IO接口擴(kuò)展電路設(shè)計.doc

i/o接口擴(kuò)展電路設(shè)計 8051系列單片機(jī)如果系統(tǒng)不做任何擴(kuò)展，p0p3接口可做i/o接口使用。只要稍微擴(kuò)展系統(tǒng)，p0、p2接口則被用為地址線。p0接口還兼做數(shù)據(jù)線，p3接口常被專用線占用，只有pl接口可做i/o接口。一個實際系統(tǒng)，只有8位io接口往往是不夠用的，所以i/o接口也需要擴(kuò)展。本節(jié)重點介紹i/o接口擴(kuò)展方法及應(yīng)用實例。 i/o接口擴(kuò)展方式主要有兩種:總線擴(kuò)展法和串行口擴(kuò)展法?？偩€擴(kuò)展又可分為簡單i/o接口擴(kuò)展和可編程i/o接口擴(kuò)展。 擴(kuò)展i/o接口常用芯片有ttl、cmos鎖存器、三態(tài)門芯片，如74系列的373、244、273、367等，這些常用來擴(kuò)展簡單i/o接口。可編程芯片常用8255、8155等，利用程序?qū)π酒M(jìn)行設(shè)置，軟硬件結(jié)合實現(xiàn)對i/o接口的擴(kuò)展。 簡單i/o接口擴(kuò)展 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，利用ttl芯片、coms鎖存器、三態(tài)門等接口芯片把p0接口擴(kuò)展，常選用74ls273、74ls373、74ls244等芯片。這些芯片價格低，結(jié)構(gòu)簡單，使擴(kuò)展靈活方便。如圖6-7所示是一個利用74ls273和74ls244，將8位p0接口擴(kuò)展成簡單的輸入、輸出口的電路。74ls273是8d鎖存器擴(kuò)展輸出口，輸出端接8個led發(fā)光二極管，以顯示開關(guān)狀態(tài)，某位低電平時二極管發(fā)光。74ls244是緩沖驅(qū)動器，擴(kuò)展輸入口，它的8個輸入端分別接8個按鈕開關(guān)。74ls273與74ls244的工作受p2.0、rd、wr三條控制線控制。其工作原理如下。當(dāng)p2.0=0，wr=0(rd=1)選中74ls273芯片，cpu通過p0接口輸出數(shù)據(jù)鎖存到74ls273，74ls273的輸出端低電平位對應(yīng)的led發(fā)光二極管點亮；當(dāng)p2.0=0，rd=0(wr=1)時選中74ls244，此時若無鍵按下，輸入全為高電平，當(dāng)某鍵按下時則對應(yīng)位輸入為“0”，74ls244的輸入端不全為“1”，其輸入狀態(tài)通過p0接口數(shù)據(jù)線被cpu讀入機(jī)內(nèi)。總之，在圖6-7中只要保證p2.0端低電平就有可能使擴(kuò)展輸入口或輸出口工作。至于哪一個口工作受wr和rd控制線控制，二者不會同時為“0”，故在圖6-7中，兩個擴(kuò)展芯片可共用一個地址。擴(kuò)展口地址確定原則，只要保證p2.0為“0” 。其他地址位或“0”或“1”即可。如地址用feffh(無效位全為“1”)，用0000h(無效位全為“0”)。輸出程序段：mov a, #data ；數(shù)據(jù)amov dptr, #0feffh ；i/o地址dptrmovx dptr, a ；wr為低電平，數(shù)據(jù)74ls273口輸出輸入程序段：mov dptr, #ofeffh ；i/o地址dptrmovx a, dptr ；rd為低電平，74ls244接口數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部ram例 要求編程把按鍵狀態(tài)通過圖6-7中的發(fā)光二極管顯示出來。程序lp： mov dptr, #0feffh ；輸入口地址dptr mov a, dptr ；鍵狀態(tài)送 a movx dptr, a ；a 數(shù)據(jù)送顯示輸出口 sjmp lp ；（輸入、輸出公用一個地址）反復(fù)連續(xù)執(zhí)行8255可編程并行i/o接口擴(kuò)展與電路設(shè)計8255 是一個單片機(jī)系統(tǒng)常用的可編程芯片，利用指令設(shè)置各口的工作方式。