【大学课件】单片机系统的扩展

1、第九章 单片机系统的扩展1ppt课件图9-1 89C51最小应用系统2ppt课件MCS-51系列典型产品资源配置系列典型芯片I/O口定时/计数器中断源串行通信口片内RAM片内ROM51系列80C314x8位2x16位51128字节无80C514x8位2x16位51128字节4kB掩膜ROM87C514x8位2x16位51128字节4kB EPROM89C514x8位2x16位51128字节4kB Flash52系列80C324x8位3x16位61256字节无80C524x8位3x16位61256字节8kB掩膜ROM87C524x8位3x16位61256字节8kB EPROM89C524x8位3

2、x16位61256字节8kB Flash3ppt课件图9-2 89C51单片机三总线扩展方法（非总线型的单片机不能采用）4ppt课件图9-3 89C51单片机扩展框图5ppt课件图9-4 P0口地址和数据复用图ALEP0P2A0-A7DATA OUTA0-A7A8-A15A8-A156ppt课件单片机P0口地址和数据分离电路7ppt课件单片机扩展能力受地址信号限制，64K空间。程序空间和数据空间独立。其它功能共用数据空间（操作方法与数据存储器相同）。控制信号产生方法在指令控制下，自动产生，不用BIT操作。如ALE、/RD、/WR和/PSEN等。8ppt课件9.1 数据存储器RAM扩展方法 常用

3、的数据存储器SRAM芯片有61166264和62256等。9ppt课件D0D7： 三态数据线CE ： 片选线OE ： 读出选通线WE ： 写允许信号输入线VCC： 电源线，接+5VGND: 电源地A0Ai： 地址输入线， i=10（6116）， i=12（6264） i=13（62128）， i=14（62256）10ppt课件数据存储器扩展电路OE6264A7:A0A8-A12D0D774LS573OEGALE89C51D7:D0Q7:Q0RDEAP2.0-P2.4P0CS+5VWEWRP2.7CE11ppt课件存储器片选信号的连接线选法：地址信号直接连接片选。地址不连续。译码法：地址组合译

4、码后连接片选。增加芯片。编址：地址的确定。时序配合存储器的时序和单片机提供的时序必须一致（见教材P217的时序图）。12ppt课件P2.7P2.5P2.6P0口/CE/CE/CEP2.2-2.0RAM （2K） A10 A9 A8P2.5 做 RAM 片选线 （C000HC7FFH）P2.2,P2.1,P2.0与P0口共同寻址 2K字节存储单元地址范围： 110X X000 0000 0000 110X X111 1111 1111说明：X可取1或0，一般取0线选例子：用地址线对外寻址 MCS-51单片机AD7-0D7-0D7-0Q7-0Q7-0锁存器缓冲器13ppt课件P2.7P2.5P2.

5、6P0口/CE/CE/CEP2.2-2.0RAM （2K） A10 A9 A8P2.7 做输出锁存器的片选线 地址范围：011X XXXX XXXX XXXXMCS-51单片机AD7-0D7-0D7-0Q7-0P2.6 做输入缓冲器的片选线 地址范围：101X XXXX XXXX XXXX锁存器缓冲器(例:6000H)(例:A000H)14ppt课件P2.7P2.5P2.6/CE/CE/CE常用译码器件： 74LS138：3-8译码器（C高A低）译码例子：地址线经过译码器后对外寻址 P0.7-P0.074LS138Y0ABCG G2A G2B0#8K1#8K2#7#+5VMCS-51Y1Y2Y

6、7/CE74LS139：双2-4译码器0000H1FFFH2000H3FFFH4000HE000H15ppt课件访问扩展数据存储器的方法如对4000H的地址单元操作，指令是：MOV DPTR, #4000HMOVX A, DPTR;读操作MOVX DPTR, A;写操作操作时，数据、地址和/RD，/WR控制信号自动产生，不需要其它指令。16ppt课件C51操作扩展RAM的例子#include unsigned char newdata;unsigned char xdata ramdata _at_ 0 x4000;void main( void ) XBYTE0 x4000 = 0 xaa;

