（电路与系统专业论文）基于MC68HC11K1的自动门控制器的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着经济的发展，自动门的应用也越来越广泛。自动门控制器作为自动门系 统的控制核心，决定了自动门系统的性能。而目前国内自动门控制器市场上多为 国外的产品，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。本论文的任务就是研制出成本低、功能全面、可靠性 高的自动门控制器。 本论文针对自动门控制器的功能和特点，提出了一种基于m c 6 8 h c l l k l 单 片机的自动门控制器解决方案。m c 6 8 h c l l k l 是摩托罗拉公司的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，非常适合应用于自动门控制器，因此我们选用它作为整个系统的控制 核心。本方案的另一个特点是使用复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 实现步进电机 控制电路的脉冲分配功能，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。为了保证系统长期稳定的运行，我们还设计了完善的故障监测( 如过 流保护、过热保护、掉电检测等) 电路来提高系统的可靠性。 论文的第一章讲述了自动门控制器的功能特点和总体结构；第二章概括介绍 了m c 6 8 h c l l k l 单片机；第三章详细介绍了系统的硬件设计方案，调试结果和 一些提高系统可靠性的措施；第四章介绍了本系统的控制软件部分；最后介绍作 者在本课题中已做的工作和本系统的可扩展性。 关键词：自动门控制器单片机 m c 6 8 h c l l k l 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 y , a u t o m a t i cd o o r sa r eb e i n gw i d e l yu s e d a s t h e c o n t r o l l i n g c o r eo 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 rc o n t r o l l e rd e t e r m i n e si t s p 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 eb e e ns o l di no u rc o u n t r y a r em a d eb yf o r e i g nm a n u f a c t u r e s t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s ep r o d u c t si su g h ，b u t t h e y a 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 rc o n t r o l l e r sa r cn o ts o e x p e n s i v e ，h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c e i su n s a t i s f i e da n dt h ef a u l t yr a t ei sh i g h s ow e w a n tt od e v e l o pan 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 rw h i c hi sl o w - c o s t ，p o w e r f u l a n dr d i a b l e a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n sa n df e a t u r e so fa u t o m a t i cd o o rc o n t r o l l e r , w eh a v e d e v e l o p o das o l u t i o nb a s e do nm c 6 8 h c i i k l 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 hi sp 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 n m a n yi n d u s t r yc o n t r o l l i n g f i e l d sb c c a n s eo fi 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 s v 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 ec 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 d s 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 rs o l u t i o ni st h eu s eo fc p l d c p l di su s e d 鹊t h e p u l s eg e n e r a t o ro fs t e p p e r m o t o rc o n t r o l l i n gc i r c u i ta n di th a sb m u g h tu pm a n y m e r i t s s u c ha sl o w - c o s t , h i g h - r e l i a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n ds h o r tt i m e t o m a r k e t w e h 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 ok e e pt h es y s