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1、1,第9章 8051单片机系统扩展与接口技术,2,单片机应用系统必然包含合适的外围器件。外围器件与单片机的接口是单片机应用系统至关重要的环节。 本章主要讲述8051单片机与常见的程序存储器、数据存储器、数字I/O通道的接口技术，模拟输入输出通道和单片机的接口技术。,3,本章内容,9.1 8051程序存储器的扩展 9.2 8051数据存储器扩展 9.3 8051的I/O接口扩展 9.4 键盘与显示器接口 9.5 8051单片机和A/D及D/A的接口 9.6 单总线1-Wire接口的温度传感器DS18B20及其应用,4,9.1 8051程序存储器的扩展,存储器分类： 只读存储器(ROM)：ROM中
2、的信息一旦写入之后，就不能随意更改，特别是不能在程序运行的过程中写入新的内容，故称之为只读存储器。ROM又分为：掩膜ROM、可编程ROM、EPROM、E2PROM、Flash ROM等。 随机存储器(RAM)：RAM在程序运行过程中可根据需要随时更改其中的内容，断电后不能保存数据。 E2PROM(EEPROM): 是一种用电信号编程、电信号擦除的ROM芯片，写入的速度比较慢，但断电后能够保存信息。,5,Flash ROM: 又称闪烁存储器，是非易失性、电擦除型存储器。其特点是可快速在线修改其存储单元中的数据，标准改写次数可达1万次。与E2PROM相比，Flash ROM的读写速度都很快。由于其
3、性能比E2PROM要好，所以目前大有取代E2PROM的趋势。 MCS-51系列单片机具有64KB的程序存储器空间， 其中8051、 8751型单片机含有4 KB 的片内程序存储器, 而8031型单片机则无片内程序存储器。 当采用8051、 8751型单片机而程序超过4KB, 或采用8031型单片机时, 就需要进行程序存储器的扩展。,6,9.1.1 8051外部程序存储器的操作时序,图9-1是与访问外部程序存储器有关的时序图。其中a)是没有访问外部数据存储器，即没有执行MOVX类指令情况下的时序；b)是访问外部数据存储器操作时的时序。CPU由外部程序存储器取指时，16位地址的低8位PCL由P0输
4、出，高8位PCH由P2输出，而指令由P0输入。,7,8,9,在不执行MOVX指令时，P2口专用于输出PCH，P2有输出锁存功能，可直接接至外部存储器的地址端，无需再加锁存。P0口则作分时复用的双向总线，输出PCL，输入指令。在这种情况下，每一个机器周期中，允许地址锁存信号ALE两次有效，在ALE由高变低时，有效地址PCL出现在P0总线上，低8位地址锁存器应在此时把地址锁存起来。同时也是每个机器周期两次有效，用于选通外部程序存储器，使指令送到P0总线上，由CPU取入。,10,当系统中接有外部数据存储器，执行MOVX指令时，时序有些变化，见图b) 若执行的是MOVX DPTR指令，则此地址就是DP
5、L值(数据指针的低8位)，同时，在P2口出现有效的DPH值(数据指针的高8位)； 若执行的是MOVX Ri指令，则此地址就是Ri的内容，同时在P2口线上出现的将是专用寄存器P2(即口内锁存器)的内容。,11,9.1.2 并行EEPROM及其扩展,AT28C64B是ATMEL公司生产的高速并行EEPROM，存储容量8k8bit；读取时间70ns，最大页写入时间10ms；工作电流为40mA，待机电流100A；硬件和软件数据保护；数据轮询和触发位用于写结束检测；可靠性高：100000次擦写，数据可保存10年；单电源供电，其引脚和内部框图如图9-2：,12,a) 引脚图,b) 内部结构框图,图9-2