7、 newdata = XBYTE0 x4000; ramdata = 0 xaa; newdata = ramdata; while(1); 17ppt课件9.2 程序存储器flash ROM扩展方法 常用AT29系列芯片进行扩展。三种封装AT29010A的引脚图18ppt课件程序存储器扩展电路OE29C010AA7:A0A8-A15CED0D774LS573OEGALE89C51D7:D0Q7:Q0PSENEAP2P0+5VA1619ppt课件访问程序存储器的方法（编程不区分是否扩展）如对5000H的地址单元操作，指令是：MOV DPTR, #5000HCLR AMOVC A, A+DPTR

8、;只有读操作C51的操作方法：#include unsigned char newdata;void main( void ) newdata = CBYTE0 x9000; while(1); 20ppt课件接口：在微型计算机系统中，CPU 与外部设备之间的联系，需要有特定的硬件连接和相应的软件控制。完成这一任务的软、硬件综合称为接口。端口：指接口电路中那些完成信息传送，可由程序寻址进行读写的寄存器。四种数据传送方式：无条件、查询、中断、DMA可用74系列芯片和可编程芯片进行扩展。操作方法与数据存储器相同。9.3 I/O端口的扩展方法21ppt课件常用的74系列芯片有：通常输出需要锁存，输入

9、需要三态缓冲。CLR VCC 1Q 8Q 1D 8D 2D 7D 2Q 7Q 3Q 6Q 3D 6D 4D 5D 4Q 5Q GND CLKOE VCC 1D 1Q 2D 2Q 3D 3Q 4D 4Q 5D 5Q 6D 6Q 7D 7Q 8D 8Q GND CPDIR VCC A1 OE A2 B1 A3 B2 A4 B3 A5 B4 A6 B5 A7 B6 A8 B7 GND B874LS27374LS24574LS57422ppt课件利用74LS245扩展输入口原理：地址、数据分离，编址23ppt课件简单I/O扩展电路输出指令： MOV DPTR，#0100H;P2.1=0, P2.0=1

10、 MOVX DPTR， A输入指令： MOV DPTR，#0200H;P2.1=1, P2.0=0 MOVX A， DPTR注意：273的CLK在上升沿有效，244的CE在低电平有效。单片机锁存器74LS273P0.0-P0.7P2.0P2.1RDWRD0 D7Q0 Q7Q0 Q7D0 D7缓冲器74LS24411CLKCE1CE2输出输入或门24ppt课件其它常用扩展芯片的连接图245的G为低电平有效，573的C为高电平有效。操作时P2.7为低。图9-19 采用74系列逻辑电路扩展输入和输出接口25ppt课件用可编程芯片(8255)扩展I/O口26ppt课件可编程并行I/O接口芯片8255管

11、脚PA3 PA4PA2 PA5PA1 PA6PA0 PA7RD WRGND D0A1 D1A0 D2PC7 D3PC6 D4PC5 D5PC4 D6PC0 D78255PC2 PB7PC3 PB6PB0 PB5PB1 PB4PB2 PB3CS RESETPC1 VCC40 PIN8255的基本特性与引脚： PA，PB，PC 三个8位I/O口; PC口分高4位和低4位。高4位 可与PA口合为一组(A组),低4 位可与PB口合为一组(B组)。 3种工作方式。内部有4个寄存 器，由A1,A0与读,写信号选择。 片选低有效,复位高有效。 PC可按位置位/复位。 40条引脚，DIP封装。须注意 VCC与

12、GND引脚的位置。 一个8位的数据口D0D7。27ppt课件8255的PA,PB,PC口有三种工作方式： 三种方式中只有方式0用得最多且最容易使用。 基本输入/输出方式就是简单输入/输出方式。 方式1 和方式2 使用复杂。因单片机能自动提供 各种应答信号，这两种方式已不用于单片机系统。工作方式A口B口C口0基本输入/输出输出锁存, 输入三态基本输入/输出输出锁存, 输入三态基本输入/输出输出锁存, 输入三态1应答式输入/输出输入/输出均锁存应答式输入/输出输入/输出均锁存提供A口和B口的应答信号2应答式双向输入/输出输入/输出均锁存B口无此方式提供A口的应答信号28ppt课件PA，PB，PC口

