（通信与信息系统专业论文）高档自动门控制系统的设计和实现.pdfVIP

摘要 随着经济的发展和人民生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛，它已 经成为宾馆、超市等现代建筑所必备的，是建筑智能化水平的重要指标。自动门 控制系统作为自动门系统的控制核心，决定了自动门系统的性能。国外生产的自 动门控制系统性能比较优良，但是价格偏高；国内的同类产品虽然价格便宜，但 是性能较差，故障率较高。本文研究一种基于m c 6 8 h c l l k l 单片机的自动门控 制系统，功能强大，运行可靠，用户操作方便，而且成本适中，在市场上有较强 的竞争力。 m c 6 8 h c l l k l 是m o t o r o l a 公司的8 位增强型高性能单片机，功能强大， 价格低廉。它的抗干扰能力强，在工业控制领域得到了广泛应用，因此我们选用 它作为整个系统的控制核心。本课题的另一个特点是使用复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 控制电机的驱动，缩短了开发时间，提高了系统的灵活性和可靠性， 降低了成本。另外，我们还设计了完善的故障监测电路来提高系统的可靠性。 关键词：自动门控制系统m c 6 8 h c l l k ic p l d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dl i v i n g s t a n d a r d ，a u t o m a t i cd o o r sa r e b e i n gw i d e l yu s e d i ti sa b s o l u t e l yn e c e s s a r yt oam o d e mb u i l d i n gs u c ha sh o t e l ， s u p e r m a r k e t a st h ec o n t r o l l i n gc o r e o ft h ea u t o m a t i cd o o r t h ea u t o m a t i cd o o r c o n t r o l l e rd e t e r m i n e si t sp e r f o r m a n c e m o s to fa u t o m a t i cd o o rc o n t r o l l e r st h a th a v e b e e ns o l di no u rc o u n t r ya l em a d e b yf o r e i g nm a n u f a c t u r e s 1 1 l ep e r f o r m a n c eo ft h e s e p r o d u c t si sh i g h b u tt h e ya r ev e r ye x p e n s i v e o u rh o m e - m a d ea u t o m a t i cd o o r c o n t r o l l e r sa l en o ts oe x p e n s i v e ，h o w e v e lt h ep e r f o r m a n c ei su n s a t i s f i e da n dt h e f a t a l t yr a t ei sh i g h s ow eh a v ed e v e l o p e dan e wk i n do fa u t o m a t i cd o o rc o n t r o l l e r b a s e do nm c 6 8 h c l l k l 1 1 1 ec o n t r o l l e rh a sg o o dc o m p e t i t i v e a b i l i t yb e c a u s ei t s p o w e r f u l ，r e l i a b l e ，c o n v e n i e n ta n d l o w - c o s t m c 6 8 h c l l k li sa ne n h a n c e d8 - b i t m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) w h i c h i s p o w e r f u l ，c h e a p i th a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r yc o n t r o l l i n gf i e l d sb e c a u s e o f i t se x c e l l e n ta n t i i n t e r f e r e n c ef e a t u r e i t sv e r ys u i t a b l et ou s em c 6 8 h c l l k l a st h e c o r eu n i to fa u t o m a t i cd o