彭文竹，張　禹

（1.集美大學(xué) 誠毅學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108）

單片機(jī)在TPC-USB微機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭文竹1，張禹2

（1.集美大學(xué) 誠毅學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108）

針對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅局限于進(jìn)行微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出總線擴(kuò)展電路板，構(gòu)成一款新型的51單片機(jī)微機(jī)實(shí)驗(yàn)綜合系統(tǒng)，并在微機(jī)原理和單片機(jī)原理系統(tǒng)中結(jié)合Proteus軟件，進(jìn)行單片機(jī)微機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)仿真測(cè)試。實(shí)踐證明，該總線設(shè)計(jì)電路滿足單片機(jī)在TPC-USB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用要求。

51單片機(jī)；微機(jī)；總線電路；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；仿真

微機(jī)原理是筆者學(xué)校理工科專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)室使用清華科教儀器提供TPC-2003A微機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，所購買套數(shù)較多，涉及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為單一，只能進(jìn)行Intel8086微機(jī)實(shí)驗(yàn)。為了節(jié)約資源，將本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備繼續(xù)使用，本文設(shè)計(jì)一款51單片機(jī)的總線擴(kuò)展板，并通過51單片機(jī)的最小系統(tǒng)進(jìn)行控制，構(gòu)成一種新型的51單片機(jī)微機(jī)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。然后將Proteus引入單片機(jī)和微機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合微機(jī)原理與單片機(jī)原理，設(shè)計(jì)單片機(jī)和微機(jī)原理綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)。

1　基于TPC-USB 微機(jī)系統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

筆者學(xué)校微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)室配備有清華科教TPC-2003A微機(jī)系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)箱，數(shù)量較多。因此，為保證學(xué)校資源不被浪費(fèi)，結(jié)合學(xué)校綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提出一種微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新模式，利用原有的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)相應(yīng)的總線擴(kuò)展板，結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)，在微機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.1TPC-USB微機(jī)實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)

TPC-USB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由USB總線接口模塊以及擴(kuò)展試驗(yàn)臺(tái)組成，通過USB總線電纜將接口模塊與PC機(jī)相連，模塊與實(shí)驗(yàn)箱之間由一條50芯扁平電纜連接，其主要特點(diǎn)如下：

（1）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的USB模塊使用PHILIHPS的ISP1581 USB2.0高速接口芯片提供了高速USB下的通信能力。

（2）支持ISP下載，通過模塊上的RS-232接口，可以對(duì)模塊內(nèi)部的MCU進(jìn)行在線編程，對(duì)軟件進(jìn)行修改或在線升級(jí)，也可以通過RS-232接口下載實(shí)驗(yàn)程序到USB模塊，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（3）該模塊提供一個(gè)50線扁平電纜，通過該電纜將模塊產(chǎn)生的仿ISA總線信號(hào)連到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。

TPC-2003A微機(jī)擴(kuò)展臺(tái)主要模塊電路主要分為以下2種。

（1）實(shí)驗(yàn)箱總線插座信號(hào)分布

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過50線扁平電纜接口與PC機(jī)相連，為實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供仿ISA總線信號(hào)，具體各端口信號(hào)安排如表1所示。

表1　總線信號(hào)分布表

從表1中可以看出，50芯的總線信號(hào)中包含了以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸線D0-D7、地址傳輸線A19-A0、I/O端口讀寫信號(hào)IOR和IOW、存儲(chǔ)器讀寫信號(hào)MEMR MEMW、中斷請(qǐng)求IRQ、DMA申請(qǐng)DRQ、DMA回答DACK、AEN等。

（2）微機(jī)接口I/O地址譯碼電路

TPC-USB微機(jī)系統(tǒng)上I/O地址共有8組輸出，包含64位I/O地址，具體分配如下：Y0-Y7，其地址分別為 280H－287H；288H－28FH；290H-297H；298H-29FH；2A0H-2A7H；2A8H-2AFH；2B0H-2B7H；2B8H-2BFH，8根I/O地址輸出線在實(shí)驗(yàn)臺(tái)“I/O地址”處分別由自鎖緊插孔引出，如圖1。

