《單片機(jī)原理及工程應(yīng)用》課件-第6章 系統(tǒng)擴(kuò)展

16.1單片機(jī)系統(tǒng)總線的形成最小應(yīng)用系統(tǒng)2系統(tǒng)總線形成電路地址總線:

P2口作為高8位地址總線PO口為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口。它分時(shí)用作低8位地址總線和8位雙向數(shù)據(jù)總線。因此，構(gòu)成系統(tǒng)總線時(shí)，應(yīng)加1個(gè)鎖存器74LS373,用于鎖存低8位地址信號(hào)A7～A0，這樣就構(gòu)成了16位地址線，確定了其最大尋址空間為216=64KB。3數(shù)據(jù)總線:P0口作為數(shù)據(jù)總線D7～D0。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)總線?？刂瓶偩€:

系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)常用的控制信號(hào)有:ALE——地址鎖存允許信號(hào)。當(dāng)CPU訪問(wèn)外部部件時(shí)，利用ALE信號(hào)的正脈沖鎖存出現(xiàn)在P0口的低8位地址。4/PSEN——片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào),低電平有效。當(dāng)CPU訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，該信號(hào)有效，CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線讀回指令或常數(shù)。擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，用該信號(hào)作為程序存儲(chǔ)器的讀出允許信號(hào)。當(dāng)CPU訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，該信號(hào)無(wú)效。/RD——片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào),低電平有效。

/WR——片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫信號(hào),低電平有效。56

6.2外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展硬件系統(tǒng)擴(kuò)展，核心是譯碼電路設(shè)計(jì)和讀取各存儲(chǔ)器、端口的地址。希望通過(guò)學(xué)習(xí)，讀者能夠達(dá)到給定地址能夠設(shè)計(jì)譯碼電路；拿到硬件電路圖能夠分析出相關(guān)存儲(chǔ)器、端口地址。7

6.2外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展51系列單片機(jī)內(nèi)部RAM的容量是有限的，只有128B或256B。當(dāng)單片機(jī)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集或處理大批量數(shù)據(jù)時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的RAM是不夠的。我們可以利用單片機(jī)的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器即隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RandomAccessMemory),簡(jiǎn)稱RAM,用于存放可隨時(shí)修改的數(shù)據(jù)信息。常用的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有靜態(tài)RAM稱為SRAM和動(dòng)態(tài)RAM稱為兩種。SRAM讀/寫速度高，不需要刷新電路，使用方便，易于擴(kuò)展；缺點(diǎn)是集成度低，成本高，功耗大。DRAM集成度高，成本低，功耗相對(duì)較低；缺點(diǎn)是需要增加動(dòng)態(tài)刷新電路，硬件電路復(fù)雜。因此，單片機(jī)擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)一般都采用靜態(tài)RAM。8常用的靜態(tài)RAM芯片有6264(8k×8)、62128（16K×8）、62256(32k×8)等芯片，其管腳配置均為28腳，使用方便，工程師可結(jié)合系統(tǒng)成本及性能需求選用。最長(zhǎng)用的是6264。9存儲(chǔ)器擴(kuò)展的核心問(wèn)題是存儲(chǔ)器的編址問(wèn)題，就是給存儲(chǔ)單元分配地址。由于存儲(chǔ)器通常由多塊芯片組成,因此，存儲(chǔ)器的編址分為兩個(gè)層次:存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部存儲(chǔ)單元編址和存儲(chǔ)器芯片編址。前者，靠存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部的譯碼器選擇芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)單元。后者，必須利用譯碼電路實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的選擇。10譯碼電路是將輸入的一組二進(jìn)制編碼變換為一個(gè)特定的輸出信號(hào)，即：將輸入的一組高位地址信號(hào)通過(guò)譯碼，產(chǎn)生一個(gè)有效的輸出信號(hào)，用于選中某一個(gè)存儲(chǔ)器芯片，從而確定該存儲(chǔ)器芯片所占用的地址范圍，這一過(guò)程稱為地址譯碼。常用的譯碼方法有三種:全譯碼、部分譯碼和線選法。116.2.1全譯碼方式全譯碼是用全部的地址信號(hào)都參與譯碼。其特點(diǎn)是：地址與存儲(chǔ)單元一一對(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)1個(gè)存儲(chǔ)單元占用1個(gè)唯一的地址，地址空間的利用率高。12例6.2.1：利用全譯碼為AT89C51擴(kuò)展16KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器芯片選用SRAM6264，要求外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器占用從0000H開始的連續(xù)地址空間。解：首先確定要使用的6264芯片的數(shù)目：芯片數(shù)目=系統(tǒng)擴(kuò)展的存儲(chǔ)容量÷6264芯片的容量=16KB÷8KB=2片然后進(jìn)行地址分配，畫出地址譯碼關(guān)系圖。所謂地址譯碼關(guān)系圖，是一種用簡(jiǎn)單的符號(hào)來(lái)表示系統(tǒng)地址與芯片所占用的地址之間相互關(guān)系的示意圖13然后進(jìn)行地址分配，畫出地址譯碼關(guān)系圖。所謂地址譯碼關(guān)系圖，是一種用簡(jiǎn)單的符號(hào)來(lái)表示系統(tǒng)地址與芯片所占用的地址之間相互關(guān)系的示意圖141516例6.2.2：利用全譯碼為AT89C51擴(kuò)展40KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器芯片選用SRAM6264。要求外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器占用從6000H開始的連續(xù)地址空間。解：首先確定要使用的6264芯片的數(shù)目：芯片數(shù)目=系統(tǒng)擴(kuò)展的存儲(chǔ)容量÷6264芯片容量=40KB÷8KB=5片3-8譯碼器74LS138是一種常用的地址譯碼器173-8譯碼器74LS138是一種常用的地址譯碼器18

