毕业设计（论文）单片机与计算机串行通行的设计.doc

单片机与计算机串行通行的设计 摘 要 本课题是 “虚拟电子实验环境建设及实验教学方法的研究”立项的课题。为了便于实验教学中原理与应用相结合，避免实验装置的分散和重复，降低实验成本，我们设计了具有一定通用性的开放式的微机与单片机实验平台”，可以很好的满足微机化、自动化等方面课程实验的需要，也可在该实验平台上开设出独立的实验课程和综合应用实验。在总体功能上，对该实验平台的控制采用两种方式：PC 机控制和单片机控制。实验平台能够通过增强型并行接口（EPP，Enhanced Parallel Port）与 PC 机连接，在 PC 机上通过汇编语言、C 语言、LabVIEW 或 LabWindows/CVI 虚拟仪器开发平台等，实现对实验平台上通用实验电路的操作；也能够通过单片机控制通用实验电路；另外，为了试验方便，实验平台还包含了一个单片机仿真器，在 PC 机上配备有相应的仿真开发调试环境。另外在该实验平台上还配备有 STD总线插槽，可以方便地实现实验功能的扩充。关键词： 实验平台；实验教学；微机接口；单片机；虚拟仪器；STD 总线,EPPAbstract Based on the practical requirements of electronic experimenting education oncampus, this article brings forward the design and implementation of computer &MCU based experimenting platform developed by ourselves. Experiments can be implemented on this device not only by means of EPP port but also through the embedded simplified MCU emulator. In this article, the principle of each part of the experimenting platform is specially introduced by which this device is built. At present, the experimenting platform of this kind is still not reported to be designed in China.Keywords: Experimenting Platform; Experimenting Education; Computer ports;EPP (Enhanced Parallel Port); MCU; Virtual Instrumentation; STD bus 第一章 绪 论1.1 课题的提出 微机原理及接口技术、单片机原理及应用、电子测量原理、数据采集技术、虚拟仪器技术等课程是电子类专业实践性、应用性和工程性很强的专业基础课或专业选修课。这类课程仅在课堂上讲授基本原理是不够的，必须在教学中加强实践环节，开出一定数量的高质量的配套实验课或独立的实验课程，让学生有足够的实践机会。那么对于实验教学环境建设就相应提出了较高要求。 目前，在中国许多高等院校中使用的教学实验仪器，仍大多为已相当落后的传统仪器。随着科学技术的不断发展以及相应学科高等教育课程教学内容的更新，传统仪器日益暴露出一些缺陷和不足。为了改善实验条件、改革实验教学方法、更新实验教学内容、提高实验教学课程的开设水平，把虚拟仪器引入实验教学已成为一种必然趋势。虚拟仪器是以通用硬件（如本实验平台）为基础，通过专用的虚拟仪器软件开发平台，模拟出真实仪器或系统的虚拟面板，实现图形用户接口(GUI)操作，并实现计算机强大的数据处理、存储、显示和通信等功能。采用虚拟仪器的好处就在于，在同一硬件基础上，通过虚拟仪器软件可开发出不同的虚拟仪器或应用系统，从而以比较低的成本就可以实现不同的功能。单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，在我国单片机技术在近几年得到迅猛发展和大范围推广，已经深入到工业生产的各环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家中电器（冰箱、空调、彩电）无不含有单片机。