（电气工程专业论文）基于at89c55wd单片机的机电产品控制器开发.pdf

t h ec o n t r o l e rd e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c t s b a s e do na t 8 9 c 5 5 w d s i n g l ef l a tm a c h i n e a b s t r a c t t h i sa r t i c a ld e s i g n st h ec o n t r o l l e ro fm a c h i n e _ e l c c t r o n i cp r o d u c t sb a s e do n s i n g l ec h i pc o m p u t e ra t 8 9 c 5 5 w d ，w h i c hc a l lb eu s e di nt h ei n t e l l i g e n c ea n ds o m o i n d u s t r i a le l e c t r o n i ce q u i p m e n t sm e l t sa n du p g r a d i n g i ti se c o n o m i c a l ，s m a l li nb u l k ， s t e a d y ，e t c ，w h i c hc a i lb o t he c o n o m i z et h ec o s ta n dm a k et h ef u l lu s eo f r e s o u r c a s ，a s w e l la se n h a n c eo nt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a su s e di nt h ed e s i g no ft h ee m b e d s y s t e m t h ed i g e s t e l a b o r a t e st h e d e v e l o p m e n t o fs i n g l ec h i pc o m p u t e r a t 8 9 c 5 5 w dw i t hc m o sb y t e si nh i g hf u n c t i o n ，w h i c hi sb a s e d0 1 1l o w v o l t a g e t h i sd e s i g nh a st h ef u n c t i o no fs i m u l a n ta n dd i g i t a li n p u t - o u t p u tw h i c hu s e s s t a n d a r dk e y b o a r da si n p u te q u i p m e n ta n dt h ed i s p l a yo fl i q u i dc r y s t a l ，h a v ep r i n t e r i n t e r f a c ea n d4 8 5c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf u n c t i o n s a u t h o rh a sc a r r i e do u tc o m p l e t e c i r c u i td e s i g ni np a p e rw o r kf o rt h i se o n t r o l e r , h a v ea l l o c a t e da sf a r 黜p o s s i b l e h u m a nn a t u r et h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c et h a tm e l t s h a v ed e s i g n e dc o r r e s p o n d i n g s o f t w a r es y s t e m k e y w o r d s ：h a r d w a r ei n t e r f a c e ，s i n g l ec h i pc o m p u t e r , b u sd e s i g n 插图清单 图2 1a t 8 9 c 5 5 w d 的引脚5 图2 2 硬件结构6 图2 3 主程序流程。7 图3 ia d 7 8 9 0 的内部结构框图8 图3 2 硬件连接示意图1 0 图3 3 d 7 8 9 0 转换的c 5 1 函数程序框图1 1 图4 1 单片机的总线结构1 2 图4 2r s 一4 8 5 点对多点两线半双工通信连接示意图1 3 图4 3 串口通信的连接电路1 4 图5 1 该模块与上位单片机系统的连接关系及信号定义1 5 图5 2 键盘接口时序1 6 图5 3 单片机系统与标准p c 键盘接口模块原理框图1 6 图5 4 主程序流程图1 9 图6 1 模块结构原理2 1 图6 2 显示器接口电路2 2 插表清单 表4 1r s 2 3 2 引脚分配。1 3 表4 2r s 4 8 5 输出信号及接线端子引脚分配。1 3 表6 1t 6 9 6 3 c 的引脚功能2 l 表6 2 引脚信号功能2 1 表6 3 指令表。