13、的三种工作方式示意图：RD WR D7D0 A1 A0地址总线控制总线数据总线ABCPA0-7PB0-7PC4-7PC0-3A组B组8255的方式 0ABPA0-7PB0-7控制线控制线A组B组ABPA0-7PB0-7控制线I/OA组B组7 6 5 4 3 2 1 0PC口8255的方式 18255的方式 27 6 5 4 3 2 1 0PC口29ppt课件8255的端口选择表：注意：对A，B，C 三个口的任何读/写操作，就是对 PA，PB，PC这三个寄存器进行I/O操作 第4个寄存器是控制字寄存器(命令字寄存器)A1A0RDWRCS操 作 说 明0 0010CPU读取PA口数据从8255的I

14、/O口读有效0 1CPU读取PB口数据1 0CPU读取PC口数据0 010CPU向PA口输出数据向8255的I/O口写有效0 1CPU向PB口输出数据1 0CPU向PC口输出数据1 1100对控制寄存器写控制字初始化8255时必须做的工作X X XX1没有选中，8255不工作8255对系统总线呈高阻态1 1010非法状态控制寄存器只能写不能读X X110非法状态8255对系统总线呈高阻态30ppt课件8255方式选择及方式控制字方式选择控制字 各口控制位定义：1输入，0输出D7D6D5D4D3D2D1D0 C口下半部控制位B口控制位B组方式控制位，D2=1方式1，反之方式0C口上半部控制位A口

15、控制位A组方式控制 D6D5=00 方式0 01 方式1 1X 方式2总控制选择位 D7=1 选择A、B、C口工作方式 D7=0 C口进行位操作31ppt课件 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 特征位=0Dont care bits选中的位将要输出的状态= 0，清0= 1，置18255控制寄存器可对PC口按位进行“置1”和“清0”操作。具体命令格式如下:（地址同样是：A1,A0 = 11）例如：设8255的控制寄存器在系统中的地址是: 0003H,要将PC5引脚置 1, 可用如下指令完成： MOV DPTR，#0003H MOV A， #0BH MOVX DPTR，AD3D2D1

16、选中PCx引脚000PC0001PC1010PC2011PC3100PC4101PC5110PC6111PC732ppt课件8255与单片机的连接：AT89C51825574LS373P0.0-P0.7ALEP2.78DQ0Q1CSRESETA0A1D0-D7GEAOERESETRDWRWRRD+5VPAPCPBP2.7接片选/CS端,8255的(一组)寄存器地址可以是：PA口:7000H PB口:7001H PC口:7002H 命令口:7003H33ppt课件8255的其它连接方式（cs不同）：AT89C51825574LS373P0.0-P0.7ALE8DQ0Q1Q7CSRESETA0A1

17、D0-D7GEAOERESETRDWRWRRD+5VPAQ7接片选/CS端,8255的(一组)寄存器地址可以是：PA口:0000H PB口:0001H PC口:0002H 命令口:0003H也可以是：007CH,007DH,007EH,007FHPC7PC0微型 打印机34ppt课件8255的初始化例如，要求8255为方式0，PA、PB和PC口都为输出。 MOV DPTR, #7003H ；8255控制口地址 MOV A， #80H ；满足以上要求的控制字 MOVX DPTR, A ；控制字送入8255控制口如要求为方式0，PA输出，PB和PC输入，则控制字为：MOV A, #8BH设置825

18、5三个端口的工作方式（主要使用方式0）和输入、输出方式。35ppt课件8255应用举例：A、B和C口输出方波 ORG 0000HWAVE: MOV DPTR,#03H ;8255 控制字寄存器地址 MOV A, #80H ;初始化A,B,C口为基本输出口 MOVX DPTR, A MOV A, #55H ;8位高/低电平相间输出REPT: MOV DPTR,#00H ;8255 A口地址 MOVX DPTR, A INC DPTR ;8255 B口地址（01H） MOVX DPTR, A INC DPTR ;8255 C口地址（10H） MOVX DPTR, A LCALL DELY1S ;延

19、时 CPL A ;取反 SJMP RETP ;循环：输出连续波形36ppt课件8255应用例子：A.B.C口输出方波PA0输出PA1输出PA2输出PA3输出PA4输出PA5输出PA6输出PA7输出PB0输出37ppt课件非总线方式扩展系统资源扩展的功能包括I/O端口和D/A转换等简单功能。特点：使用灵活，编程不如总线方式简练。图中可使用多个锁存器扩展输出端口。38ppt课件9.4 A/D和D/A转换器扩展方法 在工业系统的控制和测量等场合，常用到模数和数模转换器。微机功放放大A/DD/A执行部件传感器工业系统39ppt课件 在其它控制系统的应用场合，也需要模数和数模转换器。连续变化的物理量如：

