1、第五章 接口技術(shù),一、概述,二、地址譯碼器、I/O口與CPU的接口,三、人機接口,四、機電接口,五、系統(tǒng)的干擾與抑制,一、概述,I/O口是CPU和外設(shè)間進行信息交換的通道，是CPU的輸入和輸出接口。,I/O接口的作用： 、實現(xiàn)速度匹配：適應(yīng)慢速外設(shè)。 、實現(xiàn)信號電平的轉(zhuǎn)換：TTL、CMOS、RS232C、RS485等。 、實現(xiàn)信號性質(zhì)的轉(zhuǎn)換：A/D、D/A 、解決總線競爭：多芯片、多接口或多外設(shè)協(xié)同工作。 、提高驅(qū)動能力：總線驅(qū)動器、線驅(qū)動器。 、改變數(shù)據(jù)的傳送方式：串行 并行； 串行并行。,實際中，一個CPU總是有若干個外設(shè)，它們都掛在CPU的數(shù)據(jù)總線上，這就使得在同一時刻只能有一個外設(shè)和C

2、PU進行信息交換，而其他外設(shè)和數(shù)據(jù)總線隔離開來，到底哪一個外設(shè)和CPU進行信息交換，取決于其片選線是否有效，通過使用地址譯碼器使CPU在每一瞬時只使一個外設(shè)的片選線有效，即只選中該外設(shè)，從而解決了CPU如何帶多個外設(shè)的問題。,二、地址譯碼器、I/O口與CPU的接口,I/O接口的類型,（1）簡單I/O口：一般信號的傳輸方向是固定的，輸入端口和輸出端口有明確分工，不能改變端口狀態(tài)。 根據(jù)信號的傳輸方向有： 簡單輸入接口：74XX244、74XX245。 簡單輸出接口：74XX273、74XX373、74XX573。,（2）可編程I/O口：可通過程序指令來改變端口的工作方式和狀態(tài)，即使得某端口在某一

3、時刻為輸入口，在另一時刻為輸出端口。 有串行口和并行口之分。 并行口：8255、8155 串行口：8251,常用譯碼芯片：74LS139、74LS138、74LS154等 74LS139譯碼器：雙2-4譯碼器。 74LS138譯碼器：3-8譯碼器。 74LS154譯碼器：4-16譯碼器。 一般用于數(shù)碼管顯示電路中。,1、地址譯碼器與CPU的接口,譯碼是編碼的逆過程，將輸入的每個二進制代碼賦予的含義“翻譯”過來，給出相應(yīng)的輸出信號。,本章涉及到的CPU一般指MCS-51系列，如8031等。,P8031芯片的管腳，如右圖所示。,1Y01Y3、2Y02Y3：輸出信號線 A、B為地址信號線 1G、2G

4、為片選線，低電平有效,74139,139芯片的引腳名稱,74139,74138,138芯片的引腳名稱,B,Y0地址范圍為：8000H83FFH,Y1地址范圍為：8400H87FFH,Y2地址范圍為：8800H8BFFH,Y7地址范圍為：9200H9FFFH,1Y0：00001FFFH 1Y1：20003FFFH 1Y2：40005FFFH 1Y3：60007FFFH,2、簡單輸出口與CPU的接口,74 273,74 273八D鎖存器 1D8D：數(shù)據(jù)輸入端 1Q8Q：數(shù)據(jù)輸出端,273的1D-8D與CPU的數(shù)據(jù)總線D0-D7相連，CPU的寫信號 和地址譯碼信號Y1經(jīng)或門后，接273的CLK端。

5、Y1的相應(yīng)地址為8400H,MOV DPTR，#8400H MOVX DPTR，A,273,使CLK端出現(xiàn)了一個負(fù)脈沖，在脈沖的上升沿時，把D0-D7的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?73中，上升沿過后，數(shù)據(jù)被鎖存。若273的1Q-8Q與LED相接，就可以控制LED的顯示內(nèi)容。,74245,A1A8、B1B8：數(shù)據(jù)信號線。 DIR數(shù)據(jù)傳輸方向控制端。 DIR=1 AB DIR=0 BA,3、簡單輸入口與CPU的接口,74XX245由8個雙向三態(tài)門組成。,MOV DPTR，#8800H MOVX A， DPTR,245,DIR接地，數(shù)據(jù)從B傳向A。 和Y2經(jīng)或門接控制端 ，從245的功能和或門特性可知，當(dāng) 和Y2出

