=0 MOVX A，DPTR注意：273的CLK在上升沿有效，244的CE在低电平有效。,http:

10、/,25,其它常用扩展芯片的连接图245的G为低电平有效，573的C为高电平有效。操作时P2.7为低。,图9-19 采用74系列逻辑电路扩展输入和输出接口,http:/,26,用可编程芯片(8255)扩展I/O口,http:/,27,可编程并行I/O接口芯片8255管脚,PA3 PA4,PA2 PA5,PA1 PA6,PA0 PA7,RD WR,GND D0,A1 D1,A0 D2,PC7 D3,PC6 D4,PC5 D5,PC4 D6,PC0 D7,8255,PC2 PB7,PC3 PB6,PB0 PB5,PB1 PB4,PB2 PB3,CS RESET,PC1 VCC,40 PIN,825

11、5的基本特性与引脚：PA，PB，PC 三个8位I/O口;,PC口分高4位和低4位。高4位 可与PA口合为一组(A组),低4 位可与PB口合为一组(B组)。,3种工作方式。内部有4个寄存 器，由A1,A0与读,写信号选择。片选低有效,复位高有效。,PC可按位置位/复位。,40条引脚，DIP封装。须注意 VCC与GND引脚的位置。,一个8位的数据口D0D7。,http:/,28,8255的PA,PB,PC口有三种工作方式：,三种方式中只有方式0用得最多且最容易使用。基本输入/输出方式就是简单输入/输出方式。,方式1 和方式2 使用复杂。因单片机能自动提供 各种应答信号，这两种方式已不用于单片机系统

12、。,http:/,29,PA，PB，PC口的三种工作方式示意图：,RD WR D7D0 A1 A0,地址总线,控制总线,数据总线,A,B,C,PA0-7,PB0-7,PC4-7,PC0-3,A组,B组,8255的方式 0,A,B,PA0-7,PB0-7,控制线,控制线,A组,B组,A,B,PA0-7,PB0-7,控制线,I/O,A组,B组,7 6 5 4 3 2 1 0,PC口,8255的方式 1,8255的方式 2,7 6 5 4 3 2 1 0,PC口,http:/,30,8255的端口选择表：,注意：对A，B，C 三个口的任何读/写操作，就是对 PA，PB，PC这三个寄存器进行I/O操作

13、 第4个寄存器是控制字寄存器(命令字寄存器),http:/,31,8255方式选择及方式控制字,方式选择控制字 各口控制位定义：1输入，0输出,http:/,32,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,特征位=0,Dont care bits,选中的位将要输出的状态,=0，清0=1，置1,8255控制寄存器可对PC口按位进行“置1”和“清0”操作。具体命令格式如下:（地址同样是：A1,A0=11）,例如：设8255的控制寄存器在系统中的地址是:0003H,要将PC5引脚置 1,可用如下指令完成：MOV DPTR，#0003H MOV A，#0BH MOVX DPTR，A,http:/

14、,33,8255与单片机的连接：,AT89C51,8255,74LS373,P0.0-P0.7,ALE,P2.7,8D,Q0Q1,CS,RESET,A0A1,D0-D7,G,EA,OE,RESET,RD,WR,WR,RD,+5V,PA,PC,PB,P2.7接片选/CS端,8255的(一组)寄存器地址可以是：,PA口:7000H PB口:7001H PC口:7002H 命令口:7003H,http:/,34,8255的其它连接方式（cs不同）：,AT89C51,8255,74LS373,P0.0-P0.7,ALE,8D,Q0Q1Q7,CS,RESET,A0A1,D0-D7,G,EA,OE,RES

15、ET,RD,WR,WR,RD,+5V,PA,Q7接片选/CS端,8255的(一组)寄存器地址可以是：,PA口:0000H PB口:0001H PC口:0002H 命令口:0003H也可以是：007CH,007DH,007EH,007FH,PC7PC0,微型 打印机,http:/,35,8255的初始化,例如，要求8255为方式0，PA、PB和PC口都为输出。MOV DPTR,#7003H；8255控制口地址 MOV A，#80H；满足以上要求的控制字 MOVX DPTR,A；控制字送入8255控制口如要求为方式0，PA输出，PB和PC输入，则控制字为：MOV A,#8BH,设置8255三个端口

