第四节 微控制器的硬件系统设计

一、简单并行I/O的扩展

型号为8051单片机有32根I/O线，P0口和P2口在单片机系统扩展后已被作为地址和数据总线，P3口的一部分也被用作控制信号线。这样，作为I/O线的只有P1口和P3口的一部分，因此在实际应用中应扩展I/O口。

常用的I/O扩展芯片有8255，8243，8155等。简单并行I/O接口的扩展一般采用TTL电路或MOS电路扩展输入/输出口，如图3-8所示。74LS244是一个三态输出八缓冲器及总线驱动器，作为扩展输入口；8D锁存器74LS273作为扩展输出口。

由于单片机将扩展I/O口和外部RAM统一编址，访问扩展接口和访问外部RAM一样都是用MOVX指令，且都产生信号。图中输出控制信号由P2.0和合成，当两者同时为“0”时，或门输出“0”，将从P0口输出的数据锁存到74LS273以控制LED的亮灭。输入信号由P2.0和合成，当两者同时为“0”时，或门输出“0”，选通74LS244，将按键信息（按下为“0”，弹起为“1”）输入到总线经P0口最后到累加器A中。

可见，对于该接口电路，输入和输出都是在P2.0为“0”时有效，所以输入口和输出口的地址都是FEFFH（实际只要保证P2.0即可），由于它们分别是用信号控制，所以不会发生冲突。若要求当某键按下时，相应的LED发亮，则接口程序如下。

在扩展I/O接口时，需要注意以下两个问题：

（1）I/O地址的安排。如果扩展的接口不多，可采用线选法寻址。即用单独的地址线选择I/O口，在图3-8中是用P2.0来选择一个输入口和一个输出口，当然也可以用P2口的其他线寻址I/O口。

线选法的优点是硬件线路简单，但由于所用的片选信号线都是高位地址线，它们的权值比较大，因此地址空间没有被充分利用，芯片之间的地址出现不连续的现象。

对于RAM和I/O口容量较大的系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需采用译码寻址方法。采用地址译码器（如74LS138芯片）对高位地址线进行译码，译出的信号线作为片选线。

（2）总线负载能力的扩大。8031单片机的P0口是作为地址/数据总线用的，其负载能力为8个LS型TTL电路。当外接的接口芯片超过8片时，必须增加总线驱动器。如三态单向驱动器74LS244、三态双向驱动器74LS245等。P2口是作为地址总线用的，其负载能力为4个LS型TTL电路，它是单向的，可加接单向驱动器如74LS244等。

二、LED显示器

1.LED显示器概述

发光二极管显示器LED，也叫数码管。其“8”字形由“a、b、c、d、e、f、g、h”8个发光二极管组成，通过不同的组合可用来显示0～9，A～F及小数点“.”等字样。如图3-9所示，每个发光二极管称为一个字段。

数码管有共阳极和共阴极两种结构形式，如图3-10所示。

下面以共阴极显示块为例，说明对显示块的控制方法。

如图3-10（b）所示，共阴极的电平为U_e，每字段上所加的电平分别为U_a、U_b、…、U_h，设某字段的电平为U_i。若U_e＜U_i，该段发光；否则，该段不发光。

为获得不同的字形，显示块各段所加的电平也不同，因而编码也不一样，如表3-6所示。

由此，可以看出：①U_e可以实现对整个显示块是否发光的控制，称字位控制；②U_i可以实现对显示块中某一字段的发光控制，称字形控制。

为了显示块发光，必须提供字位输出口和字形输出口。当显示块发光时，通过每段发光二极管的电流比较大，因而字位输出口和字形输出口必须采用高压驱动电路。

2.LED显示器接口

显示电路一般分为静态显示电路和动态显示电路两类。

（1）静态显示电路。

1）通过8051的P0口的显示接口。一般可用一个8位锁存器和一个显示块组成，图3-11是以共阳极的显示块为例，需要时将数据通过P0口送出。但这种电路需用电源的容量大。