6、現(xiàn)負(fù)脈沖時，在 端也是負(fù)脈沖。,4、可編程并行口與CPU的接口,D0D7：數(shù)據(jù)線。與CPU數(shù)據(jù)線直接相連。 PA、PB、PC：8位并行口。直接接外設(shè)。,8255的邏輯結(jié)構(gòu)。 PC口的8位分成兩個4位端口。 PC4PC7高4位與PA口組成A組，使用同一個控制邏輯。 PC0PC3低4位與PB口組成B組，使用同一個控制邏輯。,8255A與CPU的接口電路,A1 A0： 端口選擇信號線。 0 0 PA口 0 1 PB口 1 0 PC口 1 1 控制口,A1、A0接到CPU的地址總線上，A1、A0是芯片內(nèi)部尋址信號線，尋址方法是：,8255A中的PA、PB、PC端口直接與外設(shè)相連。,8255的控制字,8

7、255的控制字分工作方式控制字和C口位控制字兩種。這兩種控制字都是寫入8255的控制口，起相應(yīng)的控制或位操作功能。 只有通過指令將控制字輸送到控制口，芯片才能按指定方式工作。,、工作方式控制字：特征位最高位為1。 用于決定8255各口的工作方式和I/O狀態(tài)。,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,8255A 方式選擇控制字各位含義,例：設(shè)8255A的控制端口地址為00E6H，要把A口指定為方式1（01）輸入（1），C口上半部定為輸出（0），B口指定為方式0（0）輸出（0）， C口下半部定為輸入（1），則方式控制字應(yīng)是：10110001B或BIH。 若將此控制字的內(nèi)容寫入8255A的控

8、制寄存器，即實現(xiàn)了對8255A工作方式的指定（或者說完成了對8255A的初始化） ，初始化的程序段為： MOV DX， 00E6H ；控制端口地址00E6H MOV AL， 0BIH ；方式控制字 OUT DX， AL ；送控制端口。,、 C口位控制字：特征位最高位為0。 用于對C口的各位進行微操作，而不影響其他位的狀態(tài)。,特征位,、方式2：雙向I/O方式。只有PA口有方式2。不常使用。,(3)、8255的工作方式,8255的各個口各有多種工作方式可選： 、方式0：基本輸入輸出方式，用于無條件傳輸。此種工作方式常用于擴展鍵盤、顯示器等。 特點： 三個口都可工作于方式0。且此時PA口、PB口、P

9、C口的高4位和底4位可分別設(shè)置成輸入或輸出。 這是8255最常用的工作方式。,、方式1：選通輸入輸出方式，用于查詢式傳輸。此時接口和外設(shè)之間需要聯(lián)絡(luò)信號進行協(xié)調(diào)。 特點： 只有PA口和PB口有方式1，此時PC口分成兩個4位口分別作為A組和B組的聯(lián)絡(luò)信號。此種工作方式常用于擴展微型打印機。,、方式2：雙向I/O方式。只有PA口有方式2。不常使用。,使用8255的方法與步驟： （1）根據(jù)實際情況確定PA、PB、PC的工作狀態(tài)，即輸入與輸出。 （2）確定8255的控制字及端口地址。 （3）通過指令將控制字寫到控制口。 （4）對各端口進行具體操作。,三、人機接口,人機接口是指操作者（人）和計算機間的接

10、口。包括人機輸入接口和人機輸出接口。 人機輸入接口：輸入設(shè)備和計算機間的接口。 其作用是通過輸入設(shè)備向計算機輸入控制參數(shù)或命令參數(shù)以實現(xiàn)對計算機的控制。 常用輸入設(shè)備：開關(guān)、撥碼盤、鍵盤等。 人機輸出接口：輸出設(shè)備和計算機間的接口。其作用是通過輸出設(shè)備將計算機的運行狀態(tài)和運行結(jié)果顯示出來。 常用輸出設(shè)備：顯示器（LED、LCD、CRT）、打印機、喇叭等。,（一）人機輸入接口設(shè)計,1、開關(guān)（獨立式鍵盤）接口設(shè)計 開關(guān)：只有2種狀態(tài)0和1。,按鈕開關(guān),轉(zhuǎn)換開關(guān),開關(guān)或鍵抖動：開關(guān)從斷開到閉合及從閉合到斷開時，其電平不是瞬時從一個穩(wěn)定狀態(tài)到達另一個穩(wěn)定狀態(tài)，而是有一段大約110ms左右的抖動時間，這