2 3 表6 4 面板2 6 线扁平双排的引脚序号2 4 表6 5 面板2 6 线并口各引脚信号定义2 5 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及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金壁圣些盘堂 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同丁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谢意。 糊姗张蟓锨劈期：碍d 如 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金罡王塾占堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权盒壁王些太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 糊张，掀笏 觥名：族牵怨 签字日期加晤j _ 月2 站 签字日期易阴7 年月日 7 学位论文作者毕业后去向： 一 工作单位：癌膀奠水扫1 舡t 龟钐，垃雌阻电话：吐皇i - ，7 缪7 怄 通讯地址：翩二十1 葺左艨女一) p 咤店p 受一 邮编：工号d 易d i 致谢 本论文是在张崇巍导师的精心指导、帮助下完成的。 张崇巍导师在工作紧张、科研繁忙的情况下，能够抽出时间，以其渊博的 学识、严谨的治学态度、精益求精的秘研工作作风、高度的责任心，给予悉心 指导和大力支持，倾注了大量心血，不仅使本人顺利的完成了课题及论文，而 且开拓了思路、丰富了知识面。在此谨向尊敬的导师表示衷心的感谢和敬意。 最后，向所有给予本人在研究生学习期间关心、支持、理解和帮助的老师 们表示诚挚的谢意。 作者签名： 2 0 0 7 5 鼋。锨荛 第一章引言 1 1 课题的提出意义与研究的意义 在当前工业电子设备和控制系统开发的一个方案是采用p c 机作为核心，其 优点是可以利用其强大的软硬件资源来实现各种先进功能并提高开发速度。这 在一定程度上造成资源的浪费，提高了产品成本，另外p c 机对运行环境的要求 较高，在一些恶劣的环境中非常的不稳定，可能会给生产带来不必要的损失。 实际上很多产品的控制完全可以由单片机实现。单片机拥有经济、体积小、 稳定等特点。这样既可以节省成本，充分利用资源，又可以提高系统的可靠性， 最大限度地减小工作环境带来的影响。 在传统的计算机结构中，c p u 、存储器、定时器、中断控制器和i o 接口等 均是分立的芯片，其优点是具有配置上的灵活性，但是由于器件数量多，连线 复杂等导致成本、体积和可靠性等一系列弱点。而将上述各组成部分制作在一 个芯片中，使一个芯片实现一个计算机系统的功能，这就形成了单片机的概念。 单片机的应用具有无比的优异特点，是计算机技术发展上的一个重要里程碑。 单片机为计算机技术的普遍应用，进入无以计数的设备和用具，进入千家万户 做出了巨大的贡献。 目前，世界上所生产的c p u 产品中，只有少量是p e n t i u m 一类的主机芯片， 而称为单片机或微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) 的芯片占到9 5 以上，基于单片机 设计现代工业设备、商业机器和日用家电从而使之智能化，形成了计算机应用 的一个重要领域嵌入式系统的开发和设计。 单片机也可以非常方便地完成输入输出功能，单片机的存储功能和网络功 能也在不断得到完善。从发展趋势来看，单片机将能够不断满足产品的升级换 代，具有很高的应用价值，也必将受到各行业技术发展的重视。 本选题试图通过一款单片机a t 8 9 c 5 5 w d 的应用开发，探索一个基于单片 机的机电产品的基本概念、基本原则、基本框架和基本设计，以便实现有关机 电产品的智能化和升级换代。 1 2 单片机的发展概况和发展趋势 1 2 1 单片机的发展概况 单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代，如f a i r c h i d 公司研制的f 8 单片微型计算机。 1 9 7 6 年i n t e l 公司推出了m c s 4 8 单片机，在m c s - 4 8 的带领下，其后，各大 半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，像z i l o g 公司的z 8 系列。到了8 0 年代初，单片机已发展到了高潮，这时i n t e l 公司的m c s 5 1 系列，m o t o r o l a 公司的6 8 0 t 和6 8 0 2 系列。r o k w e l l 公司的6 5 0 1 及6 5 0 2 系列等都风行一时。此 外，日本的著名电气公司n e c 和h i t a c h i 都相继开发了具有自己特色的专用 单片机。 8 0 年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个 系列，3 0 0 多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了c p u 、 r a m 、r o m 、数目繁多的i o 接口、多种中断系统，甚至还有一些带a i d 转换 器的单片机，功能越来越强大，r a m 和r o m 的容量也越来越大，寻址空间甚 至可达6 4 k b ，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多 家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。 