微机原理与接口技术二.doc

设计题目：航标灯的设计设计要求： 1白天航标灯熄灭，晚上间歇发光，亮2s,灭2s,周而复始。2晚上能够显示时间。可以将白天晚上的时间缩短，以便于看到实验结果。设计目的通过课程设计，使我对计算机系统尤其对计算机硬件系统有更深入的理解，并具有较简单的计算机应用的设计能力。其次，把所学知识与现实生活的应用联系起来，切实体会所学知识在社会生产生活中所发挥的作用，以及如何把所学理论转化为实际应用。再次，加强和巩固所学知识，深化对已有理论的认识和理解，做到学以致用，用意促学的目的。最后，通过课程设计锻炼实际动手操作能力，增强思考问题与解决问题的能力。设计方案这次课程设计要求用学过的课程微型计算机原理与接口技术里的微处理器作为主控芯片，与其他相关芯片一起设计并实现航标灯。航标灯的基本功能是能在夜晚提供导航信息，即是要能在夜晚时闪烁发光，一亮一灭周期性地发光提供导航，而在白天则不发光。分析可知，该设计要使用控制芯片直接或间接为航标灯的灯提供控制信息，以便控制航标灯是否发光以及如何发光以满足导航要求。根据设计要求，需用微处理器CPU80x86/8088作为主控制器，但是仅有微处理器CPU80x86/8088是不能很好的实现设计要求的。能实现定时计数的芯片有不少，可以使用单片机芯片来实现也可以采用该课程中介绍到了专用定时计数芯片8253/8254，其功能较为强大，可以实现设计要求。其次，这两类芯片的正常工作正常工作要有时钟信号作为其定时信息和用于芯片内部和芯片之间的同步时钟信号。定时脉冲实质上就是具有一定频率方波脉冲，可以用各种振荡源来实现。而所有这些芯片以及外围电路要正常工作还需要直流电源提供能量。根据以上分析，该设计所采用方案是以微处理器为控制核心，以定时计数器作为航标灯的直接控制器且为其提供工作所需直接电源，再有振荡电路为微处理器和定时计数器提供定时计数信息，直流电源为以上所用芯片及电路供电，最终完成本次设计任务。因此，可以给出整体设计方案的框图如下所示。至于对各个子功能模块的具体分析设计和实现相应功能的具体分析和实现过程会在如下标题下详细给出。直流稳压电源 定时计数器 CPU微处理器 时钟脉冲信号发生电路航标灯原理分析对于各个功能模块之间的连接关系和信号流向给出简要解释。直流稳压电源向微处理器CPU8088，石英晶体振荡电路以及定时计数功能模块的芯片8254，同时定时计数器8254向航标灯发出指令控制它是否用该工作，以及在工作时由定时计数器8254向航标灯提供电能并由使其正常发光以实现导航作用。而石英晶体振荡器同时为微处理器CPU8088和定时计数功能模块的芯片8254提供相同频率的定时计数脉冲信号。以上这几部分之间的信号是单向流动的，而微处理器CPU8088和定时计数功能模块的芯片8254之间的信号时双向流动的，即微处理器CPU8088向定时计数器8254提供控制信息，实现定时计数器8254的读写操作如对8254进行初始化和运行中的数据交换。8254也通过八位数据线实现反馈即时信息给微处理器CPU8088，以便向CPU提供其当前所处状态。定时计数器有六种工作方式，每一种工作方式都有其特点。根据需要，定时计数器要能够在白天不发出脉冲信号即使航标灯不工作和黑夜交替输出周期为4秒的方波。根据定时器的各种工作方式特点，可选择方式2和方式3。8253/8254定时/计数芯片内集成有三个独立的定时/计数器。并可根据需要进行级联，以实现更长时间的定时和计数。在该设计中，由于计数初值太大不能由一个计数器来完成定时计数功能，因此采用级联方式，被级联的计数器是计数器0和计数器1，计数器0和计数器1共用同一时钟源，由石英晶振电路提供定时计数脉冲波形。