1、单片机原理及应用,第六章 单片机 系统扩展技术,1 单片机的并行扩展原理 2 存储器的扩展 3 并行接口的扩展 4 D/A接口的扩展 5 A/D接口的扩展,第六章 单片机系统扩展技术,6.1.1 并行扩展总线P0、P2口作为单片机的地址总线和数据总线地址锁存原理看时序图 注意三个控制引脚的电平变化：ALE、PSEN、WR/RD,第六章 单片机系统扩展技术,单片机的片外三总线结构,第六章 单片机系统扩展技术,读片外EPROM时序波形,第六章 单片机系统扩展技术,读片外RAM/IO口时序波形,第六章 单片机系统扩展技术,写片外RAM/IO口时序波形,第六章 单片机系统扩展技术,6.1.2 地址译码
2、方法 为了实现单片机与外部存储器的连接，把单片机的地址线分为片内地址线和片选地址线两部分。片内地址线通常直接或通过地址锁存器与相应存储器地址线相连。片选地址线通常直接或通过地址译码器和存储器芯片的CE相连，也可以悬空不用,第六章 单片机系统扩展技术,线选法 用某一位地址线直接连到所扩展的芯片的片选端 。,第六章 单片机系统扩展技术,关于地址重叠:有一个以上地址与存储单元对应。X为无关项，即无论X取0，或取1，都不会影响对单元的确定，0#芯片中每个单元都有210个重叠地址 。当X由全“0”，变到全“1”时，0#芯片的地址范围即为6000H7FFFH。基本地址范围：6000H6007H。,第六章
3、单片机系统扩展技术,全地址译码法 片选地址线全部参加译码地址空间能充分利用。常用地址译码器：2-4译码器：74LS1393-8译码器：74LS1384-16译码器：74LS154,第六章 单片机系统扩展技术,部分地址译码法片选线中只有一部分参与译码，其余部分悬空，具有重叠地址,第六章 单片机系统扩展技术,6-2 存储器的扩展 一、MCS-51用于扩展存储器的外部总线信号： P0.00.7： 8位数据和低8位地址信号，复用总线AD07。 P2.02.7： 高8位地址信号AB815 ALE： 地址锁存允许控制信号 PSEN： 片外程序存储器读控制信号 RD： 片外数据存储器读控制信号 WR： 片外
4、数据存储器写控制信号 EA： 程序存储器选择,第六章 单片机系统扩展技术,二、扩展程序存储器电路： 常用EPROM芯片：Intel 2716(2K8位)、2732(4KB)、2764(8KB)、27128(16KB)、27256(32KB)、27512(64KB)。,8031扩展 32KB EPROM Intel 27256地址？,第六章 单片机系统扩展技术,三. 扩展数据存储器电路： 常用RAM芯片： Intel 6116(2KB)、6264(8KB)、62256(32KB)。,8031扩展 8KB RAM Intel 6264地址？,第六章 单片机系统扩展技术,四. 程序与数据存储器扩展电
5、路 单片机连接 8KB EPROM 2764 和 8KB RAM 6264 各一片,第六章 单片机系统扩展技术,6-4 并行接口的扩展单片机往往通过P0和P2口构成扩展总线，扩展EPROM、RAM或其它功能芯片， 大多数情况下，MCS-51单片机可提供给用户使用的I/O口只有P1口和部分P3口。因此，在大部分的MCS-51单片机应用系统设计中都需要进行I/O口的扩展。,第六章 单片机系统扩展技术,6-4-1 用74系列器件扩展并行I/O口,第六章 单片机系统扩展技术,6-4-2 可编程并行I/O扩展接口8255A,第六章 单片机系统扩展技术,引脚定义 1.数据线 D07：传送计算机与8255之
6、间的数据、控制字和状态字。 PA07 PB 07 PC07：传送8255与外设之间的数据和联络信息，PC07可用作数据线或联络线 2.地址线 CS：片选线 A1，A0：口选线，寻址 PA，PB，PC数据口和控制口 3.读写控制线 RD，WR控制计算机与8255之间的信息传送和流向 4.复位线 RESET高电平复位，使内部寄存器全部清零。,例 求8255口地址： 解： A口 (7F00H)，B口 (7F01H)，C口 (7F02H)，控制口(7F03H),第六章 单片机系统扩展技术,18255A的结构 (1)数据总线驱动器。 (2)并行I/O端口，A口、B口和C口。A口：具有一个8位数据输出锁存
