第四章微机控制系统的选择及接口设计.ppt

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1、执行元件系统,控制信息,电子信息处理系统（CNC）,动力系统,传感检测系统,机械系统,参数变化信息,驱动力,能 量,检测参数,构成要素：五大部分,第四章 微机控制系统的选择及接口设计,第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡第二节 微机控制系统的设计思路第三节 微机控制系统的构成与种类 第七节 Z80CPU的硬件结构特点、存储器及输入输出扩展接口 第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路,由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控制器。控制系统的设计的内容：选用微机、设计接口、控制形式和动作控制方式的问题,第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡,专用

2、控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。专用控制系统的设计:主要是选用适当的通用IC芯片以及设计其外围电路来组成控制系统。对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。通用控制系统的设计：主控制微机机型的合理选择，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，编制应用软件。这实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。,1.专用与通用的抉择,2.硬件与软件的权衡 在大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的

3、标准权衡决定。原则：能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情况下，则最好采用硬件。特点：与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件更为可靠。而在利用LSI芯片组成电路时，不仅价廉，而且 可靠性高，处理速度快，因而采用硬件更为有利。,第二节 微机控制系统的设计思路,1确定系统整体控制方案 首先应了解被控对象的控制要求，通常，先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制，当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。其次考虑执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动，比较其方案的优缺点，择优而选。第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、

4、高精度和快速性要求的系统应采取哪些措施。第四是考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入输出通道、配备哪些外围设备。最后应初步估算其成本。通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附以说明，以此作为下一步设计的基础和依据。,2确定控制算法（书P126）,对任何一个具体微机控制系统进行分析、综合或设计，首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算法。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据，即由数学模型推出控制算

5、法。所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。,由于控制系统种类繁多，控制算法也是很多的，随着控制理论和计算机控制技术的不断发展，控制算法更是越来越多。在系统设计时，按所设计的具体控制对象和不同的控制性能指标要求，以及所选用的微机的处理能力选定一种控制算法。选用时应考虑所选定的算法是否能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。,当控制系统比较复杂时，控制算法也比较复杂，整个控制系统的实现就比较困难，为设计、调试方便，可将控制算法作某些合理的简化，忽略某些因素的影响(如非线性、小延时、小惯性等)，在取得初步控制成果后

6、，再逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。,3选择微型计算机,对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制的角度出发，微机应能满足以下要求：,（1）较完善的中断系统 微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。实时控制包含两个意思：一是系统正常运行时的实时控制能力；二是在发生故障时紧急处理的能力。常采用中断控制功能。,（2）足够的存储容量 由于微型计算机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器，如单板机通常都配盒式磁带机，用于在调试阶段暂存程序和数据。单板机可配备28KB以上的只读存储器，监控程序及调试成功的应用程序都写入只读存储器，实现软件

7、固化。,（3）完备的输入输出通道和实时时钟 输入输出通道是外部过程和主机交换信息的通道。根据控制系统不同，有的要求有开关量输入输出通道，有的要求有模拟量输入输出通道，有的则同时要求有开关量输入输出通道和模拟量输入输出通道。对于需要实现外部设备和内存之间快速、批量交换信息的，还应有直接数据通道。实时时钟在过程控制中给出时间参数，记录发生事件的时刻。,选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求（3个）:,1)字长 微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和执行操作的时间。,2）速度 速度的选择与字长的选择可一

8、并考虑。对于同一算法、同一精度要求，当机器的字长短时，就要采用多字节运算，完成计算和控制的时间就会增长。为保证实时控制，就必须选用执行速度快的机器。同理，当机器的字长足够保证精度要求时，不必用多字节运算，完成计算和控制的时间就短，可选用执行速度较慢的机器。,3)指令 一般说来，指令条数越多，针对特定操作的指令就多，这样会使程序量减少，处理速度加快。对于控制系统来说，尤其要求较丰富的逻辑判断指令和外围设备控制指令，通常8位微处理器都具有足够的指令种类和数量，一般能够满足控制要求。,选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易以及扩充输入输出接口是否方便等因素，从而确定是选用单片机、单板机，还是选用