為了對8255合理設(shè)置，靈活應(yīng)用，有必要了解他的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理。1.8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能8255是一個有40引腳雙列支插型可編程芯片，內(nèi)部及引腳如圖6-8所示。由圖6-8可見，8255內(nèi)部有3個并行的8位i/o接口，分別稱為a口、b口、c口。擴(kuò)展一片8255則可擴(kuò)展24位并行端口。引腳功能介紹如下：(1) 接口線a、b、c 3個i/o接口的引線端分別為：pa0pa7、pb0pb7、pc0pc7共24條端線。3個口皆為鎖存/緩沖寄存器，a口、b口有鎖存功能，c口無鎖存功能。a、b、c 3口的工作方式由程序設(shè)置。a口可設(shè)置為輸入或輸出或雙向方式工作。b口只能設(shè)置為輸入或輸出，不能雙向方式工作。c口可設(shè)置為輸入或輸出口。它的特點是可分成高、低兩個4位使用。上半部pc4pc7與a口組成一組叫a組；下半部pc0pc3與b口組成一組為b組，便于控制。 (2) 數(shù)據(jù)線8255是8位芯片，有8位數(shù)據(jù)線d0d7。數(shù)據(jù)線接于8051的p0接口，用以實現(xiàn)8255與cpu之間的數(shù)據(jù)傳送。(3) 控制線控制線控制8255的讀、寫、復(fù)位及片選等。rd：讀入控制線，低電平有效，當(dāng)其為低電平時cpu對8255進(jìn)行讀操作，此時8255相應(yīng)口為輸入口。wr：輸出控制線，低電平有效，當(dāng)wr為低電平時，cpu輸出數(shù)據(jù)或命令到8255端口，此時8255相應(yīng)口為輸出口。reset：復(fù)位端，高電平有效，8255內(nèi)部寄存器全清0，24條i/o口線為高阻狀態(tài)。cs：片選線，當(dāng)cs為低電平時，cpu選中此8255芯片。(4) 地址線8255共占用4個口地址，為a、b、c口及控制口地址。這4個地址之間的選擇由a0、a1兩端口線控制。a0、a1通常接于單片機(jī)的地址線最低兩位p0.o、p0.1，二者組合決定了4個端口地址，口地址選擇方式如下：a1a0=00，選擇a口；a1a0=01，選擇b口；a1a0=10，選擇c口；a1a0=11，選擇控制口。除這兩位外，其他位狀態(tài)還與硬件接線有關(guān)，各口具體地址，結(jié)合實際電路才能確定。2.方式選擇及方式控制字(1) 8255工作方式8255有3種工作方式：方式0、方式1，方式2。方式0時，a、b、c三口都可作基本的輸入或輸出口；方式1時，a、b口可作選通輸入或輸出，c口部分作專用聯(lián)絡(luò)線；方式2時，a口為雙向口，c口部分為專用聯(lián)絡(luò)線，b口無此方式。8255的c口專用功能如表6-3所列。 (2) 方式選擇 8255的方式選擇由方式控制字決定。方式控制字是8255內(nèi)部方式控制寄存器的狀態(tài)字，它由指令寫入控制寄存器中a、b、c口控制位為“1”，對應(yīng)口為輸入方式，若為“0”則為輸出方式。例如，控制字狀態(tài)為10010101b，表示a組為方式0(d6d5=00)，a口為輸入方式(d4=1)，c口上半部為輸出方式(d3=0)；b組方式1(d2=1)中，b口為輸出(d1=0)，c口下半部為輸入方式(d0=1)。d7=0只能對c口位操作，位操作內(nèi)容由控制寄存器相應(yīng)位狀態(tài)決定。例如，若控制字為01h，即控制寄存器格式為00000001b，表示c口位操作(d7=0)，將pc0位置“1”(d3d2d1=000，do=l置“1”)，同理若控制字為0eh則把c口最高位pc7置“0”即復(fù)位。