九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发 了功能更为强大的单片机。美国m i c r o c h i p 公司发布了一种完全不兼容m c s 5 1 的新一代p i c 系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有3 3 条精 简指令集吸引了不少用户，使人们从i n t e l 的1 1 1 条复杂指令集中走出来。p i c 单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。 随后，更多的单片机种蜂拥而至，m o t o r o l a 公司相继发布了m c 6 8 h c 系列单片机，日本的几个著名公司都研制出了性能更强的产品，但日本的单片 机般均用于专用系统控制，而不像i n t e l 等公司投放到市场形成通用单片机。 例如n e c 公司生产的u c o m 8 7 系列单片机，其代表作u p c 7 8 1 1 是一种性能相当 优异的单片机。m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 0 5 系列其高速低价等特点赢得了 不少用户。 1 9 9 0 年美国i n t e l 公司推出了8 0 9 6 0 超级3 2 位单片机引起了计算机界的 轰动，产品相继投放市场，成为单片机发展史上又一个重要的里程碑。 此期间，单片机园地里，单片机品种异彩纷呈，争奇斗艳。有8 位、1 6 位 甚至3 2 位机，但8 位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支 持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。而i n t e l 公司凭着他们雄厚的 技术，性能优秀的机型和良好的基础，目前仍是单片机的主流产品。只不过是 九十年代中期，l n t e l 公司忙着开发他们个人电脑微处理器，已没有足够的精 力继续发展自己创导的单片机技术，而由p h i l i p s 等公司继续发展c 5 1 系列单 片机。 1 2 2 单片机的发展趋势 现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公 司都推出了自己的单片机，从8 位、1 6 位到3 2 位，数不胜数，应有尽有，有与 主流c 5 1 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机 的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势， 大致有： 1 ) 低功耗c m o s 化 m c s 5 1 系列的8 0 3 1 推出时的功耗达到6 3 0 m w ，而现在的单片机普遍都在 1 0 0 r o w 左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本 都采用了c m o s ( 互补金属氧化物半导体工艺) 。像8 0 c 5 1 就采用了i - r m o s ( b p 高 密度金属氧化物半导体工艺) 和c h m o s ( 互补高密度金属氧化物半导体工艺) 。 c m o s 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而c i - i m o s 则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电 的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 2 ) 微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器( c p u ) 、随机存取数据存储 ( r a m ) 、只读程序存储器( r o m ) 、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、 时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如a d 转换器、 p m w ( 脉宽调制电路) 、w d t ( 看门狗) 、有些单片机将l c d ( 液晶) 驱动电路都集成 在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单 片机厂商还可以根据用户的要求量身定做。制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强 和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其 中s m d ( 表面封装) 越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发 展。 