微机原理课程设计--基于PC机ISA 或PCI总线的IO卡设计.doc

微机原理及接口技术课程设计说明书题 目：基于PC机ISA 或PCI总线的I/O卡设计院 系：机械工程与自动化学院专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机设09？姓 名：学 号：指导教师：宋志峰日 期：2012-12-9目 录一 中文摘要 2二 英文摘要 2三 设计任务书 3四 设计正文 41 硬件设计 41.1 PCI总线 41.1.1 PCI总线特点 41.1.2 PCI总线简介 41.2 74LS138译码器 81.3 比较译码器74LS688 91.4 地址锁存器74ALS373 91.5 总线缓冲器74LS245101.6 功率放大器ULN2803A 101.7 光电耦合器 111.8 发光二级管 122 软件设计 123 总结与体会 14五 参考文献 15摘 要随着计算机软硬件技术和控制、测量技术的不断发展，许多工程技术人员都将PC机作为控制、测量开发的首选平台。而PCI(Peripheral Component Interconnect，即外围部件互连)总线作为一种高性能、通用的局部总线，是目前计算机插卡式外设总线的事实标准。PCI总线具有32/64位总线宽度。地址线和数据线复用，支持猝发传输，传输速率高达132MB/s;系统占用率低，具有较好的兼容性;有完备的即插即用(PnP)管理体制，可同时支持多组外围设备。虽然PCI总线也经历了从PCI、PCI-X到PCI Express的发展，但PCI总线由于存在时间长，开发工具、开发资料众多，在对数据吞吐量要求不是很高的工业控制、测量领域仍有着顽强的生命力。在此处设计了基于PCI总线的数据采集卡，可以完成8路数字量I/O采集功能。关键词：微机原理； 控制系统；单片机； 汇编语言；接口设计AbstractAlong with the computer hardware and software technology, measurement and control technology continues to develop, many engineering and technical personnel will be PC as the control, measurement and development platform of choice.PCI (Peripheral Component Interconnect, i.e. peripheral component interconnect) bus is a high performance, generic local bus, is the computer plug-in peripheral bus standard in fact.PCI bus with 32/64 bus width.Address line and data line multiplexing, supporting burst transmission, high transmission rate up to 132MB/s; the system occupancy rate is low, which has good compatibility; complete plug-and-play (PnP) management system, can simultaneously support multiple groups of peripheral devices.Although the PCI bus also experienced from PCI, PCI-X to PCI Express development, but PCI bus due to the presence of a long time, development tools, development of information many, in the data throughput requirements is not very high in industrial control, measurement field still has a strong vitality.In this design based on the PCI bus data acquisition card, can complete the 8 digital I/O collection function. Key words：Principle of Microcomputer control system chip microcomputer assembler language Framework 设计任务书一、 设计题目：基于PC机ISA 或PCI总线的I/O卡设计二、 设计目的： 1通过PC机ISA I/O卡的设计巩固8086微机的接口知识，强化微机总线概念； 2学会利用电子CAD软件设计电路板，熟悉电路板的制作； 3、建立基于PC机的测控概念，学会对ISA I/O卡实现简单的测控任务三、 设计要求：基本要求： 1、设计一款具有8位可编程数字量输入和8位可编程数字量输出. 