为推广应用单片机技术，诸多大、中专院校、职高、技校等开设了单片机课程。相应的也提出了单片机实验课程的教学需要。基于实际需要，我们准备研制微机与单片机综合电子实验平台，要求既能满足上述微机化、自动化等方面课程实验的需要，也可以在该实验平台上开设出独立的实验课程或具有一定难度和工作量的综合应用实验，并且将满足单片机方面的教学实验功能。研制与虚拟仪器技术相结合的微机与单片机实验平台顺应了技术发展潮流，在此实验平台可以完成微机接口和单片机的全部实验，并将虚拟仪器的学习有机地结合在一起。1.2 国内电子实验装置发展现状及趋势 在进行该项目之前，我们查阅了各方面的文献资料，以及一些厂家的教学及其资料，对于国内外的电子实验装置现状及趋势进行了深入的了解。可以看出，目前的实验教学仪器一般都仅将功能集中在某一类试验，或者是实现其中几种功能，研制成功功能比较齐全的实验平台，解决电子实验教学课程的瓶颈，势在必行。1.2.1 微机接口实验 启东计算机厂和东南大学计算机系、电气工程系科研人员研制的DVCC8086H 通用微机原理及接口实验系统，基于东南大学计算机系本身的需要，和其他一些院校的实验需要，可以实现多种功能，包括： ADC0809A/D 转换实验、DAC0832 DA 转换实验、8255A 并行 IO 口实验、8253A 定时/计数器实验、8250 串行通信试验等功能，也包括了一些电机等计算机控制实验，还带有系统总线扩展插座，便于各种硬件接口器件的扩充。该实验系统在微机接口实验方面功能比较完善。自动化工程学院虚拟仪器实验室拥有自主产权的微机接口实验系统，已经投入教学使用，并取得了良好的效果。该系统可以实现多种功能，包括典型的 A/D（双积分式 ICL7109 和逐次比较式 ADC0809）、D/A(DAC0832)、计数器(8253)、并行接口(74LS273、74LS245)、串行接口(INS8250)、存储器(62C256)、实时时钟(DS12C887)，以及键盘和 LED 显示等内容，这些采用的电路都是经优化的实验教学中的典型电路，对学生具有启发和范例作用。也为我们微机与单片机实验平台的开发提供了良好的基础。1.2.2 虚拟仪器实验 在世纪年代末美国研制成功虚拟仪器，代表了仪器发展的一种新方向。虚拟仪器（Virtual Instruments 简称 VI）技术发展非常迅速，所有测量测试仪器的主要功能可由数据采集数据测试和分析结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机组成的测量测试仪器。基于计算机的数字化测量测试仪器就称之为虚拟仪器（VI）。这里所指的虚拟仪器和 EDA 仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同，它可以完全替代传统台式测量测试仪器。而 EDA 仿真软件中的虚拟仪器是纯软件的、仿真的。 虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：PC 总线插卡型虚拟仪器，并行口式虚拟仪器，GPIB 总线方式的虚拟仪器，VXI 总线方式虚拟仪器，PXI 总线方式虚拟仪器。对于 GPIB、VXI、PXI 总线方式的虚拟仪器，一般适用于大型高精度集成系统，考虑到实验教学的需要，这里考虑使用并口式虚拟仪器来组建我们的教学实验系统。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是 NI 公司的 Lab VIEW 软件和Lab Windows/CVI 开发软件。Lab VIEW 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。Lab Windows/CVI 是为熟悉 C 语言的开发人员准备的、在 Windows 环境下的标准 ANSIC 开发环境。这两个软件也是我们学校测控专业经常使用的虚拟仪器软件。