数字信号输入输出接口电路

第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用7.1开关信号输入/输出方式开关信号包括脉冲信号、电平信号。在单片机控制系统中，常采用如下几种方式现实开关信号的输入和输出。第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用1.直接解码输入/输出方式在这种方式中，直接利用CPUI/O引脚输入/输出开关信号，如图7-1(a)所示。2.编码输入/输出方式在这种方式中，将若干条用途相同（均为输入或输出）的I/O引脚组合在一起，按二进制编码后输入或输出。例如，对于n条输出引脚，经过译码后，可以控制2n个设备；对于2n个不同时有效的输入量，经过编码器与CPU连接时，也只需要n个引脚，如图7-1(b)所示。3.矩阵输入/输出方式将CPUI/O引脚分成两组，用N条引脚构成行线，M条引脚构成列线，行、列的交叉点就构成了所需的N×M个检测点。显然，所需的I/O引脚数目为N+M,而检测点总数达到了N×M个，如图7-1（C）所示。可见，I/O引脚的利用率较高，硬件开销少，因此得到了广泛应用。在矩阵编码方式中，如果行线、列线均定义为输出状态，就可以输出N×M个开关量；当行、列线中有一组为输出线，另一组为输入线时就构成了N×M个输入检测点，如矩阵键盘电路。7.2I/O资源及扩展通过单片机实现数字信号的输入处理和输出控制时，必须了解以下问题：(1)准确理解CPU中各引脚的功能，确定可利用的I/O资源，并做出相对合理的使用规划。(2)作输出控制信号时，必须了解CPU复位期间和复位后该引脚的状态。MCS-51系列CPU在复位期间和复位后各I/O端口的状态可参阅第2章有关内容。(3)了解I/O端口输出级电路结构和I/O端口的负载能力。只有了解了CPUI/O端口输出级电路结构和负载能力，才可能设计出原理正确、工作可靠的I/O接口电路。(4)了解I/O端口输出电平范围。(5)了解I/O端口耐压。第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用7.2.1通过锁存器、触发器扩展I/O口当仅需要扩展少量的I/O引脚时，可使用锁存器、触发器或三态门电路实现。第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用1.输出口MCS-51写外部RAM时，用作写选通信号。在时序上，数据输出有效到有效时间TQVWX最小值为零，而无效到数据输出无效（即数据保持）时间TWHQX也不超过1个机器周期。而利用触发器扩展输出口时，触发器送数时钟信号由外部RAM写选通信号和高位地址译码信号经过“与门”或“或非门”产生，这样送数时钟信号就存在一定的延迟，因而只能利用的前沿将数据锁存到触发器中，常使用74LS273（八上升沿触发器，带公共清零端）、74LS174（六上升沿触发器）、74LS374（八上升沿触发器，三态输出）、74LS377（八上升沿触发器，带使能端）来扩展MCS-51的输出口，如图7-2所示。WRWRWRWRWR图7-2使用74LS273扩展输出口2.输入口对输入口来说，一般无须锁存，原则上三态门电路、具有三态输出的总线缓冲器、驱动器、D型触发器（如74LS374）以及电平触发的锁存器（如74LS373）等均可以作为输入口扩展芯片，如图7-3所示。A15A14A13A1B2C3G2A4G2B5G16Y77Y69Y510Y411Y312Y213Y114Y015U474LS138A11A122.2KVCCOE1LE111D31Q22D42Q53D73Q64D84Q95D135Q126D146Q157D177Q168D188Q19U174LS373D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7CPU[D7～D0]CPU[D7～D0]RD1G11A21Y34Y114A124G132G42A52Y63Y83A93G10U374LS125D0D1D2D3数据输入数据输入数据输入STBOC1CLK111D31Q22D42Q53D73Q64D84Q95D135Q126D146Q157D177Q168D188Q19U?74LS374图7-4是一个实用的输入/输出口扩展电路，其中74LS273构成8位输出口，74LS373构成8位输入口。图7-4扩展输入/输出口第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用7.2.2利用串入并出及并入串出芯片扩展I/O口在速度要求不高情况下，可利用74LS164、74HC594、74HC595等“串入并出”芯片扩展输出口；利用74LS165、74HC597等“并入串出”芯片扩展输入口，也是一种简单、实用的I/O口扩展方式。当串行口未用时，可通过串行口方式0完成串行数据的输入或输出（可参阅第4章）；而当串行口已做它用时，可根据串行芯片的操作时序，使用I/O引脚完成数据的输入/输出，例如在图7-5中使用89C5X芯片三根I/O线，借助两片74HC595即可获得16根输出线。QB1QC2QD3QE4QF5QG6QH7QA15SDO9SCLR10SRCLK11RCLK12OE13SDI14U274HC595P1.0P1.1P1.2QB1QC2QD3QE4QF5QG6QH7QA15SDO9SCLR10SRCLK11RCLK12OE13SDI14U374HC595串行数据输出移位脉冲8XC5XU1VCCED0ED1ED2ED3ED4ED5ED6ED7ED8ED9ED10ED11ED12ED13ED14ED1598U4D56U4C34U4B12U4ACD40106图7-5通过“串入并出”芯片扩展输出引脚第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用7.2.3用8255可编程I/O芯片扩展MCS-51并行I/O口Intel公司8255芯片是一块通用的可编程并行接口（PPI）芯片，除地址线A1、A0外，可直接与Intel公司8位微处理器，如MCS-51芯片相应总线直接相连，是MCS-51单片机应用系统中较常见的并行I/O扩展芯片之一。