定时计数器0的输出信号接定时计数器1和定时计数器2的时钟信号输入端CLK1和CLK2，以便控与定时计数器1和定时计数器2构成级联。定时计数器1的输出端与定时计数器2的门控输入端相连。定时计数器0和定时计数器2工作在方式3分别输出周期为50KHz和0.25Hz的方波，分频系数依次为20000和200。而定时计数器1工作在方式2作为频率发生器使用，输出频率为1/120Hz的方波脉冲，通过Gate2控制定时计数器2的工作。当定时计数器1输出低电平时相当于是白天，定时计数器2的门控输入端为无效电平，因此定时计数器2停止定时计数，也即是其输出也为低电平，最终的结果是作为航标灯的LED不会被点亮。只有当定时计数器1的输出为高电平时，定时计数器2的门控输入端为有效电平，此时它正常工作，也即是其输出周期为4S的方波脉冲，驱动LED灯亮2S，熄灭，2S后又重新被点亮；如此周期循环，直至定时计数器1的输出再次变为低电平，定时计数器1就又处于停止工作状态。由于定时计数器1的计数具有自动重装功能，因此，它的输出波形也是跳变周期循环的方波脉冲，且循环是无限的。根据本次课程设计要求，为实现设计目标，需要用到CPU80x86/88,8254/8253定时/计数器，以及振荡源（频率发生器），直流电压源。在选择确定芯片及电器元件之前，还是先来简要介绍一下所有可能用到的芯片以及必须的元器件，并有选择的分析他们的结构和相关功能。这些分析不仅是必要的也是很有助于我们对设计方案的探索和优化选择。80x86/88微处理器是intel公司的生产的芯片，在计算机领域得到广泛应用，同样，在一些简单的应用性系统电路的设计中也会经常用到。而80x86和80x88系列的微处理器芯片的主要功能是一致的，只是在结构和局部功能上有些许差别。首先在结构上8086有16个地址/数据复用引脚，8088有8个地址/数据复用引脚，28脚和34脚定义不同。8086和8088的28引脚只是电平存在差别，功能是完全相同的，而8086和8088的34引脚功能定义是有差别的：8086的34引脚功能定义高8位数据总线允许和状态引脚7的复用，与此不同的是8088的该对应引脚只是ss0。其次，8086是16位机而8088是准16位机。由于以上分析可知，他们的功能上的差别对于本次设计无任何影响，既可以任意选择，基于此，本设计选用8088微处理器。8088芯片的结构如下图所示：它采用总线型结构，包括数据总线，地址总线，控制总线。它与外部设备之间通过对应的地址线进行寻址，包括片内寻址和片外寻址，以配合数据信息的交换、控制信息的传送，实现微处理器与其它芯片和电路单元之间的通信。控制总线是微处理器向其他芯片或者是电路单元发出命令信息，以完成相应的初始化然后控制他们以让他们按照特定的工作方式工作，及通过读写命令对他们的工作状态信息进行读取、修改工作方式字等。该设计中就有80x86/88微处理器通过控制总线，和定时计数器的控制输入端的连接，完成对其运行之前的初始化程序。在微型计算机原理与接口技术这门课程里，我们一共接触到两种具有定时计数功能的芯片即8253和8254定时/计数器。8254是8253的改进型，基本功能也是没有太大区别的。对于本次设计选择也是没有太大的影响的。因此本设计选择8254作为本课程设计中的定时计数功能模块的芯片。同样先对8254作一下功能和结构上的介绍。8254的结构如下图所示： 8254是一种实现定时和计数功能的外围电路，拥有3个独立的16位计数器，每个计数器都可通过程序设计的方法设定为实现定时功能的各种操作方式。可编程时间间隔定时器芯片8254有以下几个特点：1. 