单片机系统的设计Word文档格式.docx
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掉电期间,此引脚可接上备用电源(VPD),以保值内部RAM中的数据不流失。
当VCC下降到低于规定值,而VPD在其规定的电压范围内(5±
0.5V)时,VPD就向内部RAM提供备用电源。
(2)ALE/
(30脚)当单片机访问外部存储器时,ALE(地址锁促允许)输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。
即使不访问外部存储器,ALE端有周期性正脉冲输出,其频率为振荡器频率的1/6。
但是,每当访问外部数据存储器时,在两个机器周期中ALE只出现一次,即丢失一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动8个TTL负载。
对于片内具有EPROM型的单片机8751,在EPROM编程期间,此引脚用于输入编程脉冲
。
(3)
(29脚)此输出为单片内访问外部程序存储器的读选通信号。
在从外部程序存储器取指令(或常数)期间,每个机器周期
信号将不出现。
同样可以驱动8个TTL负载.
(4)
/VPP(31脚)当
端保持高电平时,单片机访问内部程序存储器,但在PC(程序计数器)值超过OFFFH时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
当
端保持低电平时,则只访问外部程序存储器,不管是否有内部程序存储器。
对8031来说,因其无内部程序存储器,所以该脚必须接地,这样只能选择外部程序存储器。
4.2.1.3输入/输出引脚输入/输出(I/O)口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。
(1)P0口(P0.0~P0.7)双向8位三态I/O口,此口为地址总线低8位及数据总线分时复用口,可带8个LSTTL负载。
(2)P1口(P1.0~P1.7)8位准双向I/O口(作为输入时,口锁存器置1),可带4个LSTTL负载。
(3)P2口(P2.0~P2.7)8位准双向I/O口,与地址总线高8位复用,可驱动4个LSTTL负载。
(4)P3口(P3.0~P3.7)8位准双向I/O口,为双功能复用口,可带4个LSTTL负载。
4.2.2Intel8031的内部结构
单片机8031内部总体结构如图4-2所示。
按功能划分,它由8个部分组成,即微处理器(CPU)、程序存储器(ROM/EPROM)、特殊功能寄存器(SFR)、I/O口、(P0口、P1口、P2口、P3口)、串行口、定时器/计数器及中断系统,它们是通过片内单一总线连接起来的。
由于本设计选用的单片机为8031,所以它的片内无程序存储器。
考虑到本设计的需要下面仅对8031的时钟和复位电路、存储器的扩展作详细的介绍。
图4-28031单片机内部总体结构
Fig.4-2CollectivitystructureofSCM8031
4.2.3Intel8031的时钟和复位电路
(1)8031的时钟可以由内部方式或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图4-3(a)所示,利用8031内部的振荡电路,并在XTAL1和XTAL2两引脚间外接晶体以及电容CX1和CX2可以在20~100pF之间选择,电容的大小对振荡频率有微小影响,可起频率微调作用。
外部方式的时钟电路如图4-3(b)所示,XTAL1接地,XTAL2接外部振荡器。
外部振荡器的振荡信号应为低于12MHz的方波信号。
为保证XTAL1的电平为TTL逻辑,故外接一个4.7~10kΩ的上拉电阻。
(a)(b)
图4-38031时钟电路
Fig.4-3ClockcircuitofSCM8031
(a)内部方式时钟电路;
(b)外部方式时钟电路
(a)Insidemodeclockcircuit;
(b)Exteriormodeclockcircuit
(2)8031的复位方式通常有上电自动复位和按钮复位两种,上电复位电路原理如图4-4(a)所示,而图4-4(b)为兼有上电复位和按钮复位的复位电路。
图4-4复位电路
Fig.4-4Replacementcircuit
上电复位的工作原理是:
通电瞬间,RC电路充电,RST端出现正脉冲,只要RST端保持10ms以上的高电平,就能使单片机有效复位。
当振荡频率选用6MHz时,C取22μF,R取1KΩ。
在需要人工复位大的情况下,按动按钮,RST端出现高电平,便能可靠的实现复位。
此时RS取200Ω,RK取1KΩ。
在实际的应用系统中,若有外部扩展的I/O接口电路也需要初始复位,如果它们的复位端与8031的复位端相连,复位电路中的R、C参数要受到影响,此时需要重新调整R、C参数以保证可靠的复位。
如果8031的复位与外部I/O口的复位不要求同步,外围I/O接口的复位端可以不和8031的复位端相连,外围I/O接口电路可采用独立的上电复位电路。
