6 单片机系统扩展与接口技术

 

所谓系统扩展，一般有两项主要任务：

其一，是把系统所需的外设和单片机连接起来。

其二，是扩大单片机的存储容量。

因此，系统扩展和接口技术一般有以下几方面内容：

（1）外部总线的扩展

（2）外部存储器的扩展

（3）I/O接口的扩展

（4）管理功能部件的扩展（如定时/计数器、键盘/显示器等）

（5）A/D和D/A接口技术

 

1.1 外部总线的扩展

MCS－51没有对外专用的地址总线和数据总线，那么在对外扩展存储器或I/O接口时，首先需要扩展对外总线。通过MCS－51引脚ALE可实现对外总线扩展。

P109 MCS－51外部三总线示意图

常用单片机地址锁存器有74LS273/373/377，8282等。

 

1.2 总线驱动

总线驱动器除对后级电路驱动外，还能对负载的波形变化起隔离作用。

常用总线驱动器： 

CB和AB选用单向驱动器74LS244，244还带有三态控制，能实现总线缓冲和隔离。

DB 选用双向驱动器74LS245，245也是三态的，有一个方向控制端DIR。

P110 8051与总线驱动器的接口

 

2 外部存储器的扩展

MCS－51系列单片机具有64KB程序存储空间，其中8051、8751片内有4KB程序存储器，8031片内无程序存储器。

MCS－51系列单片机的数据存储器与程序存储器的地址空间相互独立，具有64KB数据存储空间，其中8051片内有128B数据存储器。

 

2.1 外部程序存储器的扩展

P111 MCS－51程序存储器的扩展原理（及时序）

P112 2716（2K×8位）EPROM与8031的连接图

P114 2864（8K×8位）EEPROM与8031的接口电路

 

2.2 外部数据存储器的扩展

RAM分为SRAM和DRAM，这里主要讨论SRAM与MCS－51的接口。

P115 MCS－51数据存储器的扩展原理（及时序）

P116 6264（8K×8位）SRAM与8031的连接图

 

2.3 多片存储器芯片的扩展

片选方法有两种：线选法和地址译码法

 

线选法是用P2、P0低地址线对每个芯片内的同一存储单元进行寻址（字选），然后将余下的高位地址线分别接到各存储芯片的片选端ce（线选）。

P117 用2764A（8K×8位）24K×8位的EPROM

 

线选法的优缺点：

优点：硬件简单，不需地址译码器，用于芯片不太多的情况。

缺点：各存储器芯片之间的地址不连续，给程序设计带来不便。

 

译码法仍用低位地址对每片内的存储单元进行寻址，而高位地址经过译码器译码后输出作为各芯片的片选信号。它将地址空间分为连续的地址空间，避免了地址的间断。

 

译码法又分为完全译码法和不完全译码法。

常用地址译码器74LS138。

 

3  I/O接口的扩展

MCS－51本身提供给用户的I/O线并不多，只有P1和部分P3线，因此，单片机系统中不可避免地要进行I/O扩展。

 

3.1 8255A可编程并行I/O接口

8255A具有3个8位并行I/O口，PA、PB、PC。

PC又分为高4位和低4位，分别和PA、PB组成A组和B组。

通过控制字设定可以选择3种工作方式：① 基本输入/输出 ②选通输入/输出 ③ PA为双向总线

 

3.1.1 8255A内部结构和引脚

 8255A内部结构包括三个并行数据I/O端口，两个工作方式控制电路，一个读写控制电路和8位总线缓冲器。

通常，PA、PB作为数据I/O端口，PC作为控制信号输入/输出或状态信息输入端口。

 

8255A接口工作状态选择表
端口地址选择：	操作选择：
A、B、C、控制寄存器	读/写

 

8255A 封装40DIP，引脚功能如下：

D7~D0 ：三态双向数据总线

PA7~PA0，PB7~PB0 ：A、B口I/O线

PC7~PC0 ：C口线

A1、A0，cs：地址线，片选端

rd、wr ：读写信号线

RESET、Vcc、GND ：复位，电源线地线

 

工作方式选择：

方式0：基本输入/输出方式。 PA、PB、PC任一端口均可设定为方式0.

方式1：选通输入/输出方式。PC配合PA、PB使用，作联络控制信号线。

方式2：PA口为双向总线。 PC高5位作为PA的控制联络线。

P121 PC在设定为方式1、2时，各引脚分配的固定功能表。/**/

表中各联络信号含义如下：

输入	stb 选通信号输入端 IBF 输入缓冲器满 INTR 中断请求。请求CPU读取缓冲器中的数据
输出	ack 外设响应，告知收到 obf输出缓冲器满 INTR 中断请求。请求CPU继续输出数据

8255A的控制字 （A1A0＝11）

8255A共有两个控制字，用来选择工作方式或对PC控制。

（1）方式控制字

1

ModA

AIO

CHIO

ModB

BIO

CLIO

其中：

1  方式控制字标志位

ModA  PA工作方式选择

AIO  PA  I/O选择

CHIO  PC7~PC4 I/O选择

ModB PB工作方式选择

BIO PB I/O选择

CLIO PC3~PC0 I/O选择

I/O选择：1 输入，0输出。 在用户选择方式1、2时，对PC的I/O定义都不影响PC作为控制联络线使用的各位功能，影响未用于控制联络线的各位。

 

（2）CP置位/复位控制字

单独设置PC各位实现控制联络功能。

0

×××

A2A1A0

D

其中：

0  PC位设置标志

A2~A0  位地址

D 待设置的位值

 

3.2  8155可编程并行I/O接口

8155芯片内具有256B RAM，两个8位、一个6位可编程I/O口和一个14位减法计数器，与MCS－51接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。