除了上述的优秀开发软件之外，美国 HP 公司的 HPVEE 和 HPTIG 平台软件，美国 Tektronix 公司的 EzTest 和 TekTNS 软件，以及美国HEM Data 公司的 SnapMaster 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。 高等学校特别是理工科学校，教学、科研需要大量的测量分析仪器设备，特别是实验教学，每种仪器都必须配置多套，而且有的仪器设备价格昂贵，因此仪器设备所需投资巨大，一般学校很难满足，造成许多学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研。如果运用虚拟仪器系统，情况就大不一样了。使用虚拟仪器不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高教学科研的质量与效率。基于此，我们需要首先提供学生学习虚拟仪器和熟练使用的能力，并要求他们能够理解虚拟仪器实现的原理。所以，在实验教学的仪器平台上提供虚拟仪器的功能是必不可少的。 1.2.3 单片机实验 INTEL 公司的 8051 系列单片机是国内最基本且比较流行的单片机系列。清华大学计算机工厂推出的单片机实验开发系统，总结了清华大学多位从事单片机教学的老师的经验，设计了十几种硬件实验线路，多种源语言调试程序，并配备了丰富而详细的实验资料，为学生学习单片机原理及应用课程提供了一个动手又动脑的实验环境，同时它也具有很强的仿真开发功能。给我们的工作提供了一定借鉴。借助于单片机的控制，也需要实现微机接口实验电路的功能，不同之处仅在于控制方式不同，前者由 PC 机经由并行口来进行控制，后者则需直接由单片机控制，这也为我们组建系统提供了方便，可以使并行口和单片机共享这部分通用的硬件实验电路。 江苏启东计算机厂有限公司在单片机实验方面作了很多工作，他们研制的MCS-51/96/8086 单片机、8086 十六位微机仿真实验开发系统，实现了多种实验功能，兼容二种单片机系列 MCS-51、MCS-96 的仿真开发与实验和十六位微机原理及接口教学与实验,主机含 803lCPU,只要更换不同的 CPU 卡 (196 卡、8086卡），即可成为一个相对独立的实验系统，从很大程度上节约了实验室的硬件投资。 浙江省澉浦恒坚电器设备厂出品的 HJPC-A 型单片机综合实验箱也可以提供部分借鉴，这是一种综合型单片机实验装置，单片机控制源代码可以采用汇编语言编写，同时也可以采用 C 语言编写，功能比较多。1.2.4 单片机仿真器 为了方便实验教学，同时节省仪器配置的成本，我们还考虑将单片机仿真器集成在实验平台上面，并实现仿真调试的 windows 界面。目前市面上销售的单片机仿真器功能非常多样，一般采用两片 MCU（一片为仿真用，一片用户使用），但是相应地价位也比较高，所以我们考虑在微机与单片机实验平台上添加单片机仿真器的功能。1.3 主要工作 本课题的内容包括硬件设计和软件设计两个方面。 硬件设计部分需要完成的工作主要有硬件电路的原理设计，PCB 电路板的绘制设计和制作，以及后期的安装和调试工作。这也是软件部分设计、调试和正常运行的基础。硬件设计主要包括有以下几个方面。1、EPP 并行接口电路设计。这部分电路设计实现计算机和实验平台的并行联接， EPP 有 8 条数据/地址共用线，而实验平台的总线系统采用 16 位地址总线及 8位数据总线，因此只能采用分时复用的方法为整个综合实验系统提供所需要 的数据和地址总线。这部分重点在于理解消化和应用 EPP 协议。2、单片机平台电路设计。实现单片机对于通用试验电路部分的控制。这部分电路为常规设计。3、通用实验电路部分的电路设计。通用实验电路可以实现典型的 A/D (双积分式ICL7109 和逐次比较式 ADC0809)、D/A(DAC0832)、计数器(8253)、并行接口(74LS273、74LS245)、串行接口(INS8250)、存储器(62C256)、实时时钟(DS12C887)等内容。4、单片机仿真器电路设计。单片机仿真器的硬件电路我们教研室已经有了一定基础，在本课题中为了增强实验平台的功能，并方便学生实验，决定把单片 机仿真器也一并做在平台上，和总体功能相配合。 经过教研室老师和几位同学的努力，本课题已经具备一定基础，做到了通过EPP 并行接口与微机相连(8 位地址总线)，在 PC 机的软件控制下完成通用实验电路的大部分功能。 