16、的工作方式（主要使用方式0）和输入、输出方式。,http:/,36,8255应用举例：A、B和C口输出方波,ORG 0000HWAVE:MOV DPTR,#03H;8255 控制字寄存器地址 MOV A,#80H;初始化A,B,C口为基本输出口 MOVX DPTR,A MOV A,#55H;8位高/低电平相间输出REPT:MOV DPTR,#00H;8255 A口地址 MOVX DPTR,A INC DPTR;8255 B口地址（01H）MOVX DPTR,A INC DPTR;8255 C口地址（10H）MOVX DPTR,A LCALL DELY1S;延时 CPL A;取反 SJMP RE

17、TP;循环：输出连续波形,http:/,37,8255应用例子：A.B.C口输出方波,PA0输出,PA1输出,PA2输出,PA3输出,PA4输出,PA5输出,PA6输出,PA7输出,PB0输出,http:/,38,非总线方式扩展系统资源,扩展的功能包括I/O端口和D/A转换等简单功能。特点：使用灵活，编程不如总线方式简练。图中可使用多个锁存器扩展输出端口。,http:/,39,9.4 A/D和D/A转换器扩展方法 在工业系统的控制和测量等场合，常用到模数和数模转换器。,微机,功放,放大,A/D,D/A,执行部件,传感器,工业系统,http:/,40,在其它控制系统的应用场合，也需要模数和数模转

18、换器。,连续变化的物理量,如：温度、压力、流量 速度、位移等,物理过程,微 机,传感器,A/D,D/A,执行机构,物理过程,v/i,Data,Data,过程控制示意图,模拟量,http:/,41,一、D/A转换器的基本原理 常用的是形电阻网络D/A转换器，输出电压的大小与数字量具有对应的关系，因为输出电压与电流成比例关系，而电流 In=2In-1,9.4.1 D/A转换器及其应用,http:/,42,权电阻网络转换,与T形电阻网络转换的原理相似Vo-（D3/R+D2/2R+D1/4R+D0/8R）VrRf,http:/,43,二、D/A转换器的主要性能指标,1、分辨率分辨率是指输入数字量的最低

19、有效位（LSB）发生变化时，所对应的输出模拟量（常为电压）的变化量。它反映了输出模拟量的最小变化值。分辨率与输入数字量的位数有确定的关系，可以表示成FS/2n。FS表示满量程输入值，n为二进制位数。对于5V的满量程，采用位的DAC时，分辨率为5V/25619.5mV；当采用12位的DAC时，分辨率则为5V/40961.22mV。显然，位数越多分辨率就越高。,2、线性度线性度（也称非线性误差）是实际转换特性曲线与理想直线特性之间的最大偏差。常以相对于满量程的百分数表示。如是指实际输出值与理论值之差在满刻度的以内。,http:/,44,3、绝对精度和相对精度绝对精度（简称精度）是指在整个刻度范围内

20、，任一输入数码所对应的模拟量实际输出值与理论值之间的最大误差。绝对精度是由DAC的增益误差（当输入数码为全1时，实际输出值与理想输出值之差）、零点误差（数码输入为全时，DAC的非零输出值）、非线性误差和噪声等引起的。绝对精度（即最大误差）应小于1个LSB。,相对精度与绝对精度表示同一含义，用最大误差相对于满刻度的百分比表示。,http:/,45,4、建立时间建立时间是指输入的数字量发生满刻度变化时，输出模拟信号达到满刻度值的1/2LSB所需的时间。是描述D/A转换速率的一个动态指标。电流输出型DAC的建立时间短。电压输出型DAC的建立时间主要决定于运算放大器的响应时间。根据建立时间的长短，可以

