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1、测控系统原理与设计测控系统原理与设计江辉第三章第三章 主机及其接口主机及其接口第一节第一节 主机电路主机电路由PC机组成的测控系统充分利用PC机 的显示、数据存储与处理、打印、网络通信 能力，使测控系统的性能和灵活性得到大大 提高。由于PC机与外部测控接口电路的数 据交换是通过PC机的各种总线进行，故主 机电路通常分：内插式外接式混合式一、基于一、基于PCPC机的主机电路机的主机电路由PC机组成的测控系统充分利用PC 机的显示、数据存储与处理、打印、网络 通信能力，使测控系统的性能和灵活性得 到大大提高。由于PC机与外部测控接口电 路的数据交换是通过PC机的各种总线进行 ，故主机电路通常分：
2、内插式 外接式 混合式1 1、内插式、内插式内插式接口电路一般使用的是PC机的PCI 总线、ISA总线、VESA总线、AGP总线。特点：构成简单，结构紧凑，成本低；但 由于PC机扩展槽数量有限，因而灵活性差 。显示器打印机键盘测量 电路鼠标控制 电路PC主机系统扩展槽2 2、外接式、外接式输入和输出接口电路通过外部总线（如： RS232C、IEEE488、USB、IEEE1394等） 与PC机传递数据。这种方式构成的测控系统 灵活方便。显示器打印机键盘测量 电路鼠标控制 电路PC主机系统外接电箱3 3、混合式、混合式混合式是 内插式与 外接式的 结合，这 种方式灵 活方便、 适用范围 广，可组
3、 成复杂的 测控系统 。显示器打印机键盘测量 电路鼠标控制 电路PC主机系统扩展槽外接电箱二、基于单片机的主机电路二、基于单片机的主机电路单片机的主机电路主要是指：存储器扩展电路外接I/O接口（即I/O口扩展）电路微型计算机的控制核心是微处理器MPU（Microprosessor Unit）， 实际上，人们并不严格区分CPU和MPU的叫法，往往统称为CPU。通常 MPU、内存和I/O接口是做在一块印刷电路板上的（也有做在几块印刷 电路板上的，如STD总线控制机），MPU一般是通过I/O接口与外部设 备联系，输入/输出操作往往是在CPU直接控制下完成的，如图1-2所示 。 微型计算机的组成单片微
4、型计算机的核心是微处理器MPU，与一般微型计算机所不同的是它 将微处理器、内存、I/O接口、中断逻辑、定时器/计数器等集成到一个集成电 路芯片上，有的单片机还集成了A/D、D/A转换器等电路，如图1-3所示。这种 结构特别适用于测控领域，因此，也称其为微控制器（Microcontroller），简写 为MCU，但国内大多数人习惯上都叫单片机.单片微型计算机的组成单 片 机单 片 机 系 统作为单片机的一个典型系列，MCS-51是Intel公司1980年推出的8位单 片机，长期以来一直是单片机的主流机型，国内应用十分普遍。除MPU以外， 其内部集成了4个8位双向并行接口，1个全双工串行接口，23
5、个16位定时器/ 计数器，1个两级5个中断源的中断逻辑，128256字节的数据RAM，一定容量 的程序ROM（个别机型无片内程序ROM）。其组成框图如图所示。 MCS-51系列单片机的组成MCS-51系列单片机组成原理 MCS-51系列单片机内部结构Intel公司推出的MCS-51系列单片机采用模块式结构，其基本型为8051，这 一系列各种加强型单片机都是以8051为内核，增加一定的新功能后组成的，所以 它们与8051完全兼容。8051是MCS-51系列单片机中较早的典型产品，它包括三 种形式的芯片：8031、8051、8751。这三种形式的区别在于8031无片内ROM、 8051有片内掩膜R
6、OM、8751有片内EPROM。 1微处理器CPU由运算器和控制器组成。运算器（即算术逻辑单元ALU ）负责执行所有的算术逻辑运算，控制器负责对指令代码进行译 码，产生各种控制信号，从而完成指令操作。 2输入/输出接口8051内部共有4个双向8位并行I/O接口P0P3，1个全双工串 行接口（借用并口P3引脚）。通常P0口为数据/地址低8位分时复 用，P1口为通用I/O接口，P2口为地址高8位，P3口为双功能接口 ，这4个并行口都具有内部锁存器。串行接口内带有缓冲器。 3片内存储器8051片内有128字节的静态随机存取存储器SDAM作为片内数 据存储器使用，字节地址为00H7FH。还有21个特殊
7、功能寄存 器（SFR），用于各种编程控制，字节地址为80HFFH（占用其 中21个地址）。 4定时器/计数器8051单片机片内具有两个16位加法计数器，分别为T0和 T1。用于各种定时和对外部事件计数。5中断系统8051单片机内的中断逻辑具有5个中断源，两个优先级。 每个中断源都被设置了固定的入口地址，响应中断时能自动 转到对应中断源的入口地址执行程序，使编程得到简化。6其他电路8051单片机内部含有振荡电路，只需外接适当频率的晶 体振荡器作为振荡源，振荡信号经内部电路整形作为单片机 的主频信号。当然，也可用外部脉冲信号作为主频信号。 2.3 MCS-51系列单片机引脚功能 MCS-51系列单
8、片机 大多数采用40引脚双列直 插式（DIP）封装形式 ， 采用 CHMOS 工艺制造的 80C51/80C31还有44引脚 的方形封装形式。 MCS-51引脚配置 MCS-51逻辑框图 I/O引脚和I/O端口 P0.7P0.0：P0口是一个漏极开路型准双向I/O口。在访问外部 存储器时，它是数据总线和地址总线低8位分时复用的接口；在 EPROM编程时，它接收指令字节；在验证程序时，输出指令字 节，并要求外接上拉电阻。P1.7P1.0：P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口，它是通用 I/O端口。在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。P2.7P2.0：P2口是带内部上拉电阻的8位双