11、種抖動會使CPU讀數(shù)發(fā)生錯誤，為了防止讀數(shù)錯誤的發(fā)生，在進行開關(guān)、鍵盤等的設(shè)計時必須消除抖動。,消除抖動方法：軟件方法和硬件方法。 軟件方法：編寫一個大約10ms左右的延時程序。實際中常用。 硬件方法：硬件電路。開關(guān)數(shù)量少時用。,2、撥盤接口設(shè)計 撥盤：輸入的參數(shù)較少時采用。見P113圖5-12。,3、鍵盤接口設(shè)計 鍵盤：輸入的參數(shù)較多時采用。 可分為獨立式鍵盤和矩陣式（行列式）鍵盤兩種。,(1)、鍵盤的種類,編碼鍵盤和非編碼鍵盤 編碼鍵盤往往本身就是一個小的微機應(yīng)用系統(tǒng)，本身完成鍵盤掃描，鍵值識別等操作。對其上級應(yīng)用者來講，直接得到鍵值。 非編碼鍵盤僅僅是多個按鍵的組合，鍵盤掃描、鍵值識別等

12、操作都依靠其使用者的相應(yīng)接口電路和軟件程序來完成。,獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤 獨立式鍵盤：一條I/O口線上只有一個按鍵，每個按鍵都占用一條單獨的I/O口線。鍵盤掃描、鍵值識別非常簡單，但占用I/O口線較多。 矩陣式鍵盤：按鍵安排在一系列行線和列線的交叉點上。所有行線接在一個I/O接口上，所有列線接在一個I/O接口上。鍵盤掃描、鍵值識別的操作比較復(fù)雜，但節(jié)省I/O口線。,鍵閉合后，對應(yīng)管腳為低電平0； 鍵斷開后，對應(yīng)管腳為高電平1； 因此，只要判斷鍵所對應(yīng)管腳電平的高低就可知道該鍵是否閉合。,矩陣式鍵盤接口電路,鍵名和鍵值的確定 鍵名：即鍵的名字，隨意取名，一般應(yīng)反映鍵的實際用途，是人為定義的，與

13、電路無關(guān)。 鍵值：是鍵的特征位置值，反映的是鍵處于什么位置，不是人為定義的，與具體的鍵盤接口電路有關(guān)。但確定鍵值的方法有多種，不管選用何種方法，只要使各個鍵的鍵值互不相同即可。,矩陣鍵盤掃描原理： 1、首先確定有無鍵閉合。 從行線（掃描線）送出低電平0，然后讀取列線狀態(tài)，若列線狀態(tài)全部為1，則無鍵閉合，返回繼續(xù)掃描；若有一列為0，說明該列有鍵閉合。 2、去抖動 延時10ms去除鍵抖動，再重新判斷一次以確定是否是真的有鍵按下。,3、判斷哪個鍵閉合 從第1行開始依次送出低電平，其余行線送出高電平，此時讀取列線的狀態(tài)。 其方法是對鍵盤列線進行掃描，依次從P1.4P1.7送出低電平，并從其余行線送出高

14、電平，相應(yīng)地讀取P1.0P1.3的狀態(tài)，若P1.0P1.3全為“1”，則列線輸出為“0”的這一行上無鍵閉合，若不全為“1”，則說明該行有鍵閉合，閉合的鍵位于行線為“0”和列線為“0”的交叉點上。逐行掃描一直到所有行都掃描完畢，即可確定所按按鍵所在的行號和列號。按照事先設(shè)計好的方法即可由行號和列號組合出其“關(guān)鍵字”，如果需要再查表確定其“鍵值”。,鍵值求法： 1、行線權(quán)值和列線權(quán)值直接組合。 行線高位，列線低位。 2、公式法：鍵值=行號n+列號 n鍵盤列數(shù)。,0 0 0 0,0 1 1 1,1 1 1 0,A鍵值：7EH,1 1 1 1,注意： （1）行列號按地址線由低到高的順序來排列。 P1.

15、4P1.7依次為03行。 P1.0P1.3依次為03列。 （2）鍵盤的行線（或列線）要接4.7K10K的上拉電阻。 （3）要去除鍵的抖動。常用軟件延時10ms后，再讀取鍵盤狀態(tài)來判斷鍵的閉合是由抖動引起的還是人為按鍵。 （4）鍵盤既可工作于掃描方式，也可工作于中斷方式。,鍵盤的識別流程,測試有沒有鍵按下。 從行/(列)線上輸出全掃描碼，看列/(行)回復(fù)值是否為全“1”，不是則有鍵。 去抖動。 硬件延遲整形去抖或軟件延時去抖。按鍵是的機械抖動約10ms。,有鍵按下？,確定所按按鍵所在的行號和列號。 逐行/(列)掃描法、線反轉(zhuǎn)法。 確定所按按鍵的關(guān)鍵字和（或）鍵值。 由按鍵所在的行列號為其確定一個