软件部分主要进行了以下几个方面的工作。1、基于 EPP 并行接口的 PC 机实验程序（使用 LabWindows/CVI 编写）。在 PC机上编写程序后，通过 EPP 并行接口实现对于各部分实验电路的控制。2、单片机控制通用实验电路的试验程序（使用 C51 编写）。程序检查无误后可 通过仿真器的功能实现对于各部分实验电路的控制。3、仿真器监控程序。仿真器的监控程序使用汇编语言编写，这部分程序已有， 所以主要的工作就是对于监控程序的深入理解，从原理上理解清楚仿真器的 工作原理和它对于 PC 机传送的各项操作指令的执行情况。4、仿真器的 PC 机平台调试程序。原有的 DOS 版本的调试软件操作起来不太方 便，故需要完成 windows 界面的调试平台，使各项调试功能直观方便、使用 起来简单易行。考虑到 LabWindows/CVI 在制作界面时候的特殊优势，在这里仿真器的 PC 机平台调试程序也采用了 LabWindows/CVI 语言编写。 硬件电路是软件实现的基础，所以对于整个课题的介绍将从硬件和软件两个方面展开。又因为从功能实现上课题又可分为微机接口实验，虚拟仪器实验，单片机实验，和单片机仿真器几个方面，故在介绍软件和硬件部分时将各有侧重地展开。 第二章 微机与单片机实验平台的硬件设计2.1 硬件综述 实验平台的简要框图如图 2-1 所示。它由 EPP 接口逻辑部分、单片机仿真器、单片机接口和通用实验电路部分组成。 首先，实验平台应能通过增强型并行接口（EPP，Enhanced Parallel Port）与PC 机连接，在 PC 机上通过汇编语言、C 语言、LabVIEW 或 LabWindows/CVI虚拟仪器开发平台等，实现对实验平台的操作，另外，实验平台包含了一个单片机仿真器，还能完成单片机实验，将并在 PC 机上配备有相应的仿真开发调试环境，考虑到教学需要，单片机选型为流行的 MCS-51 单片机。为了兼顾 EPP 接口和单片机实验，实验平台上设计有两套板内总线的切换逻辑，包括 8 位数据、16 位地址和读、写等控制信号。而实验平台上的通用实验电路部分则是相同的。通用实验电路包括典型的A/D（双积分式ICL7109和逐次比较式ADC0809）、D/A(DAC0832)、计数器(8253)、并行接口(74LS273、74LS245)、串行接口(INS8250)、存储器(62C256)、实时时钟(DS12C887)等内容，这些电路都是经优化的实验教学中的典型电路，对学生具有启发和范例作用。实验平台上还设计了 STD 总线插座，通过该插座再插入外面的 STD 实验模板，可进一步扩充构成较大型的综合实验，以满足课程实验和课程设计的需要。2.2 总线切换逻辑 如图 2-2 所示，实验平台通过跳线开关选择 PC 机（通过 EPP 接口）或单片机控制，逻辑接口电路的使能（选通）由 nEPPsel 和 nMCUsel 信号控制（低电平有效），+5VEPP 和+5VMCU 分别对两部分电路（PC 机逻辑控制电路和单片机逻辑控制电路）供电，板内通用实验电路则由 Vcc 供电。2.3 PC 机平台通信接口电路设计 该实验平台的 PC 机平台部分通过 EPP(Enhanced Parallel Port)接口电路实现与通用实验电路的连接。实验者在 PC 机上编程和操作，通过对 EPP 端口的读写操作实现各种控制功能。2.3.1 EPP 协议概述 EPP 是 IEEE1284 标准定义的 8 位增强型双向并行接口，由于早期的微机标准并行口 SPP 的局限性限制了并行口在高速通信、控制和数据采集等方面的进一步应用，为此，Intel Xicom 和 Zenith 公司发起制定了 EPP 协议，极大地改善了 PC 机并行口的数据传输能力，使得利用并行口的数据传输率接近标准 PC 内部 ISA 总线的传输率。如今的 EPP 标准于 1992 年 3 月推出，该标准满足IEEE1284，其传输速率高达 500K2Mbps。应用时，需在 PC 机的 BIOS setup中将并行口设置成 EPP 方式。EPP 协议是一种与标准并行口兼容且能完成双向数据传输的协议。该协议定义的并行口更象一个开放的总线，为用户提供了更强大功能和更灵活的设计手段。