2、利用Protel软件绘制电路板原理用，并生成PCB图；3、编写读入8位可编程数字量输入，然后从8位可编程数字量输出的程序。四、 设计步骤： 1、熟悉PC机ISA总线概念及ISA 或 PCI I/O卡的设计要点； 2、熟悉Protel99 软件的使用； 3、I/O卡原理设计：按照设计要求设计出I/O卡的电路原理图；4、I/O卡电路板布线：利用Protel软件生成 I/O卡的PCB板布线图；5、在设计出的I/O卡的基础上，编写读入8位可编程数字量输入，然后从8位可编程数字量输出，3个16位定时/计数器计数的程序，高级设计增加将1模拟量输入转到1模拟量输出；6、编写设计说明书；7、答辩；五、 查询资料： 1、ISA总线资料，pc104总线资料，PCI总线资料； 2、芯片资料：CH365、74LS688、74LSl38、8255、8253、DAC0832、ADC0809等；设计正文1 硬件设计 先在具体甄选设计过程中可能要设计的芯片，分析它们的功能特点，确定它们的工作模式；按照各芯片的使用特点以及本系统的设计要求逐步连接，画出系统硬件连接图，并生成PCB板。正如A3图纸系统硬件连接图所示，CPU我选用PC104，它足以完成8路数字量I/O采集功能；由于PCI104有32根地址与数据共用线，故有必要将地址码与数据码分开，PCI104采用了分时传送的方法，即先传送地址码，再传送数据码，故必须用锁存器将地址码锁存起来。我选用74系列的74LS373作为地址锁存器；由于外设、内存存取数据速度不匹配，故有必要使用缓冲器来暂时记忆存储数据，我选用74系列的74LS245作为数据缓冲器；存储器译码我采用全译码方式，用74LS688比较译码器可减少逻辑组合电路；可编程芯片的片选信号译码，我采用线译码方式，这样可以保证其端口地址只有8位，易于程序编写，因而74LS138译码器是最好的选择。在具体设计该系统时，我选用光电耦合器模拟数字量的输入输出，最后以发光二极管为负载的系统。1.1 PCI总线1.1.1 PCI总线特点PCI是先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。其特点是：总线操作与处理器一存储器子系统操作并行；线性突发传输；极小的存取延误；不受处理器限制；基于PCI卡设备信息，实现即插即用。PCI的地址空间有3类：存储器、IO和配置地址空间。存储器空间和IO空间同以前的ISA总线规范相同，而配置空间是PCI所特有的。配置空间使系统处理器能够枚举PCI总线上的各种设备，并根据设备要求自动配置存储器和IO的地址空间。操作系统在自检的过程中检测所有PCI设备，读取设备的配置信息，并给每一设备分配系统资源，如中断、IO空间、存储器空间等。在PCI系统结构中，为每个PCI都提供了256个字节(至少是前64个字节)的配置空间，这256个字节的配置空间中前64个字节称为头区域，是每一个PCI设备都应该实现的，他的主要功能是识别PCI接口设备，以及PC访问板卡的方式等。其余的192个字节根据不同的PCI设备有所不同。 1.1.2 PCI总线简介 PC/104总线是嵌入式PC机所用的总线标准.有两个总线插头.其中 有 个引脚, 有 个引脚 共有 104个引脚,这也是PC/104名称的由来.PC104有两个版本，8位和16位，分别与PC和PC/AT相对应。PC104PLUS 则与PCI总线相对应.。PC/104模块本质上就是尺寸缩小为3.英寸 3. 英寸的 总线板卡。它的总线与ISA在 - 中定义基本相同。具有位数据宽度，最高工作频率为 数据传输速率达到，地址线 条，可寻访16M字节地址单元。 所有PC/104总线信号定义和功能与它们在ISA总线相应部分是完全相同的。104根线分为5类：地址线、数据线 、控制线、时钟线、电源线 。简要介绍如下 ：（）地址线和 是可锁存的地址信号, 是非锁存信号 由于没有锁存延迟因而给外设插板提供了一条快捷途径。加上 可实现16MB空间寻址（其中 和 是重复的）（）数据线 数据线 和 其中 位为低8位数据， 为高8位数据 （）控制线 EN： 地址允许信号，输出线，高电平有效。EN，表明处于控制周期；EN，表示非周期。此信号用来在期间禁止端口的地址译码。 BALE：允许地址锁存，输出线。这信号由总线控制器 提供，作为 地址的有效标志 。当 为高电平时 将 接到系统总线。 其下降沿用来锁存 IOR：读命令，输出线 ，低电平有效。 用来把选中的 设备的数据读到数据总线上 ，在 启动的周期通过地址线选择。在 周期， 设备由 选择 IOW：写命令，输出线 ，低电平有效 ，用来把数据总线上的数据写入被选中的 端口 SMEMR和SMEMW：存储器读写命令 ，低电平有效， 用于对 这 位地址寻址的 内存的读写操作 MEMR和MEMW：低电平有效 ，存储器读写命令， 用于对 位地址线全部存储空间读写操作 MEMCS16 和I/OCS16：它们是存储器位片选信号和位片选信号 ，分别指明当前数据传送是 位存储器周期和 位周期 SBHE：总线高字节允许信号，该信号有效时表示数据总线上传，送的是高位字节数据 , ,用于作为来自外部设备的中断请求输入线 分别连在主片 和从片 中断控制器的输入端 。