t e mw o r k i n gp r o p e r l y i nal o n gt i m ea n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o l l e rh a sb e e ni m p r o v e d t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sp a p e ri n t r o d u c e sb a s i c a l l yt h ef u n c t i o n sa n df e a t u r e so f t h ea u t o m a t i cd o o rc o n t r o l l e r ；t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e sm c 6 8 h c l l k lm c u g e n e r a l l y ；t h et h i r dc h a p t e rd e s c r i b e si nd e t m l st h ed e s i g na n dd e b u g o fh a r d w a r e s o m em e a s u r e m e n t su s e dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y t h ef o r t hc h a p t e re x p l a i n sh o wt o p r o g r a m t h el a s tp a r ti n t r o d u c e sw h a tt h ea u t h o rh a sd o n ea n dt h ee x p a n s i b i l i t yo f t h i ss y s t e m 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 um c 6 8 h c l l k l 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，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的柑料。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：二j 罕签字目期：7 邙年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘注盘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，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：自卑 导师签名： 签字日期：伽j 年月- l 日 徘 j 签字日期：矽司年1 月p 明 第一章绪论 1 1 概述 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，但 是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 e 瑞士的t o r m a x ，意大利的p a ，日本的n a t i o n a l 等等。经过 对自动门代理商和用户的广泛调查分析后发现，欧美国家的产品功能繁多，性能 可靠，但这些产品普遍价格偏高，操作复杂。而国内设计的同类产品往往性能不 稳定，故障率较高，需要频繁的维护，增加了运营成本。 作为自动门核心的自动门控制系统，它决定着整个自动门的性能，因此， 我们决定研制新型的自动门控制系统。该自动门控制系统既要功能全面，能够满 足用户的需求，又要操作方便，可以方便的更改设置，并且运行稳定可靠，具有 完整的自保护系统和故障诊断功能，而且价格较为便宜。我们所研制的自动门控 制系统的具体特点如下： 1 、具有五种工作模式 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，顾名 思义，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，冬天可以减少室内的热量散失，夏天则可以减少进入室内的热量。 2 、完善的故障监测和故障融态显示功能 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、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、过流、欠压、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。 3 、灵活的参数设置 通过控制面板可以随时调节门的运行参数，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 第一章绪论 间等参数。 4 、自适应能力 本控制系统有较强的自适应能力，在系统初次运行或每次掉电恢复之后系 统自动校准运行，自动测量门的宽度，确定系统运行参数，无需人工干预。具有 自动反向功能，不管开启或关闭过程中，当门体运动遇到障碍物时，会自动控制 门体向相反方向运动。这是一个非常重要的保护功能，在防止碰人或物的同时， 保护自动门驱动电机不会因过载而烧坏。 1 2 自动门控制系统简介 图1 - 1自动门控制系统框图 我们选择m 0 6 8 h c l l k l 单片机作为自动门控制系统的控制核心，其总体结 构框图如图1 - 1 所示。单片机循环检测传感器和控制面板的状态，据此产生步进 电机或者制动的控制信号，经控制电路产生相应的时序，驱动放大送给电机，电 机带动门体运动，或者产生制动命令，进行制动。光电编码器检测门体的运动方 向和速度反馈回单片机，形成闭环控制，有效的控制门体的运动精度。通过控制 面板，用户可以调整门体的运动速度等运动参数，l e d 显示当前控制系统工作 模式。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。 