单片微机应用系统输入输出接口扩展技术

第3章单片微机应用系统输入/输出扩展技术⒈单片微机为什么需要I/O接口电路①外部设备的工作速度快慢差异很大。②外部设备种类繁多，既有机械式的，又有机电式的，还有电子式的。不同外部设备之间性能各异，对数据传送的要求也各不相同的。③外部设备的数据信号是多种多样的。④外设的数据传送有近距离的，也有远距离的。必须在单片微机和外设之间有一个接口电路，通过接口电路对单片微机与外设之间的数据传送进行协调。3.1概述接口电路主要功能：①速度协调由于速度上的差异，使得数据的I/O传送只能以异步方式进行，要知道外设是否准备好，就需要通过接口电路产生或传送外设的状态。②数据锁存在接口电路中需设置锁存器，以保存输出数据直至为输出设备所接收。③三态缓冲只允许当前时刻正在进行数据传送的数据源使用数据总线，其它数据源都必须与数据总线处于隔离状态。④数据转换包括：模/数转换、数/模转换、串/并转换和并/串转换。⒉接口与端口接口特指计算机与外设之间在数据传送方面的联系。其功能主要是通过电路实现的，称之为接口电路。一个接口电路中可能包括有多个口，例如数据口、状态口和命令口等，一个接口电路就对应着多个口地址。★端口地址特定，注释也特定。⒊数据隔离技术计算机的I/O操作中，输入输出的数据都要通过系统的数据总线进行传送，为了正确地进行数据的传送，就必须解决数据总线的隔离问题。使数据在设备需要的时候与数据总线接通，而在不需要的时候又能同数据总线隔开，这就是总隔离问题。对于输出设备的接口电路，要提供锁存器，当允许接收输出数据时闩锁打开，否则关闭。对于输入设备的接口电路，要使用三态缓冲电路或集成电路。(1)三态缓冲电路三态缓冲电路就是具有三态输出的门电路。三态，就是指低电平状态、高电平状态和高阻抗三种状态。当三态缓冲器的输出为高或低电平时，就是对数据总线的驱动状态；当三态缓冲器的输出为高阻抗时，就是对总线的隔离状态。在隔离状态下，缓冲器对数据总线不产生影响，犹如缓冲器与总线隔开一般。在电路中，由“三态控制”信号控制缓冲器的输出是驱动状态还是高阻抗状态。(2)集电极开路门把集电极回路中的电阻去除，让集电极开路，就得到了集电极开路门电路。集电极开路器件的输出是低电平起作用，如果其中一个为低电平，则总的输出即为低电平。只有当所有连在一起的集电极开路器件的输出端均为高电平时，总的输出才是高电平时。对于这种逻辑关系有时也称之为“线或”。4.I/O编址技术有两种需要编址的部件：存储器，接口电路。接口电路则是对其中的端口进行编址，对端口编址是为I/O操作而进行的，也称为I/O编址。常用的I/O编址共有两种方式：⑴独立编址方式I/O地址空间和存储器地址空间相互独立，但需要专门设置一套I/O指令(如IN或OUT指令)和控制信号。(2)统一编址方式把系统中的I/O和存储器统一编址，把接口中的寄存器（端口）与存储器中的存储单元同等对待，存储器映像编址。5.I/O数据传送的控制方式无条件传送方式、查询方式、中断方式和直接存储器存取（DMA）方式4种。在单片微机中主要使用前三种方式。(1)无条件传送方式同步程序传送。①具有常驻的或变化缓慢的数据信号的外部设备。例如：机械开关、指示灯、发光二极管、数码管等。②工作速度非常快，足以和CPU同步工作的外部设备。例如并行DAC，速度很快，单片微机可以随时向其传送数据，进行数/模转换。(2)程序查询方式有条件传送方式，把以程序方法对外设状态的检测称之为“查询”。为了实现查询方式的数据输入输出传送，需要由接口电路提供外设状态，并以软件方法进行状态测试。(3)程序中断方式中断方式是单片微机中断请求的被动形式。当外设为数据传送作好准备之后，就向单片微机发出中断请求。3.280C51单片微机的输入/输出端口及应用3.2.180C51片内输入/输出端口及应用80C51的4个8位双向口，都具有数据I/O操作功能，可进行简单的I/O应用。⒈有关I/O口的指令80C51采用统一编址方式。