硬件課程設(shè)計實驗報告_模擬交通燈

1、硬件部件設(shè)計與調(diào)試實驗題目：模擬交通燈實驗?zāi)康呐c要求： 了解交通燈管理的基本工作原理熟悉8259A中斷控制器的工作原理和應(yīng)用編程熟悉8255A并行接口的各種工作方式和應(yīng)用熟悉8253計數(shù)器/定時器的工作方式及應(yīng)用編程，掌握利用軟硬件相結(jié)合定時的方法掌握多位LED顯示問題的解決實驗原理與方法：l 8259、8255A和8253的工作原理：一、8259的工作原理：1、數(shù)據(jù)總線緩沖器:8259A與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的接口，是8位雙向三態(tài)緩沖器。CPU與8259A之間的控制命令信息、狀態(tài)信息以及中斷類型信息，都是通過緩沖器傳送的。2、讀/寫控制邏輯:CPU通過它實現(xiàn)對8259A的讀/寫操作。3、級連緩沖器:

2、用以實現(xiàn)8259A芯片之間的級連，使得中斷源可以由8級擴展至64級。4、控制邏輯電路:對整個芯片內(nèi)部各部件的工作進行協(xié)調(diào)和控制。5、中斷請求寄存器IRR:8位，用以分別保存8個中斷請求信號，當響應(yīng)的中斷請求輸入腳有中斷請求時，該寄存器的相應(yīng)位置1。6、中斷屏蔽寄存器IMR:8位，相應(yīng)位用以對8個中斷源的中斷請求信號進行屏蔽控制。當其中某位置“0“時，則相應(yīng)的中斷請求可以向CPU提出；否則，相應(yīng)的中斷請求被屏蔽，即不允許向CPU提出中斷請求。該寄存器的內(nèi)容為8259A的操作命令字OCW1，可以由程序設(shè)置或改變。7、中斷服務(wù)寄存器ISR:8位，當CPU正在處理某個中斷源的中斷請求時，ISR寄存器中

3、的相應(yīng)位置1。8、用以比較正在處理的中斷和剛剛進入的中斷請求之間的優(yōu)先級別，以決定是否產(chǎn)生多重中斷或中斷嵌套。二、8255A的工作原理：1、8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu):1) 數(shù)據(jù)總線緩沖器:這是一個雙向三態(tài)的8位數(shù)據(jù)緩沖器，它是8255A與微機系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的接口。輸入輸出的數(shù)據(jù)、CPU輸出的控制字以及CPU輸入的狀態(tài)信息都是通過這個緩沖器傳送的。2) 三個端口A，B和C:A端口包含一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器，一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。B端口包含一個8位數(shù)據(jù)輸入/輸出鎖存器和緩沖器，一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。C端口包含一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器，一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器(輸入沒有鎖存器)。3) A組

4、和B組控制電路:這是兩組根據(jù)CPU輸出的控制字控制8255工作方式的電路，它們對于CPU而言，共用一個端口地址相同的控制字寄存器，接收CPU輸出的一字節(jié)方式控制字或?qū)口按位復位字命令。方式控制字的高5位決定A組的工作方式，低3位決定B組的工作方式。對C口按位復位命令字可對C口的每一位實現(xiàn)置位或復位。A組控制電路控制A口和C口上半部，B組控制電路控制B口和C口下半部。4) 讀寫控制邏輯:用來控制把CPU輸出的控制字或數(shù)據(jù)送至相應(yīng)端口，也由它來控制把狀態(tài)信息或輸入數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的端口送到CPU。2、8255A的 工作方式:方式0-基本輸入輸出方式；方式1-選通輸入輸出方式；方式2-雙向選通輸入輸出

5、方式。三、8253的工作原理：8253是可編程的計數(shù)器/定時器,其內(nèi)部有三個獨立的16位計數(shù)器/定時器通道,每個計數(shù)器通道均可按6種不同的方式工作,并且都可以按二進制或十進制計數(shù)。其CLK0CLK2是計數(shù)器02的時鐘脈沖輸入端, GATE0GATE2是門控脈沖輸入端, OUT0OUT2是輸出端。l 交通信號燈實時控制和管理的總體設(shè)計 芯片選擇及端口選擇1 用實驗系統(tǒng)8255A實現(xiàn)對信號燈的控制（所用端口自定）；2位數(shù)碼顯示用8255A實現(xiàn)控制。2 用實驗系統(tǒng)8235的計數(shù)器2定時向?qū)嶒炏到y(tǒng)主片8259A的IRQ7請求中斷，以實現(xiàn)要求的1分鐘、5秒鐘和20秒的定時。實驗系統(tǒng)8235的計數(shù)器2的C