第一章绪论 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 伏用于微波传感器和安全光束的供电，+ 5 伏用于单片机，c p l d 及其他数字逻辑电路的供电，步进电机、制动和电磁锁供电是3 5 伏直流电。+ 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 b s 开关管的正常导通和截止。 2 、存储器和外围接口 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3 2 k be p r o m 和8 k br a m 。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 ，用来在掉电时存储用户设定的参数。 传感器和控制面板的信号较多，直接接到单片机的i o 引脚将占用较多的资 源。因此本系统将这些信号通过两片三态总线缓冲器7 4 h c 5 4 1 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，单片机可以像访问外部存储器一样通过接口地址读取接口信 号。单片机通过数据总线输出系统控制信号，并由d 触发器锁定。具体电路在 第三章介绍。 3 、步进电机控制电路 对步进电机的控制是系统重要的组成部分。步进电机的控制方式，一种是采 用硬件电路的脉冲分配器或专用控制器产生时序脉冲，这种方式的缺点是电路较 复杂，通用性差。另一种是采用软件产生相应的时序脉冲，这需要频繁占用单片 机的时间。本系统的控制电路采用一片x i l 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、转动方向 以及l 路p 删信号，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。 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，精确地控制电机的运动。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。m c 6 8 h c l l k l 第一章绪论 包含8 通道8 位a d 转换器，当外部晶振为8 m h z 时，单通道转换时间为1 8 v t s 。 该a d 转换器具有多通道连续转换功能，可以对一通道或四通道进行连续转换。 向a d 控制寄存器写入设定的工作模式后，a d 转换器自动开始连续转换，转 换结果自动刷新，无须单片机干预。单片机只需要读取各通道结果寄存器的数据 就可以判断出当前各个电压和电流的大小。 1 3 本课躁的主要任务 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，根据自动 门控制系统的功能需求进行系统的总体设计，合理划分硬件和软件的功能。设计 硬件电路，选择合适的元器件，制作印刷电路板并调试通过，编写相应的软件控 制程序。同时充分考虑工业产品对可靠性的要求，采取各种措施提高系统的可靠 性，保证该系统长期稳定可靠的运行。 第二章m c 6 8 h c l l k l 介绍 第二章m c 6 8 h c l l k l 介绍 前面已经提到，m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c l l k l 单片机是自动门控制系统中 的控制核心，所以在本章中对其作一个详细的介绍。 m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c i i 系列8 位增强型单片机采用h c m o s 工艺。具有 高速( 总线速度可达4 m h z ) 、功能强大、性能稳定可靠、低功耗等许多优点， 在中高档仪器仪表、通讯和智能控制领域得到了广泛应用。m c 6 8 h c l l k l 是 m 6 8 h c l l 系列中功能最丰富的一种产品。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 ，两个1 6 位定时器，异步串 行通信接i z l ( 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 各种测控系统中。m c 6 8 h c i i k i 与m c 6 8 h c l l k 4 功能完全相同，只是 m c 6 8 h c l l k 4 内部多了2 4 k b 的r o m ，而m c 6 8 h c l l k 4 则是用e p r o m 代替 了r o m 。 2 1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i 认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 比特脉冲累如器 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e l ( s c i + 1 增强同步串行外围接口( s p i ) 8 通道8 位刖d 转换器 8 4 脚p l c c 封装或8 0 脚q f p 封装 第二章m c 6 8 h c l l k l 介绍 i o s c i 啪o r ：i 景 c l o c k l o g f c p a v o c l 戕嚣擞t o r c o p 乓 正 l 曼 瓣：t s y s t e m l o c 5 月c 4 瞄i i c l 2 p e r i o d i c _ l c 3i m 硼u p t 畦 a d o r l 5 d o 剐4 d o r l 3 d d r l 2 d 脯 f d 1 0 竺器羞 硝 睚 牒| | i 钲 y t e s 啪 r 刚 8 y i l 疆 e p 肿 珏争r 0 n ，d r 5 a d d r 47 d r 3c p u 8 ”1 _ s d 咖 r m d d r l o d r 0 崔 d t 7 d a t a 6 d a t a 5 协 o a t a 4 言 d a t a 3 = d a t a , 7 苫 d t o t o 佣 匡 三黔 图2 - 1m c 6 8 h c l l k l 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u o 技术，即把所有的外围功能、 o 、 r a m 、和各种存储器置于同一个6 4 k b 存储器空间，因而它没有i o 特殊指令。 