20、温度、压力、流量 速度、位移等物理过程微 机传感器A/DD/A执行机构物理过程v / iDataData过程控制示意图模拟量40ppt课件一、D/A转换器的基本原理 常用的是形电阻网络D/A转换器，输出电压的大小与数字量具有对应的关系，因为输出电压与电流成比例关系，而电流 In = 2In-19.4.1 D/A转换器及其应用41ppt课件权电阻网络转换 与T形电阻网络转换的原理相似Vo-（D3/R+D2/2R+D1/4R+D0/8R）VrRf42ppt课件二、D/A转换器的主要性能指标1、分辨率分辨率是指输入数字量的最低有效位（LSB）发生变化时，所对应的输出模拟量（常为电压）的变化量。它反映

21、了输出模拟量的最小变化值。分辨率与输入数字量的位数有确定的关系，可以表示成FS /2n。FS表示满量程输入值，n为二进制位数。对于5V的满量程，采用位的DAC时，分辨率为5V/25619.5mV；当采用12位的DAC时，分辨率则为5V/40961.22mV。显然，位数越多分辨率就越高。2、线性度线性度（也称非线性误差）是实际转换特性曲线与理想直线特性之间的最大偏差。常以相对于满量程的百分数表示。如是指实际输出值与理论值之差在满刻度的以内。43ppt课件3、绝对精度和相对精度绝对精度（简称精度）是指在整个刻度范围内，任一输入数码所对应的模拟量实际输出值与理论值之间的最大误差。绝对精度是由DAC的

22、增益误差（当输入数码为全1时，实际输出值与理想输出值之差）、零点误差（数码输入为全时，DAC的非零输出值）、非线性误差和噪声等引起的。绝对精度（即最大误差）应小于1个LSB。相对精度与绝对精度表示同一含义，用最大误差相对于满刻度的百分比表示。44ppt课件4、建立时间建立时间是指输入的数字量发生满刻度变化时，输出模拟信号达到满刻度值的1/2LSB所需的时间。是描述D/A转换速率的一个动态指标。电流输出型DAC的建立时间短。电压输出型DAC的建立时间主要决定于运算放大器的响应时间。根据建立时间的长短，可以将DAC分成超高速（1S)、高速（101S）、中速（10010S）、低速（100S）几档。

23、应当注意，精度和分辨率具有一定的联系，但概念不同。DAC的位数多时，分辨率会提高，对应于影响精度的量化误差会减小。但其它误差（如温度漂移、线性不良等）的影响仍会使DAC的精度变差。45ppt课件三、DAC0832芯片及其与单片机接口 DAC0832是使用非常普遍的位D/A转换器，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。属于该系列的芯片还有DAC0830、DAC0831，它们可以相互代换（精度不同）。DAC0832主要特性：分辨率位；电流建立时间S；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；T形电阻网络结构；逻辑电

24、平输入与TTL电平兼容；单电源供电（5V15V），低功耗，20m。 46ppt课件DAC 0832 引脚定义CS VCCWR1 ILEAGND WR2D3 XFERD2 D4D1 D5 D0 D6Vref D7Rfb Iout2DGND Iout1DAC083220 PIN DIP封装D0D7：8位数字量输入端/CS： 片选端，低有效ILE： 数据锁存允许,高有效/WR1： 写控制信号1,低有效/WR2： 写控制信号2,低有效/XFER： 数据传送控制信号Iout1： 电流输出端1Iout2： 电流输出端2Rfb： 内置反馈电阻端Vref: 参考电压源,-10+10VDGND：数字量地AGND

25、：模拟量地Vcc: +5+15V单电源供电端47ppt课件DAC 0832内部框图Rfb：内置反馈电阻端。Vref：参考电压源,-10+10V方框中LE1、LE2高有效，跟随；为低时锁存48ppt课件DAC0832与单片机的连接89C51单片机DAC0832P0.0P0.7P2.08位DI0DI7EAWRXFERCS+5V6MHz30p2WR1WR2+5VVccVrefILE+uA741-12V+12VGNDAGNDDGNDIout1Iout2Rfb接示波器编程：输出与数字量DATA相对应的模拟量：MOVDPTR，#0FEFFHMOVA，#DATAMOVXDPTR,A49ppt课件输入数字量模