9、向I/O口。在访问外 部存储器时，它输出高8位地址；在对EPROM编程和程序验证时 ，它接收高8位地址。P3.7P3.0：P3口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口，它是双功 能I/O端口。除基本输入/输出功能外，每个引脚还有专用功能， 其专用引脚功能见书上表2-2所示。 复位引脚RST/VPD（1）复位功能RST：单片机的复位是靠外部 电路实现的。在振荡信号正常运行情况下，只 要RST引脚保持两个机器周期以上时间的高电 平，系统就能复位。（2）备用电源功能VPD：当Vcc掉电时，在 Vcc下降到操作系统允许极限之前，RST/ VPD 引脚接上备用电源，向内部RAM供电，这时系 统处于一种低功耗
10、方式。 时钟引脚：XTAL1和XTAL2是MCS-51系列单片 机的时钟引脚。主电源引脚1Vcc：+5V工作电压。正常工作时Vcc引脚接+5V电 源电压。2Vss：接地端。正常工作时Vss引脚接地。ALE： 地址锁存允许控制信号PSEN：片外程序存储器读控制信号RD：片外数据存储器读控制信号WR：片外数据存储器写控制信号EA：程序存储器选择 80518051单片机系统扩展单片机系统扩展本节介绍8051单片机系统扩展技术，主 要介绍一下2点：1、存储器的扩展2、 I/O接口扩展电路设计 扩展使用的三总线扩展使用的三总线地址总线：P0低8位P2高8位数据总线：P0控制总线：RD、WR、 ALE、
11、PSEN( 读、 写、 地址锁存允许、 外部ROM读选通）MCS51单片机的P0口，是一个地址/数据分时复用口。即在某些时钟周期时， P0口传送低八位地址，这时ALE为高电平有效 ； 而在其它时钟周期时传送数据 ， 这时ALE为无效的低电平。利用P0口输出低八位地址和ALE同时有效的条件， 即可用锁存器（74LS373）把低八位地址锁存下来。所以系统的低八位地址是从 锁存器输出端送出的. 而P0口本身则又可直接传送数据。高八位地址总线则是直 接由P2口组成的。CPU的每一条控制信号引脚的组合，即构成了控制总线。8位地址锁存器 74LS373、8282一.扩展程序存储器电路：8031扩展 2KB
12、 EPROM Intel 2716 常用EPROM芯片：Intel 2716(2K8位)、2732(4KB)、2764(8KB)、 27128(16KB)、27256(32KB)、27512(64KB)。INTEL公司62系列MOS型静态随机存储器 产品有：6264，62128，62256，62512 等程序存储器的扩展程序存储器的扩展在8051单片机外部扩展8K字节程序存储器2764的连接图数据存储器扩展数据存储器扩展在8051单片机外部扩展一片8K字节数据存储器6264的连接图系统扩展选址方法 1、线选法： 利用单片机的一根空闲高位地址线(通常采用P2的 某根口线)选中一个外部扩展I/O端
13、口芯片，若要 选中某个芯片工作，将对应芯片的片选信号端设 为低电平，其它未被选中芯片的片选信号端设为 高电平，从而保证只选中指定的芯片工作。 优点：不需要地址译码器，可以节省器件，减小 体积，降低成本 缺点：可寻址的器件数目受到很大限制，而且地址空间不连续，这些都会给系统设计带来 不便。线选法进行外部扩展举例6264的地址范围： 高8位地址变化范围 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.01 1 0 低8位地址变化范围：P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 由此可得6264的地址范围为：C000HDFFFH。825
14、5的地址范围： 高8位地址变化范围 ：P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.01 0 1 1 1 1 1 1 低8位地址变化范围：P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.01 1 1 1 1 1 由此可得8255的地址范围为：BFFCHBFFFH。0832的地址： 高8位地址变变化范围围： P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.00 1 1 1 1 1 1 1 低8位地址变化范围： P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.01 1 1 1 1 1
15、1 1 由此可得0832的地址为为：7FFFH。2、地址译码法对于容量较大的存储器或I/O端口较多的单 片机应用系统进行外部扩展，当芯片所需要 的片选信号多于可利用的高位地址线时，就 需要采用地址译码法。地址译码法必须采用 地址译码器，常用的地址译码器有3-8译码器 74LS138、双2-4译码器74LS139等。扩 展 器 件片内字节地址数地址编码 62648K0000H1FFFH 825543FFCH3FFFH 083217FFFH 825549FFCH9FFFH地址译码进行外部扩展举例地址（AD7AD0） A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0寄 存 器X X X X X 0 0 0 X X X X X 0 0 1 X X X X X 0 1 0 X X X X X 0