21、将DAC分成超高速（1S)、高速（101S）、中速（10010S）、低速（100S）几档。,应当注意，精度和分辨率具有一定的联系，但概念不同。DAC的位数多时，分辨率会提高，对应于影响精度的量化误差会减小。但其它误差（如温度漂移、线性不良等）的影响仍会使DAC的精度变差。,http:/,46,三、DAC0832芯片及其与单片机接口,DAC0832是使用非常普遍的位D/A转换器，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。属于该系列的芯片还有DAC0830、DAC0831，它们可以相互代换（精度不同）。DAC0832

22、主要特性：,分辨率位；电流建立时间S；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；T形电阻网络结构；逻辑电平输入与TTL电平兼容；单电源供电（5V15V），低功耗，20m。,http:/,47,DAC 0832 引脚定义,CS VCC,WR1 ILE,AGND WR2,D3 XFER,D2 D4,D1 D5,D0 D6,Vref D7,Rfb Iout2,DGND Iout1,DAC0832,20 PIN DIP封装,D0D7：8位数字量输入端/CS：片选端，低有效ILE：数据锁存允许,高有效/WR1：写控制信号1,低有效/WR2：写控制信号2,低有效/XFER：数据传送控制信号Iout1：电流输

23、出端1Iout2：电流输出端2Rfb：内置反馈电阻端Vref:参考电压源,-10+10VDGND：数字量地AGND：模拟量地Vcc:+5+15V单电源供电端,http:/,48,DAC 0832内部框图,Rfb：内置反馈电阻端。Vref：参考电压源,-10+10V方框中LE1、LE2高有效，跟随；为低时锁存,http:/,49,DAC0832与单片机的连接,89C51单片机,DAC0832,P0.0P0.7,P2.0,8位,DI0DI7,EA,WR,XFER,CS,+5V,6MHz,30p2,WR1,WR2,+5V,Vcc,Vref,ILE,+,uA741,-12V,+12V,GND,AGND

24、,DGND,Iout1,Iout2,Rfb,接示波器,编程：输出与数字量DATA相对应的模拟量：MOVDPTR，#0FEFFHMOVA，#DATAMOVXDPTR,A,http:/,50,输出电压的D/A关系=-VrefD/256，可接反相器得到正电压。,数字量与模拟量的转换关系：,http:/,51,DAC0832与80C51单片机的连接方式1、直通工作方式（单片机锁存）当DAC0832芯片的片选信号、写信号、及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号ILE引脚接5V时，即为直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。,http:/,52,2、单缓冲工作方式 此

25、方式适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求同步的系统。,http:/,53,3、双缓冲工作方式 多路D/A转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器同步方式。,http:/,54,DAC0832的应用及编程举例（单缓冲方式）,例1 产生矩形波,例2 产生锯齿波,MOV DPTR,#0FEFFHLL:MOV A，#00H;低电平 MOVX DPTR,A;送转换 LCALL DMS1;低宽度 MOV A，#0FFH;高电平 MOVX DPTR,A;送转换 LCALL DMS2;高宽度 SJMP LL,MOV A，#00H;起始值 MOV DPTR,#0FEFFHMM：MOVX

26、DPTR,A;送转换 INC A NOP NOP NOP;决定坡度 SJMP MM,http:/,55,例3产生三角波,MOV A，#00H MOV DPTR,#0FEFFHSS1:MOVX DPTR,A;送转换 NOP NOP NOPSS2:INC A;等速上升 JNZ SS1SS3:DEC A MOVX DPTR，A NOP NOP NOP;等速下降 JNZ SS3 SJMP SS2,同样的编程思路，若要产生如下的梯形波也很容易：,三角波,梯形波,http:/,56,例4 正弦波电压输出可用查表法：将一个周期内电压变化的幅值(05V)按8位D/A分辨率分为256个数值列成表格，然后依次将这

