51單片機(jī)系統(tǒng)總線擴(kuò)展的可視化教學(xué)設(shè)計〔〕:

摘要：針對51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展教學(xué)中單片機(jī)與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送時地址和數(shù)據(jù)不易直觀演示的難點，本文提出了基于Proteus仿真軟件的可視化教學(xué)設(shè)計，將常見的擴(kuò)展部件如存儲器6264、8255a、DaC0832、aDC0809和LCD1602等進(jìn)展統(tǒng)一編址，利用串行口擴(kuò)展6位LED數(shù)碼管，與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)時前4位顯示外設(shè)地址，后2位顯示數(shù)據(jù)。教學(xué)理論說明，系統(tǒng)總線擴(kuò)展的可視化設(shè)計大大進(jìn)步了教學(xué)效率，有助于學(xué)生理解和掌握系統(tǒng)擴(kuò)展的體系構(gòu)造、地址編排和指令執(zhí)行。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；系統(tǒng)擴(kuò)展；可視化；Proteus

本文引用格式：陳海云.51單片機(jī)系統(tǒng)總線擴(kuò)展的可視化教學(xué)設(shè)計[J].教育現(xiàn)代化,2022,7(95):38-41.

VisualTeachingDesignof51singlechipmicroputersystemBusexpansion

CHEnHaiyun

(CollegeofPhysicsandElectronicInformationEngineering,Zhejiangnormaluniversity,JinhuaZhejiang)

Abstract:Inordertosolvetheproblemthattheaddressanddataarenoteasytobedemonstratedintuitivelyintheteachingof51single-chipmicroputersystemextension,thispaperproposesavisualteachingdesignbasedonProteussimulationsoftware,whichaddressesthemonexpansionponentssuchasmemory6264,8255A,DAC0832,adc00809andLCD1602,andextendsthe6-bitLEDdigitaltubewiththeserialportWhentransmittingdata,thefirstfourbitsdisplaytheperipheraladdress,andthelasttwobitsdisplaythedata.Teachingpracticeshowsthatthevisualdesignofsystembusextensiongreatlyimprovesteachingefficiencyandhelpsstudentsunderstandandmasterthesystemstructure,addressarrangementandinstructionexecutionofsystemexpansion.

Keywords:single-chip;systemextension;visualization;proteus

一引言

51單片機(jī)是一款經(jīng)典的單片機(jī)，具有典型的構(gòu)造和完善的總線專用存放器，有眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，是應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)，也是初學(xué)者最容易上手學(xué)習(xí)的單片機(jī)[1,2]。在51單片機(jī)的學(xué)習(xí)中，利用數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線進(jìn)展系統(tǒng)擴(kuò)展是非常重要的內(nèi)容，同時也是難點之一。主要有三個方面的問題：1〕單片機(jī)通過三組總線與外設(shè)構(gòu)成層次體系構(gòu)造的正確連接；2〕通過片選譯碼對各外設(shè)進(jìn)展地址分配及相應(yīng)地址范圍確實定；3〕理解MOVX指令執(zhí)行過程中的地址和數(shù)據(jù)。筆者嘗試用思維導(dǎo)圖呈現(xiàn)單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)的層次化構(gòu)造【3】，獲得了明顯的效果，學(xué)生對體系構(gòu)造和編址問題的理解更加直觀有效。但由于單片機(jī)與外設(shè)之間

的數(shù)據(jù)交換過程不易演示，如何使學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中可以直觀地觀察和理解擴(kuò)展系統(tǒng)中單片機(jī)與不同外設(shè)數(shù)據(jù)傳送時的地址和數(shù)據(jù)是該局部內(nèi)容教學(xué)中的主要難點。

Proteus是一款功能豐富的單片機(jī)仿真軟件，是單片機(jī)學(xué)習(xí)中不可或缺的強(qiáng)大工具[4-7]，也為單片機(jī)演示實驗的開發(fā)和應(yīng)用提供了很好的技術(shù)平臺。針對51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展中外設(shè)地址與傳送數(shù)據(jù)演示的難點，本文利用Proteus仿真軟件設(shè)計了51單片機(jī)總線擴(kuò)展的可視化演示實驗系統(tǒng)，將常見的RaM6264、8255a、DaC0832、aDC0809和LCD1602等擴(kuò)展部件進(jìn)展統(tǒng)一編址，由74LS138進(jìn)展片選地址譯碼，將單片機(jī)與擴(kuò)展部件構(gòu)成有機(jī)統(tǒng)一的體系，并從串行口擴(kuò)展6位LED數(shù)碼管，以16進(jìn)制數(shù)形式實時顯示單片機(jī)外部數(shù)據(jù)傳送時的外設(shè)地址和實際傳送數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的可視化演示實驗教學(xué)。