 

3.2.1  8155的结构与引脚：

8155封装40DIP，内部由三部分组成：

（1）随机存储器部分：256×8位SRAM

（2）I/O接口部分：PA、PB为可编程8位I/O；PC为可编程6位I/O；命令寄存器，只许写；状态寄存器，只许读。

（3）定时/计数器部分：14位二进制减法定时/计数器。

P125 8155结构框图

各引脚功能简介：

AD7~AD0 地址/数据复用线。 

IO/m RAM和I/O口选择。

ce 片选。 ALE 地址锁存，下降沿有效。

rd、wr 读写信号线。 RESET 复位3个I/O为输入。

TIMERIN，TIMEROUT 定时器输入/输出。

PA7~PA0、PB7~PB0 为A、B口的I/O线。

PC7~PC0 是C口的I/O或控制信号线。

Vcc、Vss 电源和地

 

3.2.2  8155 的RAM和I/O口的编址

A2~A0 （A7~A3为0）	命令/状态寄存器	PA	PB	PC	定时器低8位	定时器高6位和操作方式寄存器
	0000	001	010	011	100	101

 

3.2.3  8155 I/O的工作方式

（1）基本I/O

PA、PB、PC都可工作于该方式。

（2）选通I/O

选通I/O为条件传送，传送的方式可以用查询方式，也可用中断方式。PA、PB均可工作于该方式，这时PC提供联络控制信号线。

PC提供联络控制信号

口位、、、、、、方式	作PA口联络信号	作PA和PB口联络信号
PC0	AINTR	AINTR
PC1	ABF	ABF
PC2	astb	astb
PC3	输出	BINTR
PC4	输出	BBF
PC5	输出	BSTB
注： BF I/O缓冲器满标志。 stb 选通标志。 INTR 中断请求输入。

 

3.2.4  8155的命令/状态字

（1）命令字，用于定义I/O口及定时器的工作方式。

TM2 TM1

IEB IEA

PC2 PC1

PB PA

其中：

TM2 TM1 定时器运行控制

IEB IEA PA、PB中断允许

PC2 PC1 PC方式：ALT1，ALT2，ALT3，ALT4

PB PA PA、PB方式：0 输入，1输出

补充说明：

TM2 TM1 为00 时无操作；为01 时停止计数；为10时 计数满后停止；为11时开始计数。

PC工作方式：

ALT1 ：PA、PB为基本I/O，PC为输入

ALT2 ：PA、PB为基本I/O口，PC为输出

ALT3 ：PA为选通I/O口，PB为基本I/O，PC低3侠为联络信号，高3位为输出

ALT4 ：PA、PB为选通I/O，PC低3侠作PA的联络信号，高3位为PB的联络信号

 

（2）状态字

×

TIMER

INTEB  BBF  INTRB

INTEA  ABF  INTRA

说明：

TIMER 定时器中断（计数满时为高电平，读出状态或硬件复位为低电平）

INTE 中断允许

BF 缓冲器满/空

INTR 中断请求

 

3.2.5  8155的定时/计数器

14位减法计数器，由两个8位寄存器构成。

TL（04H）  T7~T0

TH（05H）  M2M1 T13~T8

其中：

T13~T0为计数器长度，M2M1 用来设定定时器的输出方式（单方波，连续方波，单脉冲，连续脉冲）

 

4 管理功能部件的扩展

功能开关、拔码器、键盘/显示器等 I/O设备。

4.1 键盘接口

单片机系统中普遍使用非编码键盘，这类键盘主要解决收下几个问题：

①键的识别 ②按键消抖 ③键的保护

 

非编码式键盘的按键识别方法：行扫描法，线反转法

P131 采用8155 的键盘接口方法 /**/

 

4.2  LED显示器接口

LED显示器结构和原理：共阴和共阳、动态显示和静态显示，显示段码（字形代码）

P134 6位动态显示器 /**/

 

4.3  键盘/显示器接口 8279

8279是一种通用的可编程键盘/数码管接口芯片。它能接收和识别来自键盘阵列的输入数据并完成预处理，还能显示数据和对数码显示器进行自动扫描控制。它与MCS－51接口非常简单，因而在单片机应用系统中得到广泛的应用。

P137 8279与8031接口连接框图

 

（找资料）8279命令/状态字

 

5  A/D和D/A接口功能的扩展

目前，A/D、D/A转换器都已集成化，具有体积小、功能强、可靠性高、误差小、功耗低等特点，并能很方便地与单片机连接。

 

5.1 A/D转换器接口

ADC按转换原理分为4种：计数式、双积分式、逐次逼近式、并行式

ADC的主要技术指标：

量化间隔 △＝满量程输入电压/(2^n-1)

绝对量化误差 §＝△/2

 

典型A/D转换器芯片ADC0809简介

ADC0809是8通道8位逐次逼近式A/D转换器。

P139 ADC0809的内部结构框图

 

 

5.2  D/A转换器接口

 

5.2.1 DAC与接口有关的指标：分辨率、建立时间、接口形式（是否带锁存器）

 

5.2.2 DAC0832简介

DAC0832是8位电流输出型DAC。基准电压范围±10V。

P144 DAC0832内部结构框图

该转换器由输入锁存器和DAC寄存构成两级数据输入锁存，与CPU接口方式：双缓冲方式，单缓冲方式，直通方式。

为得到电压输出，在电流输出端接运放。/**/

 

5.2.3 DAC0832与MCS－51的接口及应用

P145 是DAC0832单缓冲方式接口电路

P146 是DAC0832双缓冲方式接口电路

对于多路D/A转换接口，要求同步进行D/A转换输出时，必须采用双缓冲方式。