IO接口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

-.z.I/O接口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

8051系列單片機(jī)如果系統(tǒng)不做任何擴(kuò)展，P0～P3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(xiàn)。P0接口還兼做數(shù)據(jù)線(xiàn)，P3接口常被專(zhuān)用線(xiàn)占用，只有Pl接口可做I/O接口。一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，只有8位I／O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(diǎn)介紹I/O接口擴(kuò)展方法及應(yīng)用實(shí)例。

I/O接口擴(kuò)展方式主要有兩種:總線(xiàn)擴(kuò)展法和串行口擴(kuò)展法。總線(xiàn)擴(kuò)展又可分為簡(jiǎn)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(mén)芯片，如74系列的373、244、

273、367等，這些常用來(lái)擴(kuò)展簡(jiǎn)單I/O接口?？删幊绦酒Ｓ?255、8155等，利用程序?qū)π酒M(jìn)展設(shè)置，軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O接口的擴(kuò)展。簡(jiǎn)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、S鎖存器、三態(tài)門(mén)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(jià)格低，構(gòu)造簡(jiǎn)單，使擴(kuò)展靈活方便。

如圖6-7所示是一個(gè)利用74LS273和74LS244，將8位P0接口擴(kuò)展成簡(jiǎn)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(gè)LED發(fā)光二極管，以顯示開(kāi)關(guān)狀態(tài)，*位低電平時(shí)二極管發(fā)光。74LS244是緩沖驅(qū)動(dòng)器，擴(kuò)展輸入口，它的8個(gè)輸入端分別接8個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)。74LS273與74LS244的工作受P2.0、RD、WR三條控制線(xiàn)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(guò)P0接口輸出數(shù)據(jù)鎖存到74LS273，74LS273的輸出端低電平位對(duì)應(yīng)的LED發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)P2.0=0，RD=0(WR=1)時(shí)選中74LS244，此時(shí)假設(shè)無(wú)鍵按下，輸入全為高電平，當(dāng)*鍵按下時(shí)則對(duì)應(yīng)位輸入為"0〞，74LS244的輸入端不全為"1〞，其輸入狀態(tài)通過(guò)P0接口數(shù)據(jù)線(xiàn)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(gè)口工作受WR和RD控制線(xiàn)控制，二者不會(huì)同時(shí)為"0〞，故在圖6-7中，兩個(gè)擴(kuò)展芯片可共用一個(gè)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(wú)效位全為"1〞)，用0000H(無(wú)效位全為"0〞)。輸出程序段：

MOV

A,

#data

；數(shù)據(jù)→A

MOV

DPTR,#0FEFFH

；I/O地址→DPTR

MOV*

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→DPTR

MOV*

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(guò)圖6-7中的發(fā)光二極管顯示出來(lái)。

程序

LP：

MOV

DPTR,#0FEFFH

；輸入口地址→DPTR

MOV

A,DPTR

；鍵狀態(tài)送A

MOV*

DPTR,A

；A數(shù)據(jù)送顯示輸出口

SJMP

LP

；〔輸入、輸出公用一個(gè)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(jì)8255是一個(gè)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(duì)8255合理設(shè)置，靈活應(yīng)用，有必要了解他的內(nèi)部構(gòu)造及工作原理。

1.8255內(nèi)部構(gòu)造及引腳功能

8255是一個(gè)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(jiàn)，8255內(nèi)部有3個(gè)并行的8位I/O接口，分別稱(chēng)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(xiàn)

A、B、C3個(gè)I/O接口的引線(xiàn)端分別為：

PA0～PA7、PB0～PB7、PC0～PC7共24條端線(xiàn)。3個(gè)口皆為鎖存/緩沖存放器，A口、B口有鎖存功能，C口無(wú)鎖存功能。A、B、C3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(diǎn)是可分成高、低兩個(gè)4位使用。上半部PC4～PC7與A口組成一組叫A組；下半部PC0～PC3與B口組成一組為B組，便于控制。

(2)數(shù)據(jù)線(xiàn)

8255是8位芯片，有8位數(shù)據(jù)線(xiàn)D0～D7。數(shù)據(jù)線(xiàn)接于8051的P0接口，用以實(shí)現(xiàn)8255與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。