与所有Intel系列微处理器兼容；2. 可以处理从DC12MHz范围的输入频率信号；3. 3个独立的16位的计数器；4. 最大计数范围为065535；5. 6种可编程的计数模式。该芯片内部由数据总线缓冲器、控制寄存器、读写控制逻辑以及计数器等组成。通过数据总线缓冲器一方面可以向控制寄存器写入控制字，向计数器写入计数初值；另一方面也可由CPU通过该缓冲器读取计数器的当前计数值。读写逻辑的功能是接收来自CPU的控制信号，包括读信号、写信号、片选信号和芯片内部寄存器的寻址信号A1、A0，并完成对8254各计数器的读写操作。控制字寄存器的方式字各位含义如下图所示：8253的控制字格式如图61所示。 图示 8254的控制字 接收来自CPU的控制字，并由控制字D7、D6位的编码决定该控制字写入哪一个计数器的控制寄存器中8254有3个独立的计数器通道，每个通道的结构完全相同，如图10-1所示。每一个通道有一个16位减法计数器，还有对应的16位初值寄存器和输出锁存器。计数开始前写入的计数初值存于初值寄存器；计数过程中，减法计数器的值不断递减，而初值寄存器中的初值不变。输出锁存器则用于写入锁存命令时锁定当前计数值。A1 、A0，地址输入线。用于寻址8254内部的4个端口，即3个计数器和一个控制字。一般与CPU低位的地址线相连。与外部设备的接口信号有三类: 即作为输入的时钟信号CLK，作为控制输入端口GATE以及作为定时计数器输出信号的输出端口OUT。三个独立定时计数器对应的时钟信号CLK0/1/2是各个时钟脉冲的输入端，用于输入定时脉冲或计数脉冲信号。CLK可以是系统时钟脉冲，也可以由其他脉冲源提供。三个独立定时计数器对应的控制输入端口依次对应GATE0/1/2 ，门控输入端，用于外部控制计数器的启动计数和停止计数的操作。两个或两个以上计数器连用时，可用此信号来同步，也可用于与外部某信号的同步。作为三个定时计数器输出端 OUT0/1/2，在不同方式的计数过程中，OUT引脚上输出相应的信号。除此之外，还需要有提供时钟信号的时钟产生电路。目前，从我们所有学过的课程里，能够找到很多时钟信号发生电路，有模拟电子电路中有多谐振荡电路实现的脉冲产生电路，数字电路课程中也有产生脉冲电路，如单稳态触发电路，施密特触发器产生的脉冲触发电路，多谐振荡电路脉冲产生电路，和石英晶体振荡电路也可以作为较为理想的脉冲产生电路。在这些电路中，相对来说，石英晶体振荡电路产生的时钟脉冲具有频率比较稳定，选频特性好，且等效品质因数Q值也较高，而且对于含有CPU芯片的电路中对时钟信号的要求较为严格，否则，系统很难正常运行。为了保险起见，本课程设计中选用石英晶体振荡电路，作为8088系统的时钟信号源。再者就是还要有直流稳压电源为该系统提供正常工作所必不可少的供电源。微处理器CPU8088和定时计数器8254的输入电压为5V，故采用电压较为稳定的任何直流稳压源均可，如使用由电池和外围电路经过分压后输出5V直流电压的电路就能满足需求，当然还有很多通过各种变换和稳压措施实现的电路。由于现实中各种直流稳压电源较为容易获取，而且其结构和原理比较简单直观，在此就不再分析和介绍了。其中航标灯模块是由能够发出满足导航作用的灯具即可。可以用热光源，如大功率的白炽灯，弧光灯，也可采用冷光源，如发光二极管等。冷光源是近年来才兴起的一种电光源，具有寿命长、光效高、无辐射与低功耗, 更不会产生热度影响，因此对外围电路的影响也是很小的，既不会因电磁波辐射干扰其他易受电磁波辐射影响的电路正常工作，也不会因为产生过多的热量而影响其他电路尤其是那些对温度变化敏感的电路的工作环境。因此本设计采用冷光源，采用发光二极管。