8255擴(kuò)展電路及地址設(shè)置 如圖6-9所示是8051單片機(jī)擴(kuò)展一片8255的電路圖。圖中，74ls373是地址鎖存器。8255的地址線ai、a0經(jīng)74ls373接于p0.1、p0.0；片選端cs經(jīng)74ls373與p0.7接通,其他地址線懸空；8255的控制線rd、wr直接接于8051的rd和wr端；數(shù)據(jù)線db接于p0口。18255地址口確定圖6-9中8255只有3根線接于地址線。片選cs、地址選擇端a1、a0。分別接于p0.7,p0.1、p0.0其他地址線全懸空。顯然只要保證p0.7為低電平時，選中該8255，若p0.1、p0.0再為“00”選中8255的a口，同理p0.1、p0.0為“01”、“10”、“11”分別選中b口、c口及控制口。若地址口用16位表示，其他無用端全設(shè)為“1”，則8255的a、b、c及控制口地址分別可為 ff7ch、ff7dh、ff7eh、ff7fh，無用位為“0”則4個地址為0000h、0001h、0002h、0003h，只要保證cs、a1、a0的狀態(tài)，無用位設(shè)為“0”或“1”無關(guān)。掌握了確定地址的方法，使用者可靈活選擇地址。 28255初始化 使用8255芯片時，首先要對它初始化。所謂初始化，也就是對8255的3個端口的工作方式預(yù)先設(shè)置。設(shè)置控制字經(jīng)控制口寫入。 例如圖6-9電路，欲設(shè)置8255的a、b、c口全為輸出狀態(tài)，控制字為80h。程序：mov dptr, #0003h ；8255控制口地址dptrmov a, #80h ；控制字送amovx dptr, a ；控制字寫入控制寄存器 利用這幾條指令對8255初始化后，a、b、c 3個口才能作為輸出口使用。當(dāng)然改變控制字,則可改變3個端口的工作方式。8155可編程i/o接口擴(kuò)展設(shè)計8155可編程接口芯片與8255的使用方法類似，只是二者在結(jié)構(gòu)與功能上有所不同。18155結(jié)構(gòu)及引腳 8155 內(nèi)部也有3個i/o接口a、b、c口，與8255的主要區(qū)別是c口只有6位，i/o接口共22位，比8255多一個14位可編程定時/計數(shù)器，還多256b的靜態(tài)ram。8155共40引腳，雙列直插式封裝，如圖6-10所示。(1) i/o接口線pa0pa7，pb0pb7，pc0pc5分別為a、b、c 3個i/o接口引線端。a、b、c口多用于與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送；c口還可以作為a、b口的控制線。(2) 地址數(shù)據(jù)線 8155的低8位地址線和數(shù)據(jù)線共用ad0ad7，故稱為地址數(shù)據(jù)線。當(dāng)ale=1時，輸入的是地址信息，否則是數(shù)據(jù)信息。當(dāng)與8051單片機(jī)連接時，ale下降沿到，將p0接口輸出的低8位地址信息及ce、io/m狀態(tài)都鎖存到8155內(nèi)部寄存器。因此8155的ad0ad7直接與p0接口相聯(lián)，低8位地址不需要外接鎖存器，這點與8255不同。(3) 控制線 ale：地址鎖存線。ale=1表示給8155輸入的是地址信息，當(dāng)ale下降沿時，把地址鎖存到8155中。io/m：ram與i/o接口的選擇線。io/m=0選中8155內(nèi)部ram區(qū)，io/m=1 選擇3個i/o接口、定時/計數(shù)器和命令寄存器。ce：片選線，rd：讀控制線，wr：寫控制線。 timerin：定時計數(shù)器外部脈沖輸入端。timerout：定時/計數(shù)器輸出端。2. 8155功能及操作 8155具有3種功能，下面介紹具體操作。 (1) 作i/o接口使用io/m=1時8155作i/o接口使用。各口的工作方式通過內(nèi)部控制寄存器設(shè)置。