o rc o n t r o l l e ra n ds ow ed i dc h o o s ei t a n o t h e rf e a t u r eo f o u r s o l u t i o ni st h eu s eo fc p l d c p l di su s e dt oc o n t r o lt h es i g n a l st os t e p p e rm o t o ra n d i th a sb r o u g h tu p m a n ym e r i t s ，s u c ha sl o w - c o s t ，l l i g h - r e l i a b i l i t y , f i e x i b i l i t ya n ds h o r t t i m e 。t o 。m a r k e t i na d d t i o n ，w eh a v ed e s i g n e de f f i c i e n tf a u l t ym o n i t o r i n gc i r c u i tt o i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t yo f t h e c o n t r o l l e r k e y w o r d s ：a u t o m a t i cd o o rc o n t r o l l e rm c 6 8 h c li k lc p l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 曾缒 签字日期： 阳砷年j 月，2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：嗜起 导师签名：丁聊p 掾 签字日期：渺争年2 月，占日 签字日期：) 牛年上月俨日 1 1 引言 第一章绪论 随着经济的发展和人们生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛。它 现在为许多宾馆、超市、百货大楼等现代建筑所必备，不仅可以美化出入口环境， 而且具有节能、防尘、隔音等功能，同时也是建筑物智能化的重要指标。 目前国内的产品多为从国外进口。国外生产自动门的公司很多，常见的公 司有德国的b l a s l ，瑞士的t o r m a x ，意大利的p a ，e t 本的n a t i o n a l 等等。 这些产品功能繁多，性能可靠，但普遍价格偏高，操作复杂。而国内设计的同类 产品性能不稳定，故障率较高，需要频繁的维护，增加了运营成本。 我们研制的自动门控制系统要求功能强大，具有完整的自保护和故障诊断 功能，性能稳定可靠，用户操作方便，而且成本适中，在市场上有较强的竞争力。 1 2 系统功能简介 我们所研制的自动门控制系统功能强大，具体特点如下： 1 、实用的操作模式 自动门控制系统有五种实用的操作模式，即自动、常开、锁门、单向只出 不入和窄开门工作模式。自动模式也就是最常用的模式，当有人靠近时自动开门， 当人通过后自动关门；常开模式，无论是否有人通过，一直保持开门状态不变； 锁门模式即关门并且上锁的状态。单向只出不入模式对时间有限制的公共场所非 常有用，比如商店晚上打烊之前可以设定为此工作模式，此时自动门只对门内的 顾客有响应，可以让顾客出去，对于门外要进入的顾客则不予响应。窄开门模式 和自动模式类似，只是当执行开门动作时只开到某一宽度( 可由用户调节) ，而 不是全部打开，这种模式在冬天或夏天室内外温差较大时是一种非常实用的工作 模式，可以减少室内外的热量交换。 2 、完善的故障监测和故障，状态显示功能 本系统具有完善的故障检测和自我保护功能，保证系统安全可靠的运行。 对市电、直流电源电压、系统总电流、制动电流、锁电流、电机温度、系统环境 温度都有相应的监测电路，一旦发生掉电、欠压、过流、过热等情况将会立即执 行相应的故障处理程序，同时通过5 个l e d 闪烁显示相应故障，提醒相关人员及 时维护，保证系统的安全和人身安全。正常情况下，l e d 显示当前系统的运行状 态。 第1 页 3 、灵活的参数设鬣 通过控制面板可以随时调节系统参数，使之更符合用户的需要。通过控制 面板用户可以调节的参数有开门速度、关门速度、开门宽度以及保持开门时间等 参数。用户设置的参数会存贮在e e p r o m 中，掉电不丢失。 4 、智能化处理 复位之后，系统自动执行校准运行，测量门的宽度，计算门的运动曲线( 各 运行阶段的位移和速度) ，无需人工干预。在此后门的运动中，不管开启或关闭， 当门在运动方向上遇到意外的障碍物，会立即停止门的运动，然后倒转，同时记 住障碍物的位置和显示故障信息。如果障碍物仍未被移走，当门再次到达此位置 时，系统就执行校准运行，自动把此位置作为终点位置，重新计算门的运动曲线。 5 、紧急按钮 在屋内一侧，有两个紧急按钮，开门按钮k & s 和紧急停止按钮e p ，用于紧 急情况下的处理。按下k & s ，不管系统处于什么操作模式下，门都会打开。按 下e p ，首先立即停止门的运动，然后使门体脱离系统控制，可以自由滑动。 