4个I/O口(P0、P1、P2和P3)均属于内部的特殊功能寄存器SFR，地址分别为80H、90H、A0H和B0H，适用于SFR的指令都可用作输入/输出指令。⑴I/O口的数据传送指令从口输出数据的指令有：MOVPx，AMOVPx，RnMOVPx，@RiMOVPx，direct从口输入数据的指令有：MOVA，PxMOVRn，PxMOV@Ri，PxMOVdirect，Px⑵I/O口的位操作指令80C51单片微机的I/O口都具有位寻址功能。位传送指令MOVPx.y，C位清0指令CLRPx.y位置1指令SETBPx.y位取反指令CPLPx.y位为1转移指令JBPx.y，rel位为0转移指令JNBPx.y，rel位为1转移清0指令JBCPx.y，rel可用于对口的位线进行操作。x为0，1，2，3，表示P0～P3口；y为0～7，表示PX口的某一位。⑶I/O口其它操作指令逻辑与指令ANLPx，A逻辑或指令ORLPx，A逻辑异与指令XRLPx，A加1指令INCPx减1指令DECPx减1条件转移指令DJNZPx，rel数值比较转移指令CJNEA，Px，rel3.2.280C51单片微机简单I/O的扩展⒈简单输出口的扩展主要功能是进行数据保持(锁存)，一般应用锁存器芯片实现。74LS377：具有“使能”控制端的8D锁存器。一个时钟输入端CK，一个锁存允许信号，当G=0时，CK的上跳变将把8位D输入端的数据打入8位锁存器，Q输出端将保持D端输入的数据。接口见图3–1。74LS377的口地址为7FFFH。例：将一个数据字节从74LS377输出MOVDPTR，#7FFFH；地址指针指向74LS377MOVA，#0CFH；将输出数据送AMOVX@DPTR，A；输出数据⒉简单输入口的扩展对于常态数据的输入，只需采用8位三态门控制电路芯片即可。图3-2是用74LS244通过P0口扩展的8位并行输入口。图中三态门由P2.6和RD相或控制，其端口地址为BFFFH。例：数据输入MOVDPTR，#0BFFFH；指向74LS244口地址MOVXA，@DPTR；输入数据送累加器A包含有256个字节RAM，2个8位、1个6位的可编程并行I／O口和1个14位定时器／计数器。可直接与80C51连接，不需要增加任何硬件逻辑。8155／8156的引脚及内部结构如图3-7所示。3.4并行可编程I/O接口8155/8156扩展及应用3.4.18155／8156内部结构与引脚功能1.引脚说明AD7～AD0：地址数据线。单片微机和8155之间的地址、数据、命令、状态信息都是通过它传送。CE：片选信号线(对于8156，用CE表示，高电平有效)。RD：存储器(I/O)读信号线。WR：存储器(I/O)写信号线。ALE：地址及片选信号锁存信号线，其后沿将地址及片选信号锁存到器件中，IO／M：I／O接口与存储器选择信号线。IO/M=1，选择I／O接口IO/M=0，选择存储器PA7～PA0：A口输入／输出线。PB7～PB0：B口口输入／输出线。PC5～PC0：C口输入／输出或控制信号线TIMERIN：定时器／计数器输入端。TIMEOUT：定时器／计数器输出端RESET：复位信号线。Vcc：+5V电源。Vss：地。8155内部结构如图3-7(b)所示。各部件和存储器地址的选择由IO／M信号决定。当IO／M=0时，表示AD7～AD0输入的是存储器地址，寻址范围为00H～FFH。当IO／M=1时，表示AD7-AD0输入的是I／O接口地址，其编码如表3-4所示。其中A7～A3，可经译码器进行译码，产生片选信号CE，内部寄存器和口地址由A2～A0给出。有一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由单片微机写入控制命令寄存器中的控制字来确定。工作方式控制字的格式如图3-8所示。8155的A口、B口可工作于基本I／O方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口选通方式工作时的状态控制信号线。