8155工作于i/o口時，各方式具體功能如表6-4所列。表6-48155 i/o接口工作方式及功能 pc2 pc1方式功 能 0 0方式1a、b口定義為基本輸入/輸出口；c口為輸入口 1 1方式2a、b口定義為基本輸入/輸出口；c口為輸入口 0 1方式3a口為選通輸出，b口基本輸入/輸出pc3pc5輸出，pc0pc2作a口選通控制pc0；aintr，pc1，abf，pc2，astb 1 0方式4a口、b口都作為選通輸入/輸出方式pc0pc2控制a口，同方式3pc3pc5控制b口，pc3；bintr，pc4：bbfpc5：bstb 2）狀態(tài)寄存器格式8155有一個狀態(tài)寄存器，它鎖存i/o接口和定時器當(dāng)前狀態(tài)供單片機(jī)查詢。狀態(tài)寄存器和控制寄存器共用一個地址，所不同的是狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫入而控制寄存器只能寫入不能讀出。標(biāo)志寄存器皆為高電平有效。(2) 作擴(kuò)展ram 8155作為單片機(jī)擴(kuò)展ram 256b，操作很簡單，只要使io/m控制端為低電平即可。通常io/m端、ce端與p2接口兩位相連，二者皆為低電平?jīng)Q定了ram的高8位地址，p0接口與ad0ad7相接決定ram的低8位地址。注意與其他數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址。 (3) 作定時器使用當(dāng)io/m=1時，8155也可作定時器使用。8155內(nèi)的可編程定時/計數(shù)器實際是一個14位的減法計數(shù)器。它共有兩個8位寄存器組成，低8位和高6位存放計數(shù)初值，最高2位控制定時器的工作方式。m2m1決定的定時方式及波形，8155的定時計數(shù)器為計數(shù)方式時。由引腳timerin(3)從外部輸入計數(shù)脈沖；為定時方式時，則接單片機(jī)系統(tǒng)時鐘。無論定時或計數(shù)方式都從timerout端輸出脈沖或方波。 注意：如果寫入定時器的計數(shù)初值為奇數(shù)，方波輸出將不對稱。例如計數(shù)初值為9，單方波方式輸出方波在5個脈沖周期為高電平，4個脈沖周期內(nèi)為低電平。8155任何時候都可以置定時初值和工作方式，只要重新啟動即可。計數(shù)初值為23fffh之間，終值為2。 8155計數(shù)方式一般作信號發(fā)生器使用，輸入連續(xù)脈沖后，由編程控制輸出不同波形。3. 8155的i/o接口及ram地址分配 8155和其他芯片一樣統(tǒng)一按16位地址。它的地址范圍分兩種情況。 當(dāng)ram方式，io/m=0、ce=0(二者接p2口)，其ram中數(shù)據(jù)地址范圍可為0000h- 00ffh(無關(guān)位取為0)。ram應(yīng)與系統(tǒng)中其他數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址。表 6-5 i/o接口及定時器地址編碼 ad2 ad1 ad0選中i/o接口或定時寄存器低8位地址編碼 0 0 0控制（命令）/狀態(tài)寄存器00h 0 0 1pa口01h 0 1 0pb口02h 0 1 1pc口03h 1 0 0 定時器低8位04h 1 0 1定時器高8位05h 當(dāng)io/m=1、ce=0時工作在i/o接口或定時器方式，這種情況8155共需要占6個地址,6個地址由地址低8位中最低3位ad2、adl、ado編碼決定，編碼格式如表6-5所列。4. 8051單片機(jī)與8155接口電路舉例如圖6-11所示是8051單片機(jī)與8155芯片接口電路之一。結(jié)合硬件電路著重說明8155地址口的確定及初始化程序。(1) 8051與8155連接特點及地址分配 mcs-51系列單片機(jī)可以直接和8155連接，低8位地址可不加鎖存器。