其中 留给数据协处理器使用，不在总线上出现。这些中断请求线都是边沿（上跳边） 触发， 三态门驱动器驱动。 优先级排队是： 最高 ，依次为 ，然后是 和 来自外部设备的 请求输入线 高电平有效，分别连在主片 和从片 。控制器输入端 优先级最高， 最低， 用于级联， 在总线上不出现 DACK0 DACK3和DACK5 DACK7： 回答信号， 低电平有效。有效时表示 请求，被接受 控制器占用总线 ，进入 周期 ： 终末记数结束 输出线 该信号是一个正脉冲表明 传送的数据已达到其程序预置的字节数 ，用来结束一次 数据块传送 MASTER：输出信号，低电平有效 ，它由要求占用总线的有主控能力的外设卡驱动 ，并与 一起使用 ，外设的 得到确认 有效 后 才使 有效 ，从此该设备保持对总线的控制直到MASTER 无效 RESER DRV: 系统复位信号， 输出线， 高电平有效 ，此信号在系统电源接通时为高电平，当所有电平都达到规定以后变低，即上电复位时有效， 用它来复位和初始化接口和 设备 IOCHCHK：通道检查 ，输出线 ，低电平有效 ，当它变为低电平时， 表明接口插件的 通道出现了错误 ，它将产生一次不可屏蔽中断 ： 通道就绪 ，输入线 ，高电平表示就绪。 该信号线可供低速 设备或存储器请求延长总线周期之用。当低速设备在被选中， 且收到读或写命令时将此线电平拉低 ，表示未就绪 以便在总线周期中加入等待状态。但最多不能超过 个时钟周期 REFRESH：刷新信号为了防止在内存刷新周期内产生不必要的中断。 提供该刷新信号 防止中断发生 KEY：钥匙位 ENDXFR：零等待状态信号，输入线， 该信号为高电平时 ，无需插入等待周期 SYSCLK：系统时钟 OSC： 主振信号输出除了以上信号外， 还有电源正负 正负 ，地线 等。 我们知道IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线规范，IEEE协会将它定义IEEE-P996.1，很明显PC104实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996，其信号定义与PC/AT相同，但电气和机械规范却完全不同: a. 自堆栈总线，省掉了昂贵的底板 b.针孔总线连接器，提高了可靠性 c.减小了总线驱动电流，降低了功耗和电路的驱动要求 至于16位的PC/104总线比ISA的信号线多6根(104&98),都是地线.3 PCI接口芯片的选择PCI接口电路至少实现如下功能： (1) 高速的地址产生单元；(2) 地址译码及命令译码单元；(3) 标准配置寄存器(64个字节)、PCI总线逻辑接口单元、用户设备逻辑接口、数据缓冲区等。1.2 74LS138译码器译码是编码的逆过程，译码是编码的逆过程，它的功能是将具有特定含义的二进制码进行辨别，并转换成控制信号，具有译码功能的逻辑电路称为译码器。三八译码器属于二进制译码器,即它具有N个输入端， 2n个输出端和一个使能输入端。在使能输入端为有效电平时，对应每一组输入代码，能输入端为有效电平时，对应每一组输入代码，只有其中一个输出端为有效电平，只有其中一个输出端为有效电平，其余输出端则为非有效电平。地址译码器用于对存储器和I/O口地址译码，产生片选信号。常用的地址译码器有74LS138，其引脚如下图，功能表见下表。74LS138译码器是译码电路中最常用的，在本设计中我选用两片74LS138译码器产芯片的片选信号，如果选用比较译码器74LS688则需要多片，既增加了芯片数量，也增加了电路消耗，同时占用了过多的空间，使线路连接更加复杂，更不直观。74ls138是3/8译码器，即对3个输入信号进行译码。得到8个输出状态。G1,G2A,G2B,为数据允许输出端，G2A,G2B低电平有效。G1高电平有效。接线时将A，B，C接单片机的高位地址。Y0到Y7接片外芯片片选信号，低电平有效引脚图功能表G1G2AG2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y710000001111111100001101111111000101101111110001111101111100100111101111001011111101110011011111101100111111111100111111111111111111111111111.3 比较译码器74LS688在存储器扩展时，我选用74LS688作为译码器，其一是为了在全译码时减少组合逻辑电路，二是为了与本组其他成员相区别。74LS688作译码器时， 必须为低电平，且当且仅当对应的8个输入端P与8个输入端Q相等时， 才会输出低电平。利用这一特性将 低电平作为存储器的片选信号，可实现其译码片选功能。由硬件连接图可知，在设计中，我将8个输入端Q全部接地，即低电平，保证了存储器高8位全部为0。