3 ) 主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以8 0 c 5 1 为核心的单片机占 主流，兼容其结构和指令系统的有p h i l i p s 公司的产品，a t m e l 公司的产品和 中国台湾的w i n b o n d 系列单片机。所以c 8 0 5 1 为核心的单片机占据了半壁江山。 而m i e r o e h i p 公司的p i c 精简指令集( r t s c ) 也有着强劲的发展势头，中国台湾的 h o l t e k 公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的 市场分额。此外还有m o t o r o l a 公司的产品，日本几大公司的专用单片机。 在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断 局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。 1 2 3 单片机的运用领域 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备 的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1 ) 在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便 等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、 功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压 力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化， 且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备( 功率计，示 波器，各种分析仪) 。 2 ) 在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线 的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制 系统等。 3 3 ) 在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗 衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花 八门，无所不在。 4 ) 在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信， 为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备 基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自 动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群 移动通信，无线电对讲机等。 5 ) 单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪， 监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十 分广泛的用途。 1 3 本课题研究的主要工作 本课题的主要工作是实现一个基于单片机a t 8 9 c 5 5 w d 的控制器设计，它 可以替代p c 机执行部分控制功能。该控制器利用标准键盘作为输入设备、液晶 显示器作为显示设备，完成一定的控制任务。 该控制器的开发还要设计出对应的软件系统，形成尽可能盼人性化的操作 和用户界面。控制器具备在p c 机监控下的单片机控制网络。开发任务主要包括 以下几个方面： 1 ) 单片机控制硬件系统开发。包括单片机控制网络及与p c 机的交互； 2 ) 单片机与p c 标准键盘、微型打印机及液晶显示的硬件接口以及周围相 应的电路设计； 3 ) 单片机控制软件系统开发。包括单片机控制网络的协调及实现p c 机的 监控； 4 ) p c 标准键盘的初始化及控制、对液晶显示控制以及控制整个系统运行的 软件设计； 5 ) 此控制系统的软、硬件综合调试。在星研仿真器环境下使用c 语言把软、 硬件两部分有机的结合起来，通过调试实现p c 键盘和液晶显示在所设计的单片 机环境下正常运行。 4 第二章控制器的总体设计 2 1a t 8 9 c 5 5 w d 单片机应用特点 a t 8 9 c 5 5 w d 是一个低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含2 0 kb y t e s 的可反复擦写的f l a s h 只读程序存储器和2 5 6b y t 鼯的随机存取数据存储器 ( r a m ) ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 m c s 5 1 指令系统，引脚兼容工业标准8 9 c 5 1 和8 9 c 5 2 芯片，采用通用编程方 式，片内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，内置功能强大的微处理器的 a t 8 9 c 5 5 可提供许多高性价比的解决方案，适用于多数嵌入式应用系统。 