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微机原理与接口技术

第一部分

课程设计任务书

课题名称微型计算机原理及接口技术课程设计——数据采集系统设计

学院（部）信息工程学院

专业电子信息工程专业

班级24030302班

6月7日至6月18日共一周

2010年6月18日

一、设计内容（论文阐述的问题）

设计一个数据采集系统

基本要求：

要求具有8路模拟输入

输入信号为0——500mV

采用数码管8位，显示十进制结果

输入量与显示误差<1%

发挥部分：

1、速度上实现高精度采集

2、提高系统精度

3、设计抗干扰性

二、设计完成后提交的文件和图表

1.计算说明书部分：

数据采集是指将压力、流量、温度、位移等模拟量转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示、或打印的过程，相应的系统就称为数据采集系统。

数据采集的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，取得所需的数据。

同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监控。

数据采集性能的好坏，主要取决于他的精度和速度。

在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度。

数据采集系统应具有功能：

（1）数据采集

计算机按照选定的采样周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，称为数据采集。

（2）模拟信号处理

模拟信号是指随时间连续变化的信号，模拟信号处理是指模拟信号经过采样和A/D转换输入计算机后，要进行数据的正确性判断、标度变换、线性化等处理。

（3）数字信号处理

数字信号处理是指数字信号输入计算机后，需要进行码制的转换处理，如BCD码转换成ASCII码，以便显示数字信号。

（4）屏幕显示

就是用各种显示装置如CRT、LED把各种数据以方便于操作者观察的方式显示出来。

（5）数据存储

数据存储是就是将某些重要数据存储在外部存储器上。

在本次设计中，我们采用8259作为中断控制器，8255作为并行接口，ADC0809作为模数转换器。

2、图纸部分：

含有总体设计的功能框图、所用各种器件的引脚图、内部逻辑结构框图以及相应器件的真值表，还包括总设计的硬件连接图及软件设计流程图等。

三、课程设计进程安排

序号设计（论文）各阶段名称日期

1获得设计题目及要求，查阅资料7月10日

2形成初步设计思路及有针对性检索资料7月11日

3设计方案论证及选用相应器件7月12日

4设计硬件连接图及软件编程7月13日

5形成整体设计报告并上交7月14日

四、主要参考资料

1、《微型计算机原理及接口技术》裘雪红、顾新西安电子科技大学出版社

2、《高性能模数与数模转换器件》刘书明、刘斌西安电子科技大学出版社

3、《微型计算机接口技术及应用》刘乐善华中理工大学出版社

4、《IBM-PC汇编语言程序设计》沈美明、温冬婵清华大学出版社

5、《单片机典型外围器件及应用实例》是实科技编著人民邮电出版社

6、《智能仪器原理及应用》赵茂泰电子工业出版社

7、《微型计算机接口原理与技术》邹逢兴国防科技大学出版社

8、《汇编语言教程》朱慧真国防工业出版社

9、《微型计算机接口技术》吴延海重庆大学出版社

10、《数字电子技术基础》阎石高等教育出版社

第二部分

一、设计指标

设计一个数据采集系统

基本要求:

微型计算机最小系统

具有8路模拟输入

输入信号为0——500mV

采用数码管8位，显示十进制结果

输入量与显示误差<1%

中断方式

二、设计方案论证

考虑本数据采集系统要求，该系统的功能框图如下：

图1系统功能框图

（一）AD转换器的选择

根据AD转换器基本原理及特点，可以分为以下类型：

积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。

1）积分型（如TLC7135）

   积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。

其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。

初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。

2）逐次比较型（如ADC0809）

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。

其电路规模属于中等。

其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。

3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）

并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash（快速）型。

由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

串行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Halfflash（半快速）型。

还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。

这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。

4）Σ-Δ（Sigma?

/FONT>delta）调制型（如AD7705）

   Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。

原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。

电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。

主要用于音频和测量。

5）电容阵列逐次比较型

   电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。

一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。

如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。

最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。

6）压频变换型（如AD650）

压频变换型（Voltage-FrequencyConverter）是通过间接转换方式实现模数转换的。

其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。

从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。

其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。

考虑到设计指标要求8路模拟输入，可采用的A/D转换器有多种如：

AD574、ADC0809、ADC0804等，但是ADC0809本身具有8路模拟输入端，不需要多路开关，考虑节省硬件开支故采用ADC0809作为模数转换器。

ADC0809的技术指标如下：

1．主要特性

　　1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

　　2）具有转换起停控制端。

　　3）转换时间为100μs

　　4）单个＋5V电源供电

　　5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

　　6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

　　7）低功耗，约15mW。

2．内部结构

　　ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图2所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8路开关树型D/A转换、逐次逼近型寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。