圖1　I/O地址譯碼電路

1.2TPC-USB微機(jī)系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用總線電路設(shè)計(jì)原理

1.2.1總線擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)方案

51單片機(jī)總線擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)應(yīng)用擴(kuò)展電路，從而代替原有的微機(jī)系統(tǒng)的USB總線接口模塊，將51單片機(jī)最小電路系統(tǒng)和微機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有效的連接，在微機(jī)實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)?？偩€擴(kuò)展模塊有兩種不同的設(shè)計(jì)方案，分別為采用并行輸入輸出方式及串行輸入輸出方式。在設(shè)計(jì)該擴(kuò)展模塊時(shí)需要分析這兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后再選擇最優(yōu)的方案。

（1）并行口設(shè)計(jì)方式通過總線驅(qū)動(dòng)器74LS244直接控制地址總線，通過雙向總線驅(qū)動(dòng)器74LS245控制數(shù)據(jù)總線的讀和寫以及IOR、IOW控制信號(hào)。該實(shí)現(xiàn)方案的可擴(kuò)展空間相對(duì)少，而且需要占用較多IO口，但是設(shè)計(jì)起來簡單方便，較容易通過軟件程序控制。

（2）串行口設(shè)計(jì)方式的設(shè)計(jì)采用74LS164并出移位寄存器和74LS165串行輸出移位寄存器對(duì)總線進(jìn)行擴(kuò)展。相比于用并行口設(shè)計(jì)方案而言，其優(yōu)點(diǎn)是所需IO口減少，并且可以進(jìn)行任意的擴(kuò)展和級(jí)聯(lián)。但是此方案也存在不足，控制起來相對(duì)復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)難度更大，其處理要點(diǎn)是地址總線和數(shù)據(jù)總線的讀寫應(yīng)用。

通過兩種方案的比較結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，綜合考慮后采用串行口設(shè)計(jì)方案，具體設(shè)計(jì)方法如下。

1.2.251單片機(jī)地址總線的擴(kuò)展設(shè)計(jì)

TPC-USB微機(jī)實(shí)驗(yàn)箱上I/O地址共有8組輸出，包含64位地址。高8位地址控制端為固定輸出，系統(tǒng)設(shè)置為02h，因此只需要通過單片機(jī)P1口控制低8位端口，即可實(shí)現(xiàn)地址譯碼。單片機(jī)控制實(shí)驗(yàn)箱I/O地址譯碼具體分布如表2所示，表中I/O地址譯碼分布通過相應(yīng)位碼進(jìn)行表示。

表2　地址總線擴(kuò)展信號(hào)對(duì)應(yīng)編碼表

通過將8位邊沿觸發(fā)式串行輸入數(shù)據(jù)并行輸出移位寄存器的輸出端口連接到八組輸出緩沖器和總線驅(qū)動(dòng)器中，再將緩沖器的輸出連接到TPC-USB系統(tǒng)總線信號(hào)中，利用51單片機(jī)P1的3個(gè)I/ O口來控制并出移位寄存器的工作，該擴(kuò)展設(shè)計(jì)電路原理如圖2所示。

圖2　地址總線擴(kuò)展設(shè)計(jì)原理圖

1.2.351單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的擴(kuò)展設(shè)計(jì)

TPC-USB微機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行雙向傳輸，因此需要在數(shù)據(jù)的讀和寫兩方面對(duì)總線進(jìn)行擴(kuò)展。因此在總線驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)上增加了一個(gè)反相電路，利用51單片機(jī)控制，使兩片總線驅(qū)動(dòng)器處于不同的工作狀態(tài)，從而達(dá)到51單片機(jī)I/O口控制數(shù)據(jù)的讀寫操作目的。