a t 8 9 c 5 5 w d 有4 0 个引脚，3 2 个外部双向输入，输出( i o ) 端口，同时内 含2 个外中断1 ：3 ，2 个1 6 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信1 ：3 ，2 个读 写口线，片内时钟电路。 a t 8 9 c 5 5 w d 采用两种软件控制其进入省电睡眠模式的静态逻辑工作闲置 方式设计，可以用r a m 、定时计数器、串行口和外部中断唤醒睡眠状态而继续 工作，在睡眠模式下，r a m 被冻结，其他功能全部停止，直至下个外中断触发 或硬件复位方可开始运行。 特别是可反复擦写的f l a s h 存储器可有效地降低开发成本。 a t 8 9 c 5 5 w d 具有p l c c 、p d i p 和t q f p 三种封装形式，以适应不同产品的 需求。以下为p d i p 封装形式的引脚定义： t 2 ，p 1 0 t 2 x ，p 1 1 p 1 2 p 1 3 p 1 4 p 1 5 p 1 6 p l 。7 r s t 矗x d ，p 3 0 t x d ，p 3 1 丽，p 3 2 丽，p 3 3 t o p 3 4 一t t p 3 5 田r ，p 3 6 面，p 3 7 x t 且l 2 x t 直l i p ：d i p g i i d v c c p 0 。0 直d 0 p 0 。l ，a d i p 0 2 ，a d 2 p 0 3 ，a d 3 p 0 4 ，a d 4 p 0 5 ，a d 5 p 0 6 ，a d 6 图2 1a t 8 9 c 5 5 w d 的引脚 a t 8 9 c 5 5 w d 的主要功能特性： 兼容m c s 5 1 指令系统 3 2 个双向f o 口 5 5 4 3 2 1 0 llllll亭8血aaa矗aa，765432i0 22222222p p p p p p p p 彻盼”；8弱辫；：；裁钉如曲拍盯雒跖斟牡烈 。2 0 0 0 6。8拿”n姑”h：2蝽懈”罅 3 个1 6 位可编程定时计数器中断 2 个串行中断 2 个外部中断源 2 个读写中断口线 片内时钟电路 4 - 5 5 vt 作电压范围 2 0 k b 可反复擦写( 1 0 0 0 次) f l a s hr o m 2 5 6 x 8 b i t 内部r a m 2 2 控制器的硬件结构 图2 2 硬件结构 控制器中单片机与p c 键盘、液晶显示模块及微型打印机及控制插口组成可 独立完成控制任务的控制模块。这里特别要指出是，由于显示器和打印机都采 用并口通信，这就势必导致单片机口线不够。所以控制器中，显示器和打印机 分时复用p 0 和p 3 的部分口线( 接口电路在第五章叙述) 。 以显示器和打印机为例，p 2 0 接显示器接口模块的5 7 3 a 使能端，同时p 2 0 经非门接打印机模块的5 7 3 b 使能端。由于5 7 3 使能端低电平有效，所以p 2 0 置低时，选通5 7 3 a ，此时，数据口控制显示器，5 7 3 b 处于锁存状态，打印机与 数据口p 0 隔离，p 2 0 置1 时，5 7 3 a 处在锁存状态，显示器被隔离，p 2 0 而经 非门之后，5 7 3 b 则处于连通状态，控制打印机。 5 7 3 引脚功能如下： 6 1 7 3 位# ( s s ) 7 1 s 5 7 37 4 l s 5 r 3 其中g 为使能端。 2 3 控制器的软件结构 本控制器在星研开发环境下调试，为了提高通用性和再开发速度，系统采 用c 语言编程。 主程序流程图如图所示： 图2 3 主程序流程 系统初始化主要包括，单片机复位、显示器复位。 第三章控制器的i o 通道设计 3 1 a d 转换器的内部结构及引脚功能 控制器的i o 通道采用串行数模转换，它减少了器件间的硬件连接，特别 适用于电路空间较小且数据采集速率要求不是特别高的场合。当然，硬件的简 化也相应提高了使用的复杂程度。所以采用a d 7 8 9 0 型串行数模转换器。 a d 7 8 9 0 是美国a n a l o gd e v i c e s 公司于2 0 世纪9 0 年代末推出的一款8 通道 1 2 位串行a d 转换器。其主要性能特征包括：a d 转换时间较快( 9 5s ) ；功 耗较低( 最大5 0 r o w ，体眠状态下7 5l iw ) ；信噪比较高( 大于7 0 d b ) ；总谐 波失真小( 不大于- - 7 8 d b ) ；内置跟踪保持放大器，片上参考电压；具有高速、 灵活的串行接口等。 圈3 1 示出a d 7 8 9 0 的内部功能框图，由图3 1 可知a d 7 8 9 0 内部含有相应 的信号调理( 对于a d 7 8 9 0 5 和a d 7 8 9 0 1 0 ) 、多路开关、跟踪保持放大器、通 用串行接口及参考电源等，给用户的使用带来极大的方便。特别是电路中的多 路开关输出( m u xo u t ) 和跟踪保持输入( s h a i n ) 采用分离的独特设计， 使用户在二者间采用1 个外部滤波电路就可完成全部8 个通道的抗混叠处理。 g 4 1 ) a g e di g n 0c l s c l k 下舄i f sd a t ad j t t as ( o d e l ko e ti 辩 图3 1a d 7 8 9 0 的内部结构框图 电路的s m o d e 端是工作模式的控制输入端，用户可以用其指定器件内部 8 时钟( 主) 和外部时钟( 从) 的工作模式。