6、LK2接OPCLK，頻率為1.19318MHZ；GATE2已接+5V；定時采用軟硬件相結(jié)合的方式實現(xiàn)。3、 用實驗系統(tǒng)的發(fā)光二極管模擬紅綠燈。 注：8259A的端口地址為：218H、219H8255A的端口地址為：端口A-200H、端口B-201H、端口C-202H、控制端口-203H8253的端口地址為：計數(shù)器0-208H、計數(shù)器1-209H、計數(shù)器2-20aH、控制寄存器0-20bH。本設(shè)計硬件由定時模塊、發(fā)光二極管模塊、數(shù)碼管顯示模塊和緊急中斷模塊組成。定時模塊采用硬件定時和軟件定時相結(jié)合的方法，用8253定時/計數(shù)器定時100ms，再用軟件計時實現(xiàn)所需的定時。發(fā)光二極管模塊由8255控

7、制發(fā)光二極管來實現(xiàn)。數(shù)碼管顯示模塊由實驗平臺上的LED顯示模塊實現(xiàn)。緊急中斷模塊是由單脈沖發(fā)生單元和8259中斷控制器組成。程序主要是由定時子程序、發(fā)光二極管顯示子程序、數(shù)碼管顯示子程序和中斷服務(wù)程序組成。包括對8253、8255以及8259等可編程器件的編程。l 方案論證： 軟件延時，設(shè)計簡單，使用方便，但是無法進行精確計時，無法在實際應(yīng)用中進行使用，本次設(shè)計采用了，定時器0進行計時，每10ms產(chǎn)生一個脈沖信號，可以準確的計時并方便8段數(shù)碼管進行顯示。使用中斷比較麻煩，在試驗中需要兩次加載初始化程序和中斷服務(wù)程序，并且需要手工指定中斷服務(wù)地址和中斷向量號；但是使用中斷可以進行多樣化設(shè)計，強化

8、程序功能與執(zhí)行效率。在本設(shè)計中程序每10MS請求一次中斷，實現(xiàn)精確定時與數(shù)碼管顯示刷新。實驗設(shè)計思路與實現(xiàn)：l 硬件設(shè)計：本課題的設(shè)計可通過實驗平臺上的一些功能模塊電路組成，由于各模塊電路內(nèi)部已經(jīng)連接，用戶在使用時只要設(shè)計模塊間電路的連接，因此，硬件電路的設(shè)計及實現(xiàn)相對簡單。完整系統(tǒng)的硬件連接如圖1所示。硬件電路由定時模塊、發(fā)光二極管模塊、數(shù)碼管顯示模塊和緊急中斷模塊組成。定時模塊是由8253的計數(shù)器0來實現(xiàn)定時100ms。Clk0接實驗平臺分頻電路輸出Q6，f46875hz。GATE0接8255的PA0，由8255輸出來控制計數(shù)器的起停。OUT0接8259的IRQ2，定時完成申請中斷，進入中

9、斷服務(wù)程序。發(fā)光二極管顯示模塊由8255輸出來控制發(fā)光二極管的亮滅。8255輸出為低電平時，對應(yīng)的發(fā)光二極管就點亮，否則就熄滅。8255的接口電路如圖2所示。交通燈的對應(yīng)關(guān)系如下：L7L6L5L2L1L0PC7PC6PC5PC2PC1PC013紅燈13黃燈13綠燈24紅燈24黃燈24綠燈實驗平臺上提供一組六個LED數(shù)碼管。插孔CS1用于數(shù)碼管段選的輸出選通，插孔CS2用于數(shù)碼管位選信號的輸出選通。本設(shè)計用4個數(shù)碼管來倒計時。緊急中斷模塊是由單脈沖發(fā)生單元和8259中斷控制器，單脈沖發(fā)生單元主要用來請求中斷，然后做出緊急情況處理。Q6OUT0 8253 GATE0 Clk0 PA0 8255 P

10、C地址 CS1譯碼 CS2電路 CS3 CS4路數(shù)碼管顯示模塊IRQ28259IRQ3發(fā)光二極管電路單脈沖發(fā)生單元PC BUS圖1 系統(tǒng)硬件電路圖圖2 8255接口電路l 軟件設(shè)計思路：設(shè)計數(shù)器0的計數(shù)初值為25000，由于CLK0接脈沖信號，頻率為2.5MHZ，所以每10ms中斷一次。利用CX對不同的狀態(tài)時間計數(shù)，用來實現(xiàn)計數(shù)器0對1分鐘，20秒鐘，5秒鐘的定時。中斷子程序分為數(shù)碼顯示刷新部分和紅綠黃燈各種狀態(tài)切換部分。每進入中斷即刷新LED顯示。用對于東西車道和南北車道黃燈閃爍利用標志位判斷實現(xiàn)，滿足比較條件就暗，不滿足條件就亮。8253計數(shù)的起停由8255的PA0控制，8255的PA0輸