(3)控制線(xiàn)

控制線(xiàn)控制8255的讀、寫(xiě)、復(fù)位及片選等。

RD：讀入控制線(xiàn)，低電平有效，當(dāng)其為低電平時(shí)CPU對(duì)8255進(jìn)展讀操作，此時(shí)8255相應(yīng)口為輸入口。

WR：輸出控制線(xiàn)，低電平有效，當(dāng)WR為低電平時(shí)，CPU輸出數(shù)據(jù)或命令到8255端口，此時(shí)8255相應(yīng)口為輸出口。

RESET：復(fù)位端，高電平有效，8255內(nèi)部存放器全清0，24條I/O口線(xiàn)為高阻狀態(tài)。

CS：片選線(xiàn)，當(dāng)CS為低電平時(shí)，CPU選中此8255芯片。

(4)地址線(xiàn)

8255共占用4個(gè)口地址，為A、B、C口及控制口地址。這4個(gè)地址之間的選擇由A0、A1兩端口線(xiàn)控制。A0、A1通常接于單片機(jī)的地址線(xiàn)最低兩位P0.O、P0.1，二者組合決定了4個(gè)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(xiàn)有關(guān)，各口具體地址，結(jié)合實(shí)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(shí)，A、B、C三口都可作根本的輸入或輸出口；方式1時(shí)，A、B口可作選通輸入或輸出，C口局部作專(zhuān)用聯(lián)絡(luò)線(xiàn)；方式2時(shí)，A口為雙向口，C口局部為專(zhuān)用聯(lián)絡(luò)線(xiàn)，B口無(wú)此方式。8255的C口專(zhuān)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)部方式控制存放器的狀態(tài)字，它由指令寫(xiě)入

控制存放器中A、B、C口控制位為"1〞，對(duì)應(yīng)口為輸入方式，假設(shè)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(duì)C口位操作，位操作內(nèi)容由控制存放器相應(yīng)位狀態(tài)決定。

例如，假設(shè)控制字為01H，即控制存放器格式為00000001B，表示C口位操作(D7=0)，將PC0位置"1〞(D3D2D1=000，DO=l置"1〞)，同理假設(shè)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(xiàn)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(xiàn)懸空；8255的控制線(xiàn)RD、WR直接接于8051的RD和WR端；數(shù)據(jù)線(xiàn)DB接于P0口。

1．8255地址口確定

圖6-9中8255只有3根線(xiàn)接于地址線(xiàn)。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(xiàn)全懸空。顯然只要保證P0.7為低電平時(shí)，選中該8255，假設(shè)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。假設(shè)地址口用16位表示，其他無(wú)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(wú)用位為"0〞則4個(gè)地址為0000H、0001H、0002H、0003H，只要保證CS、A1、A0的狀態(tài)，無(wú)用位設(shè)為"0〞或"1〞無(wú)關(guān)。掌握了確定地址的方法，使用者可靈活選擇地址。

2．8255初始化

使用8255芯片時(shí)，首先要對(duì)它初始化。所謂初始化，也就是對(duì)8255的3個(gè)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(xiě)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→DPTR

MOV

A,#80H

；控制字送A

MOV*

DPTR,A

；控制字寫(xiě)入控制存放器

利用這幾條指令對(duì)8255初始化后，A、B、C3個(gè)口才能作為輸出口使用。當(dāng)然改變控制字,則可改變3個(gè)端口的工作方式。8155可編程I/O接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)8155可編程接口芯片與8255的使用方法類(lèi)似，只是二者在構(gòu)造與功能上有所不同。

1．8155構(gòu)造及引腳

8155內(nèi)部也有3個(gè)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(gè)14位可編程定時(shí)/計(jì)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(xiàn)

PA0～PA7，PB0～PB7，PC0～PC5分別為A、B、C3個(gè)I/O接口引線(xiàn)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(xiàn)。

(2)地址數(shù)據(jù)線(xiàn)