6、AT28C64的引脚和内部结构框图,A0A12： 地址线； I/O0-I/O7：数据的输入输出； ：芯片使能，低电平有效； ：输出使能，低电平有效； ：写使能，低电平有效。,对AT28C64的读写 对AT28C64的读写和SRAM相同，无非是写入时间略长。在写入命令发出后，需要判断写入过程是否结束。工程上常采取延时的方法或查询I/O7，也就是所谓的轮询功能。轮询功能是指在28C64写入期间，如果读取I/O7上的数据，则得到最后一次写入数据的补码，即如果在I/O7写入的数据为逻辑“1”，则读出的数据为“0”；反之，如果在I/O7写入的数据为逻辑“0”，则读出的数据为“1”。当写入过程结束，则从I
7、/O7引脚读出的数据是真实的写入数据。,13,14,28C64和89S52的连接 28C64既可作为外部程序存储器，又可作为数据存储器。在写入期间，单片机通过查询I/O7引脚状态，来判断写入过程是否结束。28C64的片选信号由P2.7提供。 因28C64可作为外部程序存储器和外部数据存储器合并使用，故将 信号和 加到与门74HC08上，并将其输出与28C64的数据输出允许 信号相连。,15,图9-3 AT89S52单片机和AT28C64的接口,16,例9-1 根据AT89S52单片机和 AT28C64的接口电路，编写对AT28C64进行写操作的字程序。要写入的数据区取自源数据区。 子程序的入口
8、参数如下： R0：写入的字节计数器 R1：28C64的低8位地址寄存器 R2：AT28C64的高8位地址寄存器 R3：源数据区首地址的低8位寄存器 R4：源数据区首地址的高8位寄存器 R5: 写入的数据,17,解：程序清单如下： WR1: MOV DP0L, R3 MOV DP0H,R4 ;源数据区16位地址传输到 ;DPTR0中 MOVX A, DPTR ;取数据 MOV R5，A INC DPTR MOV R3, DP0L MOV R4, DP0H MOV DP0L, R1 MOV DP0H,R2 ;28C64地址传输到DPTR0中 MOVX DPTR,A ;将A的内容写入28C64H,1
9、8,NOP NOP NOP WAIT: MOVX A, DPTR ;读取最后一次写入的数据 XRL A, R5 JNZ WAIT ;写入的I/O7和读出的I/O7不相等 ;写入没有结束，等待 INC DPTR MOV R1, DP0L MOV R2, DP0H DJNZ R0, WR1 ;未完成，循环 RET,19,9.1.3并行Flash 存储器FM16W08及其扩展,性能特点 存储容量为64Kbit(即8k8byte)； 读写寿命为100亿次； 掉电数据可保存38年； 写数据无延时； 读取时间为70ns；读周期约为130ns； 低功耗，工作电流为12mA，待机电流仅为20； 宽电压范围供电
10、，2.7V5.5V； 工作温度范围为-40+85； 具有特别优良的防潮湿、防电击及抗震性能； 与并行SRAM或E2PROM管脚兼容。,20,引脚定义 A0A12 ：地址线，在 的下降沿被锁定； DQ0DQ7 ：数据输入输出线； ：片选信号线，为低电平时，芯片被选中； ：输出使能，低电平时，FM16W08把数据送到总线；为高电平时，数据线为高阻态； ：写使能，低电平时，总线的数据写入由A0A12确定的地址中。,21,图9-4 FM16W08的引脚和内部结构框图,22,(1)读操作 FW16W08的读操作一般在 下降沿开始，这时地址位被锁存，存储器读周期开始，一旦开始，应使 保持不变，一个完整的存
11、储器周期可在内部完成，在访问时间结束后，总线上的数据变为有效。当地址被锁存后，地址值可在满足保持时间参数的基础上发生改变，这一点不象SRAM，地址被锁存后改变地址值不会影响存储器的操作。,23,图9-5 FM16W08的读时序和参数,24,(2)写操作 FW16W08的写操作由 和 控制，地址在 的下降沿锁存。 控制写操作时， 在开始写周期之前置0，即当 有效时， 应先为低电平。FRAM没有写延时，读与写访问时间是一致的，整个存储器操作一般在一个总线周期出现。因此，任何操作都能在一个写操作后立即进行，而不象E2PROM需要通过判断来确定写操作是否完成。,25,图9-6 FM16W08的写时序和