设计者可以灵活应用这些单双向信号以满足各自的特殊要求。图 2-3 列出了 EPP 信号的定义及描述。 简单地，从软件角度来看，EPP 协议定义的信号分别对应三个不同的寄存器。在 PC 机中，并行口的基地址为 378H，该地址为包含读入和读出两个寄存器的双缓冲寄存器，对应 AD0AD7 双向数据地址端口，输入操作时使用读入寄存器；输出操作时使用读出寄存器。单向状态端口和单向控制端口的寄存器地址分别为 379H 和 37AH，其定义见图 2-4。 与软件查询的数据传输方式不同，EPP 采用异步传输方式，即 PC 机通过 EPP对相应端口进行一次 I/O 操作，利用 EPP 定义的握手功能线自动完成握手操作，保证了 PC 机与综合实验板的一次可靠数据传输，避免了复杂的程序查询，使得 PP 数据传输速率接近 PC 机 ISA 标准总线的传输速率。EPP 有 8 条数据/地址共用线，因此只能采用分时复用的方法为整个综合实验系统提供所需要的数据和地址总线。将 EPP 的 8 条数据/地址线分别通过一个双向总线收发器和一个地址锁存器，就分别得到了整个实验板所需的数据线和地址线。而各个电路所需的控制信号线由地址线通过译码器得到。由于计算机并口只有 8 位数据线，则本项目所需要采用的 16 位地址必须分成两个字节分别传送。2.3.2 EPP 接口逻辑电路设计 由上述可知，EPP 的主要信号线包括 8 条双向数据线 AD0AD7 和 5 条信号线 nWrite、nWait、nDataStrobe、nAddrStrobe、nReset（均为低电平有效）。EPP时序规定 nDataStrobe（nAddrStrobe）信号在 PC 检测到 nWait 有效后才能置低，nDataStrobe（nAddrStrobe）有效又导致 nWait 信号变高，即通知 PC 结束该读写周期， nDataStrobe（nAddrStrobe）随后恢复到空闲时的高电平状态。上述信号之间的互锁关系可通过图 2-5 所示逻辑实现，图中的两个非门是为了实现延时。 由于 8 位数据总线可以很容易地直接由 EPP 数据线通过总线缓冲器得到，下面详述本课题中通过 EPP 端口获得 16 位地址的思想。图 2-6 所示为从 PC 机经由 EPP 接口信号产生实验平台所需的板内 16 位地址总线，它采用了一个 D 触发器由 EPP 的两次地址写得到，并通过 2 片 74LS273 地址锁存器锁存，首先写入的是高 8 位地址。地址锁存器的输出再通过 2 片由 nEPPsel 选通的总线缓冲器74LS245 连接到板内公共地址总线上。2.4 实验平台读、写信号的产生 开发平台的读、写信号来自于两部分，即 PC 机或单片机。来自于 PC 机的信号通过 EPP 接口的 nWrite 和 nDataStrobe 的逻辑组合可得到 EPP 操作的读、写信号；单片机接口的读、写信号则直接由单片机产生。它们分别通过由 nEPPsel和 nMCUsel 作为选通信号的总线缓冲器 74LS245，即可得到板内公共总线 nRD和 nWR。如图 2-7 所示。图中还给出了板内复位信号 nRST 和中断信号的产生。2.5 实验平台地址译码和 STD 总线扩展 实验平台的 16 位地址总线经译码后产生通用实验电路中各功能芯片所需的控制信号。其中高 8 位地址经与非门后产生 nIO 信号，故实验平台的 I/O 空间为FF00HFFFFH，而其他为单片机仿真器硬件地址范围。实验平台的地址译码电路如图 2-8 所示。其中 CSRTC、CS8253、CS0809、CS8250 分别为实时时钟芯片、定时/计数器 8253 芯片、A/D 转换芯片 0809 和串口通信芯片 8250 的片选信号。 为了便于扩充实验内容，在实验平台上设计有 STD 总线接口，并安装了 56脚的 STD 总线插座。STD 总线（IEEE961）为开放式、模块化国际标准总线，主要面向工业测控领域，采用底板（母板）总线结构，是 8 位微处理器总线标准。包括 8 位数据、16 位地址和 WR*、RD*、IORQ*、MEMRQ*、SYSRESET*、INTRQ*(*表示低有效)等控制信号及电源。STD 总线系统在 CPU 模板的支持下可以独立运行，但有时需要连接 PC 机，如在 PC 机上设置运行参数、存取并显示（如以图形、曲线等方式实时监控）、打印等。