6 、手动复位 同时按下控制面板上的两个按键至少5 秒，再松开，就可以使系统复位。 1 3 系统结构和工作原理 自动门控制系统结构如下所示： ii 1 ( c p l d x c 9 5 3 6 ) n 动电路 ls r a m 卜 - 广上 l 堡壁壁 - 一m c 醯h c 十斟型 圈一 接 k 1 单片机 广1 口 刊 制动l 一- 门 l k & s , k pb -枣 一 一竺里i i 按建i ll e d 显示k叫誉。鐾鬻墨茎 图1 1自动门控制系统结构 第2 页 我们选择m c 6 8 h c l l k l 单片机作为系统的控制核心。单片机循环检测传感 器、紧急按钮和光电管的状态。结合门体的当前运动状态，产生对步进电机或者 制动的控制信号。制动信号使制动动作，阻止门体移动；而电机控制信号通过脉 冲编码电路产生相应的时序，然后经驱动放大送给电机，从而带动门体相应的运 动。光电编码器监测门体的运动方向和速度，并反馈回单片机，形成闭环控制。 通过控制面板，用户可以调整系统工作模式和门体的运动速度等参数，l e d 显 示当前控制系统工作模式或者故障显示信息。系统掉电时，用户调整的参数被送 到e e p r o m 中保存起来，供电恢复以后单片机从e e p r o m 中读出这些参数， 系统可以按照掉电以前用户设定的参数重新运行而无须由用户重新设定。 1 、电源 系统的供电为2 2 0 伏、5 0 h z 的市电，经变压器变压后输出2 7 伏的交流电， 经整流滤波后产生3 5 伏的准直流输出，然后再经过开关电源产生+ 2 4 伏和+ 5 伏直流电，+ 2 4 伏用于微波传感器、光电管、控制面板、运算放大器的供电， + 5 伏用于单片机、片外存贮器及其他数字逻辑电路的供电，而步进电机、制动 和电磁锁这些大功率部件的供电是3 5 伏准直流电。+ 5 伏经升压电路后输出+ 1 5 伏直流电，用于电机驱动电路中悬浮自举供电电压，控制大功率m o s f e t 管 的正常导通和截止。 2 、单片机、存贮器及外围电路 m c 6 8 h c l l k l 内部存储器容量有限，在本系统中采用扩展工作模式，在外 部扩展了1 2 8 k be p r o m ( m 2 7 c 1 0 0 1 ) 和8 k _ bs r a m ( s r a m 6 2 6 4 ) 。e p r o m 用于贮存系统程序，s r a m 储存处理数据和临时参数。m c 6 8 h c l l k l 内部自带 了6 4 0 字节e e p r o m ，用来存储用户设定的参数。 单片机需要访问传感器、控制面板、过热过流保护信号、电机方向等接口信 号。这些信号如果直接接到单片机的f o 引脚将占用较多的资源，因此本系统将 这些信号通过三态总线缓冲器7 4 h c 5 4 1 和8 d 触发器7 4 h c 5 7 4 接到单片机的数 据总线，将地址总线经过译码器译码后控制缓冲器的使能端，相当于赋予接口电 路以不同的地址，单片机可以像读写外部存储器一样通过接口地址读入或写出接 口信号。 3 、步进电机控制及驱动电路 对步进电机的控制是系统重要的组成部分，包括脉冲编码电路、功率驱动电 路。本系统采用一片x i t i n x 公司的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) x c 9 5 3 6 实现 脉冲分配功能，单片机只需要输出启动停止信号、转动方向信号以及表示转动 速度的p w m 信号，具体时序的产生都由c p l d 完成，减轻了单片机的负担，并 具有良好的扩展性和灵活性。功率驱动电路是大功率m o s f e t 管组成的h 桥式 第3 页 放大电路。具体电路见第四章。 4 、光电编码器部分 光电编码器是一种高精度角位移传感器，结合单片机的输入捕捉功能，可测 量电机的角位移和角速度，从而可以计算出门体的运动速度和位置，并对p w m 信号频率进行适当的调整，精确迪控制电机的运动。本系统采用的光电编码器有 a 和b 两路正交脉冲输出，分辨率为2 5 6 p p r ，完全满足系统的控制精度要求。 5 、电流电压监测电路 本系统对系统中各个电流、电压设置了监测电路，监测电路将电流转换成电 压，然后用单片机内部的a d 转换器将其转换为数字信号，判断是否发生了欠 压、过压、过载等情况，如检测到异常情况将执行故障处理子程序。 1 4 本课题的主要任务 本课题的任务是研制一款功能完善，价格适中的自动门控制系统，需要完成 的工作有： 1 分析国外先进的自动门控制系统的性能特点，结合国内市场的需求，进行 系统的总体设计，合理划分硬件和软件的功能； 2 选择合适的元器件，设计硬件电路，制作印刷电路板并调试； 3 设计软件方案，编写各部分软件控制程序并分别调试通过； 4 对整机进行测试，并完善先前的方案。 1 5 本文的结构 第二章介绍m c 6 8 h c l l k l 单片机的主要特征和基本功能；第三章贪绍电源、 单片机接口、锁和制动控制、电流电压检测等硬件电路的设计：第四章详细介绍 步进电机的控制模块的设计；第五章介绍系统的存贮器和软件编程：结束语介绍 本课题中已完成的工作和本系统的可扩展性。 