8155的低8位地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)共用AD0～AD7，故稱(chēng)為地址數(shù)據(jù)線(xiàn)。當(dāng)ALE=1時(shí)，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(shí)，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)部存放器。因此8155的AD0～AD7直接與P0接口相聯(lián)，低8位地址不需要外接鎖存器，這點(diǎn)與8255不同。

(3)控制線(xiàn)

ALE：地址鎖存線(xiàn)。ALE=1表示給8155輸入的是地址信息，當(dāng)ALE下降沿時(shí)，把地址鎖存到8155中。

IO/M：RAM與I/O接口的選擇線(xiàn)。IO/M=0選中8155內(nèi)部RAM區(qū)，IO/M=1選擇3個(gè)I/O接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和命令存放器。

CE：片選線(xiàn)，RD：讀控制線(xiàn)，WR：寫(xiě)控制線(xiàn)。

TIMERIN：定時(shí)／計(jì)數(shù)器外部脈沖輸入端。

TIMEROUT：定時(shí)/計(jì)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(shí)8155作I/O接口使用。各口的工作方式通過(guò)內(nèi)部控制存放器設(shè)置。

8155工作于I/O口時(shí)，各方式具體功能如表6-4所列。

表6-4

8155I/O接口工作方式及功能

PC2PC1

方式

功

能

0

0

方式1

A、B口定義為根本輸入/輸出口；C口為輸入口

1

1

方式2

A、B口定義為根本輸入/輸出口；C口為輸入口

0

1

方式3

A口為選通輸出，B口根本輸入/輸出

PC3～PC5輸出，PC0～PC2作A口選通控制

PC0；AINTR，PC1，ABF，PC2，ASTB

1

0

方式4

A口、B口都作為選通輸入/輸出方式

PC0～PC2控制A口，同方式3

PC3～PC5控制B口，PC3；BINTR，PC4：BBF

PC5：BSTB

2〕狀態(tài)存放器格式

8155有一個(gè)狀態(tài)存放器，它鎖存I/O接口和定時(shí)器當(dāng)前狀態(tài)供單片機(jī)查詢(xún)。

狀態(tài)存放器和控制存放器共用一個(gè)地址，所不同的是狀態(tài)存放器只能讀出不能寫(xiě)入而控制存放器只能寫(xiě)入不能讀出。

標(biāo)志存放器皆為高電平有效。

(2)作擴(kuò)展RAM

8155作為單片機(jī)擴(kuò)展RAM256B，操作很簡(jiǎn)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AD0～AD7相接決定RAM的低8位地址。注意與其他數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。

(3)作定時(shí)器使用

當(dāng)IO/M=1時(shí)，8155也可作定時(shí)器使用。8155內(nèi)的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)際是一個(gè)14位的減法計(jì)數(shù)器。它共有兩個(gè)8位存放器組成，低8位和高6位存放計(jì)數(shù)初值，最高2位控制定時(shí)器的工作方式。

M2M1決定的定時(shí)方式及波形，8155的定時(shí)計(jì)數(shù)器為計(jì)數(shù)方式時(shí)。由引腳TIMERIN(3)從外部輸入計(jì)數(shù)脈沖；為定時(shí)方式時(shí)，則接單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘。無(wú)論定時(shí)或計(jì)數(shù)方式都從TIMEROUT端輸出脈沖或方波。

注意：如果寫(xiě)入定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值為奇數(shù)，方波輸出將不對(duì)稱(chēng)。例如計(jì)數(shù)初值為9，單方波方式輸出方波在5個(gè)脈沖周期為高電平，4個(gè)脈沖周期內(nèi)為低電平。

8155任何時(shí)候都可以置定時(shí)初值和工作方式，只要重新啟動(dòng)即可。計(jì)數(shù)初值為2～3FFFH之間，終值為2。

8155計(jì)數(shù)方式一般作信號(hào)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(wú)關(guān)位取為0)。RAM應(yīng)與系統(tǒng)中其他數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。