2）通过8051的P0口译码驱动的显示接口。如图3-12中，74HC247为译码驱动器，它将输入的4根数据线译为8根输出线，输出为BCD码0～9。74HC247的驱动能力很强，每根输出线的灌电流可达20mA，可以驱动共阳极显示块。

（2）动态显示电路。动态显示电路利用CPU控制电路来控制显示块的导通和截止。显示电路由显示块、字形锁存驱动器及字位锁存驱动器3部分组成。如图3-13所示。

动态显示电路的工作过程是：将字形代码送入字形锁存，这时所有的显示块都有可能显示同样的字符，然后将需要显示的位置送入字位锁存器锁存，以选择显示块。为防止闪烁，显示的时间在1～2ms。

通过P0口和P1口的显示接口电路如图3-14所示。

其程序为：

三、D/A转换器及其接口电路

在过程控制和智能仪器仪表中，通常会遇到数字量与模拟量的转换问题。将数字量转换成模拟量的过程称为数字—模拟转换（D/A转换），使用的转换器件称为D/A转换器。下面简要介绍10位数/模转换器——AD7520。

AD7520是一个内部不带锁存器的单片的10位乘法式CMOS数/模转换器，其功能图如图3-15所示。主要技术参数为：分辨率为10位，电流稳定时间为500ns，非线性低于±0.05%V_ref，参考电压为±15V，电源电压+5～+15V。

AD7520与8051的接口，如图3-16所示。

为了不在输出时产生假信号，电路中增加了两个锁存器，一个8位的和一个2位的。实际上这里采用了两级数据缓冲结构。若数据存放在RAM 20H（高8位）和21H（低2位为数据，其他位为0），则AD7520的写入程序为：

四、A/D转换器及其接口电路

在微机系统中，将模拟量转换成数字量的过程称为模拟—数字转换（A/D转换），使用的转换器件称为A/D转换器。下面简要介绍8位模／数转换器——ADC0809。

ADC0809是采用COMS工艺制成的8位8通道模／数转换器，采用28脚DIP封装，其结构原理框图和引脚信号图分别如图3-17和图3-18所示。

芯片包含一个8路模拟开关、模拟开关的地址锁存和译码电路、比较器、256R电阻网络、电子开关逐位比较寄存器SAR、三态输出锁存缓冲器以及控制与定时电路等。

数字部分引脚信号如下。

ADD A、ADD B、ADD C：模拟通道的地址选择线，输入。

ALE：地址锁存允许信号，输入。上升沿有效，此时锁存地址选择线的状态，从而选用相应的模拟通道，以便进行A/D转换。

2^-8，2^-7，…，2^-1数字输出线，输出。2^-8为最低位（LSB），2^-1为最高位（MSB）。

START：启动信号，输入，高电平有效。为了启动转换，在此端上加一正脉冲信号。脉冲的上升沿将内部寄存器全部清零，在其下降沿开始转换。

EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。在START信号的上升沿之后0～8个时钟周期内，EOC变为低电平。当转换结束时，EOC变为高电平，这时转换得到的数据可供读出。

OE：输出允许信号，输入，高电平有效。当OE有效时，A/D的输出锁存缓冲器开放，将其数据送到数据线上。

CLK：时钟，输入。

ADC0809模/数转换器的主要性能指标：①分辨率为8位；②非调整误差为±1LSB；③具有锁存功能的8路模拟开关，对8路模拟电压分别进行转换；④输出与TTL兼容；⑤可用单一电源供电，此时模拟电压输入范围为0～5V，无需调零和满刻度调整；⑥三态锁存输出；⑦低功耗，仅为15mW。

ADC0809与8051的接口电路如图3-19所示。

P0口直接与ADC0809的数据线相接，P0口是低三位通过锁存器74HC174连到ADD A、ADD B、ADD C，锁存器的锁存信号是8051的ALE信号经反相后得到的。8051的ALE直接连到ADC0809的ALE上。P2.7口作为读写端口的选通地址。

ADC0809的8个通道所占用的片外RAM的地址为7FF8H～7FFFH。

数据采集方法有：中断法、延时等待法等。

中断法：

延时等待法：