7、/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。可编程为8位输入输出或双向寄存器。B口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器(不锁存)。可编程作为8位输入或输出寄存器，但不能双向输入输出。C口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器（不锁存）。可分为两个4位口使用。C口除作输入、输出口使用外，还可以作为A口、B口选通方式操作时的状态控制信号。,第六章 单片机系统扩展技术,（3）读/写控制逻辑。 CS：8255A的片选引脚端； RD：读控制端，当RD=0时，允许单片机从8255A 读取数据或状态字； WR：写控制端，当WR=0时，允许单片机将数据或控制字写入8255A；
8、A0、A1：口地址选择。通过A0、A1可选中8255A的四个寄存器。口 地址选择如下： A1、A0 寄存器 0 0 寄存器A（A口） 0 1 寄存器B（B口） 1 0 寄存器C（C口） 1 1 控制寄存器（控制口） RESET：复位控制端。当RESET=1时，8255复位。复位状态是：控制寄存器被清除，所有接口（A、B、C）被置入输入方式。,第六章 单片机系统扩展技术,（4）A组B组控制块。 每个控制块接收来自读/写控制逻辑的命令和内 部数据总线的控制字，并向对应口发出适当的 命令。 A组控制块控制A口及C口的高4位。 B组控制块控制B口及C口的低4位。,第六章 单片机系统扩展技术,2. 82
9、55A的控制字8255A有两种控制字，即方式控制字PC口位置位/复位控制字,第六章 单片机系统扩展技术,38255A操作方式 (1)方式0（基本I/O方式） PA、PB、PC可分别被定义为方式0输入或方式0输出。 输出具有锁存功能，输入没有锁存。 适用于无条件传输数据的设备，如读一组开关状态、控制一组指示灯，不使用应答信号，CPU可以随时读出开关状态，随时把一组数据送指示灯显示。,第六章 单片机系统扩展技术,（2）方式1（应答I/O方式） 有选通输入和选通输出两种工作方式。A口和B口皆可独立地设置成这种工作方式，在方式1下，A口和B口通常用于传送和它们相连外设的I/O数据，C口用作A口和B口的
10、握手联络线，以实现中断方式传送I/O数据。,第六章 单片机系统扩展技术,方式1输入 STB: 设备的选通信号输入线，低电平有效,通常是外设给8255A的信号，表示外设给8255的数据已准备好。 IBF： 端口锁存器满标志输出线，高电平有效。IBF和设备相连。 INTR：中断请求信号线，高电平有效。当 STB 、IBF、INTE都为“1”时， INTR就置“1” 。 INTE：8255A端口内部的中断允许触发器。 “1”表示中断允许（人工设置）。,第六章 单片机系统扩展技术,方式1输出 OBF ：输出锁存器满状态标志输出线。 表示CPU已将数据输出到此端口。ACK ：设备响应信号输入线。表示外设
11、已取走数据。 INTR：中断请求信号输出线，高电平有效。当OBF、ACK 和INTE都为“1”时，INTR被置“1”,发出中断请求 。,第六章 单片机系统扩展技术,（3）方式2（双向选通I/O方式）方式2仅对PA口有意义。方式2使PA口成为8位双向三态数据总线口，既可发送数据又可接收数据。PA口方式2工作时，PB口仍可作方式0和方式1 I/O口，PC口高5位作状态控制线。,第六章 单片机系统扩展技术,4. 8255编程规定 8255初始化编程：往控制口写入控制字，确定8255工作方式。方式选择控制字：D7=1C口置位/复位控制字：D7=0,例：8255PA口方式0输出单片机片内RAM数据，PB