对于大容量、实时数据传输的要求，选择增强并行接口 EPP（Enhanced Parallel Port）方式较好，这时，STD系统即为 EPP 的外设。 扩充的 STD 总线实验模板均为独立功能 I/O 模板，根据前述，实验平台的 I/O空间为 FF00HFFFFH，设计中，将 FF00HFF7FH 作为实验平台的板内 I/O 地址，而将 FF80HFFFFH 作为扩充的 STD 模板地址，即端口地址在该范围内时，IORQ*信号有效（MEMRQ*信号不用）。2.6 单片机平台接口电路设计 单片机平台电路部分为常规设计。采用复用技术，以单片机的 P0 口的 8 位口线作数据线和低 8 位地址线，再以 P2 口的口线作高 8 位地址线，这样就形成了单片机部分的数据和地址总线。 使用 8051 单片机实现对通用试验电路的控制，着重点在于其控制信号的产生和选择。由前所述，在接口逻辑电路部分产生的逻辑控制信号 nMCUsel（低电平有效）和单片机电路部分的电源+5VMCU 可以实现对于本部分电路的控制转换，那么在单片机电路部分所产生的 8 位数据总线和 16 位地址总线就可以很方便地接入实验板系统总线。 在电路设计中将 8051 的 nEA 恒久接低电平，则只要实验平台的电源转接开关在 MCU 位置，当装置上电时将自动读片外 ROM 并执行指令，实现演示程序或者是监控程序的功能。片外 ROM 预先写入。2.7 单片机仿真器电路设计为方便单片机实验，并降低成本，我们考虑将单片机仿真器直接设计在实验平台上，具有单步、端点等常用调试功能。在 PC 机上仿真调试软件的支持下，单片机仿真器可以实现实验程序的编辑、汇编和调试。该仿真调试软件采用的是使用 LabWindows/CVI 编写的 Windows 调试平台，该部分软件将在第三章中详细介绍。单片机仿真器的硬件原理框图如图 2-9 所示。2.7.1 硬件资源分配考虑到我们主要是配合实验教学的需要，为简化设计，采用一片单片机来实现仿真和用户两部分任务。不考虑零地址仿真逻辑，可以直接将单片机的 64KB程序空间分为 2 个 32KB，前 32KB 为仿真器监控程序，后 32KB 为用户仿真程序，即实验程序编写时需要在第一条程序行前使用伪指令 ORG 8000H 定位。用户的数据存储空间仍然为 64KB，其中 FF00HFFFFH 用于 I/O 地址，其余则为存储器地址。单片机仿真器设计占用了部分用户资源，图 2-10 所示为存储器空间的分配。 由于单片机仿真器使用一片单片机，为了最大限度地较少对于用户资源的占用，可以使用一片 8155 并行接口芯片，将单片机 RAM 内容映射到 8155 的 RAM（256 字节）中。此外，通过 8155 还扩展了一个用于调试的小键盘。 可编程并行接口芯片 8155 具有 256 字节的 RAM，2 个 8 位（PA 和 PB）、1个 6 位（PC）可编程 IO 端口，1 个可编程 14 位定时计数器。它可以为 Intel系列 CPU 与外部设备之间提供 TTL 电平兼容的接口，如打印机，A/D，D/A 转换器，键盘等以及需要同时两位以上信息传送的一切形式的并行接口。 当芯片引脚 IO/nM(RAM 和 I/O 口选择线)为零时，选中 8155 的片内 RAM，AD7AD0 为 RAM 地址（00HFFH），IO/nM=1 时，选中 8155 片内 3 个 I/O 口以及命令/状态寄存器和定时计数器，此时 AD7AD0 为 I/O 地址。XX00 为命令/状态寄存器地址，而 XX01 和 XX02 则分别是 PA 和 PB 口的地址，PA 和 PB 寄存器的每一位均可编程设定为输出或输入。 使用 8155 的片内 RAM（地址为 4E00H4EFFH）可以作为单片机片内 RAM的映像区。这是由于仿真器的监控软件运行时不可避免地要使用片内 RAM，因此每次执行用户程序返回监控时都需要保护片内 RAM 的内容。这样，每当用户程序切换到监控程序时，就将片内 RAM 的内容暂存于 8155 上面的映像区中，反之，当由监控程序切换到用户程序时，又将映像区内容送回片内 RAM 恢复。