9、微型计算机系统。单片机:价格低、体积小,但需要开发系统对其软硬件进行开发。单板机:价格较低、体积较小，但内存容量较小，接口电路少微型计算机系统:微型计算机系统有丰富的系统软件，可用高级语言、汇编语言编程，程序编制和调试都很方便。但成本较高，当用来控制一个小系统时，往往不能充 分利用系统机的全部功能，抗干扰能力差。,4）系统总体设计 系统总体设计主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计，其主要依据是上述的整体方案初框图、设计要求及所选用的微机类型。通过设计要画出系统的具体构成框图。一个正在运行的完整的微型计算机控制系统，需要在微机、被控制对象和操作者之间适时地、不断地交换数据信息和控制信息。在

10、总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。,接口设计 接口设计包括两个方面的内容：一是扩展接口；二是安排通过各接口电路输入输出端的输入输出信号，选定各信号输入输出时采用何种控制方式。如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。若要采用直接存储器存取方式，则要增加直接存储器存取(DMA)控制器作为辅助电路加到接口上。,通道设计 输入输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要

11、有输入输出通道。一个系统中可能要有开关量的输入输出通道、数字量的输入输出通道或模拟量的输入输出通道。在总体设计中就应确定本系统应设置什么通道，每个通道由几部分组成，各部分选用什么样元器件等。,开关量、数字量的输入输出比较简单。开关量输入要解决电平转换、去抖动及抗干扰等问题。开关量输出要解决功率驱动问题等。开关量和数字量的输入输出都要通过前面设计的接口电路。模拟量输入输出通道比较复杂。模拟量输入通道主要由信号处理装置(标度变换、滤波、隔离、电平转换、线性化处理等)、采样单元、采样保持器和放大器、AD转换器等组成。模拟量输出通道主要由DA转换器、放大器等组成。,操作控制台设计 微型计算机控制系统必

12、须便于人机联系。通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台，这个控制台一般都不能用微机所带的键盘代替，因为现场操作人员不了解计算机的硬件和软件，假若操作失误可能发生事故，所以一般要单独设计一个操作员控制台。,5）软件设计 微机控制系统的软件主要分两大类，即系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系统，通常这些软件一般不需用户设计，对用户来说，基本上只须了解其大致原理和使用方法就行了。而应用软件都要由用户自行编写，所以软件设计主要是应用软件设计。,应用软件的设计方法有两种，即 模块化程序 结构化程序 程序模块化设计方法 在进行软件设计时，通常把整个程序分成若干部分，每

13、一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫做模块程序设计法。,程序结构化设计方法 结构化程序设计方法，给程序设计施加了一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序常用的结构有直线顺序结构、条件结构、循环结构和选择结构。其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。,系统调试 微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。调试步骤为硬件调试 软件调试 系统调试。硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完毕后

14、要经过连续考机运行；软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使其正确无误，然后固化在EPROM中；系统联调主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误后进行现场试验，直至正常运行为止。,第三节微型计算机的系统构成及种类,1微型计算机的系统构成“微机”：微处理器(微处理机)、微型计算机、微型计算机系统的统称。微处理器(Microprocessor)简称CPU：它由大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)器件构成。由数据通道、寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件组成，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。,微型计算机(Microcomputer)简称MC：它是

15、以微处理机(CPU)为中心，加上只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、输入输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。微型计算机系统(Microcomputer system)，简称MCS：配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机。,CPU、MC与MCS的关系,微机的基本构成,ROM通常存储固定程序和数据，RAM而输入输出数据和作业领域的数据由存储。,在大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。原则：能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情况下，则最好采用硬件。

16、如果CPU忙，用硬件；如果CPU不忙，用软件。与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件更为可靠。而在利用LSI芯片组成电路时，不仅价廉，而且 可靠性高，处理速度快，因而采用硬件更为有利。,1、说明设计计算机控制系统时，如何权衡硬件和软件的选择问题？,2微型计算机的种类,(1)按组装形式分类 按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。1)单片机（如下图所示）在一块集成电路芯片(LSI)上装有CPU、ROM、RAM以及输入输出端口电路，该芯片就称为单片微型计算机(SCM-Single Chip Microcomputer)简称单片机。例如Intel