二系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計

MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展構(gòu)造如圖1所示，51單片機(jī)通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與6264、74LS374、74LS244、8255a、DaC0832、aDC0809和LCD1602等擴(kuò)展部件構(gòu)成一個完好的層次體系。74LS138用于片選譯碼，74LS373用于系統(tǒng)低8位地址鎖存。P0口發(fā)出的a/D復(fù)用信號經(jīng)74LS373別離出低8位地址連接6264的低8位片內(nèi)地址，6264的剩余片內(nèi)地址由P2.0~P2.4提供，其余部件的片內(nèi)地址均與系統(tǒng)地址的最低假設(shè)干位相連。地址總線高3位P2.7、2.6、2.5經(jīng)74LS138譯碼產(chǎn)生的Y1~Y7依次作為各個部件的片選信號。74LS374、74LS244和DaC0832相當(dāng)于僅有一個單元的存儲器，只需片選信號即可，而8255a、aDC0809和LCD1602那么可以分別看成是有4個、8個和4個存儲單元的小型存儲器，因此這些部件的擴(kuò)展可以按存儲器模型進(jìn)展統(tǒng)一編址。由圖1所示系統(tǒng)構(gòu)造的地址連接可知，對6264采用的是全譯碼方式，地址范圍為

2000~3fffH。對其他擴(kuò)展部件那么是局部譯碼方式，74LS374、74LS244、DaC0832的地址分別為：4000H、6000H和a000H。8255a的地址范圍為8000H~8003H，分別對應(yīng)a、B、C和控制存放器端口。aDC0809的地址范圍為C000H~C007H，對應(yīng)In0~In7的8個模擬輸入通道。LCD1602的地址范圍為E000H~E003H，對應(yīng)寫命令、讀狀態(tài)、寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)四個端口。

圖151單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展構(gòu)造示意圖

根據(jù)原理圖設(shè)計的Proteus電路系統(tǒng)如圖2所示，為到達(dá)51單片機(jī)外設(shè)數(shù)據(jù)傳送時的可視化演示，在原理圖構(gòu)造根底上增加了地址和數(shù)據(jù)顯示模塊。利用空閑的串行口通過6片74LS164擴(kuò)展6位LED數(shù)碼管，前4位綠色LED顯示外設(shè)地址，后2位紅色LED顯示傳送的數(shù)據(jù)。同時，設(shè)計了相應(yīng)的串口顯示子程序，每次執(zhí)行外設(shè)數(shù)據(jù)傳送指令時調(diào)用該子程序，實時顯示當(dāng)前操作的系統(tǒng)地址和數(shù)據(jù)。如圖2所示，當(dāng)前外設(shè)地址為E001H，傳送數(shù)據(jù)為00H。此外，為更好地演示各擴(kuò)展部件輸入輸出結(jié)果，增加了相應(yīng)的輸入輸出設(shè)備，如：74LS374通過排阻連接了一位LED數(shù)碼管；74LS244連接4位撥碼開關(guān)輸入；8255a連接了6位LED數(shù)碼管，用于演示通過8255a接口的LED動態(tài)顯示，串口顯示緩沖器中數(shù)據(jù)輸出到LED動態(tài)顯示，那么同樣可以用于顯示4位系統(tǒng)地址和2位數(shù)據(jù)；DaC0832輸出通過運(yùn)放連接電壓表，用以顯示轉(zhuǎn)換后的模擬電壓大??；aDC0809的In5通道接可調(diào)電位器，可輸入不同大小的模擬電壓供轉(zhuǎn)換，并同時用電壓表顯示，以便與顯示的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)展實時比照。

圖2Proteus設(shè)計系統(tǒng)圖

三典型教學(xué)演示案例

〔一〕輸入輸出接口擴(kuò)展演示

輸入輸出接口擴(kuò)展操作的教學(xué)演示結(jié)果如圖3所示。根據(jù)前文所述電路構(gòu)造，輸入接口采用74LS244芯片，其低4位連接一個4位撥碼開關(guān)SW，關(guān)狀態(tài)時輸入為高電平，開狀態(tài)時輸入為低電平。輸出接口采用74LS374芯片，通過排阻連接1位綠色LED數(shù)碼管。程序設(shè)計實現(xiàn)讀入4位撥碼開關(guān)的上下電平組合，并將對應(yīng)的"0";~"f";字符實時顯示在輸出接口的LED數(shù)碼管中。串口擴(kuò)展的6位LED數(shù)碼管以1秒鐘為時間單位交替顯示輸入和輸出接口的地址和數(shù)據(jù)。