4.3Intel8031存储器的扩展
8031单片机的程序存储器空间,数据存储器空间是相互独立的。
8031内部无程序存储器,外部程序存储空间最大可扩展至64KB。
外部数据存储器(简称外部RAM)的地址空间最大也可扩至64KB。
由于8031的数据存储器和I/O地址空间是统一编址的,在64KB的外部RAM空间内,可划出一定的区间作为外部扩展接口的地址空间。
程序存储器的扩展:
由于选用的单片机Intel8031片内无程序存储器,所以必须接在单片机Intel8031的外部扩展一片程序存储器作为程序的存储单元。
在本设计中,选用EPROM作为单片机Intel8031的外部扩展程序存储器。
EPROM是可擦除、可编程只读存储器,由独立的编程器进行编程(烧程序)。
EPROM可重新改写程序,但通常要把EPROM芯片从系统中折下来,放到紫外线下照射才能擦除,然后才能重写。
常用的EPROM程序存储器的芯片有:
2716(2K×
8)、2732(4K×
8)、2764(8K×
8)、27128(16K×
8)、27256(32K×
8)、27512(64K×
8)。
图4-5和表4-1给出了2716芯片的端子图和常见的EPROM芯片的主要技术指标。
图4-5芯片2716的引脚图
Fig.4-5Cite-feetof2713CMOSchip
表4-1常见的EPROM芯片的主要技术指标
Table4-1MostlytechniqueguidelineoffamiliarchipEPROM
型号
2716
2732
2764
27128
27256
27512
容量(字节)
2K
4K
8K
16K
32K
64K
端子数
24
28
读出时间/ns
350-450
200①
170①
最大工作电流/mA
100
75
125
最大维持电流/mA
35
40
①EPROM的读出时间按型号而定,一般在100-300ns间,表中列出的为典型值。
图4-5中涉及的端子符号的意义如下:
(1)A0~Ai地址输入线,
=10~11;
(2)Q0~Q7三态数据总线,读或编程校验时为数据输出线,编程时为数据输入线。
维持或编程禁止时呈高阻态。
选片信号输入线,“0”(即TTL低电平)有效。
(4)PGM编程脉冲输入线。
(5)
读选通信号输入线,“0”有效。
(6)VPP编程电源输入线,VPP值因芯片型号和制造厂商而异。
(7)VCC电源输入线,VCC一般为+5V。
(8)GND线路地。
程序存储器的扩展时,除必须有EPROM芯片,还必须有锁存器芯片。
常见的锁存器芯片有三态缓冲输出的入口锁存器74LS373和带清除端的入口锁存器74LS373及74LS373的功能表4-2。
表4-274LS373的功能表
Table4-2Functiontableof74LS373
G
功能
1
直通(
i=
i)
保持(
i保持不便)
×
输出高阻
图4-6锁存器74LS373的引脚图
Fig.4-6Cite-feet74LS373flip-latch
如图4-6所示为74LS373的外部引脚结构。
为低电平时,芯片处于导通状态。
G称为数据输入线,当
为低电平时,如果G输入端为高电平,锁存器输出端(Q1~Q8)和输入端(D1~D8)状态相同;
如果G端从高电平返回到低电平(下降沿),输入端(D1~D8)的数据锁入Q1~Q8的8位锁存器中。
74LS373的锁存控制端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连,在ALE下降沿进行地址锁存。
本设计选用2KBEPROM2716作为单片机Intel8031的外部扩展程序存储器,它与单片机的连接图,如图4-7所示。
图4-7EPROM2716与单片机8031的连接图
Fig.4-7ConnectingfigureofEPROM2716andSCM8031
数据存储器的扩展:
单片机8031的片内包含有128个字节的RAM,CPU对内部RAM有丰富的操作指令。
在实际应用中,仅靠片内RAM往往不够,必须扩展外部数据存储器。
常用的数据存储器有静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)两类。
DRAM一般用于存储容量较大的系统中,在使用DRAM时,需解决两个特殊问题:
一是因为DRAM芯片容量较大,而芯片引脚有限,地址空间内译电路往往采用矩阵结构,而且行地址线和列地址线共用一组地址引脚,分别通过行址选通和列址选通信号按照时序分时选通故要增加相应的控制逻辑;
二是靠寄生电容存储电荷表示信息,而电容都有泄露电流,所以必须定期按原来存储的信息不断给其充电(称为刷新),因而还必须增加一个刷新控制逻辑。
DRAM芯片具有容量大、功率低、价格便宜等优点,但它也有一个致命的弱点,即DRAM极易受干扰,它对外界环境、工艺结构、控制逻辑和电源质量等的要求都很高。
因此,在应用中应避免使用DRAM,在本系统的设计中,采用的是静态数据存储器SRAM。