除此之外，它访问外部存储器单元的时间与单片机内部单元相同。 2 2 1 c 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。 l 、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 岫咐咐吣嘲嘟甚!嘣啷帅帆岫吣 肿| 耋呲m m 盏! 洲 瞄附嘲啦 咖咖 晰嘟|曼嗡嗡尝!附附 肌曩|。刚蕊咖洲m 吣吣州附耋!m 嘟峨哪卧咐限吲嘞 晰附孵嗣孵謇!m嘟 咐嗽|兰瞅鼢蔷吲渤 e ，_ 一 第二章m c 醴h c i l k l 介绍 ， 作数和结果。有些指令可以把它们联成一个1 6 位鬃加器d 使用 二二= 二j 匦亟亟受互二二二二 。 1 5 6 0 i x 1 50 l i 岫e x r e g i s t e ry l “ 1 s0 i翌坚竺! 垩!i s p 1 50 l p r 。g r u c 砜n 碌 l p c 7 6 5432 10 c o n d i t i o nc o o e r e g 雠r 叵压卫正圈c c r c 删 0 v e 褂：l o w z e r o n e g a t i v 1 1 n t e r r u p t m s k h a l i f - c r r y f r o m b i t 3 l x 眦目触盯m a s k s t o pd 挹a b l e 图2 - 2m 6 8 h c l lc p u 内部寄存器 2 、变址寄存器( 和“) 变址寄存器和r y 均是1 6 位的寄存器，主要用于变址寻址方式中。在变 址寻址方式中，1 6 位变址寄存器的内容加上8 位偏移量形成有效地址，8 位偏移 量隐含在指令中。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r 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 堆栈是根据先进后出原则组织的一块存储区域。为了有效的对堆栈操作， m 6 8 h c l l 设计了一个堆栈指针。堆栈指针是1 6 位的，可以指向6 4 k b 内存中的 任一单元地址。一般情况下，应用程序的开始部分对堆栈进行初始化。堆栈主要 用于子程序的调用、中断和为数据开辟临时存储区。 4 、程序计数器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 李 第二章m c 6 8 h c l l k l 介绍 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 位状态标志位反映c p u 算术、逻辑运算结果的状态。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 。对于大部分指令来讲，c p u 对状态标志寄存器各位的更新是自动进行的，不需要特殊的更新状态标志寄存器 的指令。但也有些指令并不影响状态标志寄存器。 s t o p 禁止位s 用于允许或禁止s t o p 指令。用户置位c c r 中的s 位以禁 止s t o p 指令。在s 位置位时，c p u 遇到s t o p 指令，将其作为空操作( n o p ) 指令处理，继续执行下一条指令。 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 主要用于禁止或允许来自x i r 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) 、交址寻址( 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 于转移指令或者子程序) 。 2 3 引脚功能说明 2 3 1 电源引脚v 加和、r 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，是地。k 1 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，可以单独去藕，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。为了减小噪声影响，保证良好的去藕，在每 组的电源引脚附近要加去藕电容，去藕电容要有良好的高频特性，并且要尽量与 电源引脚靠近以取得最好的去藕效果。 2 3 2 复位引脚面丽亍 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尼醛e r 脚在变低4 个e 时 钟周期后将变为高电平，面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 r 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 g 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， 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( i r o ) 侬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，缺省情况上r q 被配置为电平触发。 2 3 6 不可屏蔽中断7 a r q 复位之后：a 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 ( c o n d i t i o nc o d er e g i s t e 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 置位。脓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 m o r ) 网络连接到该引脚。 2 3 7 模式选择引脚( m o d a l i r 和m o d b r ) 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 - i 所示。 