由于本人水平有限论文中难免有错误和不足之处，望各位老师不吝批评指 正。 第4 页 第二章m c 6 8 h c i i k i 的介绍 第二章m c 6 8 h c l l k l 的介绍 在这一章中，我们将着重介绍自动门控制系统的控制核心m o t o r o l a 公司生产的m c 6 8 h c l l k l 单片机。 m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c l l 系列8 位增强型单片机采用h c m o s 工艺，具有 功能强大、抗干扰能力强、低功耗、性价比高等优点，在中高档仪表、工业控制、 军事设备、智能仪器等方面得到广泛应用。m c 6 8 h c l l k x 是m 6 8 h c l l 系列中 功能最丰富的一种产品，以m c 6 8 h c l l k 4 为例，它共包括七个8 位、一个6 位 的i o 口，其内部集成了6 4 0 字节e e p r o m ，7 6 8 字节r a m ，2 4 k 字节r o m ， 1 6 位定时器，异步串行通信接口( s c i ) ，同步串行外设接口( s p i ) ，8 通道a d 转换器，脉宽调制( p w m ) 输出，输入捕捉输出比较，脉冲累加器，看门狗等 多种功能，可很方便的用于各神控制系统中。 m c 6 8 h c l l k x 其他单片机与m c 6 8 h c l l k 4 的区别仅在于：m c 6 8 h c l l k 0 内部没有e e p r o m ，m c 6 8 h c l l k l 内部没有r o m ，m c 6 8 h c 7 1 l k 4 用e p r o m 代替r o m 。在本系统中，考虑到成本等因素，我们选择m c 6 8 h c l l k l 。 2 1m c 6 8 h c l1k x 总体特性 m 6 8 h c l l 系列中央处理器( c p u ) 低功耗s t o p 和w a i t 模式 6 4 0 字节片内e e p r o m 7 6 8 字节片内r a m 通过片内存储器映射，可访问多达1 兆字节的寻址空间 非复用的地址数据总线 四个可编程片选( 在扩展模式下) 增强1 6 位时钟系统 8 比特脉冲累加器 4 路8 比特脉宽调制输出( p w m ) 实时中断电路 看门狗 增强异步串行通信接口( s c i + ) 增强同步串行外围接口( s p i ) 8 通道8 位a d 转换器 8 4 脚p l c c 封装或8 0 脚q f p 封装 第5 页 第二章m c 6 8 h c ii k l 的介绍 一一r 一 o s a t 一 ：l 龋t 0 比麒 m b 一 一，慧i 晰 薯 黧潞 l 0 0 “ c ， mp 目眦 一 二 盥吖傩f 魏j p t 垂 蓉 匡 月黼1 5 嗣加唬 m r n l 月m ， 帕o r i o 勰 勰1 抽y r e s r 0 哺 w w e 目 差 臣 月m w i m c p u日 月m 洲 - 月m 月】 一 一 琳t 7 u莲 激誓 垃 n s 2 龇 一 l i 矾t a l 0 i 口 蝴 图2 - 1m c 6 8 h c l l k x 总体框图 2 2 中央处理器( c p u ) m 6 8 h c l l 的c p u 采用存储器映象i o 技术，即把所有的外围功能、i o 、 r a m 、和各种存储器置于同一个6 4 k b 存储器空间，因而它投有的特殊指令。 除此之外，它用相同的命令访问外部存储器单元和单片机片内资源。 2 2 1c p u 结构 对程序员来说，m 6 8 h c l lc p u 内部寄存器结构如图2 - 2 所示。 第6 页 峨嘟嘲燃附鼢黜粥蛳岫吣 狮嗍踟触呐m洲黼嘲蝴凇凇 蝴咖 鼢星i曼瞄瞅蝴蛳 勰。惴嚣m嚣寨m薰豢怒蓬篡搿囊嚣溢 第二章m c 6 $ h c i1 k i 的介绍 d l 喀科睢哪霸矾冀l 瓤 l 博 删呻t 嘲y o i i l l 撕x h i t 墨o i l 珥_ 蝴嘲口l 呜 r _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ 1 嘲删唯鼬嘲i x hinzyc l 瞄 图2 - 2m 6 8 h c l lc p u 内部寄存器 1 、累加器( a 、b 和d ) 累加器a 和b 是两个通用8 位累加器，用于存放算术运算或数据处理的操 作数和结果。在一些指令中，这两个寄存器合并成一个1 6 位累加器d 使用。 2 、变址寄存器( 和i y ) 变址寄存器和i y 均是1 6 位的寄存器，主要用于变址寻址方式中，变址 寄存器的内容加上8 位偏移量就形成有效地址。它们还可以被用作计数器或临时 变量的存储器。对大多数指令来说，使用i y 寄存器需要一个额外的机器码字节 和一个额外的时钟周期。 3 、堆栈指针s p m 6 8 h c l l 设计了一个1 6 位的堆栈指针，可以指向6 4 k b 内存中的任一单元 地址。