数据存储器与程序存储器的地址完全重叠,两者的地址总线和数据总线可完全并联使用。
但数据存储器只能使用
控制线而不使用
线来完成数据读/写操作。
单片机系统中常用的SMAR芯片的型号典型的有6116(2K×
8)、6264(8K×
8)、62128(16K×
8)、62256(32K×
它们都是单一+5V电源供电,双列直插封装,6116为24脚,6264、62128、62256为28脚。
与DRAM相比,SRAM无需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SRAM是通过有源电路来保持存储器中的数据,因此功耗较大,价格也较高。
图4-8所示为SRAM芯片6116的引脚配置,这些引脚功能描述如下:
(1)A0~Ai地址输入线,
=10;
(2)Q0~Q7双向三态数据总线。
选片信号输入线,低电平有效。
写选通信号输入线,低电平有效。
读选通信号输入线,低电平有效。
(6)
片选信号输入线,低电平有效。
(7)VCC工作电源+5V。
图4-8SRAM芯片6116的引脚图
Fig.4-8Cite-feetofSRAMchip6116
本设计选用2KBRAM6116作为单片机8031的外部扩展数据存储器,它与单片机的连接图,如图4-9所示。
图4-9SRAM6116与单片机的连接图
Fig.4-9ConnectingfigureofSRAM6116andSCM8031
4.4Intel8031与V/F转换器AD654的接口电路
4.4.1硬件电路连接
V/F转换器AD654与Intel8031的硬件接口电路非常简单,只要把V/F变换器输出的频率信号直接送到单片机8031的定时器1的计数输入端T1即可。
其设计思想为从传感器来的mV级电压信号经过放大器放大到0~10V的电压后加到单片机8031定时器1的计数输入端T1上。
在单片机内部由定时器0作计数定时,由定时器1作输入脉冲计数。
因为定时器0在工作方式1时为16位定时器,所以最大的定时时间为:
max=216×
1/(
/12)=216×
12/
(4-1)
其中
为单片机晶体振荡器的振荡频率,如
=12MHz,则
12/12×
106=65.636mV。
(4-2)
如要求的定时时间超过这一数值,定时器产生的溢出中断,可用单片机内部RAM的存储单元作软件计数,则可延长定时时间。
单片机8031的定时器1作计数器用时,可计数的外部脉冲最高频率为单片机晶体振荡频率的1/24,即:
max=
/24=12MHz/24=500kHz,(4-3)
等于AD654的最高允许工作频率。
故单片机8031的内部定时器T0和T1满足对定时和计数的要求。
4.4.2控制程序
选定定时器/计数器T0为定时状态,方式为1,时间10ms,T1置计数状态,方式为1,时钟频率为6MHz。
计数时间常数:
机器周期=12/晶振频率=12/6×
106=2μs,设置初始为X
(216-X)×
2×
10-6=10×
10-3(4-4)
X=60536
转换成16进制为0EB78H
即:
TH0=0EB,TL0=78H
V/F转换程序编制:
定时器T0置中断方式,每中断10次采样一次,V/F转换主程序框图如图4-10所示。
图4-10V/F转换主程序框图
Fig.4-10ProgramfigureofV/Fconversion
程序清单如下:
ORG0000H
REST:
AJMPMAIN
ORG000BH
AJMPIT0
MAIN:
MOVTMOD,#51H
MOVSP,#60H
MOVR0,#0AH
MOVTL1,#00H
MOVTH1,#00H
MOVTH0,#0EBH
MOVTL0,#78H
SETBTR0
SETBET0
SETBEA
SETBTR1
HERE:
AJMPHERE
IT0:
DJNZR0,LOOP
CLRTR1
MOVR0,LOOP
MOV20H,TL1
MOV21H,TH1
LOOP:
RET1
4.5Intel8031与键盘/显示器接口电路
图4-11键盘/显示器与8279的接口
Fig.4-11Interfacingoffingerboardandchip8279
图4-11为单片机8031与8位LED显示器、4×
8键盘和芯片8729的接口电路。
图中键盘的行线接8729的RL0~RL3,8729选用编码方式,SL0~SL2经74LS138
(1)译码输出接键盘的列线,SL0~SL2又由74LS138
(2)译码输出经驱动后,接到8位LED显示器的公共阴极。
输出线OUTB0~3、OUTA0~3作为8位段选码数据输出口。
BD控制74LS138
(2)的译码,当位切换时,BD输出低电平,使74LS138
(2)输出全为高电平。
当键盘上出现有效的闭合键时,键输入数据自动地进入8279地FIFORAM,并向8031请求中断,8031响应中断读取FIFORAM中的输入键值。
若要更新显示器输出,仅需改变8279中显示缓冲RAM中的内容。