表2 一l 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 1 o 单片模式 11扩展模式 00 自举模式 01 测试模式 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 第二章m c 6 8 h c l l k l 介绍 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自举 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 ，所以实际上它只有扩展工作模式和 测试模式。在这两种工作模式下都需要外接程序存储器。 当m c 6 8 h c l l k l 工作在扩展模式下时，它可以直接访问6 4 k b 的物理地址 空间，这6 4 k b 空间包括片内存储器空间和外部存储器空间，以及外围设备地址 空间。 扩展总线包括b ，c ，f 口的所有引脚和r w 信号引脚，其中b 口为高8 位 地址线，f 口为低8 位地址线，c 口为8 位数据总线，r w 引脚控制c 口的数 据方向。 在扩展工作模式下，m c 6 8 h c l l k l 利用片内的存储器映射逻辑，可以扩展 外部存储器。利用扩展地址线x a 1 8 ：1 3 和片选信号，m c 6 8 h c l l k l 总的寻址空 间可以达到l 兆字节。 测试模式主要用于工厂的产品测试中。但是利用特殊测试功能也可实现其他 的功能，例如对c o n f i g 寄存器编程，对e e p r o m 编程和擦除以及单片机开发 时进行仿真和调试。 复位结束后这两个引脚不再影响单片机的工作模式，此时m o d a l i r 引脚 工作在漏极开路输出方式，用来指示指令的执行情况。在每一条指令执行的第一 个e 时钟周期，m o d a l i r 信号变为低电平，表示单片机正在取指令。这个功 能可以帮助用来调试程序。 m o d b k 。引脚的另外一个功能是为单片机内部的r a m 提供后备电源。 当v d d 引脚的电压低于v s t b y 引脚电压0 7 伏时，内部r a m 和部分寄存器将由 v s - m y 引脚供电，防止数据丢失。 2 3 8 v r 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 r h 和v r l 分别接参 考电压的高低电平，一般v r l 接地，v r 接v c c 。 2 3 9p g 7 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。 。一 墨三里坚垡堕望! 鉴! 坌望 灞寻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 ，还有一个 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。 端口，口线单片和自启动模式扩展和测试模式 p a 0 p a 0 f l c 3 ( 输入捕捉3 ) p a lp a l ，l c 2 队2p a 2 以c 1 e a 3 p a 3 o c 5 ( 输出比较5 ) i c 4 或o c l p a 4 聊“，o c 4 或o c l e a 5p 5 o c 3 或o c l p a 6p a 6 o c 2 或o c l e a 7艄删或o c l p b 【7 州p b 7 ：0 】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 op d 讲r x d p d lp d l 厂i x d p d 2p d 力蛐s o p d 3p d 3 ，m o s i p d 4p d 4 3 c k p d 5 p d s s s p e 7 ：0 只能输入或a d 转换模拟输入端 p f l 7 ：0 p f 7 ：0 a d d r 7 ：0 p g 0p g op g 0 ，x a l 3 p g lp g lp 0 1 x a l 4 p g 2p g 2p g 2 x a l 5 p g 3p g 3p g 3 ，x a l 6 p g 4p g 4p g 4 x a l 7 p g 5p g 5p g 熨x a l 8 p g 6p g 6p g 6 p ( 玎p g 7p g 刀r 删 p 瑚p m p w lp h 0 p w l p h lp h l 腰1 w 2p h l ，p w 2 p 舷p h 2 ，p 3p h 2 ，p w 3 p mp h 3 p w 4p h 3 ，p w 4 p h 4p h 4p h 懈i o p h 5p h 51p h 5 庀s g p p h 6p h 6p h 6 c s o p 2 p h 7p h 7p h 7 ，c s p r o g a 口是一个8 位的通用洳日，它有一个数据寄存器( p 0 盯 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。c p u 可以在任何时间读a 口，但只有当a 口被设为输入时，读入的才是 a 口的电平值；c p u 向a 口写入的时候写入的是a 口数据寄存器，只有当a 口 被设为输出时，数据寄存器才驱动a 口向外输出。当a 口配置为输出比较功能 时，c p u 向a 口执行写入操作不影响a 口的状态。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。 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i 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 d 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 口为通用的口时与a 口功能相同。当单片机工作在单片模式时，f 口为 通用i 0 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。 g 口作为通用i 0 口时与a 口相同。