2.7.2 软件模拟串口通信2.7.2.1 模拟串口通信的硬件基础 由于不能占用单片机的串口资源，我们使用 8155 的并口通过监控程序模拟串口通信。在硬件连接上，将单片机的数据总线与 8155 的数据/地址线相连接，编程设定 8155 的 PA 口输出，PB 口输入，则分别取各口线中任意一根作为 MAX232的输入和输出即可完成模拟串行通信的硬件连接。2.7.2.2 串行通信协议 为实现串行通信并保证数据的正确传输，要求通信双方遵循某种约定的规程。目前在 PC 机及数控系统中最简单最常用的规程是异步通信控制规程，或称异步通信协议，其特点是通信双方以一帧作为数据传输单位。每一帧从起始位开始、后跟数据位（位长度可选）、奇偶位（奇偶检验可选），最后以停止位结束。一帧的传输经过大致有一下几个步骤： (1) 无传输 通信线路上处于逻辑“1”状态，或称传号，表明线路无数据传输。 (2) 起始传输 发送方在任何时刻将通信线路上的逻辑“1”状态拉至逻辑“0”状态，发出一个空号，表明发送方要开始传输数据。接收方在接收到空号后，开始与发送方同步，并希望收到随后的数据。 (3) 数据传输 起始位跟着要发送或接收的一串位序列，即表示一个字符代码（5、6、7 或 8 位不等，由双方协议确定并保持不变）。数据位传输规定最低位在前，最高位在后。数据位的确定是根据实际需求以获得最佳传输速度。 (4) 奇偶传输 数据位之后是可选择的奇偶位发送或接收。奇偶位的逻辑状态取决于奇偶校验的类型。必须保证在同一次传输过程中，每帧选择的奇偶校验类型是一致的。 (5) 停止传输 奇偶位之后是发送或接收的停止位，其逻辑状态恒为“1”，位时间可在 1、1.5 或 2 位选择，且必须保证在每帧传输其间均为相同。 发送方在发送完 1 帧后，可连续发送下 1 帧，也可随机发送下 1 帧。在这两种情况下，当接收方收到传号后，双方取得同步。通信双方除遵循相同的数据传输帧格式外，为确保传输数据的正确性，双方还要具有相同的波特率(Baud Rate)。常用的波特率为 300、600、1200、2400、4800 和 9600 等。 故在确定了波特率和通信协议之后，可以通过精确的计算使用软件实现位延时，模拟个数据位，以及起始位和停止位。从而实现硬件电路和计算机之间的串行通信。具体的软件实现流程在软件部分中 3.3.1 中将详细介绍。2.8 实验板电路部分 电子信息综合实验平台的通用实验电路部分包括了若干典型的实验电路，这些电路都是经优化的实验教学中的典型电路，对学生具有很好的启发和范例作用。简要介绍如下：2.8.1 双积分式 A/D 转换器 ICL71092.8.1.1 双积分式 A/D 转换器的工作原理 双积分式 A/D 转换器的电原理图如图 2-11（a）所示。它由电子开关，积分器，比较器，计数器和逻辑门等部分组成。进行一次 A/D 转换需要进行两次积分。转换时逻辑控制门控制电子开关把被测电压 V1 加到积分器的输入端，积分器从 0V 开始，在固定时间 T1 内对 V1 进行积分（成为定时积分），积分终值与V1 成正比。然后逻辑控制门又将电子开关切换到极性与 V1 相反的基准电压 VR上进行反相积分，因为基准电压 VR 是恒定值，所以积分输出将以 T1 期间积分的值为基准，以恒定的斜率下降（成为定值积分），由比较器检测到积分输出过零时，停止积分器工作。反向积分的时间 T2 与定时积分的终值成比例关系，即V1= (T2/T1)VR 反向积分时间 T2 可由计数器对计数脉冲计数得到。图 2-11（b）示出了两种不同电压下的积分情况，因为 V1 较小，在 T1 期间积分器输出也较小。而下降斜率相同，故反相积分时间也就小。可见，双积分 A/D 转换器是将被测电压 V1转换成时间常数，由测量时间常数来得到被测电压值。2.8.1.2 双积分式 ADC7109 实验电路介绍 12 位 A/D 转换器 ICL 7109 是采用 COMS 工艺制造的双积分原理的单片器件。器件共有 14 个三态输出端，信号电平与 TTL 兼容，其中包括 12 个二进制输出端（B1B12）、一个极性判别端（POL）和一个过量程判别端(OR)，分为低位字节 B1B8 和高位字节 B8B12 位以及 POL 和 OR 两次输出，因此ICL7109 可以很方便的与八位微处理机接口。