既体现环保理念，又体现了节能的观念。基于以上分析，可以对硬件设计所用到的主要芯片和元件总结如下：微处理器CPU8088、直流稳压电源、石英晶体振、定时计数、芯片8254、发光二极管。 各个部分的原理图以及总的原理图如下所示： 图1 8088微处理器连接方式图2 定时计数器8254的连接方式图 图3 石英晶体振荡电路 图4 航标灯设计系统总连接图定时计数器芯片8254的三个定时计数器的初始化程序清单如下：定时/计数器0的初始化MOV DX,0FFE3H ；控制端口地址给DXMOV AL, 00110110B ；计数器0，方式3 OUT DX,AL ；写入控制端口 MOV DX, 0FFE0 ；计数器0地址给DXMOV AX, 20000 ；写入计数器0的初值MOV DX,AL ；先写入计数器0低字节MOV AL,AH ；把AX的高字节AH值赋给低字节ALMOV DX,AL ；再写入计数器0高字节定时/计数器1的初始化MOV DX,0FFE3H ；控制端口地址给DXMOV AL, 01110100B ；计数器1，方式2 OUT DX,AL ；写入控制端口 MOV DX, 0FFE1 ；计数器1地址给DXMOV AX, 6000 ；写入计数器1的初值MOV DX,AL ；先写入计数器1低字节MOV AL,AH ；把AX的高字节AH值赋给低字节ALMOV DX,AL ；再写入计数器1高字节定时/计数器2的初始化MOV DX,0FFE3H ；控制端口地址给DXMOV AL,10010110B ；计数器2，方式3 OUT DX,AL ；写入控制端口 MOV DX, 0FFE1 ；计数器2地址给DXMOV AL, 200 MOV DX,AL ；写入计数器2的初值8254的初始化流程图复位操作写入控制端口地址写定时器0的方式字写定时器0的初值写定时器1的方式字写定时器1的初值写定时器2的方式字写定时器2的初值总结与展望 这次课程设计，虽然时间只有两周，可是在这两周内，我却经历了许许多多，尤其起初的迷茫和惘然，不知所措。后来变得似乎有点思路，但心里还是不明了，可能是以前学习的基础不太扎实吧！经过反复看书，查找相关资料，对微处理芯片80x86/88的的物理结构和编程结构，各个引脚功能，做到了有些了解，对于此次课程设计中所用到的引脚达到不仅知道他们的功能还做到了知道他们在电路中的连接方式，特别是他们的特殊连接方式以实现特有的功能，而且还要掌握它们在整个电路系统中所起的作用和工作所需要的条件。我们知道微处理芯片80x86/88的物理结构比较复杂，一是引脚多，而且还有不少引脚是复用引脚；二是变成结构抽象，难以一时间有所明白，所以需要沉下心来对他们多少要理解，不然后面的设计就不能顺利进行，甚至停滞。再者就是，对于定时计数芯片8253/8254,结构虽然不如微处理芯片80x86/88复杂，但是其功能之多和连接方式多样性也很难把握。它有三个独立定时计数器，既可以单独实现定时计数功能，还可通过计数器之间的级联，实现更长时长的定时计数功能，输出各种波形，既可以作为驱动级电路实现对后一级电路提供信号源，如本课程设计中该芯片就作为下一级电路的驱动级。该芯片有多种工作方式可以实现对各种所需的功能。 还有，实现整个系统的设计还需要其他辅助电路以实现整个系统的功能，对于该系统来说因为有微处理器80x86/88，所以精确稳定的时钟脉冲源作为时钟信号，提供定是合同步信息。整个系统也要有供电系统，所有这些都需要有合理的安排和设计，这对与该设计的航标灯系统来说是很关键的，事关设计成败，事关设计能否实现要求的功能。不管怎样吧，最终整个设计还是在我一个人的努力之下独立完成的，可能设计的不是那么