当单片机工作在扩展模式时，g 口的第 8 位作为读写( r w ) 信号线，第7 位为通用i o ，其余6 位可以作为通用i o ， 也可以使用其第二功能，作为地址扩展线使用，提供存储器扩展能力。在单片模 式下，g 口只作为通用i o 口使用。 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。 2 4 片内存储器 m c 6 8 h c l l k l 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 o r m 字节。 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 字节的寄存器的初始地址初始化在$ 0 0 0 0 ，并 且可以通过设置i n i t 寄存器中的r e g 3 r e g 0 将它们重新映射到任何4 k ( s x 0 0 0 ) 地址空间的起始处。 单片机复位后，7 6 8 字节的r a m 的起始地址被初始化在$ 0 0 8 0 ，这个r a m 被 第二章m c 6 8 h c l l k l 介绍 分成1 2 8 字节和6 4 0 字节两部分。可以通过设置i n l t 寄存器中的r a m 3 r a m 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 0 8 0 ，并且它的前1 2 8 字节被重新映射至l j $ x 3 0 0 $ x 3 7 f ，否则r a m 的起始地址为$ x o o o 。 一 当通过设置c o n h 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 位后它的缺省地址为$ 0 i ) 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 地址块的起始处。 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 ，而 m c 6 8 h c l l k l 并不包含片内r o m 存储器。 $ 1 0 0 0 1 2 8 b 添 x 0 0 0 寄存器 e x r | x 0 7 f 淤 ；| x 0 8 07 6 8 b x 3 7 fr a m t x d 8 0 6 4 0 b e 2 p r o m x h 蕾 a o | j b 聃 | b f c o b f f f i - 彻 f i 矸 i f f f f 单片模式扩展模式鑫启动模式涮试模式 图2 - 3m c 6 8 h c l l k l 内部存储器映射 这里再简要介绍一下c 0 n 啊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 g 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 咖g 寄存器，即使在m c u 没有电源时，仍能保持系统控制逻辑。在复位 时，将c o n f i g 寄存器的内容传送到静态寄存器，因此m c u 的操作由静态锁存 器，而不是实际的c o n f i g 寄存器控制。改变c o n h 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。读c o n f i g 寄存器实际上是将静态锁 存器的内容读出，对c o n f i g 寄存器的编程写入操作与对6 4 0 字节e e p r o m 的 一个字节进行编程的操作相同。 2 5 存储器扩展 2 5 1 存储器扩展逻辑 m 6 8 h c l l 臼u 有1 6 条地址线可寻址6 4 k b 的物理空间，m c 6 8 h c l l k l 扩 展了寻址范围，它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。 存储器扩展能力是m c 6 8 h c l l k l 单片机相对于其他m 6 8 h c l l 系列单片机 的新增功能。我们设计的系统中用到了存储器扩展，在外部扩展了1 2 8 k b 程序 存储器，所以下面较为详细的介绍一下存储器扩展的原理和实现。 2 5 2 扩展寻址 存储器扩展是通过控制单片机的地址线实现的，为了把存储器寻址能力扩大 到1 兆字节，就需要使用分页技术，尽管m 5 8 h c l l 的c p u 只能直接访问6 4 k b 的物理地址。附加的地址线x a 1 8 ：1 3 作为g 口的第二功能。g 口的哪些引脚作 为普通的i o ，哪些引脚作为存储器扩展时的扩展地址线由p g a r ( g 口分配寄 存器) 寄存器中的相应位来控制。 为了使单片机能够访问到扩展的存储器，设计者必须首先在6 4 k b 的地址空 间中划分出相应的一段地址范围作为窗口，通过此窗口c p u 可以访问外部的扩 展存储器。这个窗口的大小和在6 4 k b 可直接寻址空间中的位置是分别由m m s i z 和m m w b r 两个寄存器来确定的。在某一时刻扩展存储器的哪一页被映射到该 窗口中由写入m m i c r 和m m 2 c r 寄存器中的值来确定。 在m c 6 8 h c l l k l 中最多可以设置两个窗口，每个窗口的大小可以是o k ( 禁 止) 、8 k 、1 6 k 或者3 2 k 字节，但是窗口的起始地址必须是其大小的整数倍。如 窗口的大小是3 2 k b 时，它的起始地址只能是$ 0 0 0 0 ，$ 4 0 0 0 或者$ 8 0 0 0 。 如果窗口1 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。如果窗口和片内的寄存器、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 第二章m c 6 8 h c l l k l 介绍 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 - - - - 0 ：0 ：0 的那页。 单片机复位之后，复位向量从地址为$ a 0 0 0 - $ f f f f 的内部r o m e p r o m 中 读取，而6 8 h c l l k l 没有片内r o m ，所以就从外部