17、公司的MCS48系列、51系列、96列等。,目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片机的应用领域。,2)单板机（如下图所示）,在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字显示器,可完成一些简单的数据处理和编辑功能。优点：成本低，用单板机实现机电产品的机电一体化成本低，在机械设备的简易数控、检测设备、工业机器人的控制等领域中得到广泛应用。,以微型计算机（主机）为核心，配上外围设备、电源和软件等，能独立工作的完整计算机。,3)微型计算机系统,按微处理机位数可将微型计算机分为位片、4位、8位、16位、32

18、位和64位等机种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数，即可同时传送数据的总线宽度。4位机目前多做成单片机。即把微处理机、12KB的ROM、64128KB的RAM、I/O接口做在一个芯片上，主要用于单机控制、仪器仪表、家用电器、游戏机等中。8位机有单片和多片之分，主要用于控制和计算。16位机功能更强、性能更好，用于比较复杂的控制系统,可以使小型机微型化。32位和64位机是比小型机更有竞争力的产品。人们把这些产品称为超级微机。它具有面向高级语言的系统结构，有支持高级调度、调试以及 开发系统用的专用指令，大大提高了软件的生产效率。,(2)按微处理机位数分类,微型计算机的组成及其工作原理,主机,微

19、型计算机的组成及其工作原理,CPU:实现运算和控制功能的部件，运算器ALU、控制器和寄存器组成。运算器:完成算术和逻辑运算，控制器由指令寄存器、指令译码器和控制电路组成，完成对指令的存取、执行等的控制。寄存器:暂存运算操作数和结果。存储器：指内存储器，用来存放程序、操作数和结果。I/O口：控制输入输出设备的接口电路。并行接口，串行接口等。,微型计算机的组成及其工作原理,外设：输入设备 输出设备键盘、扫描仪、软硬磁盘、A/D转换器等打印机、绘图仪、D/A转换器等,微型计算机的组成及其工作原理,总线：计算机用来传输信息的一组通讯线 地址总线（AB-Address Bus)：用来指定寻址的存储器单元

20、或I/O口。单向，成组使用（8086有20根地址线）。数据总线（DB-Data Bus):用来传递信息的通讯线。双向，成组使用，计算机的位一般是指数据线的宽度（8086有16根数据线）。控制总线（CB-Control Bus):用以控制计算机各部件协调工作。各自独立，有发出，也有接收。地址/数据复用总线：地址总线和数据总线复用，分时传送地址信息和数据信息（由同步信号区分），这样可以节省CPU引脚，但外部电路复杂。,第七节 Z80CPU的结构特点及存储器、输入输出扩展接口,一、Z80CPU的 结构特点 Z80 CPU是一个具有40条引脚、双列直插式结构的大规模集成电路(LSI)芯片。它的引脚配置

21、如右图所示。图中箭头的方向表示该信号是输出还是输入。Z80 CPU的引脚功能如右图：,二、总线驱动器,三、存储器,微机控制系统中使用的存储器的分类如下图所示。按其功能可分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两大类。,存储器的组合：当需要的存储器的位数较多，现在只有位数较少的存储芯片时，需将存储器并联或串联连接组成多位数存储器。例：需要16位8192个存储器，现有1位*4096，4位*1024，和8位*1024的芯片，配置如下：,4096,4096,1位*4096芯片,.,32片,第1列,第16列,4096,4096,.,第4096个,第1个,.,第8192个,第4097个,.,10

22、24,1024,4位*1024芯片,.,32片,第1列,第4列,1024,1024,.,第1024个,第1个,.,第8192个,第1025个,.,1024,1024,8位*1024芯片,.,第1列,第2列,第512个,第1个,第513个,1024,1024,.,.,.,16片,1024,1024,.,第8192个,1024,1024,.,.,8行,8行,2行,列满足位数；行满足存储个数。,2716EPROM：只读：工作时，数据单向输出；编程状态：数据输入。,2716EPROM功能表,静态RAM2114,静态RAM6116和6264,四、输入输出接口,PPI(Programmable Perip