m 6 8 h c l l k l 的堆栈从高位地址向低位地址生长，即当一个字节压栈时s p 的值减1 ，反之当一个字节出栈时s p 的值则加1 。般情况下，应用程序的开 始部分对堆栈进行初始化。 4 、程序计数嚣p c 程序计数器是一个1 6 位的寄存器，可寻址6 4 k b 存储器。p c 指向下一条要 执行的指令地址。 5 、状态标志寄存器c c r 状态标志寄存器包含5 位状态标志位、2 位中断屏蔽位和一位s t o p 禁止位。 5 位状态标志是半进位位h 、符号位n 、零标志位z 、溢出位v 和进位位c 。许 第7 页 第二章m c 6 8 h c l i k i 的介绍 多指令的运行结果自动影响状态标志位。s t o p 禁止位s 用于允许或禁止s t o p 指令。中断屏蔽位i 是一个全局屏蔽位，它禁止所有可屏蔽的中断源。中断屏蔽 位x 用于禁止或允许来自x m q 端的不可屏蔽中断。 2 2 2 寻址方式 m 6 8 h c l lc p u 具有六种寻址方式：立即数寻址( 操作数在指令中) 、直接 寻址( 操作数在内部寄存器) 、扩展寻址( 1 6 位指令地址) 、变址寻址( 用变址 寄存器和i y 作基址) 、隐含寻址( 操作码已包含操作对象) 和相对寻址( 用 于转移指令或子程序) 。 2 3 引脚功能说明 2 3 1 电源引脚v o o 和v s s m c 6 8 h c l l k l 使用5 伏单电源供电，v d d 是正电源，v s s 是地。k l 共有四 组电源和地引脚，其中三组是给内部数字电路供电，一组电源( a v d d ) 和地( a v s s ) 给内部的a d 转换器供电，可以单独去耦，这样就减少了数字电源对模拟电源 的影响，保证了a d 转换的精度。 2 3 2 复位引脚r e 江r m 6 8 h c l l 的复位引脚为低有效、双向控制脚。它既是初始化m 6 8 h c l l 的 输入脚，同时还可用作内部时钟监视器或者计算机工作正常( c o p ) 监视 ( w a t c h d o g ) 电路指示内部出错的开漏输出。当r e s e t 脚为低电平时，单片机进 行复位。内部和外部复位的不同之处在于内部复位时r e s e t 脚在变低4 个e 时 钟周期后将变为高电平，而外部产生的复位至少应该保持低有效8 个e 时钟周期。 由于片内具有e e p r o m ，为了防止v d d 低于正常工作电压时破坏e e p r o m 中的内容，应该使用低压禁止( l v i ) 电路，在v d d 低于最低工作允许电压时保 持r e s e t 为低，复位单片机。本系统中采用的低压禁止芯片为m c 3 3 4 6 4 ，当电 源电压低于4 5 伏时将复位单片机，防止误操作。 2 3 3 晶振和外部时钟输入( x t a l 。e x t a l ) 这两个引脚可以用于连接晶体，也可以直接连接外部c m o s 兼容时钟源。 这两个引脚上的频率是内部总线时钟( e 时钟) 的四倍。 2 3 4 e 时钟输出 晶振的四分频形成e 时钟，e 时钟可供外部作为时间参考。当它为低电平时 第8 页 第二章m c 6 8 h c l i k l 的介绍 则表示c p u 正在进行内部处理，而它为高电平时，c p u 正在访问外部数据。 2 3 5 中断请求( 面) i r q 是异步中断请求输入引脚。通过配置o p t i o n 寄存器可以选择是下降沿 触发还是电平触发，缺省情况i r q 被配置为电平触发。 2 3 6 不可屏蔽中断j 勰q 复位之后x i r q 提供了一个申请不可屏蔽中断的方法。复位期间，c c r 寄存 器的x 位被置位，所有中断都被屏蔽，直到用软件去清除x 位。但是此后再也 不能通过软件屏蔽这个中断，即不能将x 位鼍位。煳q 是电平触发，可以将多 个中断源通过一个上拉电阻构成线或( w i r e d - o r ) 网络连接到该引脚。 2 3 7 模式选择引脚 m o d a l 1 r 和m o d b y ) m 6 8 h c l l 系列单片机一般有四种工作模式，测试模式，特殊自引导模式， 扩展工作模式和单片工作模式。具体处于那一种工作模式是由单片机复位期间 m o d a 和m o d b 引脚的电平来决定的。具体对应关系如表2 1 所示。 表2 1 模式选择引脚与工作模式的关系 输入 工作模式 m o d am o d b 10 单片模式 1l 扩展模式 00 自举模式 o1 羽i 试模式 单片模式就是单片机只使用内部存储器，对外不提供地址和数据总线，所有 口线都作为通用i o 或者使用其第二功能。自举模式是单片机启用内部的白举 r o m ，复位时中断向量从自举r o m 中取得，并且执行自举r o m 中的程序，通 过s c i 口将外部程序读到内部r a m 中然后执行。扩展模式是单片机对外提供地 址和数据总线，用于外接存储器。测试模式主要是单片机生产商用来测试单片机。 因为m c 6 8 h c l l k l 单片机没有内部r o m ，所以实际上它不能工作在单片模式 下，必须需要外接程序存储器。在本系统中，m c 6 8 h c l l k i 单片机工作在扩展 模式下。 