12、口方式1输入。 PIOS： MOV DPTR，#7F03H；控制口地址MOV A，#86H ；写控制字MOVX DPTR，A ；设工作方式MOV DPTR，#7F00H ；PA数据口地址MOV A，R0 ；取RAM的数据MOVX DPTR，A ；由PA口输出,第六章 单片机系统扩展技术,例6-4 打印程序 8255A可采用方式1工作，CPU可采用中断方式控制打印机打印。把MCS-51内部RAM中30H开始的32个单元的字符输出打印 主程序： MAIN：MOV 8，#30H ；RAM首址 1区R0MOV 0FH，#20H ；长度1区R7SETB EA ；开中断 SETB EX1 ；允许外中断，电
13、平触发方式MOV DPTR，#7FFFH ；将8255A的PC2（即INTEB）置“1”MOV A，05H MOVX DPTR，A ；允许B口中断MOV A，#0BCH ；写方式控制字（PB口方式1输出）MOVX DPTR，AMOV DPTR，#7FFDH ；从PB口输出第一个数据打印MOV A，30HMOVX DPTR，AINC 8 ；RAM指针加1DEC 0FH ；长度减1 。 ；执行其它任务,第六章 单片机系统扩展技术,外中断1服务程序：PINT1： PUSH ACC ；现场保护（A，DPTR 等进堆栈）PUSH DPHPUSH DPLPUSH PSW MOV PSW，#8 ；当前工作寄
14、存器区切换到1区MOV A，R0 ；从PB口输出下一个数据打印MOV DPTR，#7FFDHMOVX DPTR，AINC R0 ；修改指针、长度DJNZ R7，BACKCLR EX1 ；长度为0，关中断返回SETB F0 ；置打印结束标志位F0 BACK:POP PSW ；现场恢复（A，DPTR等退栈）POP DPLPOP DPHPOP ACCRETI,第六章 单片机系统扩展技术,8255A选通I/O方式接口逻辑,第六章 单片机系统扩展技术,6-5 D/A转换器接口 实现数模转换的功能部件称为D/A转换器，衡量D/A转换器性能的主要参数有： 分辨率，即输出的模拟量的最小变化量，n位的D/A转换
15、器分辨率为2-n。 满刻度误差，即输入为全1时输出电压与理想值之间的误差，一般为2-（n+1） 输出范围； 转换时间，指从转换器的输入改变到输出稳定的时间间隔； 是否容易和CPU接口。,第六章 单片机系统扩展技术,梯形电阻式D/A转换原理：“按权展开，然后相加”I2Vref/2RI1I2/2I0I1/2,第六章 单片机系统扩展技术,根据以上的分析计算，可推理得到n位二进制数的转换表达式：,其中D为n位二进制数的和，因此， 电流和二进制数成线性关系。运算放大器的输出电压为：,第六章 单片机系统扩展技术,6-5-2 DAC 0832DAC0832是美国数据公司的8位D/A，片内带数据锁存器，电流输
16、出，输出电流稳定时间为1 us。+5V +15V单电源供电，功耗为20mW。,第六章 单片机系统扩展技术,DAC 0832的内部结构 控制线（5条） ILE： 数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； CS：片选片信号输入线，低电平有效； WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲有效 ； WR2：DAC寄存器写选通输入线，负脉冲有效； XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效；,第六章 单片机系统扩展技术,输出线（3条） IOUT1： 电流输出线，当DAC寄存器为全1时IOUT1最大； IOUT2：电流输出线，其值和IOUT1值之和为一常数；Rfb： 反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可