6.2.2部分譯碼部分譯碼是只用部分地址參與了譯碼。其特點(diǎn)是：地址與存儲(chǔ)單元不是一一對(duì)應(yīng)，而是1個(gè)存儲(chǔ)單元占用多個(gè)地址。我們把不參與譯碼的地址線稱為無(wú)關(guān)項(xiàng)，若1根地址線不參與譯碼，一個(gè)單元占用2(21)個(gè)地址；若n根地址線不參與譯碼，則一個(gè)單元占用2n個(gè)地址，n為無(wú)關(guān)項(xiàng)的個(gè)數(shù)。部分譯碼會(huì)造成地址空間的浪費(fèi)，但譯碼器電路簡(jiǎn)單，對(duì)地址譯碼電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大方便。一般在較小的系統(tǒng)中常采用部分譯碼。19

6.2.2部分譯碼例6.2.3：分析圖6.8中的譯碼方法，寫出存儲(chǔ)器芯片SRAM6264占用的地址范圍。2021

6.2.3線選法所謂線選法,是利用系統(tǒng)的某一根地址線作為芯片的片選信號(hào)。線選法實(shí)際上是部分譯碼的一種極端應(yīng)用，具有部分譯碼的所有特點(diǎn)，譯碼電路最簡(jiǎn)單，甚至不使用譯碼器。如直接以系統(tǒng)的某一條地址線作為存儲(chǔ)器芯片的片選信號(hào),只需把用到的地址線與存儲(chǔ)器芯片的片選端直接相連即可。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)需要擴(kuò)展的芯片數(shù)目較少，需要的實(shí)際存儲(chǔ)空間較小時(shí)，采用線選法。22

6.2.3線選法例6.2.4：分析圖6.10中的譯碼方法，寫出各存儲(chǔ)器芯片SRAM6264占用的地址范圍。2324

6.3外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展51系列單片機(jī)具有64KB的程序存儲(chǔ)器空間，其中87C51、AT89C51單片機(jī)含有4KB的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,而8031則無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。當(dāng)采用87C51、AT89C51單片機(jī)而程序超過(guò)4KB,或采用8031型單片機(jī)時(shí),就需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。這里要注意的是，51系列單片機(jī)有一個(gè)管腳/EA

跟程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展有關(guān)。25

6.3.1EPROM擴(kuò)展擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器常用的器件是EPROM芯片，如2764（8K×8bit）、27128（16K×8bit）、27256（32K×8bit）等。26程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展276.3.2擴(kuò)展EEPROM286.4并行I/O端口的擴(kuò)展