23、heral Interface)8255芯片具有可按照程序指定进行数据输入或输出的三个独立的端口A、B、C，每个端口都是8位，其引脚配置见下图所示。通常，A或B端口为输入、输出数据端口；而C端口作为控制或状态信息的端口。它在“状态”字控制下，可以分成两个4位的端口，每个端口均有锁存器，分别与A端口或B端口配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。PPl8255芯片的工作方式是通过CPU的控制字来指定的。在PPI内有控制寄存器，接受来自CPU输出的控制字。端口C是按照控制字来实现每一位的“复位”与“置位”控制的。,1.PPI8255芯片使用简介,IORQ RD WR RD WR 0 0 1

24、 0 1 读数据 0 1 0 1 0 写数据 1 0 0 1 1 无操作 1 1 0 1 1 无操作,单片机端,8255端,2.I/O寻址方法（端口 的选择）,8255有三种工作方式：0方式：基本输入输出方式，可分别将A、B、C设为输入输出使用；1方式：选通控制方式，A、B用于输入输出，端口A由端口C（高4位）控制；端口B由端口C（低4位）控制；2方式：双向选通输入输出方式，只能使用A口，且端口A由端口C控制。,3、实现片选的方法,3、实现片选的方法,I/O地址码见P154,回顾上节课的内容,1.总线驱动器的作用是什么？8216的1号 引脚有什么作用？可以进行几位数据的输入输出？,二、总线驱动

25、器,2.2716是何种类型的存储器，有几位数据，存储空间为多少字节？需要多少地址线进行寻址？,3.74LS138译码器的作用？A,B,C三个引脚的作用是什么？,3.74LS138译码器的作用？,五、Z80CPU的存储器及I/O口扩展举例,数据总线如何连接地址总线如何连接（如何用译码器选片）控制总线如何连接（关键控制引脚）各存储器与外设的地址如何分配,关键问题：,第八节 单片机的结构特点及其最小应用系统,第八节 单片机的结构特点及其最小应用系统,一、MCS-51系列单片机的结构特点 MCS-51系列单片机包括805l、8751和8031三种产品，其硬件设计简单灵活。,8051片内有4KB的ROM

26、 用户将已开发好的程序交给芯片制造厂商，在制造芯片时用掩膜工序将用户程序写入ROM。显然用户本身是无法将自己的程序写入8051芯片的。程序一经写入片内ROM，用户也无法改变程序。所以8051用在批量较大(1000片以上)时，经济上才合算。8751片内有4KB的EPROM 用户可以用高压脉冲将用户程序写入片内EPROM。所以当用户的程序不长时使用这种芯片可简化电路，也可以作为开发系统片内8051ROM单片机的代用芯片。由于EPROM可通过照射紫外光线抹去原有程序进行改写，所以这类芯片也可用于程序的开发工作。8031芯片内无ROM或EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM 如不使用80

27、5l或8751芯片片内的ROM或EPROM即可将其作为8031芯片使用。这三种引脚相容的产品均可寻址64KB的外部程序存储器和64KB的外部数据存储器。,二、MCS-51系列单片机的引脚及功能,二、MCS-51系列单片机的引脚及功能:,二、MCS-51系列单片机的引脚及功能:,MCS-51单片机片外总线配置,地址总线：P2口（高8位A15A8）和P0口（低8位A7A0）可寻址64KB。,数据总线：P0口（D7D0）,控制总线：ALE、PSEN、WR、RD,三、MCS-5l系列单片机的最小应用系统及其扩展,三、MCS-5l系列单片机的最小应用系统及其扩展,程序存储器的作用-存放程序代码或常数表格

28、 扩展时所用芯片-一般用只读型存储器芯片（可以是EPROM、E2PROM、FLASH芯片等）。扩展电路连接-用EPROM 2764扩展程序存储器。存储器地址分析-究竟单片机输出什么地址值时，可以指向存储器中的某一单元。,1、程序存储器的扩展,2764-8K EPROM,2764引脚功能,VPPA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND,VccPGMN.CA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D3,2764,扩展时所用芯片1,D7D6D5D4D3D2D1D0G,74LS373,GND,+5V,OE,Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0,扩展时所用芯片2,373引脚功能,使能端,当