數(shù)據(jù)寫過程的擴(kuò)展原理為：只要將并出移位寄存器的輸出端口連接到總線驅(qū)動(dòng)器的輸入端口，再將總線驅(qū)動(dòng)器的輸出連接到微機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的總線信號(hào)中的數(shù)據(jù)端口，再用單片機(jī)的I/O口來控制移位寄存器的工作狀態(tài)，同時(shí)使數(shù)據(jù)總線保持在寫狀態(tài)過程，具體設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3　51單片機(jī)數(shù)據(jù)總線寫擴(kuò)展原理圖

在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中，為了將微機(jī)實(shí)驗(yàn)箱外圍部件的數(shù)據(jù)送到51單片機(jī)，需要對(duì)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行讀擴(kuò)展設(shè)計(jì)，即將外圍電路數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)?1單片機(jī)中，這里采用串行輸出移位寄存器進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先將總線信號(hào)數(shù)據(jù)接口連接到鎖存器輸入端口，再將鎖存器的輸出通過并行轉(zhuǎn)串行方式輸出到單片機(jī)的I/O口，這邊同樣需要通過單片機(jī)的3個(gè)I/O口來控制74LS165的工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)總線讀的擴(kuò)展設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4　51單片機(jī)數(shù)據(jù)總線讀擴(kuò)展原理圖

通過以上硬件電路設(shè)計(jì)可知，51單片機(jī)可以在TPC-USB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成地址寫入及數(shù)據(jù)讀寫操作，因此只需將總線信號(hào)重新分配，再結(jié)合軟件子程序初始化設(shè)計(jì)便可以將51單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于TPC-2003A微機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行單片機(jī)或者微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)。

2　微機(jī)原理和單片機(jī)原理系統(tǒng)的綜合仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

Proteus軟件是目前最好的單片機(jī)及外圍器件的仿真工具，其處理器模型支持多種單片機(jī)，從Proteus7.5 SP3版本開始，Proteus對(duì)8086及相關(guān)接口芯片提供了支持。

在微機(jī)和單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)中結(jié)合Proteus軟件，設(shè)計(jì)仿真綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過仿真軟件對(duì)51單片機(jī)和8086綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在TPC-USB單片機(jī)微機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1基于單片機(jī)和8086綜合仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以基于Proteus的AT89C51和8086微機(jī)之間的串行通信為例，闡述Proteus在單片機(jī)和微機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)用。

2.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)和微機(jī)綜合控制系統(tǒng)，一個(gè)4×4的矩陣鍵盤，以單片機(jī)的P1.0～P1.3作為行線，P1.4～P1.7作為列線，最后通過8086微機(jī)控制系統(tǒng)在數(shù)碼管上顯示每個(gè)按鍵的0～F序號(hào)。首先用51單片機(jī)將P1端口指撥開鍵盤輸入數(shù)據(jù)載人SBUF，再經(jīng)由TXD將數(shù)據(jù)傳送給8251串行口接收芯片，然后通過8086微機(jī)系統(tǒng)將接收的數(shù)據(jù)通過8255的并行口輸出，并在數(shù)碼管上顯示輸出。

2.1.2實(shí)驗(yàn)原理框圖

控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖如圖5所示，它由8086和51單片機(jī)兩部分微機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成，通過8251的收發(fā)控制輸入端和51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，然后發(fā)回8086微機(jī)系統(tǒng)，最終再將數(shù)據(jù)通過8255并行口輸出。

圖5　51單片機(jī)和8086微機(jī)數(shù)據(jù)傳輸原理圖

2.1.3系統(tǒng)仿真電路設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)電路包含有以下4個(gè)電路模塊，具體功能如下：

（1）8086微機(jī)控制模塊：8086工作在最小模式方式下，通過74LS373的地址鎖存器和74LS138譯碼器產(chǎn)生并行口芯片8255和串行口芯片8251的地址選址信號(hào)，通過數(shù)據(jù)總線和8255及8251交換數(shù)據(jù)。