對(duì)一些簡(jiǎn)單外設(shè)的接口,只要按照“輸入三態(tài),輸出鎖存”與總線相連的原則,選擇74LS系列的TTL或MOS器件即能組成擴(kuò)展接口電路。例如,可采用8位三態(tài)緩沖器74LS244、74LS245等作為輸入端口,采用8D鎖存器74LS273、74LS373、74LS377等作為輸出端口。采用這些簡(jiǎn)單接口芯片進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，接口電路簡(jiǎn)單、配置靈活、編程方便、且價(jià)格低廉，是I/O端口擴(kuò)展的首選方案。2974LS244三態(tài)門3074LS2738D鎖存器31例6.4.1：采用74LS244和74LS273為AT89C51單片機(jī)擴(kuò)展8位輸入端口和8位輸出端口。簡(jiǎn)單I/O端口擴(kuò)展請(qǐng)各位分析兩個(gè)8位輸入輸出端口的地址326.4.2LED數(shù)碼顯示器擴(kuò)展LED數(shù)碼顯示器（又稱為L(zhǎng)ED數(shù)碼管）是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的顯示器之一。它由8個(gè)發(fā)光二極管（以下簡(jiǎn)稱字段）構(gòu)成，通過(guò)不同的組合可用來(lái)顯示數(shù)字0～9、字符A～F、P、空白字符、符號(hào)“

”及小數(shù)點(diǎn)“.”等。LED數(shù)碼管分為共陽(yáng)極和共陰極兩種產(chǎn)品，無(wú)論是共陽(yáng)極還是共陰極其外形結(jié)構(gòu)與封裝形式相同。33它由8個(gè)發(fā)光二極管（以下簡(jiǎn)稱字段）構(gòu)成，通過(guò)不同的組合可用來(lái)顯示數(shù)字0～9、字符A～F、P、空白字符、符號(hào)“

”及小數(shù)點(diǎn)“.”等。LED數(shù)碼管分為共陽(yáng)極和共陰極兩種產(chǎn)品，無(wú)論是共陽(yáng)極還是共陰極其外形結(jié)構(gòu)與封裝形式相同。輸出顯示形式分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。342位靜態(tài)LED顯示器356位動(dòng)態(tài)LED顯示器366.4.3鍵盤接口由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都是按實(shí)際需要設(shè)置外部接口和設(shè)備的，所以，一個(gè)系統(tǒng)設(shè)置幾個(gè)按鍵都是根據(jù)具體應(yīng)用而定的，并且在多數(shù)情況下，都是一鍵多用的，其目的就是盡量精簡(jiǎn)硬件設(shè)備。鍵盤按照其接口原理可分為編碼鍵盤與非編碼鍵盤兩類，這兩類鍵盤的主要區(qū)別是識(shí)別鍵符及給出相應(yīng)鍵碼的方法不同。37編碼鍵盤主要是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的識(shí)別，鍵盤接口電路能夠由硬件邏輯自動(dòng)提供與鍵對(duì)應(yīng)的編碼。此外，編碼鍵盤一般還具有去抖動(dòng)和多鍵、竄鍵保護(hù)電路。這種鍵盤使用方便，但需要較多的硬件，一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)較少采用。非編碼鍵盤的接口電路只是簡(jiǎn)單地提供按鍵的行列矩陣，對(duì)按鍵的識(shí)別、編碼、去抖動(dòng)等工作均由軟件完成。由于其經(jīng)濟(jì)實(shí)用、設(shè)置靈活，常應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)中。38一組鍵或一個(gè)鍵盤，總有一個(gè)接口電路與CPU相連。當(dāng)按鍵較多時(shí)一般采用行列式結(jié)構(gòu)并按矩陣形式排列。4×4表示有4根行線和4根列線,在每根行線和列線的交叉點(diǎn)上有1個(gè)按鍵,組成了一個(gè)有16個(gè)按鍵的矩陣鍵盤。39所謂行掃描法,就是通過(guò)行線逐行發(fā)出低電平信號(hào),如果該行線所連接的鍵沒有按下,則列線的電平信號(hào)是全“1”；如果有鍵按下的話,則列線得到的是非全“1”信號(hào)。即根據(jù)列線的電平信號(hào)是否有“0”信號(hào)來(lái)判斷有無(wú)鍵按下。首先快速檢查整個(gè)鍵盤中是否有鍵按下，若無(wú)鍵按下，則結(jié)束鍵盤掃描程序。若有鍵按下，再用逐行掃描的方法來(lái)確定閉合鍵的具體位置408×4矩陣鍵盤電路41鍵盤掃描子程序應(yīng)具有以下功能（1）判斷有無(wú)鍵按下。其方法為：行輸出口輸出全為0，讀列輸入口信息，若列輸入值為全1，則說(shuō)明無(wú)鍵按下；若不為全1，則說(shuō)明有鍵按下。