11、出1時，8253開始計數(shù)，交通燈按正常狀態(tài)切換工作，PA0輸出0時，計數(shù)器停止工作，交通燈不再按正常狀態(tài)切換。8253開始計數(shù)后每100ms發(fā)出一個中斷申請信號，在中斷子程序中先刷新數(shù)碼管，然后判斷當前狀態(tài)，進入相應(yīng)的處理程序進行處理。主程序負責系統(tǒng)的初始化，然后數(shù)碼管數(shù)據(jù)輸出顯示，同時檢測PC鍵盤按鍵，有按鍵就退出程序。主程序的流程圖如圖3所示。Y初始化8253初始化8255設(shè)置中斷向量設(shè)置交通燈初態(tài)啟動計數(shù)器數(shù)碼管數(shù)據(jù)輸出開始有按鍵結(jié)束N 圖3 主程序的流程圖定時中斷子程序是本設(shè)計的重點，負責完成數(shù)碼管輸出數(shù)據(jù)刷新和各個狀態(tài)的處理切換。中斷子程序包括數(shù)碼管輸出數(shù)據(jù)刷新程序和各狀態(tài)處理程序。

12、數(shù)碼管輸出數(shù)據(jù)刷新子程序是實現(xiàn)倒計時25s，用LEDOUT表示輸出的數(shù)據(jù)，cnt用來軟件計時1s，就是計數(shù)10個100ms。LED輸出是要將輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為段選碼。根據(jù)當前的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序，在處理程序中完成定時和狀態(tài)的切換。狀態(tài)1和3的流程是一樣的，先點亮對應(yīng)的交通燈，再判斷定時到了就可以切換了。狀態(tài)2和4要實現(xiàn)黃燈的閃爍，間隔點亮和熄滅就可以了。狀態(tài)1和3處理程序的流程圖（以狀態(tài)1為例）如圖6所示，其中NUM是狀態(tài)1對應(yīng)的PC口輸出。外部中斷服務(wù)子程序主要用來處理緊急情況，將2個方向的車都停止運行，點亮所有紅燈。下次中斷來時恢復以前的狀態(tài)。用一個標志位FLAG判斷是第一次進入還是恢

13、復狀態(tài)。l 源程序清單：本次設(shè)計中，選用8235的計數(shù)器0定時向?qū)嶒炏到y(tǒng)主片8259A的IRQ0請求中斷。設(shè)置8253的計數(shù)器0每10ms請求一次中斷，工作于模式3；8255的A端口控制交通燈。 初始化程序：DATASEGMENTLEDDB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H；存放七段代碼表DB7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71HD1EQU10HD2EQU200H；8255A端口AEAEQU200H；8259端口地址EEEQU203HCONTROLEQU20bH；8253端口地址COUNT0EQU208HCOUNT1EQU209HCOUNT2

14、EQU20aHZ8279EQU222HD8279EQU220HLEDMODEQU00;左邊輸入,八位顯示外部譯碼八位顯示LEDFEQEQU38H;掃描頻率DATAENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATACODESEGMENTASSUMECS:CODECONTDB0CONT1DB0CONT2DB0BKSDDB0BKADDB0BKDADB0TEMPDB0;*START:MOVAX,0MOVDS,AXMOVAX,OFFSETIRQ0ADDAX,2000HMOVSI,0FH*4MOVSI,AXMOVAX,0MOVSI+2,AXINAL,218HANDAL,7FHOUT2

15、19H,ALCLIMOVAL,80H;初始化8255OUTEE,ALMOVAL,00OUTEA,ALMOVAL,0f0HOUTEA,ALMOVDX,218H;8259初始化MOVAL,bOUTDX,ALMOVAL,08HMOVDX,219HOUTDX,ALMOVDX,203H;設(shè)置為全輸出MOVAL,80HOUTDX,ALMOVDX,200HMOVAL,0ffhOUTDX,AL;清LEDMOVDX,200H;全紅MOVAL,0F0HOUTDX,ALMOVAL,b；初始化8253OUTCONTROL,ALMOVAX,2500MOVDX,COUNT0OUTDX,ALMOVAL,AHOUTCOUNT

16、0,ALMOVAX,DATAMOVDS,AX中斷服務(wù)程序：A1:STIHLTJMPA1IRQ0:；寫數(shù)碼管程序，暫缺JMPCOMPARECOMPARE:CMPDL,0JZSTATE0CMPDL,1JZSTATE1CMPDL,2JZSTATE2CMPDL,3JZSTATE3STATE0:；狀態(tài)0：東西紅南北綠moval,boutD2,alDECSIJNZCHANGE1DECDHMOVSI,100CHANGE1:DECCXCMPCX,0JNZM0MOVCX,500STATE1:DECDI；狀態(tài)1：東西方向黃燈閃爍，南北綠燈CMPDI,0JNZSHINE1MOVAL,b；東西滅，南北綠OUTD2,A