29、OE=0，G=1时，输出Q=输入D(透明)；当OE=0，G=0时，输出Q端不变（锁存）；当OE=1，输出高阻态。,扩展电路连接,扩展电路图,单片机 8031,P2.0,:,.,A8,.,.,.,ALE,PSEN,74LS373,G,2764,A7.A0,O0.O7,P0.0:P0.7,OE,CE,Q0.Q7,D0.D7,8031 2764 数据总线的连接：P0.0-P0.7（数据总线）-O0-O7 地址总线的连接：P0.0-P0.7（地址总线低8位）-A0-A7 P2.0-P2.4（地址总线高8位中的5位）-A8-A12 控制总线的连接：PSEN（程序存储器允许，即读指令）-OE ALE（地址

30、锁存允许）-接373的使能端G,经过锁存器373,A12,P2.4,从外存取指令时序图,一个机器周期,ALE,PSEN,P2,P0,地址A8A12,地址A8A12,A0A7,A0A7,指令码,指令码,373 Q=D,373 G=0 锁存,OE=0读,一个机器周期,ALE,PSEN,P2,P0,地址A8A12,地址A8A12,A0A7,A0A7,指令码,指令码,单片机 8031,P2.0,:,.,A8,.,.,.,ALE,PSEN,74LS373,G,2764,A7.A0,O0.O7,P0.0:P0.7,OE,CE,Q0.Q7,D0.D7,A12,P2.4,存储器地址分析-究竟单片机输出什么地址

31、值 时，可以指向存储器中的某一单元。,8031 P2.4 P2.0 P0.7P0.0 选中单元(2764 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0)0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0（0000H）0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1（0001H）1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0（0002H）2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1（0003H）3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0（0004H）4.1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1（1FFFH）8K-

32、1可见，当单片机输出地址0000H-1FFFH时，选中2764的0-8K-1号单元，即按照上面电路扩展的存储器的地址范围是0000H-1FFFH（共8K字节）。,数据存储器的作用-存放数据，可改写 扩展时所用芯片-一般用静态读写型存储器芯片 SRAM，也可以用E2PROM、FLASH芯片等 扩展电路连接-用SRAM 6264扩展程序存储器。存储器地址分析-究竟单片机输出什么地址值时，可以指向存储器中的某一单元。,2、数据存储器的扩展,扩展时所用芯片,6264-8K SRAM,6264引脚功能,N.CA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND,VccWECSA8A9A11OEA10

33、CED7D6D5D4D3,6264,扩展电路连接,扩展电路,数据总线的连接：P0.0-P0.7（数据总线）-D0-D7 地址总线的连接：P0.0-P0.7（地址总线低8位）-A0-A7 P2.0-P2.4（地址总线高8位中的5位）-A8-A12 控制总线的连接：RD（读外部数据）-OE WR（写外部数据）-WE ALE（地址锁存允许）-接373的使能端 G,经过373,A8,6264,WE,单片机 8031,P2.0,:,.,A8,.,ALE,RD,74LS373,G,A7.A0,P0.0:P0.7,OE,CE,Q0.Q7,D0.D7,A12,P2.4,WR,8031,6264,读外部数据RA

34、M时序图,写外部数据RAM时序图,一个机器周期,ALE,PSEN,P2,P0,地址A8A12,A0A7,三态,数据D0D7入,RD,读外部数据RAM时序图,存储器地址分析-究竟单片机输出什么地址值时，以,指向存储器中的某一单元。,8031 P2.7 P2.4 P2.0 P0.7 P0.0 选中单元(6264 CE A12 A11 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0)0 X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0（0000H）0 0 X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1（0001H）1 0 X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

35、 1 0（0002H）2 0 X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1（0003H）3 0 X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0（0004H）4.0 X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1（1FFFH）8K-1 可见，当单片机输出地址0000H1FFFH时，选中6264的08K-1号单元，即按照上面电路扩展的存储器的地址范围是0000H1FFFH（共8K字节）。,请注意，与扩展程序存储器相比较，有以下不同点：.存储器芯片为可读可写的静态RAM芯片，有读写控制引脚OE和WE。.单片机输出的对数据存储器的读写控制信号分别是RD（而不再是读