12、参数,26,(3)充电操作 预充电操作是准备一次新访问存储器的一个内部条件，所有存储器周期包括一个存储器访问和一个预充电，预充电在 脚为高电平或无效时开始，它必须保持高电平至少为最小的预充电时间，由于预充电在 上升沿开始，这使得用户可决定操作的开始，同时该器件有一个 为低电平必须满足的最大时间规范。,27,Flash存储器FM16W08和SRAM时序的区别： FRAM、SRAM外部引脚虽然相同，但读写时序有所不同，编写对应的读写程序时，需要考虑其不同之处。,图9-7 FRAM和SRAM的选通信号,28,4. FRAM和8051单片机的接口 8051单片机的ALE引脚为地址锁存允许信号，访问单片
13、机外部存储器时，该脚将输出一个负跳沿的脉冲以用于锁存16位地址的低8位。要保证对FM16W08的正确访问，必须注意两点：第一，FRAM的访问时间必须大于70ns；第二，ALE的高电平宽度必须大于60ns。,29,图9-8 AT89S52单片机和FM16W08的接口,30,9.2 8051数据存储器扩展,数据存贮器的扩展方法可分为： 并行扩展：数据存储器的数据口和单片机的数据口P0相连，8051单片机每次可读入或输出8位数据。常见的数据存储器芯片有6116、6264、62128等SRAM。 串行扩展：串口数据存储器和单片机的接口方式为SPI总线或I2C总线，存储器的类型主要是EEPROM和Fla
14、sh，主要用于保存一些数据或常数。,31,9.2.1 并行接口外部数据存贮器的操作时序,32,读并行接口外部数据存贮器的时序 在第一个机器周期的S1，允许地址锁存信号ALE由低变高，开始了读周期。在S2状态，CPU把低8位地址送上P0总线，把高8位地址送上P2口(采用MOVX DPTR指令)。ALE的下降沿用来把低8位地址信息锁存到外部锁存器内。而高8位地址信息此后一直锁存在P2口上，无需再加外部锁存。在S3状态，P0总线驱动器进入高阻状态。在S4状态，读控制信号 变为有效，它使得被寻址的并行接口数据存贮器略过片刻后把有效的数据送上总线，当 回到高电平后，被寻址的并行接口存贮器把其本身的总线驱
15、动器悬浮起来，使P0总线又进入高阻状态。,33,34,写并行接口外部数据存贮器的时序 与上述类同。但写的过程是CPU主动把数据送上总线，故在时序上，CPU向P0总线送完被寻址存贮器的低8位地址后，在S3状态，就由送地址直接改为送数据上总线，其间总线上不出现高阻悬浮状态。在S4状态，写控制信号 有效，选通被寻址的存贮器，稍过片刻，P0上的数据就写到被寻址的存贮器内了。,35,9.2.2 8051单片机扩展并行接口外部数据存贮器SRAM,扩展容量小于256B，用MOVX Ri指令访问外部SRAM，只用P0口传送8位地址； 扩展容量大于256B，用MOVX DTPR指令访问外部SRAM，同时用P0和
16、P2口传送16位地址，P0口传送低8位，P2口传送高8位。 1.6264的引脚和操作方式 6264是8k8位的静态随机存储器芯片，采用CMOS工艺制作，由单一+5V供电，额定功耗200mW，典型存取时间为200ns。为28脚双列直插式封装，其管脚如图9-10所示。,36,图9-10 6264引脚排列和操作方式,37,图9-11 扩展单片6264静态数据存储器电路,38,注意： 扩展单片程序存储器时，片选端直接接地即可，因为系统中不会再有其它程序存储器芯片。但是扩展单片数据存储器时，其片选端能否直接接地则还须考虑应用系统中有无I/O口及外围设备扩展，如果有，则要统一进行片选选择。,39,9.2.3 8051扩展SPI接口外部Flash数据存贮器FM25040B,1.FM25040B的特点 存储容量 5128bits 读写次数1012 数据可保存38年 写入无延迟 总线频率最高可达20Mhz 硬件可直接替代EEPROM 可运行在