17、LMOVDI,50JMPCHANGESHINE1:MOVAL,B；東西黃，南北綠OUTD2,ALCHANGE:DECSIJNZCHANGE2DECDIMOVSI,100CHANGE2:DECCXCMPCX,0JNZM1MOVCX,2000MOVDH,25STATE2:MOVAL,b；狀態(tài)2：東西綠燈，南北紅燈OUTD2,ALDECSIJNZCHANGE3DECDHMOVSI,100CHANGE3:DECCXCMPCX,0JNZM2MOVCX,500STATE3:DECDI；狀態(tài)3：東西綠燈，南北黃燈閃爍CMPDI,0JNZSHINE2MOVAL,B；東西綠燈，南北滅OUTD2,ALMOVDI,

18、50JMPSOURCESHINE2:MOVAL,B；東西綠，南北黃OUTD2,ALSOURCE:DECSIJNZCHANGE4DECDHMOVSI,100CHANGE4:DECCXCMPCX,0JNZM3MOVCX,6000MOVDH,65M0:MOVDL,0；下次進入狀態(tài)0JMPEXITM1:MOVDL,1；下次進入狀態(tài)1JMPEXITM2:MOVDL,2；下次進入狀態(tài)2JMPEXITM3:MOVDL,3；下次進入狀態(tài)3EXIT:MOVAL,20HOUT218H,ALIRETCODEENDSENDSTARTl 程序運行結(jié)果：1即東西方向的綠燈和南北方向的紅燈同時點亮1分鐘；21分鐘后，東西方

19、向的黃燈閃爍5秒鐘，。此時南北方向仍維持紅燈點亮。3東西方向的黃燈閃爍5秒鐘后，轉(zhuǎn)為東西方向的紅燈和南北方向的綠燈同時點亮20秒鐘；420秒鐘后，轉(zhuǎn)為南北方向的黃燈閃爍5秒鐘，此時東西方向仍維持紅燈點亮。5南北方向的黃燈閃爍5秒鐘后，東西方向的綠燈和南北方向的紅燈同時點亮1分鐘。如此循環(huán)重復。l 課程設(shè)計總結(jié)1. 軟件延時與定時器計時 軟件延時，設(shè)計簡單，使用方便，但是無法進行精確計時，無法在實際應(yīng)用中進行使用，本次設(shè)計采用了，定時器0進行計時，每10ms產(chǎn)生一個脈沖信號，可以準確的計時并方便8段數(shù)碼管進行顯示2. 使用中斷的好處 使用中斷比較麻煩，在試驗中需要兩次加載初始化程序和中斷服務(wù)程序

20、，并且需要手工指定中斷服務(wù)地址和中斷向量號；但是使用中斷可以進行多樣化設(shè)計，強化程序功能與執(zhí)行效率。3. 關(guān)于本次設(shè)計在本次設(shè)計中，使用了8259A中斷控制器、8253計數(shù)器、8255可編程并行接口實現(xiàn)了，對南北、東西方向交通的分別計時、分別控制，但是程序沒有實現(xiàn)對雙向交通的數(shù)碼顯示，數(shù)碼顯示模塊空缺，我們會盡快將程序補全，使其具有完整的交通燈功與其他設(shè)計相比，并非復制并修改老師的代碼，做到了自主設(shè)計，在設(shè)計中掌握的計算機接口設(shè)計的基本方法、鍛煉了能力。十字道口的紅綠燈是交通法規(guī)的無聲命令，是司機和行人的行為準則。十字道口的交通紅綠燈控制是保證交通安全和道路暢通的關(guān)鍵。當前，國內(nèi)大多數(shù)城市正在采用“自動”紅綠交通燈，它具有固定的“紅燈綠燈”轉(zhuǎn)換間隔，并自動切換。它們一般由“通行與禁止時間控制顯示、紅黃綠三色信號燈和方向指示燈”三部分組成。在交通燈的通行與禁止時間控制顯示中，通常要么東西、南北兩方向各50秒；要么根據(jù)交通規(guī)律，東西方向60秒，南北方向40秒，時間控制都是固定的。交通燈的時間控制顯示，以固定時間值預先“固化”在單片機中，每次只是以一定周期交替變化。但是，實際上不同時刻的車輛流通狀況是十分復雜的，是高度非線性的、隨機的，還經(jīng)常受認為因素的影響。采用定時控制經(jīng)常