17、调整转换满量程精度；,第六章 单片机系统扩展技术,DAC 0832工作方式,直通方式：适宜连续反馈控制线路中； 使所有控制信号均有效（CS、WR1、WR2、ILE、XFER） 单缓冲器方式：适宜一路模拟量输出，几路模拟量非同步输出， 控制使两个寄存器同时有效。 双缓冲器方式：适宜多个DAC0832同时输出； 输入寄存器和DAC寄存器分配有各自的地址，可分别选通用同时输出多路模拟信号。,第六章 单片机系统扩展技术,电流输出转换成电压输出使用运算放大器，可以将DAC0832的电流输出线性地转换成电压输出。根据运放和DAC0832的连接方法，运放的输出可以分为单极型和双极型两种。,第六章 单片机系统
18、扩展技术,1.DAC作为单极性电压输出VoutBVref/256Bb7*27+b6*26 +b0*20,第六章 单片机系统扩展技术,2.DAC作为双极性电压输出 列方程： I1+I2+I3=0 I1=Va/R，I2=Vout/2R，I3=Vref/2R VaBVref/256 解得： Vout=(B128)*Vref/128,第六章 单片机系统扩展技术,一路模拟量输出，单缓冲方式,第六章 单片机系统扩展技术,例：D/A转换程序，用DAC 0832输出05V锯齿波，电路为直通方式。设VREF= - 5V，DAC 0832地址为7FFFH，脉冲周期要求为100ms。,+5V,0V,DACS：MOV
19、 DPTR，#7FFFH；0832 I/O地址MOV A，#0 ；开始输出0V DACL：MOVX DPTR，A ；输出模拟量INC A ；升压ACALL DELAY ；延时100ms/256AJMP DACL ；连续输出 DELAY： ；延时子程序,第六章 单片机系统扩展技术,例：D/A转换程序，用DAC 0832输出-1-5V方波，电路为直通方式。设VREF= 5V，DAC 0832地址为7FFFH。,-1V,-5V,解：ORG 1000H START: MOV DPTR,#7FFFHLOOP: MOV A, #33HMOVX DPTR,A ;置上限电平ACALL DELAY ；形成方波顶
20、宽MOV A,#0FFHMOVX DPTR, A ;置下限电平ACALL DELAY ；形成方波底宽SJMP LOOP ；循环 DELAY: ,第六章 单片机系统扩展技术,A/D转换器 A/D转换器是将模拟量转换成数字量的器件。模拟量可是电压、电流等电信号，也可是声、光、压力和温度等随时间连续变化的非电物理量。 非电物理量可通过合适的传感器等转换成电信号，模拟量只有转换成数字量才能被计算机采集、分析和计算处理。,第六章 单片机系统扩展技术,A/D转换方法 电压频率式：精度高 价格低，但转换速度不高 积分式：抗干扰能力好，转换速度低 逐次逼近式：转换速度较快 并行转换： 串行转换：,第六章 单片
21、机系统扩展技术,逐次逼近转换原理控制电路先使“N位寄存器”中最高位置1，其余位清零，根据“N位寄存器”中内容使D/A转换网络产生一个比较电压Vs，并将其与输入的模拟电压Vx比较，若Vx Vs,则“N位寄存器”中最高位“1”保留，否则置“0”，然后依次对N-1,N-2,重复上述比较过程，可使“N位寄存器”中得到与模拟量Vx相对应的数字量。,第六章 单片机系统扩展技术,6.6 A/D接口的扩展 衡量A/D性能的主要参数是： 分辨率，即输出的数字量最低位变化一位所对应的输入模拟量的变化值； 满刻度误差，即输出全1时输入电压与理想输入量之差； 转换速率； 转换精度； 是否可方便地和CPU接口。,第六章
22、 单片机系统扩展技术,6-6-2 ADC0809 ADC 0809/0808为8路输入通道、8位逐次逼近式A/D转换器，可分时转换8路模拟信号。 一结构一个8位逐次逼近式A/D转换器、8路模拟转换开关、3-8地址锁存译码器和三态输出数据锁存器。,第六章 单片机系统扩展技术,ADC0809的引脚功能 1N01N7：8路模拟量输入通道； D7D0：8位三态数据输出线；A、B、C：通道选择输入线；ALE：通道锁存控制信号输入线 ； START：启动转换控制信号输入线； CLK：转换时钟输入线，CLK的典型值为640KHz，超过该频率时，转换精度会下降； EOC：转换结束信号输出线，高电平有效； OE