(2)消除按鍵的抖動(dòng)。微機(jī)鍵盤通常使用機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵開關(guān)。機(jī)械式按鍵在按下或釋放時(shí)，由于機(jī)械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時(shí)間的觸點(diǎn)機(jī)械抖動(dòng)，然后其觸點(diǎn)才穩(wěn)定下來(lái)。抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5～10ms。42(3)逐行掃描。若有鍵按下,則逐行掃描,以判別閉合鍵的具體位置。(4)計(jì)算閉合鍵的鍵值。計(jì)算公式為：鍵值＝行號(hào)×4＋列號(hào)(5)判斷按鍵是否釋放。計(jì)算出閉合鍵的鍵值后,再判斷按鍵是否釋放？若按鍵未釋放，則等待；若鍵已釋放,則再延時(shí)消抖。(6)命令處理。根據(jù)閉合鍵的鍵值，程序應(yīng)完成該按鍵所設(shè)定的功能。436.5D/A轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用D/A轉(zhuǎn)換器輸入的是數(shù)字量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出的是模擬量，常用在需要模擬量輸出的場(chǎng)合。D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)1.分辯率2.建立時(shí)間3.接口形式44典型D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832DAC0832是一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作?；鶞?zhǔn)電壓的范圍為±10V；電流建立時(shí)間為1μs；CMOS工藝，低功耗20mW。采用了兩次緩沖輸入方式，即由輸入寄存器和DAC寄存器構(gòu)成兩級(jí)數(shù)據(jù)輸入鎖存器。這樣可以在輸出的同時(shí)接收下一個(gè)輸入數(shù)據(jù)，以提高轉(zhuǎn)換速度。45DAC0832的接口與應(yīng)用51單片機(jī)與DAC0832的接口有3種連接方式：即直通方式、單緩沖方式及雙緩沖方式。直通方式不能直接與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連,需另加鎖存器,故應(yīng)用較少。46DAC8032工作于單緩沖方式，其中輸入寄存器受控，而DAC寄存器直通?？蛇x用輸入寄存器地址為FE00H對(duì)其編程。由于其基準(zhǔn)電壓Vref=-5.00V，用下列程序可以產(chǎn)生幅度為0V～+5V的鋸齒波：ORG 0200HSTART： MOV DPTR，#0FE00H ；0832輸入寄存器地址 MOV A，#00H；轉(zhuǎn)換初值

NEXT: MOVX @DPTR，A；D/A轉(zhuǎn)換 INC A NOP；延時(shí) NOP SJMPNEXT47用同樣的方法也可以很方便地產(chǎn)生三角波、矩形波、梯形波，相信讀者能自行編寫程序。486.6A/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用A/D轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，按轉(zhuǎn)換原理可分為4種：計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。

最常用的是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾性能好，價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢，因此，這種轉(zhuǎn)換器主要用于速度要求不高的場(chǎng)合。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種速度較高，精度較高的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間大約在幾μs到幾百μs之間。通常使用的逐次逼近式典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片是ADC0809。49典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片

ADC0809ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，CMOS工藝。5051單片機(jī)與ADC0809連接ADC0809與單片機(jī)的連接形式多種多樣。由于ADC0809內(nèi)部具有地址鎖存器和三態(tài)