ICL7109 具备如下一些特点：高精度（精确到 1/4096）；高输入阻抗（大于 10000M ）；低功耗（小于 20mw）；抗干扰能力强；稳定性和可靠性高；所有输入端均有抗静电保护装置。它是一种用途广泛价格低廉的 A/D 转换器。 双积分式 ADC7109 实验部分由多路信号选择开关 4052、测量放大器、7109双积分转换器等组成。由四路模拟选择开关 4052 来进行通道选择，经过放大后送入转换器进行信号的转换。其中，为了补偿采集系统长期工作产生的零点漂移和校准元器件参数变化引起的通道增益，在电路设计中还考虑了利用软件进行自动校准。 其原理图如图 2-12 所示。其中 3Y1 和 3Y2 为经 273 地址译码所得的控制信号，OUT2 则由数据位 D2 经由 273 控制数据转换的启停，其硬件地址为 2Y4；IN2 为转换状态查询信号，对应地址为 3Y0。与实验电路相关的几个重要的端口地址分配如下：（1）BASE： 0x378，EPP 端口基地址（2）2Y2： 0xff04，LED 高两位地址（3）2Y1： 0xff02，LED 中两位地址（4）2Y0： 0xff00，LED 低两位地址（5）2Y3： 0xff06，LED 小数点地址（6）2Y4： 0xff08，数据反馈芯片地址，启停控制（7）3Y0： 0xff00，芯片 74ls244 读取地址，状态查询（8）HBEN： 0xff02，转换数据高字节读取地址，即 3Y1（9）LBEN： 0xff04，转换数据低字节读取地址，即 3Y2 在对本实验电路进行操作时，一般需先初始化 EPP 接口，然后对各端口操作。选择 A 或 B 通道同时启动 A/D 转换，接着进行状态查询，看是否转换结束，若结束则停止转换并读取数据，最后判断和处理结果并使实验平台的 LED 显示数据。以上操作过程也可循环进行以实现信号的连续采集。2.8.2 逐次比较式 A/D 转换器 ADC08092.8.2.1 逐次比较式 A/D 转换器的工作原理 图 2-13 是逐次比较式 A/D 转换器的电原理图。它由寄存器，D/A 转换器，比较器和控制逻辑等部分组成。 当模拟量 UIN送入比较器后，启动信号（START）通过控制逻辑电路启动 A/D开始转换。首先，置移位寄存器最高位 D7 为“1”，其余位清零。移位寄存器的内容经 D/A 转换后得到整个量程一半的模拟电压 U1，与输入电压 UIN比较，若UINU1 时，保留 D7 为“1”，否则清零。然后控制逻辑电路使移位寄存器下一位 D6 为“1”，与上次的结果一起经 D/A 转换后与 UIN比较，重复上述过程，直至判断出 D0 位取“0”还是取“1”为止，此时，控制逻辑电路电路发出转换结束信号 EOC。这样经过 8 次比较后，8 位移位寄存器的内容就是转换后数字量数据，经输出锁存器读出。整个转换过程就是这样一个逐次比较逼近的过程。2.8.2.2 逐次比较式 ADC0809 实验电路介绍 ADC0809 是 8 位分辨率的典型的逐次比较式 A/D 转换芯片，总的不可调误差为±1LSB，工作时钟典型值为 640KHZ，转换时间约为 100s。模拟量的输入电平范围为 05V，不需要零点和满度调节。具有 8 通道闩锁开关控制，可以直接接入 8 个单端模拟量。TTL 电平输出，低功耗（15mW）。 逐次比较式 ADC0809 实验电路如图 2-14 所示，由地址译码所得的 CS0809启动转换，芯片引脚 IN1-7为外部信号输入，而通过引脚 7 所接的 EOC 信号可查询状态。 与实验电路相关的几个重要的端口地址分配如下：（1）BASE： 0x378，EPP 端口基地址（2）2Y2： 0xff04，LED 高两位地址（3）2Y1： 0xff02，LED 中两位址（4）2Y0： 0xff00，LED 低两位址（5）2Y3： 0xff06，LED 小数点地址（6）3Y0： 0xff00，芯片 74ls244 读取地址 状态查询（7）CS0809： 0xff30，ADC0809 芯片选通地址在对本实验电路进行操作时，一般需先初始化 EPP 接口，然后对各端口操作。选择模拟量输入通道同时发出启动脉冲启动 A/D 转换，接着进行状态查询，查询转换结束信号 EOC 的值，等待转换结束，若结束则停止转换并读取数据，最后判断和处理结果并使实验平台的 LED 显示