36、程序存储器时的PSEN）和WR。,3、8031输入/输出口的扩展,第九节 数字显示器及链盘的接口电路,一、数字显示器的结构及其工作原理 单片机应用系统中，常使用LED(发光二极管)、CRT显示器和LCD(液晶显示器)等作为显示器件。其中LED和LCD成本低、配置灵活、与单片机接口方便，故应用广泛。数码显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用七段显示器的结构如下图所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。这种笔画式的七段显示器

37、，能显示的字符数量较少，但控制简单、使用方便。,通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也有人称之为八段显示块。其中七个发光二极管构成七笔字形“8”。一个发光二极管构成小数点。七段显示块与单片机接口非常容易。只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。共阳极与共阴极的段选码互为补数。,显示器有静态和动态两种方法：1.静态显示 就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。例如七段显示器的a、b、c、d、e、f导通，g截止，显示0。这种显示方式每一位都需要一

38、个8位输出口控制，三位显示器的接口逻辑如下图所示。,2.动态显示 动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描)。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示；若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位并行口(称为扫描口)。控制各位显示器所显示的字形也需一个共用的8位口(称为段数据口)。8位共阴极显示器和8155的接口逻辑如下图所示。,DSEG：DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，“0”“1”“2”“3”“4”6DH，7DH，07H，7FH，6FH，77H

39、，“5”“6”“7”“8”“9”“A”7CH，39H，5EH，79H，71H“B”“C”“D”“E”“F”,如：3FH:0 0 1 1 1 1 1 1 3 F 7FH：0 1 1 1 1 1 1 1 7 F,二、键盘、显示器的接口电路,1.键盘工作原理 行列式键盘电路原理如下图所示，按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。当行线通过上拉电阻接+5V时，被嵌位在高电平状态。键盘中有无按键按下是由列线送入全扫描字、行线读入行线状态来判断的。其方法是：给列线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中。如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全

40、为l。,例如：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 1 1 0 1 1 1 7 7 H D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 1 1 1 0 1 1 7 B H,2.键盘工作方式 单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU工作的一个内容之一。CPU在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘扫描，即既保证不失时机地响应键操作，又不过多占用CPU时间。因此，要根据应用系统中CPU的忙、闲情况，选择好键盘的工作方式。键盘的工作方式有编程扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种。这里仅简单介绍一下编程扫描方式。编程扫描工作方式是利用CPU在完成其他工作的空闲，调用键盘扫描子程序，

41、来响应键输入要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。下面以下图的8155扩展I/O口组成的行列式键盘为例，介绍编程扫描工作方式的工作过程与键盘扫描子程序流程。在该键盘中，键值与键号相一致，依次排列为03l，共32个键，由1个8位口和1个4位口组成48的行列式键盘。在键盘扫描子程序中完成下述几个功能：,（1）判断键盘上有无键按下。其方法为：PA口输出全扫描字00H，读PC口状态，PC0PC3为全l，则键盘无键按下，若不全为1，则有键按下。（2）去键的机械抖动影响。其方法为，在判断有键按下后，软件延时一段时间再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键按下，否则按键抖动处

42、理。,例 如：FEXE：“0”键PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 1 1 1 1 1 1 1 0PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 X 1 1 1 0 FDXE：“1”键PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 1 1 1 1 1 1 0 1PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 X 1 1 1 0,（3）求按下键的键号。按照行列式键盘工作原理，在“8155扩展I/O口组成的行列式键盘”的图中32个键的键值应对应作如下分布(PA、PC口为二进制码，X为任意值)：FEXE FDXE FBXE

43、F7XE EFXE DFXE BFXE 7FXE FEXD FDXD FBXD F7XD EFXD DFXD BFXD 7FXD FEXB FDXB FBXB F7XB EFXB DFXB BFXB 7FXB FEX7 FDX7 FBX7 F7X7 EFX7 DFX7 BFX7 7FX7 其相对应的键号如图中所示。这种顺序排列的键号按照行首键 号与列号相加的办法处理，每行的行首键号依次为：0，8，16，24，列首依列线顺序为07。在上述键值中，从零电平对应的位 可以找出行首键号与相应的列号。,（4）键闭合一次仅进行一次功能操作其方法为，等待键释放以后再将键号送入累加器A中。右图为键扫描子程序框