adoad7直接接于p0口，8155的ale直接與8051 ale相接，這點優(yōu)于8255。 圖中8155的io/m接8051的p2.0端，ce接p2.1端。 io/m=0, ce=0工作在ram方式，其地址范圍為0000h00ffh(無用位設(shè)為0)。 io/m=1,ce=0 8155工作在 i/o接口或定時方式，其地址確定方法：高位保證p2.1=0， p2.0=1其他無用位設(shè)為0，這樣高位地址為01h，再考慮低位ad2、ad1、ad0三位編碼可確定8155的以下6個地址：控制/狀態(tài)字地址 0100ha口地址 0101hb口地址 0102hc口地址 0103h定時器低8位地址 0104h定時器高8位地址 0105h(2) 8155初始化用指令把8155設(shè)置成各種工作方式：1）設(shè)置i/o口工作方式例1 設(shè)a口為基本輸出，b口為基本輸入，c口輸出。分析：根據(jù)題目要求，控制寄存器狀態(tài)為00001101b（0dh），編程把控制字送入即可。程序為： mov dptr, #0100h ；控制寄存器dptr mov a, #0dh ；控制字a movx dptr, a ；控制字送控制寄存器無論控制字為何值，都必須通過上述方式，把控制字送入控制寄存器，才能正確設(shè)置8155中i/o口工作方式。2）設(shè)置ram方式。例2 編程使cpu往8155ram30h單元送立即數(shù)88h。程序為：mov dptr, #0030h ；ram數(shù)據(jù)單元地址dptrmov a,#88h ；立即數(shù)送入amovx dptr, a ；立即數(shù)送入0030h中 使用ram時必在io/m=0條件下。3） 設(shè)置為定時方式。例3 設(shè)8155的定時/計數(shù)器為方波發(fā)生器，輸出方波頻率為輸入時鐘頻率的24分頻。初始化程序如下： mov dptr，#0104h ；定時器低8位地址dftr mov a, #18h ；18h-24d分頻系數(shù)a movx dptr，a ；定時初值送入定時器低8位 inc dptr ；0105h是定時高8位地址 mov a，#40h ；定時器方式1 movx dptr，a ；a 定時器高位地址 mov dptr,#0100h ；控制口地址dptr mov a, #0c2h ；啟動計數(shù)器，b口輸出，a、c口輸入 movx dptr，a 與8155芯片類似芯片如8156，除選片端ce高電平有效外，其他功能及引腳與8155完全相同。8755內(nèi)部有2kb eprom和兩個i/o接口，詳細(xì)參數(shù)可查閱有關(guān)資料。串行口擴(kuò)展i/o接口 單片機(jī)控制系統(tǒng)中，串行口常用來擴(kuò)展io接口，使用移位寄存器作為鎖存或輸入信號的接口，可以方便地擴(kuò)展并行輸入、輸出口。這種方法不占用片外ram地址，簡單易行，便于操作，適用于速度較慢、實時性要求不高的場合。1. 串行口擴(kuò)展并行輸入口 74ls165芯片是8位并行輸入和串行移位輸出寄存器。原則上利用n片74ls165與8051的3根端口線相連，可擴(kuò)展8n根并行輸入口線。圖6-12所示利用2片74lsl65與串行口配合，擴(kuò)展16根并行輸入線的電路。由圖可見，8051僅用了3根線，分別為串行口輸入線rxd(p3.0)、串行口輸出線txd(p3.1)和1根控制線p1.0引出。74lsl65是一個8位寄存器，其sl端是串行移位控制端接于p1.0端；ck是移位時鐘輸入端，接于p3.1 (txd)端；qh是串行移位輸出端接于p3.0(rxd)端。串行口置為方式0。兩個165芯片是串聯(lián)方式，首尾相接，低位qh接于高位ser端，高位qh端接8051的rxd端。若16位并行輸入數(shù)據(jù)已送到兩個74lsl65的輸入端，當(dāng)pl.0=0時。16位數(shù)據(jù)被同時接收，置入對應(yīng)的74lsl65的寄存器中。當(dāng)p1.