3.4.28155的工作方式和控制80C51和8155的接口方法如图3-11所示。80C51P0口输出的低8位地址直接与8155的AD0～AD7相连，地址锁存直接用ALE在8155锁存。3.4.38155和80C51单片微机的接口及应用8155的CE接P2.7，IO／M端与P2．0相连。当P2．7为低电平时，P2．0＝1，访问8155的I／O口；P2．0=0，访问8155的RAM单元。图3-11中8155的地址编码如下：RAM字节地址：7E00H～7EFFHI／O口地址：命令／状态口：7FF8HPA口：7FF9HPB口：7FFAHPC口：7FFBH定时器低8位：7FFCH定时器高8位：7FFDH例：A口定义为基本输入方式，B口定义为基本输出方式。START:MOVDPTR，#7FF8H;指向命令／状态口MOVA，#0C2H;设定命令控制字MOVX@DPTR，A；A口为基本输入方式，B口为；基本输出方式，开启定时器。MOVDPTR，#7FFAH;指向PB口MOVA，#0C2HMOVX@DPTR，A；PB口输出11000010B例：读8155RAM中F1H单元内容。MOVDPTR，#7EF1H;指向8155的F1H单元MOVXA，@DPTR;8155F1H单元内容送A例：将立即数41H写入8155RAM的20H单元。MOVA，#41H;立即数送AMOVDPTR，#7E20H;指向8155的20H单元MOVX@DPTR，A;立即数送到8155RAM的20H单元3.6应用虚拟I2C总线扩展输入/输出接口(PCF8574)PCF8574是一种单片CMOS电路，具有I2C总线接口和8位准双向口。PCF8574与PCF8574A的差别仅在于器件的从地址不同。PCF8574具有低的电流损耗，静态电流为10μA；能输出大的电流，并有锁存功能，可直接驱动LED发光管；还有中断逻辑线。3个硬件地址引脚使I2C总线系统可挂接8片PCF8574。PCF8574和PCF8574A一起使用，可以接16个器件。3.6.1PCF8574结构框图与外部引脚功能.PCF8574/PCF8574A结构框图如图3－15所示。图3-16给出了PCF8574/PCF8574A的引脚图。●SDA：串行数据线。●SCL：串行时钟线。●P7～P0：8位准双向输入／输出口。准双向口的每一位可作输入或输出。上电复位时，口的每一位均为高电平。某位在作输入前，应置为高电平。●A2～A0：地址输入线。●INT：中断输出线。3.6.2PCF8574的寻址方式及操作⒈PCF8574/PCF8574A的地址PCF8574的从地址为:D7D6D5D4D3D2D1D00100A2A1A0R/WPCF8574A的从地址为:D7D6D5D4D3D2D1D00111A2A1A0R/W⒉读操作(输入)将PCF8574口的数据传给控制器（主器件）。对PCF8574读操作的时序见图3－17。3.写操作(输出)控制器（主器件）将数据传给PCF8574口。对PCF8574写操作的时序见图3－18。3.6.3PCF8574应用和编程1.应用PCF8574扩展8位输入口如图3－19所示。将开关的状态读入片内RAM30H单元中。RDS：ACALLSTA；开始MOVA，＃41H；PCF8574为读方式ACALLWRBYTACALLCACK；检查ACK信号JBF0，RDS；出错，重读ACALLRDBYT；读数据MOV30H，A…2.应用PCF8574扩展8位输出口电路如图3－20所示。WRS：ACALLSTA；开始MOVA，＃40H；PCF8574为写方式ACALLWRBYTACALLCACK；检查ACK信号JBF0，WRS；出错，重写MOVA，＃XXH；指示灯的亮熄取决于不同的立即数ACALLWRBYTACALLCACK；检查ACK信号JBF0，WRS；出错，重写3.应用PCF8574扩展4位输入口和4位输出口如图3－21所示。START：ACALLSTA；开始MOVA，＃41H；PCF8574为读方式ACALLWRBYTACALLCACK；