27、些数字量送到D/A转换输出。只要循环不断地送数，在输出端就能获得连续正弦波输出。SIN：MOV R7，#00H DAS0：MOV A，R7；MOV DPTR，#TAB；设指针 MOVC A，A+DPTR；取数据 MOV DPTR，#8000H MOVX DPTR，A；送D/A转换 INC R7；修改偏移量 AJMP DAS0 TAB：DB 80H，83H，86H，89H，8DH，90H DB93H，96H，99H，9CH，9FH，0A2H DB 0A5H，0A8H，0ABH，0AEH DB 6FH，72H，76H，79H，7CH，80H,http:/,57,9.4.2 A/D转换器及其应用,一

28、、逐次逼近式A/D转换的基本原理,http:/,58,二、双积分式ADC的转换原理两次积分完成转换。T固定，T1与Vin成比例。,三、电压频率型转换由压控振荡器得到相应的频率，测量其频率即完成了转换。,http:/,59,不同A/D转换方式的特点,1、逐次逼近式转换速度较快、精度较高、价格适中。2、双积分式精度高、抗干扰性强、速度慢。3、V/F式精度高、速度慢、定标麻烦。,http:/,60,四、A/D转换器的主要技术指标,1、分辨率ADC的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。常用二进制的位数表示。例如12位ADC的分辨率就是12位，或者说分辨率为满刻度FS的1/2

29、12。一个10V满刻度的12位ADC能分辨输入电压变化的最小值是10V1/212=2.4mV。,http:/,61,2、量化误差ADC把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量化。量化误差是ADC的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。实际上，要准确表示模拟量，ADC的位数需很大甚至无穷大。一个分辨率有限的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差。,http:/,62,3、偏移误差偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。假定ADC没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这

30、条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。,、满刻度误差满刻度误差又称为增益误差。ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。,http:/,63,5、线性度线性度有时又称为非线性度，它是指转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差。,6、绝对精度在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差的最大值，称为绝对精度。对于ADC而言，可以在每一个阶梯的水平中点进行测量，它包括了所有的误差。,7、转换速率ADC的转换速率是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换速率的倒数。,htt

31、p:/,64,五、ADC0804芯片及其与单片机接口,主要性能为：分辨率为位；精度：1LSB；单+5V供电，模拟输入电压范围为05V；逐次逼近结构；可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容；不必进行零点和满度调整；转换时间小于100S。如有多路模拟信号输入，可选择8路的ADC0809。,http:/,65,ADC0804的引脚及功能,1、VIN+、VIN-，模拟量输入端。2、DB7DB0，位数字量输出端。3、/CS，片选端。4、/WR，启动A/D转换信号输入端。5、/RD，读取转换结果控制端。6、CLK IN、CLK R，时钟信号端。7、/INTR，转换结束信号输出端，低电平有效。8、V+，电源输

32、入。9、VREF/2，基准电压输入端。,http:/,66,ADC0804与单片机的连接,操作方法：/CS和/WR同时有效时启动A/D转换，转换结束时/INTR有效，单片机可查询该信号或响应其中断；/CS和/RD同时有效时读取转换结果。,http:/,67,操作示例：测量图中的电压值。方法：启动A/D转换，完成后读取结果。ORG 0000H MOV DPTR,#7FFFH MOV A,#0FFH;无意义 MOVX DPTR,AWAIT:JB P3.2,WAIT MOVX A,DPTR SJMP$END,http:/,68,C51源程序#include#include#define adc 0

33、x7fffunsigned char adata;sbit adint=P32;void main(void)P3=0 xff;XBYTEadc=0 xff;while(adint);adata=XBYTEadc;while(1);,http:/,69,其它转换芯片串行接口：TLC5615数模转换器、TLC1549模数转换器，SPI信号格式电压-频率型模数转换：LM331,http:/,70,本章小结,三总线扩展方法地址和数据分离方法地址信号与扩展地址（编址）和扩展容量的关系8255方式0的输入、输出设置和各口操作方法非总线的扩展方法汇编指令串口方式扩展资源的方法D/A和A/D使用方法及应用,http:/,