表6-5I/O接口及定時(shí)器地址編碼

AD2AD1AD0

選中I/O接口或定時(shí)存放器

低8位地址編碼

0

0

0

控制〔命令〕/狀態(tài)存放器

00H

0

0

1

PA口

01H

0

1

0

PB口

02H

0

1

1

PC口

03H

1

0

0

定時(shí)器低8位

04H

1

0

1

定時(shí)器高8位

05H

當(dāng)IO/M=1、CE=0時(shí)工作在I/O接口或定時(shí)器方式，這種情況8155共需要占6個(gè)地址,6個(gè)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(shuō)明8155地址口確實(shí)定及初始化程序。

(1)8051與8155連接特點(diǎn)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。ADO～AD7直接接于P0口，8155的ALE直接與8051ALE相接，這點(diǎn)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0000H~00FFH(無(wú)用位設(shè)為0)。

IO/M=1,CE=08155工作在I/O接口或定時(shí)方式，其地址確定方法：高位保證P2.1=0，P2.0=1其他無(wú)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(gè)地址：

控制/狀態(tài)字地址

0100H

A口地址

0101H

B口地址

0102H

C口地址

0103H

定時(shí)器低8位地址

0104H

定時(shí)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口為根本輸出，B口為根本輸入，C口輸出。

分析：根據(jù)題目要求，控制存放器狀態(tài)為00001101B〔0DH〕，編程把控制字送入即可。程序?yàn)椋?/p>

MOV

DPTR,#0100H

；控制存放器→DPTR

MOV

A,#0DH

；控制字A

MOV*

DPTR,A

；控制字送控制存放器

無(wú)論控制字為何值，都必須通過(guò)上述方式，把控制字送入控制存放器，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?yàn)椋?/p>

MOV

DPTR,#0030H

；RAM數(shù)據(jù)單元地址→DPTR

MOV

A,#88H

；立即數(shù)送入A

MOV*

DPTR,A

；立即數(shù)送入0030H中

使用RAM時(shí)必在IO/M=0條件下。

3〕設(shè)置為定時(shí)方式。

例3設(shè)8155的定時(shí)/計(jì)數(shù)器為方波發(fā)生器，輸出方波頻率為輸入時(shí)鐘頻率的24分頻。初始化程序如下：

MOV

DPTR，#0104H

；定時(shí)器低8位地址→DFTR

MOV

A,#18H

；18H-24D分頻系數(shù)→A

MOV*

DPTR，A

；定時(shí)初值送入定時(shí)器低8位

INC

DPTR

；0105H是定時(shí)高8位地址

MOV

A，#40H

；定時(shí)器方式1

MOV*

DPTR，A

；A→定時(shí)器高位地址

MOV

DPTR,#0100H

；控制口地址→DPTR

MOV

A,#0C2H

；啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，B口輸出，A、C口輸入

MOV*

DPTR，A

與8155芯片類(lèi)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完全一樣。8755內(nèi)部有2KBEPROM和兩個(gè)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(lái)擴(kuò)展I／O接口，使用移位存放器作為鎖存或輸入信號(hào)的接口，可以方便地?cái)U(kuò)展并行輸入、輸出口。這種方法不占用片外RAM地址，簡(jiǎn)單易行，便于操作，適用于速度較慢、實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)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存放器。原則上利用n片74LS165與8051的3根端口線(xiàn)相連，可擴(kuò)展8n根并行輸入口線(xiàn)。

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(xiàn)的電路。由圖可見(jiàn)，8051僅用了3根線(xiàn)，分別為串行口輸入線(xiàn)R*D(P3.0)、串行口輸出線(xiàn)T*D(P3.1)和1根控制線(xiàn)P1.0引出。

74LSl65是一個(gè)8位存放器，其S／L端是串行移位控制端接于P1.0端；CK是移位時(shí)鐘輸入端，接于P3.1(T*D)端；QH是串行移位輸出端接于P3.0(R*D)端。串行口置為方式0。兩個(gè)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R*D端。假設(shè)16位并行輸入數(shù)據(jù)已送到兩個(gè)74LSl65的輸入端，當(dāng)Pl.0=0時(shí)。16位數(shù)據(jù)被同時(shí)接收，置入對(duì)應(yīng)的74LSl65的存放器中。當(dāng)P1.0=1時(shí)，移位存放器開(kāi)場(chǎng)串