26、拟量输出（V）MSB LSB1 1 1 1 1 1 1 1-VREF (255/256)1 0 0 0 0 0 1 0-VREF (130/256)1 0 0 0 0 0 0 0-VREF (128/256)0 1 1 1 1 1 1 1-VREF (127/256)0 0 0 0 0 0 0 0-VREF (0/256)输出电压的D/A关系= - VrefD/256，可接反相器得到正电压。数字量与模拟量的转换关系： 50ppt课件DAC0832与80C51单片机的连接方式1、直通工作方式（单片机锁存）当DAC0832芯片的片选信号、写信号、及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号ILE

27、引脚接5V时，即为直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。51ppt课件2、单缓冲工作方式 此方式适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求同步的系统。 52ppt课件3、双缓冲工作方式 多路D/A转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器同步方式 。53ppt课件DAC0832的应用及编程举例（单缓冲方式）例1 产生矩形波例2 产生锯齿波 MOV DPTR,#0FEFFHLL:MOV A，#00H ;低电平 MOVX DPTR,A ;送转换 LCALL DMS1 ;低宽度 MOV A，#0FFH ;高电平 MOVX DPTR,A ;送转换 LCA

28、LL DMS2 ;高宽度 SJMP LL MOV A，#00H ;起始值 MOV DPTR,#0FEFFHMM：MOVX DPTR,A ;送转换 INC A NOP NOP NOP ;决定坡度 SJMP MM54ppt课件例3产生三角波 MOV A，#00H MOV DPTR,#0FEFFHSS1: MOVX DPTR,A ;送转换 NOP NOP NOPSS2: INC A ;等速上升 JNZ SS1SS3: DEC A MOVX DPTR，A NOP NOP NOP ;等速下降 JNZ SS3 SJMP SS2同样的编程思路，若要产生如下的梯形波也很容易：三角波梯形波55ppt课件例4 正

29、弦波电压输出可用查表法：将一个周期内电压变化的幅值(05V)按8位D/A分辨率分为256个数值列成表格，然后依次将这些数字量送到D/A转换输出。只要循环不断地送数，在输出端就能获得连续正弦波输出。 SIN： MOV R7，#00H DAS0：MOV A，R7 ； MOV DPTR，#TAB；设指针 MOVC A，A+DPTR ；取数据 MOV DPTR，#8000H MOVX DPTR，A ；送D/A转换 INC R7 ；修改偏移量 AJMP DAS0 TAB： DB 80H，83H，86H，89H，8DH，90H DB93H，96H，99H，9CH，9FH，0A2H DB 0A5H，0A8H

30、，0ABH，0AEH DB 6FH，72H，76H，79H，7CH，80H56ppt课件9.4.2 A/D转换器及其应用一、逐次逼近式A/D转换的基本原理57ppt课件二、双积分式ADC的转换原理两次积分完成转换。T固定，T1与Vin成比例。三、电压频率型转换由压控振荡器得到相应的频率，测量其频率即完成了转换。58ppt课件不同A/D转换方式的特点1、逐次逼近式转换速度较快、精度较高、价格适中。2、双积分式精度高、抗干扰性强、速度慢。3、V/F式精度高、速度慢、定标麻烦。59ppt课件四、A/D转换器的主要技术指标1、分辨率ADC的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量

31、。常用二进制的位数表示。例如12位ADC的分辨率就是12位，或者说分辨率为满刻度FS的1/212。一个10V满刻度的12位ADC能分辨输入电压变化的最小值是10V1/212=2.4mV。60ppt课件2、量化误差ADC把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量化。量化误差是ADC的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。实际上，要准确表示模拟量，ADC的位数需很大甚至无穷大。一个分辨率有限的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差。 61ppt课件3、偏移误差偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。假定ADC没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。、满刻度误差满刻度误差又称为增益误差。ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。62ppt课件5、线性度线性度有时又称为非线性度，它是指转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差。6、绝对精度在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输