实现了存储器从最低地址0H0FFFH，4KB的存储容量。1.4 地址锁存器74ALS373 地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。PC104中数据和地址总线采用分时复用操作方法，即用同一总线既传输数据又传输地址。当微处理器与存储器交换信号时，首先由CPU发出存储地址，同时发出允许锁存信号ALE给锁存器，当锁存器接到该信号后将地址/数据总线上的地址锁存在总线上，随后才能传输数据。74LS373是带三态输出的8位锁存器，共有8个输入端D1D8及8个输出端Q1Q8。当三态端OE为有效低电平，74LS373的G端为输人选通端，使能端 G为有效高电平时，输出跟随输入变化；当G1时，锁存器处于透明工作状态，即锁存器的输出状态随数据端的变化而变化，即脚1=Di(I=1，2，8)。当G端由1变0时，数据被锁存起来，此时输出端Qi不再随输入端的变化而变化，而一直保持锁存前的值不变。G端(或STB端)可直接与PC104的锁存控制信号端ALE相连，在ALE的下降沿进行地址锁存。在PC104系统中，地址线和数据线时复用的，故有必要锁存地址。74ALS373管脚及功能图如图所示。其数据送入是由时钟的约定电平来进行的。 E为低电平时，锁存器才能工作。在此处我选用两片74ALS373。1.5 总线缓冲器74LS245 缓冲器主要用于CPU总线的缓冲，以增加总线驱动负载的能力。74LS245是带三态输出的8位双向数据缓冲器，专用于需要双向传输的 数据总线接口。它其实也是一个三态门， 为输出使能端， G为低电平时，缓冲器才能工作，DIR为传输方向控制端。当G=0，DIR=0时，数据由B到A，当G=0，DIR=1时，则数据由A到B。当G=1时，A和B均处于高阻状态。其常用于数据缓冲器，也可作于单向缓冲器，用于地址或控制信号的缓冲。在此处我选用两片该芯片。1.6 功率放大器ULN2803AULN2803A是一种高电压，大电流达林顿晶体管阵列。ULN2803A装置由8个npn的达林顿对这一功能与开关电感性负载共阴极钳位二极管的高电压输出。每个达林顿对集电极电流额定值为500毫安。在达灵顿对可能被连接在较高的电流能力平行。ULN2803A主要应用于继电器驱动器，锤司机，灯驱动器，显示驱动器（ LED与气体放电） ，线路驱动器，缓冲器和逻辑。ULN2803A已为每个操作具有TTL或5 V CMOS器件直接达林顿对2.7 k的电阻器系列的基础。在此处由于CPU输出功率比较小，通过此装置可以驱动功率较大的负载。1.7 光电耦合器用于数模之间的转换。 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管 其工作原理时：在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就可以实现电一光一电的转换。在此处为了实现外界量进去CPU使用8个光电耦合器，为了实现CPU出来的数字信号变为模拟信号也要采用8个光电耦合器，即总共采用16个光电耦合器。1.8 发光二级管发光二极管简称LED，采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。 当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。2 软件设计汇编语言参考程序：org 0000hajmp mainorg 0080h ;定义P1.0,P1.1,P1.2 分别为AA,BB,CC 以便在程序中描述AA EQU P1.0BB EQU P1.1CC EQU P1.2MAIN:CLR CC ;状态1 A,B,C为000CLR BBCLR AACALL DELAY ;调用延时CLR CC ;状态2 A,B,C 为100CLR BBSETB AACALL DELAY ;调用延时CLR CC ;状态2 A,B,C 为010SETB BBCLR AACALL DELAYCLR CCSETB BBSETB AACALL DELAYSETB CCCLR BBCLR AACALL DELAYSETB CCCLR BBSETB AACALL DELAYSETB CCSETB BBCLR AACALL DELAYSETB CCSETB BBSETB AACALL DELAYJMP MAIN ;重新开始DELAY: ;延时子程序MOV R5,#255D3:MOV R2,#255D4: DJNZ R2,D4DJNZ R5,D3RETEND3 总结与体会这次这个单片机的课程设计我们完成的不太理想，在设计中遇到了许多问题。首先是自己对题目的理解不透彻，不知道其原理也不知道自己该如何动手，并且对Protel 99 软件使用也不熟悉，自己后来通过建立元件库绘制出PC104芯片和ULN2803A芯片，但其在生成PCB板时出现了许多错误，主要是自己建立的PC104芯片中的错误，后来自己花了许多时间进行调整。其次自己对之前学习的微机原理的记忆已经很模糊，对汇编语言也已经基本忘得差不多，以致加大了该次课程设计的难度和任务量。当然此次