当m c 6 8 h c l l k l 工作在扩展模式下时，b 口为高8 位地址线，f 口为低8 第9 页 第二章m c 6 8 h c l l k i 的介绍 位地址线，c 口为8 位数据总线，r t w 引脚控制c i ：1 的数据方向。在扩展工作 模式下，m c 6 8 h c l l k l 还可以激活片内的存储器扩展逻辑，来访问超过6 4 k 字 节的外部存储器。利用扩展地址线和片选信号，m c 6 8 h c l l k l 总的寻址范围可 以达到l 兆字节。 复位结束后，引脚m 优m ，面瓦和m o d b v s r e ，不再影响单片机的工作模式。 2 3 8v r h 和v r l 这两个引脚为单片机内部的a d 转换器提供参考电压。v 叫琊v r l 分别接参 考电压的高低电平，一般v r l 接地，v r h 接v c c 。 2 3 9p g 7 1 r 一w 这个引脚根据单片机工作模式的不同提供两种功能。当单片机工作在单片或 自举模式时，这个引脚是g 口的第八个i o 口。当单片机工作在扩展或测试模式 时，这个引脚作为读写功能选择端，它控制扩展数据总线的数据方向，和e 时 钟配合可是实现对外部存储器的读写。 2 3 1 0 输入输出口 m 6 8 h c l l k l 有七个8 位输入输出口：a ，b ，c ，e ，f ，g 和h ，还有个 6 位输入输出口：d ，其中a ，b ，c ，d ，f ，g ，h 口为双向口，e 口只能作为 输入口。根据单片机所处的工作模式和选择的外围电路，这些口线能够完成除i o 功能之外的其他功能，如表2 - 2 所示。 表2 - 2m c 6 8 h c l l k l 端口信号功能 端口，口线单片和自引导模式扩展和潮试模式 p a 0p a 0 i c 3 ( 输入捕捉3 ) p a lp a l n c 2 p a 2p a 2 ，i c l p a 3p a 3 ，o c 5 ( 输出比较5 ) i c 4 或o c l p a 4p a 4 o c 4 或o c l p a 5p a 5 ，o c 3 或o c l p a 6p a 6 ，o c 2 或o c l p a 7p a 7 p a i 或o c l p b 7 ：o 】p b 【7 ：o 】a d d r 1 5 ：8 p c i 7 ：0 】p c i 7 ：0 】d a t a 7 ：0 】 p d 0p d 0 ，i h d p d lp d l ，r x d p d 2p d 2 ，m i s o p d 3p d 3 m o s i p d 4p d 4 1 s c k 第1 0 页 第二章m c 6 8 h c i1 k i 的介绍 p d 5p d 5 s s p e 7 ：o 只能输入或a 肥!融陕模拟输入端 p f 7 ：0 】p f 7 ：0 】a d d r 7 ：0 】 p g 0p g 0p g 0 a 1 3 p g lp g lp g l ，x a l 4 p g 2p g 2p g 2 黜1 5 p g 3 p g 3p g 3 ) ( a 1 6 p g 4 p g 4p g 4 ，x a l 7 p g 5p g 5p g 5 x a l 8 p g 6p g 6p g 6 p g 7p g 7p g 7 序v w p h op h o ，p w lp h 讲p w l p h lp h l ，p w 2p h l 伊w 2 p h 2p h 2 ，p w 3p h 2 伊w 3 p h 3p h 3 ，p w 4p h 3 p w 4 p h 4p h 4p h 4 ，c s i o p h 5p h 5p h 5 c s g p l p h 6p h 6p h 6 c s g p 2 p h 7p h 7p h 7 c s p r o g a 口是一个8 位的通用i o 口，它有一个数据寄存器( p o r t a ) 和数据方向 寄存器( d d r a ) 。a 口的第二功能是基于1 6 位时钟系统的输入捕捉和输出比较 功能。系统复位时，a 口是高阻输入端。当禁止a 口的时钟功能时，d d r a 寄 存器控制a 口的状态。 当b 口为通用i o 口时，它的功能与a 口相同。当单片机工作于单片模式时， b 口是通用i o 口，当单片机工作在扩展模式时，b 口是地址总线的高8 位地址 啊。b 口在单片机内部包含上拉器件，可以通过软件配置决定是否使用上拉器件。 当作为通用t o 时，c 口与a 口相同。当单片机工作在单片模式时，c 口是 通用i o 口，当单片机工作在扩展模式时，c 口是8 位数据总线。 当d 口为通用i o 口时，与a 口相同。d 口还可以用作异步串行通信接口 ( s c i ) 和同步串行外围设备接口，便于m c 6 8 h c l l k l 与其他外设进行通信。 e 口只有输入功能，可以作为通用输入脚或者作为a d 转换器的的输入脚。 f 口为通用i o 口时与a 口功能相同。当单片机工作在单片模式时，f 口为 通用i o 口，当单片机工作在扩展模式时，f 口为低8 位地址。