1.8255的结构及引脚功8255采用DIP40、LCC44或QFP44封装形式，引脚功能及排列如图7-6所示。第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用2.8255工作方式8255属于可编程的I/O扩展芯片，其工作方式由写入工作方式控制寄存器的工作方式控制字决定，如表7-2所示。1b6b5b4b3b2b1b0工作方式控制字特征A口工作方式控制00（方式0）01（方式1）1x（方式2）A口输入/输出控制0（输出）1（输入）C口高4位输入/输出控制0（输出）1（输入）B口工作方式控制0（方式0）1（方式1）B口输入/输出控制0（输出）1（输入）C口低4位输入/输出控制：0（输出）1（输入）与A口工作方式有关的控制位A组(PC7～PC4)输入/输出控制与B口工作方式有关的控制位B组(PC3～PC0)输入/输出控制表7-28255工作方式控制字各含义第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用8255I/O口有三种工作方式：方式0，基本输入/输出方式。特点是对输出信号锁存功能；对输入信号没有锁存功能。方式1，选通输入/输出方式。特点是使用C口部分引脚作为A、B通信联络信号，对输入、输出数据均具有锁存功能。方式2，双向传输方式。只有A口可以工作于方式2，使用C口部分引脚作为双向传输联络信号，对输入、输出数据均具有锁存功能。第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用可见8255三个I/O口的地位不完全相同，其中A口有三种工作方式，B口有两种工作方式；而C口较特殊，被分成A(PC7～PC4)、B(PC3～PC0)两组，只有当A、B口工作在方式0时，C口才可作为输入/输出引脚使用（PC7～PC4、PC3～PC0处于输入还是输出状态，分别由工作方式控制字的b3、b0位决定），而当A、B口工作在方式1或2时，C口部分引脚作为A、B口通信联络信号（这时未用的C口引脚仍可作为输入/输出引脚使用，由控制寄存器的b3、b0位选择），具体情况如表7-3所示。第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用OBFSTBSTBACKACKOBFOBFSTBACKC口引脚方式1（A或B口）方式2（A口）输入输出输入输出PC0INTRBINTRBPC1IBFBPC2PC3PC4PC5PC6PC7STBACKBBOBFBINTRAINTRAINTRAINTRAIBFAIBFASTBACKOBFOBFAAAAAA表7-3A、B口工作在方式1/2下C口引脚的含义第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用(a)A口工作在选通输入方式下信号连接方式及时序(b)A口工作在选通输出方式下信号连接方式及时序第7章数字信号输入输出接口电路PAN2020/4/3单片机原理与应用3.8255芯片与MCS-51接口应用举例MCS-51CPU与8255接口芯片按如下方式连接：8255芯片数据总线与CPU数据总线直接相连。读控制信号（）、写控制信号（）分别与CPU读写控制信号相连。8255芯片地址线A1、A0可直接与CPU高8位地址，如A9（即P2.1引脚）、A8（即P2.0引脚）相连；当然如果已使用了D型锁存器（如74LS373）锁存了MCS-51芯片P0口低8位地址信号A7～A0，则8255芯片地址线A1、A0也可以与CPU地址线A1、A0相连。片选信号可直接与CPU高位地址线相连（即采用线选法，如图7-8所示）或由高位地址译码后产生，如例7.1所示。RDWRCSA8A9A10A11A12A13A14A15RDWRD0D1D2D3D4D5D6D7输出口RESRES2.0KVCCD034D133D232D331D430D529D628D727PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA737PB018PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710RD5WR36A09A18RESET35CS6R?8255EA/Vpp31X119X218RESET9RD/P3.717WR/P3.616INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/P30P3.1/TXD11P3.0/RXD10U18XC5X图7-8MCS-51与8255芯片的连接D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U274LS373A8A9A10A11A12A13A14A15RDWRD0D1D2D3D4D5D6D7A15A14A13A11A12SW7SW8SW3SW9SW4SW5SW6SW1SW2SW0SWASWFSWCSWDSWESWBESCUPEnterDOWN9.1K×4VCC接8255的B口由B口依次输出只有一个为低电平的扫描码接8255的C口（PC0～PC3输入）没有按键被按下为高电平PB0PC0PC1PC2PC3VCCA0A1RDWRPC0PC1PC2PC3PB0PB1PB2PB3PC0～PC3引脚输入输出口PB4PC4～PC7输出输出RES8255B芯片地址：A口：8800HB口：8801HC口：8802H控制口：8803HPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7D/IR/WCS1CS2CS3ERES12U5A74LS04D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3A4A5A6A7RESDB0DB1D