采用外部时钟工作模式时，用户需 提供读写数据的帧同步和串行时钟信号s c l k ，其串行脉冲频率最大可以达到 1 0 m h z 。采用内部时钟模式时，a d 7 8 9 0 本身向系统提供帧同步行时钟，此时的 工作频率取决于c l ki n 引脚输入的主时钟频率。电路的8 路模拟输入端为 v i n l v i n 8 ，由多路开关根据3 位通道地址选择，多路切换时按先开后合方式 操作。r e fo u t r e fi n 是参考电压输出，输入端。使用外部参考电压时外部+ 2 5 v 参考电压由该端接入，而使用内部参考电压时需要在该端和模拟地a g n d 之间接入一只0 1p f 的电容器。 a d 7 8 9 0 通过片内的高速双向串行数据接口成输出数据和接收控制字。其控 制寄存器由a 2 、a i 、a 0 、c o n v 、s t b y 这5 位组成，各位的默认状态均为0 。 其中a 2 、a 1 、a 0 分别为多路开关通道地址选择的最高位、次高位和最低位。 通道选择算法为：被选通道号= a 2 * 4 + a i + 2 + a 叶l 。控制字送入控制寄存器，器 件即开始启动内部延时脉冲，该脉冲宽度取决于c e x t 引脚的电容值，用户可 以根据外部滤波和信号处理的实际延时，适当调节该电容值，确保在a d 转换 开始前有足够的时间进行多路转换建立和跟踪保持的采集。该内部延时脉冲时 间到后，跟踪保持器立即进入保持状态并且开始启动1 2 位a d 转换器的本次 操作。 控制寄存器中的c o n v 为转换开始状态位，为1 时表示进入转换状态，与 c o n v s t 引脚输入效果完全相同。在向c o n v 写操作( 写1 ) 的第6 个串行时 钟周期结束后内部延时脉冲开始启动，转换过程开始。另外，在c o n v 为1 时， c o n v s t 的输入命令无效。s t b y 为休眠状态位，该位为1 时，电路处于低功 耗休眠状态。电路在写操作s c l k 的第7 个脉冲下降沿进入休眠。因此，系统 向a d 7 8 9 0 写操作至少需要6 个时钟脉冲，使其休眠的写操作至少需要7 个时钟 脉冲。如果在6 个时钟脉冲前t f s 回到高电平，则不会有任何数据写入控制寄 存器。但是需要注意的是，当c o n v 位置为l 时，转换过程都会在写操作发生 时开始，无论t f s 的低电平能够保持多少个时钟脉冲。 c o n v s t 为转换开始时的硬件输入端，上升沿触发。a d 7 8 9 0 可以由 c o n v s t 输入或c o n v 位写l 两种方式启动。如前所述，从转换过程开始到正 式启动a d 转换器的时间间隔是由每次串行写操作启动的内部延时脉冲来控制。 这也意味着该脉冲总会给软件启动的转换过程带来一定的延时。若内部延时时 间已到，由c o n v s t 上升沿开始的a d 转换时间为9 5j ls ，跟踪保持器的采 集时间为2 | ls 。另外，为了保证正常的a d 转换，任何串行读写操作均不可在 a d 转换期间及下次转换开始前5 0 0n8 内进行。 a d 7 8 9 0 串行数据输入引脚是d a t a i n ，写操作时通过该引脚向a d 7 8 9 0 控 制寄存器写入数据，写入时用传输帧同步t f s 变为低电平后s c l k 的前5 个下 降沿写入d a t a i n 上串行数据的前5 位。而同一次t f s 中的5 个s c l k 脉冲下 9 降沿以后的串行数据均无效。 串行数据输出引脚是d a t a o u t d ，输出数据由1 位起始位( o ) 、3 位通道 地址和由最低有效位开始的3 1 2 位转换数据共1 6 位组成。输出数据码制，在双 极性输入型( a d 7 8 9 0 1 0 ) 中为补码，在单极性输入型( a d 7 8 9 0 - 4 和a d 7 8 9 0 2 ) 中为无符号的二进制数。 3 2 a d 转换器的软硬件原理 a d 7 8 9 0 在控制器中的连接如图3 2 所示。系统采用外部时钟工作模式，用 8 9 c 5 5 的p 1 3 口作为时钟输出；p 1 0 口连接串行数据输入和输出。也可以应用 单片机的串口r x d 和t x d 连接a d 7 8 9 0 实现数据读写操作，此时需要特别注 意的是a d 7 8 9 0 的串行数据总是最高有效位在前，而8 9 c 5 5 串行通信收发操作 总是最低有效位在前。p 1 1 、p 1 2 分别连接r f s 和t f s 。m u x o u t 和s h a i n 直接连接，这种连接方式的缺点是系统不能同时访问控制寄存器和输出数据寄 存器。内部延时脉冲宽度只需考虑2i ls 的跟踪保持器采集时间，因此电容c 的 最小容值可以为1 2 0 pf 。 + 5 v v 1 n iv t m1 v i n 2s m o d e v i n 3 鸳 v i n 4q m ，1 n 5d g n d n 6 v i n 7c o n v s t 2 3 2 v i n 8c l k i n p 1 3 v i r e f o u t s c u ( s h a i nt f s p 1 2 m u x o u t r f s p 1 i a g n dd a t a o u t p i 0 a g n d d a t a i n- j 图3 2 硬件连接示意圈 软件启动a d 7 8 9 0 转换的c 5 1 函数程序框图如图3 3 所示。