与b 口相同，f 口内部也设置了上拉器件。 在单片模式下，g 口只作为通用i o 口使用。当单片机工作在扩展模式时， g 口可以使用其第二功能。第8 位作为读写( r w ) 信号线，第7 位为通用i o ， 其余6 位可以作为地址扩展线使用，提供存储器扩展能力。g 口内部也设置了上 拉器件，同b 、f 口。 第1 1 页 第二章m c 6 8 h c l l k i 的介绍 h 口为通用i o 口时，与a 口功能相同。h 口还具有片选和脉宽调制输出功 能。p h 0 到p h 3 可以输出四路脉宽调制信号，p h 4 可以作为i o 片选，p h 5 和 p h 6 可提供两条通用片选，而p h 7 可以用于程序片选。h 口也包含上拉器件。 2 4 片内存储器 m c 6 8 h c i1 k 1 的片内存储器包括1 2 8 字节的寄存器，7 6 8 字节的r a m 和6 4 0 字节的e e p r o m ，c o n f i g 寄存器是一个单独的e e p r o m 字节。 $ 1 0 0 0 s a 0 0 0 1 2 8 1 5 心 x 口0 d 寄存器 e x t | x 0 7 f 忒 ji f x 0 8 0 7 6 8 1 5 x 3 7 fr a m | j 虹) 8 06 4 吩 酽p r d m 虾f f a 0 0 0 | b e 0 0 了 b f c 0 b f f f l f f c 0 f f f f l f f f f 单片梗式扩展梗式自引导启动测试覆式 图2 3m c 6 8 h c l l k x 内部存储器映射 无论m c 6 8 h c l l k l 工作在哪种模式，它的片内资源都映射到相同的地址， 如图2 - 3 所示。单片机复位后1 2 8 字节的寄存器块的地址初始化在$ 0 0 0 0 $ 0 0 7 f ， r a m 的地址被初始化在$ 0 0 8 0 一$ 0 3 7 f 。通过设置寄存器i n i t 中，可以将寄存器 块重新映射到任何4 k 地址空间的起始处( $ x 0 0 0 ) ，将r a m 重新映射到其他任 何4 k 地址的起始处。如果r a m 和寄存器被映射到了相同的4 k 地址块的起始 边界，寄存器具有高的优先极，r a m 的起始地址被重新映射为$ x 0 8 0 ，否则r a m 的起始地址为$ x 0 0 0 。 通过设置c o n f i g 寄存器允许e e p r o m 映射到地址空间中时，单片机复位 后它的缺省起始地址为$ 0 d 8 0 。通过设置i n i t 2 寄存器，e e p r o m 可以像r a m 和寄存器一样被重新映射到任何4 k 地址块的s x d 8 0 一$ x f f f 处。 第1 2 页 第二章m c 6 8 h c i i k i 的介绍 在单片模式和扩展模式下，寻址空间的$ f f c 0 $ f f f 9 是系统的中断向量表， 存放着各种中断的服务程序的起始地址。s f f f 0 $ f f f f 是系统的兰个复位向量， 存放着系统程序的起始地址，其中$ f f f e $ f f f f 是上电复位或者外部硬件复位的 复位向量。因为m c 6 8 h c ( 7 ) 1 1 k 4 包含图2 - 3 中的2 4 k b 片内r o m e p r o m ，中 断向量和复位向量位于片内r o m e p r o m 中；而m c 6 8 h c l l k l 并不包含片内 r o m 存储器，中断向量和复位向量只能位于外部存贮器中。 这里再简要介绍一下c o n f i g 寄存器，c o n f i g 寄存器是由一个e e p r o m 字节( 独立于6 4 0 字节e e p r o m 阵列) 、在工作时保持有c o n f i o 寄存器设置 信息的静态锁存器和有关的逻辑电路组成。主要用于允许或禁止片内r o m 、 e e p r o m 、c o p 监视系统和m c u 的e e p r o m 保密特性。利用e e p r o m 实现 的c o n f i g 寄存器，即使在m c u 掉电，仍保存系统控制逻辑。改变c o n f i g 寄存器不立即影响m c u 操作，只有到下一次复位时才发生影响。 2 5 存储器扩展和片选信号 存储器扩展能力是m c 6 8 h c l1 k 1 单片机相对于其他m 6 8 h c i1 系列单片机 的新增功能。m c 6 8 h c l l k l 使用基于寄存器的分页技术，在原有的6 4 k b 寻址 能力的基础上利用额外的扩展地址线将寻址能力扩大到了1 兆字节。 为了实现存储器扩展，m c 6 8 h c l l k l 内部增加了两个控制块，一个在需要 的时候提供额外的地址线，另一个直接提供片选信号以简化单片机与相应的存储 器的接口电路。这两个控制块都可以通过设置相应的寄存器来进行控制。 2 。5 1 扩展寻址 存储器扩展是通过控制单片机的扩展地址线实现的。m c 6 8 h c l l k l 的g 口 是内部集成了上拉电阻的8 位并行i o 口，其低六位p g 5 0 1 可以用作扩展地址 线x a 1 8 - 1 3 ，其中x a 0 5 1 3 可以取代正常地址线a d d r 1 5 - 1 3 】。