44、图。编程扫描工作方式只有在CPU空闲时才调用键盘扫描子程序。因此，在应用系统软件方案设计时，应考虑这种键盘扫描子程序的编程调用应能满足键盘响应要求。,第十节 微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计,微机应用系统的输入输出是通过硬件电路和软件共同完成的。对其硬件电路的要求是：能够可靠地传递控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息；能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入输出信息的转换要求，如D/A、A/D转换，并行数字量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配，电量与非电量之间的转换，弱电与强电的转换以及功率的匹配等；应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。,1.光电隔离

45、电路 为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示.,一、光电隔离电路设计,控制输出时，从上图a可知，微机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光

46、，光敏晶体管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输入，如上图b所示。当然，光电耦合器还有其他连接方式，以实现不同要求的电平或极性转换。,光电隔离电路的作用主要有以下几个方面：,（1）可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，又由于光电耦合器输入与输出端之间绝缘电阻非常大(一般为10111013)，寄生电容很小(一般为0.52pF)，因此，干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。（2）可以进行电平转换。如上图a所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为12V。（3

47、）提高驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件，如达林顿晶体管输出和晶闸管输出型光电耦合器件，不但具有隔离功能，而且还具有较强的驱动负载能力。微机输出信号通过这种光电耦合器件后，就能直接驱动负载。,通常使用的光电耦合器如下图所示。图a为普通型信号隔离用光电耦合器件，以发光二极管为输入端，光敏晶体管为输出端。这种器件一般用在100kHz以下的频率信号。如果光敏晶体管的基极有引出线则可用于温度补偿、检测等。图b为高速型光电耦合器件的结构形式，与普通型的不同处在于其输出部分采用光敏晶体管和高速开关管组成复合结构，具有较高的响应速度。图c为达林顿管输出光电耦合器件，其输出部分以光敏晶体管和放大晶体管构成达林顿

48、管输出。具有达林顿晶体管输出的一切特性，可直接用于驱动较低频率的负载。图d为晶闸管输出型光电耦合器件。输出部分为光控晶闸管，光控晶闸管有单向、双向两种形式。这种光电耦合器常 用在大功率的隔离驱动场合。,2.光电耦合隔离电路应用 采用光电耦合器可以将微机与前向、后向通道以及其他相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机，其基本配置如下图所示。,8155、8255输出口的放出及吸入电流均较大，故可直接用高电平来推动晶体管驱动发光二极管。由于 8155、8255在上电复位时，端口初置为输入状态，即高阻抗状态，为不使开机输出额外的信息，晶体管基极应拉成低电平，如下图a 所示。如要输出较大

49、电流以驱动输出设备，如继电器、电磁离合器等，则应接成达林顿型，如 下图b 所示。为了进一步提高普通型光耦合器的光耦合速度，可采用下图c电路。在较恶劣环境中的前向通道，为了减少通道及电源的干扰，V/F转换器(LM331)的频率输出可采用光耦合器隔离方法，使V/F转换器与微机无电路联系，如下一页图a、b 所示。,VT,二、信息转换电路设计 1.弱电转强电电路 微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经过功率放大后，才能驱动各类执行元件，如下图所示的几种电路。图a表示微机输出的开关量信号通过功率放大后，能够驱动有关小功率的直流电磁铁YA，如果是交流电磁铁，或大功率的直流电磁铁，就需使用继电器K作进一

50、步的功率放大，如图b所示。利用继电器K也可以驱动小功率的交流电动机，如图c所示。对于大功率的交流电动机，还需增加交流接触器KM才能驱动，如图d所示。,2.数字脉冲转换 在控制系统中，应用微机很容易实现数字脉冲的转换工作。事实上，只要CPU定时地向某个I/O端口的某一二进制位输出高低电平相间的逻辑信号，就可产生一个脉冲序列。步进电动机控制经常用到数字脉冲转换，例如下图所示的三相步进电动机驱动接口电路。该电路中电动机的每相驱动电路都单独有光隔离和放大电路，并连接到微机并行输出端口的一个二进制位上。脉冲信号经光隔离电路耦合、各相放大电路放大后，控制步进电动机按照一定方向转动。,3.数模(D/A)、模