执行中由实际参 数传递欲转换的通道地址( 0 x 0 0 0 x 0 7 对应v i n l v i n 8 ) ，将通道地址a 2 、a 1 、 a 0 分别送控制字第7 位、第6 位和第5 位。控制字第4 位置1 作为c o n v 标 志。如果写入的是置电路为休眠状态的命令，则应将控制字第3 位也置为1 。 1 0 通道号移至7 、6 、5 位，第4 位置i l 串行送出8 位控制字 图3 , 3a d 7 8 9 0 转换的c 5 1 函数程序框图 通过p 1 2 置t f s 为低电平，并在s c l k 脉冲作用下串行输出控制字。经过 软件延时等待，延时时间大于内部延时脉冲加5 91 1s 的a d 转换时问。当主频 为1 1 0 5 9 2 m h z 时，8 9 c 5 5 系统的1 个机器周期约为1 0 8 51 1s 。所以执行空操作 至少8 次后再发送r f s 命令，进行读操作。读操作过程中主机在s c l k 脉冲同 步下读入1 6 个串行数据。转换结果在函数返回数字中的低1 2 位中。若采用硬 件启动方式，则需要先将控制寄存器c o n v 标志写0 ，然后用p 3 21 2 1 输出a d 转换启动命令。由于没有加入内部延时脉冲，因此如果不改变转换通道，硬件 启动方式可以得到最快的转换速率。 第四章4 8 5 通信总线接口设计 整个控制器采用总线形式，所有单片机控制模块和p c 机都连接在总线上 其结构如图4 1 所示： 图4 1 单片机的总线结构 为了便于稳定运用，总线采用r s 4 8 5 标准，共包括收、发和地三路。由于 p c 机的串口采用r s 2 3 2 标准，不能与总线所采用的r s 4 8 5 标准兼容，所以在 p c 机与总线之间加入了r s 2 3 2 r s - 4 8 5 转接器。 这里使用u t - 2 0 1 接口转接器。下面作一介绍： 标准串行接口的相互转换，便于配有不同标准串行接口的计算机，外部设 备或智能仪器之间进行远程数据通信。转换器兼容r s 2 3 2 、r s 4 8 5 标准，能够 将单端的r s 2 3 2 信号转换为平衡差分的r s 一4 8 5 信号，转换器可将通信距离延 长至1 2 公里无需外接电源采用独特的“r s 2 3 2 电荷泵”驱动，不需要靠初始 化r s 2 3 2 串口可得到电源，内部带有零延时自动收发转换独有的i o 电路自动 控制数据流方向而不需任何握手信号如( r t s ，d t r ) 等，从而保证了在r s - 2 3 2 半双工方式下编写的程序无需更改便可在r s 4 8 5 方式下运行，确保适合现有的 操作软件和接e l 硬件，转换器传输速率3 0 0 1 1 5 2 b p s 。都可以应用于主控机之间、 主控机与单片机或外设之间构成点到点、点到多点远程多机通信网络，实现多 机应答通信。广泛地应用于工业自动化控制系统、卡通、门禁系统、停车场 系统、自助银行系统、公共汽车收费系统、饭堂售饭系统、公司员工出勤管理 系统、公路收费站系统等等。 性能参数： 1 、接口特性：接口兼容e i a t i a 的r s 2 3 2 c 、r s 4 8 5 标准 2 、电气接口：r s 2 3 2 端d b 9 孔型连接器，r s 4 8 5 端d b 9 针型连接器，配 1 2 接线柱 3 、工作方式：异步半双工差分传输 4 、传输介质：双绞线或屏蔽线 5 、传输速率：3 0 0 1 15 2 k b p s 6 、外形尺寸：6 0 m m * 3 5 m m * l8 n u n 7 、使用环境：2 5 c 到7 0 c ，相对湿度为5 到9 5 8 、传输距离：1 2 0 0 米( r s - 4 8 5 端) 5 米( r s 2 3 2 端) 连接器和信号： 表4 1r s 一2 3 2 引脚分配表4 2r s 一4 8 5 输出信号及接线端子引脚分配 d b 9 f e m a l e r s 2 3 2 ( p i n ) 接口信号 l保护地 接收数据s 蹦 2 ( r x t ) 发送数据s o u t 3 ( t x d ) 4 数据终端准备d t r 5 信号地g n d 6 数据装置准备d s r 7 请求发送r t s 8 清除发送c t s 9 响铃指示r i d b 9 m a l e r s - 4 8 5 半双工接 ( p i n ) 输出信号 线 l t ，r +r s 4 8 5 ( a 十) 2豫 r s - 4 8 5 ( b ) 3r x d +空 4 r x d 空 5g n d地线 6v c c+ 5 v 备用输入电源 以下为r s 4 8 5 点对多点两线半双工通信连接示意图： r s - 4 8 5 设备r s - 4 8 5 设备 r s - 4 8 5 设备 图4 2r s - 4 8 5 点对多点两线半双工通信连接示意图 总线终端必需配以相应得匹配电阻。一般为1 2 0 欧姆。 同时总线控制线接在每个模块的p 3 4 引脚上，在发送数据之前先检测p 3 4 点平是否为低，为低则允许发送，发送之前，p 3 4 点平置高占用总线，发送完 之后则p 3 4 点平置低释放总线。而且每个控制模块都应该定义一个系统中唯一 的编号，发送的数据中第一个数据是模块的编号，这样p c 机就可以识别所接收 的数据是属于哪个模块的，从而监视该模块。而在接收的时候，则可以识别数 据是否由本模块接收。 