g 口中哪些 管脚用作扩展地址线，由寄存器p g a r 决定的。 m c 6 8 h c l l k l 需要扩展寻址时，把所要访问的存贮器分成若干个大小相同 的存贮器小块。这些存贮器小块的低位地址相同，通过改变扩展地址线的电平， 任意选中其中的- 4 , 块( 称为页b a n k ) ，放到6 4 k 字节寻址空间的某段区间内被 访问。这段地址区间称作扩展窗口。在某一时刻，c p u 只能访问其中一页。 m c 6 8 h c l l k x 最多可设置两个扩展窗口，定义为窗口1 和窗口2 ，每个扩展 窗口的大小可定义为8 k ( 最多6 4 页) 、1 6 k ( 最多3 2 页) 、3 2 k ( 最多1 6 页) 字节。因为每个窗口都可使用x a 1 8 1 3 1 ，故每个扩展窗口最多可扩展2 ”= 5 1 2 k 字节存贮器，系统总共可扩展成1 m 字节。扩展窗口的起始地址是窗口大小的整 第1 3 页 第二章m c 6 8 h c i i k l 的介绍 数倍，如8 k 字节的窗口的起始地址是$ 0 0 0 0 、$ 2 0 0 0 、$ 4 0 0 0 、$ e 0 0 0 。但有一 种例外情况，3 2 k 字节窗口的起始地址还可定义在$ 4 0 0 0 处。 如果窗口l 和窗口2 在地址上相互重叠了，窗口1 有较高的优先权，窗口2 中没有被覆盖的部分仍然可以被访问。如果窝口和片内的寄存器、r a m 或者 e e p r o m 地址重叠了，则被覆盖的寄存器、r a m 或e e p r o m 部分出现在扩展 存贮器的每一页中。如果片内的r o m e p r o m 和窗口地址重叠了，则 r o m e p r o m 只出现在x a 1 8 ：1 6 1 = o ：o ：o 的那一页。 地址线a d d r 的个数确定了扩展窗口的大小，扩展地址线x a 的个数确定 了页的多少( 如表2 - 3 所示) 。在自动门控制系统中，我们扩展了1 2 8 k 字节的外 部e p r o m ，分成4 个3 2 k 字节的页，就采用了低位地址线a d d r 1 4 ：o 】和扩展 地址线x a 1 6 ：1 5 。寄存器m m l c r ( x _ l 或2 ) 中某些位的状态对应着扩展地址 线的电平，从而决定了当前窗口中的内容是第几页。寄存器m m l c r 决定了扩 展窗口1 中的内容，而m m 2 c r 决定了扩展窗口2 中的内容。扩展窗口相关的 设置见第五章5 1 节。 表2 - 3 扩展地址线的使用 页数窗口大小 8 k b1 6 k b3 2 k b 3 2 k b ( 基址$ 4 0 0 0 1 2 a d d r 1 2 ：0 a d d r 1 3 ：0 1a d d r 1 4 ：0 1a d d r 1 3 ：0 x a l 3x a l 4x a l 5 x a 1 5 ：1 4 1 4 a d d r 1 2 ：0 】a d d r 1 3 ：0 a d d r 1 4 ：0 】a d d r 1 3 ：0 x a 1 4 ：1 3 x a 1 5 ：1 4 x a 1 6 ：1 5 1x a 1 6 ：1 4 1 8 a d d r 1 2 ：) 】a d d r 1 3 ：0 】a d d r 1 4 ：0 】a d d r 1 3 ：0 x a 1 5 ：1 3x a 1 6 ：l4 】x a 【1 7 ：1 5 1x a 1 7 ：1 4 1 1 6 a d d r 1 2 ：0 1a d o r 1 3 ：0 a d d r 1 4 ：0 1a d d r 1 3 ：0 1 x a 1 6 ：1 3 】x a l l 7 ：1 4 x a 1 8 ：1 5 1x a 1 8 ：1 4 1 3 2 a d d r 1 2 ：0 】a d d r 1 3 ：o 】 x a 1 7 ：1 3 x a 1 8 ：1 4 6 4 a d d r 1 2 ：0 】 x a 1 8 ：1 3 】 2 5 2 片选 m c 6 8 h c l l k l 直接提供了四条可编程的片选线，即程序存贮器片选 压两i 石矿、通用片选g p c s l 和g p c s 2 、f o 片选i o c s 。通过改写相应寄存器， 每个片选就具有确定的地址区间，c p u 访问这段地址时，该片选有效。这样， 系统就节省外围译码电路等硬件开销。 c s p r o g 连接到外部r o m ( e p r o m ) 的片选端，且低电平有效。通过软 件设置，c s p r o g 有效的地址区间可定为$ 0 0 0 0 $ f f f f ( 6 4 k b ) 、$ 8 0 0 0 $ f f f f ( 3 2 k b ) 、$ c 0 0 0 一$ f f f f ( 1 6 k b ) 或$ e 0 0 0 $ f f f f ( 8 k b ) 。也可以禁用c s p r o g 。 第1 4 页 第二章m c 6 8 h c l l k i 的介绍 由于m c 6 8 h c