（2）8251串口控制模塊：8251利用串行接收和發(fā)送端口與AT89C51的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收端口交叉連接，以保證串行通信芯片8251在接收從單片機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)總線和8086進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（3）8255并行口控制模塊：8255通過8086數(shù)據(jù)總線接收串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后通過PA口將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)碼管模塊。

（4）AT89C51單片機(jī)控制模塊：51單片機(jī)通過P1口接收鍵盤輸入的數(shù)據(jù)，晶振頻率設(shè)置為11.0592 MHz，然后將鍵盤輸入的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳送和接收端口發(fā)送到8251串口控制接收模塊。

2.1.4電路程序的編寫和編譯

采用Keil軟件進(jìn)行單片機(jī)的程序編寫，8086微機(jī)程序編寫采用TPC-USB編譯器進(jìn)行編寫，通過TPC-USB軟件可以鏈接編譯生成我們所需要的COM或者EXE文件，然后裝載到8086微機(jī)的內(nèi)部RAM中，最后通過Proteus運(yùn)行仿真，觀察實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)行效果。

2.1.5仿真電路圖

通過以上分析，該電路的仿真設(shè)計(jì)圖如圖6所示，圖中單片機(jī)按鍵輸入的數(shù)據(jù)通過微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，然后通過8255的并行口在數(shù)碼管上顯示按鍵輸入的鍵值。實(shí)驗(yàn)表明，在TPCUSB單片機(jī)微機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中結(jié)合Proteus，不僅不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和耗材的影響，并能在此基礎(chǔ)上更好的應(yīng)用微機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖6　仿真電路圖

3　結(jié)束語

本文針對(duì)本校現(xiàn)有微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涉及內(nèi)容陳舊單一的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)的總線擴(kuò)展板，結(jié)合51單片機(jī)的最小控制系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的微機(jī)系統(tǒng)完成51單片機(jī)微機(jī)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)成51單片機(jī)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，很好的實(shí)現(xiàn)了在微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)箱上學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機(jī)。本設(shè)計(jì)滿足學(xué)生的不同需求，并可將該設(shè)計(jì)原理應(yīng)用于合泰、PIC、凌陽等多種單片機(jī)中，很好的解決了單片機(jī)種類多設(shè)備配備難以滿足要求的客觀問題并為學(xué)校節(jié)約大量資金。并通過單片機(jī)和微機(jī)原理的兩門課程的仿真綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使學(xué)生能夠很好的掌握微機(jī)原理及單片機(jī)原理硬件電路及外圍部件設(shè)計(jì)。

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（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Research on the Application of Microcontroller in TPC-USB Microcomputer Experiment System

PENG Wen-zhu1，ZHANG Yu2

（1.Chengyi College，Jimei University，Xiamen 361021，China；2.College of Electronic and Information Science，F(xiàn)ujian Jiangxia University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

IBy using USB bus interface module in the TPC-USB Microcomputer experiment system， the microcomputer interface integrated circuit experiment was realized. According to the characteristic that the TPC-USB experimental system of microcomputer is limited， a bus extension circuit board was designed， which constituted a new type of 51 microcontroller and microcomputer experimental system. Then according to the principle of microcontroller and microcomputer principle comprehensive experimental teaching， a synthetic simulation teaching system was designed by Proteus. Practice has proved that the bus design circuit satisfies the application requirements of the microcontroller in the TPC-USB experiment system.

51 microcontroller； microcomputer； bus extension； experimental system； simulation；

TP368.1

A

1673-4343（2016）04-0026-06

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.04.005

2016-03-16

福建省教育廳中青年教師教育科研科技基金項(xiàng)目（JA12334）；集美大學(xué)誠毅學(xué)院教育教學(xué)改革項(xiàng)目基金（c13033）

彭文竹，男，福建泉州人，實(shí)驗(yàn)師。主要研究方向：圖像處理。