23、：输出允许控制信号输出线，OE为高电平时把转换结果送数据线D7D0，OE为低电平时D7D0为浮空态；,第六章 单片机系统扩展技术,ADC0809时钟信号的确定ADC0809时钟信号由8031的ALE信号提供，8031的ALE引脚通常是每个机器周期出现两次，故它的频率是单片机时钟频率的1/6。若8031的主频是6MHz，则ALE信号频率是1MHz，若使ALE上信号二分频后接ADC0809的CLK端，则可获得500KHz的A/D转换脉冲,第六章 单片机系统扩展技术,（1）启动A/D转换 满足以下条件： 在START端需产生一个正脉冲，上升沿复位ADC0809，下降沿启动A/D转换。 在启动A/D转
24、换之前，需在ALE端产生一个正跳变，将地址锁存起来，使得在A/D转换期间，比较器内部输入始终是选中的模拟通道输入信号。 在A/D转换结束之前，在START端和ALE端不能再次出现正脉冲信号。,第六章 单片机系统扩展技术,启动A/D转换时序图,第六章 单片机系统扩展技术,（1）启动A/D转换,三种启动方式对应三种硬件连接方法 1）ADDA，ADDB，ADDC分别接地址锁存器提供地址的低3位,指向IN7通道的相应程序指令为：MOV DPTR，#0EFF7H；指向D/A转换器和模拟通道IN7地址MOVX DPTR，A ；启动A/D转换，A中可以是任意值,第六章 单片机系统扩展技术,2）ADDA，AD
25、DB，ADDC分别接数据线中的低3位，则指向IN7通道的相应程序指令为：MOV DPH，#0E0H ；送D/A转换器端口地址MOV A，#07H ；IN7地址送AMOVX DPTR，A ；送地址并启动A/D转换,第六章 单片机系统扩展技术,3）ADDA，ADDB，ADDC分别接高8位地址中的低3位，则指向IN7通道的相应程序指令为：MOV DPTR， #0E700HMOVX DPTR， A,第六章 单片机系统扩展技术,（2）确认A/D转换完成 1）无条件传送方式 转换时间是转换器的一项已知和固定的技术指标。例如：ADC0809转换时间为128us，可在A/D转换启动后，调用一个延时足够长的子程
26、序，规定时间到，转换也肯定已经完成。 2）查询方式 ADC0809的EOC端高电平，表明A/D转换完成，查询测试EOC的状态，即可确知转换是否完成。需注意ADC0809从复位到EOC变低约需10时间，查询时应首先确定EOC已变低，再变高，才说明A/D转换完成。 3）中断方式 把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。,第六章 单片机系统扩展技术,例6-6 如图a电路中，对IN0IN7上模拟电压巡回采集一遍数字量, 并送入内部RAM以50H为始址的输入缓冲区的有关程序如下：ORG 0000HSJMP MA1NORG 0013HLJMP P1NT1 MA1N： M
27、OV 10H，#50H ；数据区首址送工作寄存器区2 R0MOV 12H，#0 ；1N0地址送工作寄存器区2 R2MOV 17H， #8 ；模拟量路数送工作寄存器区2 R7MOV IE， #84 ；CPU开中断，开外部中断1SETB IT1 ；为负边沿触发MOV SP， #50H ；设置堆栈指针MOV DPTR，#0EFF8H ；启动1N0 A/D转换MOVX DPTR, A。,第六章 单片机系统扩展技术,P1NT1： PUSH 。 ；保护现场略SETB RS1 ；切换到工作寄存器区2CLR RS0MOV DPH，#0EFH ；读A/D转换值MOVX A，DPTR MOV R0，A ；存A/D转换值 DJNZ R7，OUT1 ；CLR EX1 ；采集完8路，关中断。OUT： POP 。 ；恢复现场略RETI ；中断返回 OUT1： INC R0 ；指向输入数据区下一地址INC R2 ；指向下一路模拟通道MOV DPH，#0EFH ；启动下一路模拟通道A/D转换MOV DPL，R2MOVX DPTR，ASJMP OUT,