圖3輸入輸出接口擴(kuò)展演示結(jié)果

圖3〔a〕中顯示的是輸入接口74LS244的地址6000H及讀入的數(shù)據(jù)03H，此時撥碼開關(guān)SW的低兩位撥向"on";，對應(yīng)輸入代碼"0011";。圖3〔b〕中顯示的那么是輸出接口74LS374的地址4000H及輸出的數(shù)據(jù)4fH，接口LED數(shù)碼管顯示字符"3";，而4fH正是字符"3";對應(yīng)的LED筆段代碼。當(dāng)撥碼開關(guān)變化時，輸入輸出的數(shù)據(jù)及顯示的字符也相應(yīng)改變，可實時有效地演示輸入輸出接口的地址和數(shù)據(jù)。

〔二〕d/A、A/d轉(zhuǎn)換演示

D/a轉(zhuǎn)換輸出局部電路構(gòu)造如圖4所示，DaC0832的D0~D7連接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，輸出信號通過運(yùn)放LM324連接到電壓表VM，用以指示轉(zhuǎn)換得到的模擬電壓值。通過8255a擴(kuò)展的6位LED數(shù)碼管同時用于顯示4位地址和2位數(shù)據(jù)。演示程序設(shè)計向DaC0832輸出數(shù)字量0~250，步長為50，在5V參考電壓下，轉(zhuǎn)換得到模擬電壓值0~4.88V，步長0.98V，間隔時間1秒依次向外輸出，可實時觀察DaC0832的地址、輸出轉(zhuǎn)換的數(shù)字量及相應(yīng)的模電壓值。圖4中所示DaC0832地址為a000H，輸出數(shù)據(jù)96H〔即150〕，相應(yīng)模擬電壓值為2.93V。實際演示中串口輸出的6位LED數(shù)碼管同時顯示一樣的地址和數(shù)據(jù)，圖4中限于篇幅未呈現(xiàn)。

圖4d/A轉(zhuǎn)換演示結(jié)果

a/D轉(zhuǎn)換輸入電路構(gòu)造如圖5所示，aDC0809的D0~D7與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，輸入不同模擬電壓通過調(diào)節(jié)電位器RV得到，模擬信號接入8路模擬通道中的In5，由地址信號的連接可知，此時aDC0809中In5通道的地址為C005H，aDC0809的EOC信號經(jīng)邏輯取返后連到單片機(jī)的InT0，aDC0809與單片機(jī)之間采用中斷方式進(jìn)展數(shù)據(jù)傳送，負(fù)邊沿觸發(fā)。實驗中，aDC0809初始化后啟動a/D轉(zhuǎn)換，一次轉(zhuǎn)換完畢產(chǎn)生中斷信號，單片機(jī)中斷響應(yīng)后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量，并將地址和結(jié)果數(shù)字量實時顯示于串口連接LED數(shù)碼管和8255a連接的動態(tài)顯示LED數(shù)碼管。電位器調(diào)節(jié)模擬電壓值時，LED數(shù)碼管可實時顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖5所示In5通道地址為C005H，當(dāng)前模擬電壓值為3.30V，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果為a8H。由上述分析可知，a/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)造的連接及地址信號明確，a/D轉(zhuǎn)換操作演示方便，簡明直觀，有利于進(jìn)步課堂教學(xué)的效率。

圖5A/d轉(zhuǎn)換演示結(jié)果

四結(jié)語

針對51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展內(nèi)容教學(xué)中對構(gòu)造體系難于掌握、對外設(shè)地址和傳送數(shù)據(jù)不易直接觀察和理解等難點，本文設(shè)計了基于Proteus仿真軟件的可視化演示實驗系統(tǒng)。根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)總線擴(kuò)展原理，將RaM6264、8255a、DaC0832、aDC0809和LCD1602等51單片機(jī)教學(xué)中常見的擴(kuò)展部件納入到同一擴(kuò)展系統(tǒng)中進(jìn)展統(tǒng)一編址，同時將空閑的串口擴(kuò)展出6位LED數(shù)碼管，以16進(jìn)制數(shù)形式顯示4位外設(shè)址址和2位數(shù)據(jù)，每次執(zhí)行外設(shè)數(shù)據(jù)傳送指令時，調(diào)用顯示子程序可實時顯示外設(shè)操作的地址和數(shù)據(jù)信息，直觀簡便。實際教學(xué)中已完成了所有擴(kuò)展部件相應(yīng)的演示實驗案例，文中給出了輸入/輸出接口74LS244、74LS374和DaC0832擴(kuò)展接口的演示，操作簡單，效果直觀。課堂教學(xué)理論說明，利用可視化的演示實驗教學(xué)設(shè)計，能有效進(jìn)步關(guān)于51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展內(nèi)容的教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生對系統(tǒng)擴(kuò)展方法的理解及對實際應(yīng)用技能的掌握。

參考文獻(xiàn)

/