图4 3 为m a x 4 8 5 与单片机以及m a x 4 8 5 之间与p c 机串口通信的连接电 路图。 图4 3 串口通信的连接电路 m a x 4 8 5 的多机通信时，r s - 4 8 5 一端需要配合适的电阻，这里配1 0 k 阻。 1 4 第五章标准p c 机键盘接口设计 本设计实现了一个接口模块，它将标准p c 键盘发出的位鬣扫描码，变换为 标准的a s c i i 码和o e m 扫描码或w i n d o w s 虚拟键代码，再以并行或串行方式 传送给上位单片机。 5 1接口模块的特点 该模块在p c 键盘与上位单片机之间起转换作用，它屏蔽了与p c 键盘进行 数据和命令交互的复杂过程，大大简化了上位单片机系统的输入设计；它实现 了类似d o s 操作系统中键盘中断服务程序的功能，使设计人员只需关心接收按 键的结果，并可使用标准的键盘编码进行编程；它要求上位单片机通过8 位并 行接口与其相接，对于不能提供并行接口的系统，可使用s p i 兼容的同步串行接 口与其相接，特别是对于那些希望占用单片机的系统资源少而需要扩展的键数 较多、仪器整体需要美观大方的应用场合，其性能价格比更具优势。该模块与 单片机系统的连接关系如图所示，在图中也给出与上位单片机相接的2 0 脚接插 件的信号定义。 5 2 计算机中标准p c 机键盘的工作原理 图5 1 该模块与上位单片机系统的连接关系及信号定义 1 5 k i t 似、rrrrr r rrnn k b 。d a t ! 匝亚工丑互臣正互田互矿 ( 1 k b 似r r r r r rrr rrr k b d a t l 匝匝正丑夏叵巫习丁 b j 图5 2 键盘接口时序( a 1 键盘发送时序：键盘接收时序 图5 3 单片机系统与标准p c 键盘接口模块原理框图 掩群赫镬纷 键盘与主机通过键盘插头相接，键盘插头有5 芯大插头和6 芯小插头( p s 2 接口) 两种。接口信号有：电源、地、键盘时钟k bc l k 、键盘数据k bd a t 。 正常工作时，键盘电路不断地扫描键盘矩阵。若有键按下，则以串行方式发送 按键的位置扫描码给主板键盘接口电路。按下键时，发送接通扫描码，松开键 时，发送该键的断开扫描码。断开扫描码一般是在接通扫描码前加一个断开标 志字节f o h 。若某键一直按下，则以按键重复率连续发送该键的接通扫描码。 扫描码与按键的位置有关，与该键的a s c i i 码并无对应关系。表l 第二列给出 经实际测试得到的若干按键的位置扫描码。由表1 可见，根据键的按下或释放 及所按键的不同，这个序列可以是1 、2 、3 、4 、6 、或8 字节，可称之为位置扫 描码序列。 标准键盘与主机的通信是双向的，并采用1 l 位的串行异步通信格式，这1 1 1 6 位数据包括：起始位0 、8 位数据位( l s b 在先) 、奇校验位p 、停止位1 图2 ( a ) 给出了键盘发送时序。数据( k 8d a t ) 在时钟( k bc l k ) 的上升沿改变，下降沿 时有效，可被主机读取。图2 ( b ) 给出键盘接收时序。主机发送前，先将k b _ c l k 拉低，以抑制键盘发送，再将k bd a t 拉低发送起始位，然后释放k b线，_clk 键盘接管k bc l k 并产生时钟信号，主机在k bc l k 信号同步下发送其他位。 5 3 标准p c 键盘接口模块的工作原理 5 3 1基本工作原理概述 该模块的原理框图如图3 所示。p c 键盘与该模块通过专用插座相连，数据 k bd a t 接到a t 8 9 c 2 0 5 1 的p 3 0 引脚，时钟k bc l k 接到引脚。在p c 键盘有 键按下时，k bc l k 信号会引起a t 8 9 c 2 0 5 1 的连续中断，通过定时器t o 与外 中断的协同工作，可将p c 键盘发出的位置扫描码序列接收至缓冲区中。然后， 在主程序中将位置扫描码解码、查表换算，再编码成一字节的w i n d o w s 虚拟 键代码或两字节的o e m 扫描码与a s c h 码，并存入系统中f i f o 栈。在上位单 片机可以接收新键值时，将f i f o 栈中编码数据以并行或串行方式传送给上位单 片机。 为了能更清楚地指示系统当前的工作状态，在硬件上加装了电源、正在解 码、f i f o 栈溢出、码值准备好等指示灯。 5 3 2中断解码的工作原理 由于键盘的按键输入是随机的，为了能实时地响应，在程序中使用定时器 t o 中断和中断协同工作，将位置扫描码序列恢复至键盘接收缓冲区中。中断服 务程序用来将码值的一位移入缓冲区中，t d 溢出的中断服务程序主要用来判断 一次按键所发出的码是否已全部接收。系统设置t o 的定时间隔为5 m s ，并在系 统启动后就开始定时。由于在正常接收每个按键的码值序列过程中，键盘发送 的每位数据间隔不会大于5 m s ，因此在每次中断服务中，首先要判断t o 是否溢 出过，若曾经溢出，则认为该次中断是一次新码值接收的开始，需将位计数器 清零，否则只需移入一位数据即可，然后重新启动定时器，退出中断服务程序。 在新按键码值序列接收完成后，设置b l n d a t a v a l i d 标志，以通知主程序。 5 3 3 主程序的工作原理 主程序主要有四个任务：将键盘接收缓冲区的位置扫描码通过查表等算 法换成统一编码的一个字节w i n d o w s 虚拟键代码或两个字节的o e m 扫描码与 a s c i i 码；根据系