在图4-11中,8279的命令状态口地址为7FFEH,数据口地址为7FFEH,显示器的输出子程序流程图,如图4-12所示。
图4-12显示子程序流程
Fig.4-12Showingsubprogramflowingfigure
显示子程序清单如下:
DIR:
MOVDPTR,#7FFFH;
输出写显示RAM命令
MOVA,#90H
MOVXDPTR,A
MOVR0,#70H
MOVR7,#08H
MOVDPTR,#7FFEH
DL0:
MOVA,R0
ADDA,#06H
MOVCA,A+PC;
转换为段选码
MOVXDPTR,A;
写入显示RAM
INCR0
DJNZR7,DL0
RET
ADSEG:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH;
DB7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH
DB39H,5EH,79H,71H,73H,3EH
DB31H,6EH,1CH,23H,40H,03H
DB18H,38H,00H
4.5.1芯片8279简介
8279是Intel公司生产的可编程键盘/显示器接口芯片。
利用8279可实现对键盘/显示器的自动扫描,并能识别键盘上闭合键的键号。
不仅可以大大节省CPU对键盘/显示器的操作时间,从而减轻CPU的负担;
而且显示稳定、编程简单、不会出现误动作。
另外8279可以直接和单片机8031接口。
由于这些优点,8279芯片日益被广泛采用。
图4-138279的内部结构框图
Fig.4-13Interiorframeofchip8279
图4-13为8279的内部结构图。
8279主要由下列部件组成,各部件的功能如下。
(1)I/0控制和数据缓冲双向的三态数据缓冲器将内部总线和外部总线DB0~7相连,用于传送CPU和8279之间的数据、命令和状态信息。
为片选信号,当其为低电平时,CPU才选中8279进行读/写。
A0用于区分信息的特性。
当A0为1时,CPU写入8279的信息为命令,CPU从8279读出的信息为8279的状态。
当A0为0时,I/O信息都为数据。
是读/写选通信号。
(2)控制逻辑控制与定时寄存器用于存储键盘及显示器的工作方式,锁存操作命令,通过译码产生相应的控制信号,使8279的各个部件完成一定的控制功能。
定时控制含有一些计数器,其中有一个可编程的5位计数器,对外部输入时钟信号进行分频,产生100kHz的内部定时信号。
外部输入时钟信号的周期不小于500ns。
(3)扫描计数器扫描计数器由两种输出方式:
一种为外部译码方式(也称编码方式),计数器以二进制方式计数,4位计数状态从扫描线SL0~SL3输出,经外部译码器译码出16位扫描线;
另一种为内部译码方式(也称译码方式),即扫描计数器的低二位经内部译码器后从SL0~SL3输出。
(4)键输入控制这个部件完成对键盘的自动扫描,锁存RL0~RL7的键入信息,搜索闭合键,去除键的抖动,并将键输入数据写入内部先进现出(FIFO)的存储器RAM。
(5)FIFORAM和显示缓冲RAM8279具有8个字节的先进先出的键入缓冲RAM单元,并提供16个字节的显示缓冲RAM。
CPU将段选码写入显示缓冲RAM后,8279自动对显示器扫描,将其内部显示缓冲RAM中的数据在显示器显示出来。
(6)有关控制线IRQ位中断请求输出线,高电平有效。
当FIFORAM缓冲器中存有键盘上闭合键的编码时,IRQ线升高,向CPU请求中断;
当CPU将该缓冲器中的键输入数据全部读出时,IRQ下降为低电平。
SHIFT、CNTL/STB为控制键输入线,由内部拉高电阻拉成高电平,也可由外部控制按键拉成低电平。
RL0~RL7为反馈输入线,作为键输入线,由内部拉高电阻拉成高电平,也可由键盘上按键拉成低电平。
SL0~SL3为扫描输出线,用于对键盘/显示器扫描。
OUTB0~3、OUTA0~3为显示段选码数据输出线,可分别作为两个半字节输出,也可作为8位段选码数据输出口,此时OUTB0为最低位,OUTA3为最高位。
为消隐输出线,低电平有效。
当显示器切换时或使用消隐命令时,将显示消隐。
RESET为复位输入线,高电平有效。
当RESET输入端出现高电平时,8279被初始复位。
4.6“看门狗”技术
当程序飞到一个临时构成的死循环中或PC指针落到在全地址区时,冗余指令和软件陷阱对此无能为力,这时系统将完全瘫痪。
如果操作者在场,就可以按下人工复位按钮,强制系统复位。
但操作者不能一直监视着系统,即使监视系统,也往往是在引起不良后果之后才进行人工复位。
看门狗能使CPU从死循环和弹飞状态中进入正常的程序流程。
本系统采用可编程的具有看门狗功能的X25024。
4.6.1芯片X25045简介
X25045是一种可编程看门狗监控EEPROM。
它把三种常用的功能:
看门狗定时器、电压监控和EEPROM组合在单个封装之内。
这种组
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