因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容。

图2　ADC0809内部结构框图

图3ADC0809管脚图

3．外部引脚功能

　ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3所示。

下面说明各引脚功能。

　　◆IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

　　◆2-1～2-8：

8位数字量输出端。

◆ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线用于选择8路模拟输入中的一路，如表1

表1　ADDA、ADDB、ADDC真值表

◆ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

　　◆START：

A／D转换启动信号，输入，高电平有效。

　　◆EOC：

A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

　　◆OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

　　◆CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

　　◆REF（+）、REF（-）：

基准电压。

　　◆Vcc：

电源，单一＋5V。

　　◆GND：

地。

　　ADC0809的工作过程是：

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

（二）中断控制器的选择

1、中断系统功能与组成

1）中断系统应具有的功能

多中断源请求，软件可禁止与允许每个请求。

中断优先级判别功能，响应优先级别最高的请求。

中断嵌套功能，高级别中断可中断较低级别的中断。

响应中断后，能自动转向中断处理程序，处理结束后自动返回主程序。

2）中断系统的组成

微处理器应有处理中断请求的机制与相关硬件电路：

接收请求，响应请求，保护现场，转向中断服务程序，处理完返回。

外围应有一个与处理器匹配的中断控制器：

管理多个中断源，优先级裁决，中断源屏蔽等功能。

依处理器的结构编写中断处理程序，安排相关的系统初始化。

2、本次设计中断控制器选用8259

1）可编程中断控制器8259功能、内部结构及外部引脚定义

（1）可编程中断控制器8259功能和内部结构

◆中断请求寄存器（IRR）：

8位寄存器，可寄存储8个请求输入（IR0-IR7）的状态。

◆优先权裁决器：

对请求源与正在被服务的中断级进行比较，裁决出优先级最高者。

◆中断服务寄存器（ISR）：

8位，与IRR对应，记录正被处理的请求。

IRn被响应，ISRn被置1；IRn处理结束，ISRn置0。

◆中断屏蔽寄存器（IMR）：

8位，某位置1对应IRR位的请求被屏蔽。

◆控制逻辑：

寄存8259的命令字，多种工作方式的控制，向处理器发INT，接收

。

◆级联缓冲器/比较器：

多片8259级联时，对从片的标识码进行寄存与比较。

图48259内部结构图

（2）8259的外部引脚信号

图58259外部引脚图

8259的主要引脚信号说明

◆D7-D0：

双向数据总线,与系统数据总线连接。

◆

:

片选信号,低电平有效，确定芯片在系统I/O空间位置。

◆A0:

地址线,8259占相邻的2个I/O地址,与CS信号配合,A0=0选偶端口,A0=1选奇端口。

◆CAS2-CAS0:

双向级联线。

在主从级联结构中，主片输出，从片输入。

主片发从片标识码，从片比较，符合时输出中断类型码。

◆

：

双向信号，低电平有效。

输入时为SP，硬接线确定主从（主片SP接高电平）；输出时为EN，作为DB缓冲允许。

◆INT：

中断请求，输出，与CPU的INTR脚相连，向CPU发出中断请求。

◆

：

中断响应，低电平有效，输入，与8086/88

相连。

2）8259A的工作方式

（1）优先级方式选择

a）全嵌套方式：

固定优先级,IR0最高,IR7最低。

b）特殊全嵌套:

与a）基本相同,响应同级中断请求

c）优先级自动循环：

某级被响应后，降为最低。

如IR4被响应后，优先级顺序变为：

  IR5,IR6,IR7,IR0,IR1,IR2,IR3,IR4。

d）优先级特殊循环方式：

编程指定最低优先级，其它同c）。

（2）屏蔽中断方式选择

a）普通屏蔽方式选择：

对应IMR为1的位中断请求将被屏蔽。

   例如：

IMR=00001100，则IR2、IR3的中断请求被禁止。

b）特殊屏蔽方式:

执行中断程序时,动态改变优先级结构,屏蔽本级,允许较低级请求被服务。

（3）中断结束方式：

ISRn被清0，中断结束。

a）自动结束方式：

8259收到

后自动把中断在服务寄存器ISRn位清0（适用于单片8259和中断无嵌套的情况）。

b）一般结束方式：

8086发命令清除中断在服务寄存器ISR中的最高的置1位清0，结束中断（在全嵌套方式下使用）。

c）特殊结束方式：

编程向8259发出一条特殊中断结束命令，将中断在服务寄存器ISR中指定位清0（在非全嵌套方式下使用）。

（4）中断请求信号触发方式选择

a）边沿触发方式。

8259的IR0-IR7输入端出现低电平到高电平的正跳变信号，表示有中断请求。

出现正跳变信号后，允许高电平保持。

b）电平触发信号。

8259的IR0-IR7输入端出现高电平信号时，表示有中断请求。

该请求信号必须在中断服务程序中的中断结束命令执行前予以撤消，否则会引起不应有的第二次中断。

3）8259的命令字

8259工作方式设定及运行中的控制，均由8086发来的命令字（1字节代码）决定。

命令字分初始化命令字和操作命令字两种，系统向8259两个端口之一写入。

8259根据接收命令字的端口号，特征位及顺序决定命令字的属性。

（1）初始化命令字（Word,ICW）

ICW1-ICW4四个初始化命令字,有接收顺序要求。

8259初始化流程如下：

（a）ICW1的格式与定义：

芯片控制

LTIM=1中断请求电平触发,LTIM=0中断请求边沿触发。

SNGL=1单片8259系统，SNGL=0多片8259系统。

AD1在8088/8086系统中不起作用。

IC4在8088/8086系统中恒为1。

（b）ICW2的格式和定义：

中断类型码设定

ICW2用来指定8259的8个中断请求IR7-IR0的中断类型码。

其中T7-T3由程序写入，最低3位（D2-D0）根据当前正在响应的中断请求IRn的n值自动填入。

例如：

若ICW2为40H，则IR0-IR7所对应的中断类型码为40H。

41H，42H，43H，44H，45H，46H，47H。

（c）ICW3的格式和定义：

在多片8259系统中，其格式和含义依主片、从片而定。

主片的格式：

  若主片的IR0-IR7的某个引脚上连接从片8259，则ICW3的该位为1。

从片的格式：

ID2-ID0的值取决于本从式的INT输出端连接到主片IR哪个输入端。

例如，连接到IR7，则

                  ID2ID1ID0=111

从片的CAS2-CAS0接收从主片8259发来的编码，并与本身的ICW3中的ID2-ID0比较，若相等，则在中断响应过程中，将自己的中断类型码送CPU。

（d）ICW4的格式和定义：

工作方式设定

SFNM=1特殊全嵌套、SFNM=0非特殊全嵌套。

AEOI=1中断自动结束、AEOI=0一般中断结束。

BUF=0，DB无缓冲，

用作

；BUF=1，DB有缓冲，主从片软件定。

（当BUF=1时），M/S=1为主片、M/B=0为从片。

μPM=1，8086系统；μPM=0，8085系统。

（三）并行接口选择

本次设计采用8255作为并行接口，8255外部引脚如图6

图68255外部引脚

1、8255的主要性能参数为

（1）共有4个端口：

A口连8位并行PA口线

B口连8位并行PB口线

C口连8位并行PC口线

控制端口

（2）三种工作方式。

（3）可提供中断和查询数据传输方式。

（4）可直接与系统总线相连。

2、内部组成及引脚功能如图

图78255内部组成

（1）与CPU接口部分

缓冲器：

8位双向三态缓冲器。

读写逻辑：

对A口、B口、C口读/写控制，对控制口写控制字。

（2）与外设接口部分

A口：

8位输出锁存、8位输入缓冲。

B口：

8位输出锁存、8位输入缓冲。

C口：

8位输出锁存、8位输入缓冲。

（3）引脚功能

1CPU与8255交换数据引脚

◆RESET:

复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

◆D0～D7:

三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现８位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

◆CS:

片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯。

◆RD:

读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

◆WR:

写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写入8255。

A0、A1：

内部寄存器寻址。

A1A0

00读写A口

01读写B口

10读写C口

11写控制寄存器

②与I/O设备交换数据引脚

◆PA0~PA7：

A口的8位输入/输出线。

◆PB0~PB7：

B口的8位输入/输出线。

◆PC0~PC7：

有如下用途：

作为8位输入/输出线；作为两个4位输入/输出线：

◆PC0~PC3、PC4~PC7;可对每一位实现按位“置位”或“复位”控制;作为8255的状态口;专用联络信号线。

3、工作方式控制字

　8255有三种工作方式：

方式0、方式1、方式2。

两组端口可分别指定不同的工作方式。

每组端口在某种工作方式下，并不要求各信号同为输入或同为输出，而是可以分别指定。

方式选择控制字的格式如图8所示

图88255方式选择控制字

4、PC口控制字

　　PC口的各信号线常作为控制线来使用，因此，经常需要单独对每根信号线置1或置0。

这种操作用向PC口控制字寄存器送出PC口控制字来实现。

　　PC口控制字格式如图9所示。

图9PC口控制字

（四）LED驱动器件选择

本次设计要求译码显示驱动LED数码管的器件有多种，考虑到数码管最后显示位数及软件编程的可行性，采用ICM7218驱动芯片。

ICM7218是MAXIM公司生产的7段共阴极LED数码管的驱动芯片,每一片ICM7218最多可以驱动8位LED数码管。

它集BCD译码器、多路扫描器、段驱动和位驱动于一体,内含8X8位SRAM,可保存8位LED数据。

还有一个控制逻辑单元,写入控制字协调整个芯片正常运作。

并可多个ICM7218并联使用。

外围接口电路简单,使用方便。

ICM7218芯片管脚图如下：

图10ICM7218芯片管脚图

1、ICM7218的主要性能

快速获取时间为200ns

低功耗CMOS设计

供电电源为6V

输出驱动电流为500mA

节驱动电流为100mA

工作温度为-20。

C——+85。

C

存储温度为-20。

C——+60。

C

2、ICM7218的工作原理

ICM7218芯片具有典型的8位并行数据接口,显示数据和控制字都是8位的字节。

控制寄储器与8X8位SRAM之间与数据总线转换由MODE控制,MODE=“1”,选择控制寄储器;MODE=“0”,选择8X8位SRAM。

当要更改显示数据时,一定先要写入控制字节,接着按顺序写入8个要显示的数据即可。

控制非常方便,程序简单。

要写入控制字,先将MODE信号置“1”,CPU将控制字送到数据线上,然后CPU送出一写入信号到ICM7218

脚上,即可将控制字节写控制寄存器。

写入显示数据一定要紧接着控制字后写入,将MODE信号置“0”,CPU将数据送到数据线上,然后CPU送出一写入信号

到ICM7218的

脚上,即可将第一个显示数据写入8X8位SRAM中。

这样连续重复8次就完成SRAM中的显示数据。

　　ICM7218芯片有两种译码方式:

十六进制译码和BCD译码。

由控制字决定。

ICM7218芯片管脚图、管脚说明及译码方法如下：

名　　称

引脚号

说　　明

SEGA-SEGF

16-18　20-23

七段驱动管脚

DIGIT1-DIGIT8

1-4　24-27

八位选择管脚

ID0-ID7

5-7　10-14

八位数据接口管脚

8

数据写入控制管脚

MODE

9

区分显示数据、控制字管脚

D.P

15

小数点显示管脚

VCC

19

接+5V电源管脚

GND

28

接地管脚

表2ICM7218芯片的引脚说明

ID3

ID2

ID1

ID0

十六进制

BCD

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

1

0

2

2

0

0

1

1

3

3

0

1

0

0

4

4

0

1

0

1

5

5

0

1

1

0

6

6

0

1

1

1

7

7

1

0

0

0

8

8

1

0

0

1

9

9

1

0

1

0

A

-

1

0

1

1

b

E

1

1

0

0

C

H

1

1

0

1

d

L

1

1

1

0

E

P

1

1

1

1

F

全黑

表3ICM7218芯片译码方法

（五）LED（LightEmittingDiode）显示器（七段数码管）

LED显示器在许多的数字系统中作为显示输出设备，使用非常广泛。

它的结构是由发光二极管构成如图12所示的a、b、c、d、e、f和g七段，另外每个LED还有一个发光段dp，一般用于表示小数点。

LED内部的所有发光二极管有共阴极接法和共阳极接法两种（如图11），即将LED内部所有二极管阴极或阳极接在一起并通过一个引脚引出，并将每一发光段的另一端分别引出到对应的引脚，LED的引脚排列一般如图12所示，使用时以具体型号的LED资料为依据。

通过点亮不同的LED字段，可显示数字0，1,┅，9和A，B，C，D，E，F等不同的字符及自定义一些段发光代表简单符号。

图11（a）共阳极（b）共阴极

图12LED引脚图

使用时要根据LED正常发光需要的电流参数估算限流电阻取值。

电阻取值越小，电流大，LED会更亮，但要注意长时间过热使用烧坏LED。

LED多数情况用于显示十进制数字，要将0～9的数字用7段显示，必须将数字转换为LED对应七段码的信息，比如，要显示“0”，就是让a、b、c、d、e和f段发光，显示“1”，让b和c段发光，等等。

然后根据LED是共阴极还是共阳极接法确定LED各输入端应接逻辑1还是逻辑0，如果是共阳接法，要显示“0”时，a、b、c、d、e和f段就要输入逻辑0，共阴极接法则恰巧相反。

也就是说，对于共阴极和共阳极两种不同的接法，显示同一个字符时，对应的显示段码是不同的，互为反码。

表4列出了这两种接法下的字形段码关系表。

表中的段码数字是以LED的8段与二进制字节数以下列对应关系为前提得到的：

比如为了显示“0”，对应共阴极应该使D7D6D5D4D3D