16、預(yù)先安排好的唯一的數(shù)值。 等待鍵釋放。 必須等待按鍵釋放以后才能退出按鍵子程序并做進一步處理。以處理多個按鍵同時按下等誤操作情況和避免一次按鍵多次響應(yīng)。,（二）人機輸出接口設(shè)計,人機對話輸出設(shè)備是操作者對機電系統(tǒng)進行檢測的窗口，可以用它來顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)、運行結(jié)果及故障報警等。,1、發(fā)光二極管,在機電產(chǎn)品中常用作狀態(tài)指示燈。 發(fā)光條件： 電流：220mA 電壓：1.22.5V,注意： 1、通常要加限流電阻以延長壽命。 2、用TTL電平即可與它接口。 3、若負(fù)載較大，可考慮用非門（74LS06）、三極管、總線驅(qū)動器來驅(qū)動以提高驅(qū)動電流。,2、LED數(shù)碼管簡介,LED是發(fā)光二極管的簡稱

17、。 LED數(shù)碼管一般由八只發(fā)光二極管組成，七只顯示字段、一只顯示小數(shù)點，有時也稱為七段式數(shù)碼顯示器。 LED數(shù)碼管分為共陰和共陽兩類，如圖所示。,共陰型：八只LED的負(fù)極連在一起，稱為公共端；各自的正極分別有一條出線，稱為adp。對應(yīng)出線上為高電平“1”，LED亮。 共陽型與之相反。 LED數(shù)碼管的每個LED點亮是的電流一般為810mA左右，壓降為0.71.2V左右。 不同廠家的LED數(shù)碼管的管腳定義和電流以及壓降各不相同，可查閱手冊。,“顯示字符”、“段選碼”和“字符序號”,3、LED顯示接口方法,由串入并出移位寄存器構(gòu)成LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示接口 由串行口（或由兩位I/O口線）外加“串入并出

18、”移位寄存器”164或4094等組成。一片移位寄存器對應(yīng)一位顯示。,74164,當(dāng)需要遠程顯示時，通過串入并出會減少數(shù)據(jù)線數(shù)量，提高傳輸可靠性。,位控線數(shù)目=顯示器位數(shù),共陰極,四、機電接口,機電接口是指機電一體化產(chǎn)品中機械裝置與控制微機之間的接口。按信息傳遞的方向可分為信息采集接口和控制輸出接口。,1、A/D轉(zhuǎn)換接口及主要技術(shù)指標(biāo) 信息采集接口中模擬模擬放大電路與CPU的接口。由A/D芯片完成。,（1）、分辨率：即A/D轉(zhuǎn)換器能夠提供的數(shù)字量的多少。一般用輸出數(shù)字量的位數(shù)多少來表示。二進制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器由二進制數(shù)的位數(shù)表示。BCD碼輸出的A/D轉(zhuǎn)換器由BCD碼的位數(shù)來表示。 例如：MC

19、14433為3位半的BCD碼輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。 ADC0809為8位二進制輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。,（2）量化誤差：是由于有限數(shù)字對模擬量進行量化而引起的誤差。 提高A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率可減小量化誤差。,其中n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。,（3）、轉(zhuǎn)換時間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間。（采樣定理） （4）、量程：可以輸入的模擬電壓的大小范圍。05V、010V等。 （5）、極性：單極性或雙極性。010V、-5V+5V。 在設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換接口時，一般將分辨率和轉(zhuǎn)換時間作為最重要的參數(shù)。,典型A/D轉(zhuǎn)換芯片的應(yīng)用,（1）、MC14433的應(yīng)用： MC14433是雙積分式的A/D轉(zhuǎn)換器，3位半BCD碼輸出

20、。 性能指標(biāo)：分辨率：00001999。 轉(zhuǎn)換時間：每秒種510次。 輸入模擬電壓：雙極性輸入1.999V或199.9mV。,MC14433與MCS51系列單片機的接口,使用注意事項： 、DS1DS4是由MC14433輸出的位標(biāo)志信號，而不是CPU送來的位選通信號。每個信號持續(xù)18個MC14433的時鐘周期，可由CPU查詢以接收相應(yīng)位的數(shù)值。先是DS1有效，輸出千位數(shù)值。 、MC14433沒有轉(zhuǎn)換啟動信號，芯片一直都處于工作狀態(tài)，但只有當(dāng)DU端輸入正脈沖時，轉(zhuǎn)換結(jié)果才能輸出至鎖存器鎖存輸出，否則丟失。,ADC0809介紹,ADC0809是一種8路模擬輸入、8位數(shù)字輸出的逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器。

21、 主要技術(shù)指標(biāo)： 轉(zhuǎn)換精度：0.4% 量程：05V 轉(zhuǎn)換速度：100s/次（典型值） 時鐘范圍：50800KHz（不能超過640K）,2、引腳說明：DIP28 IN0IN7： 8路模擬輸入端，量程05V D0D7： 8位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端 A，B，C：通道地址選擇端,C B A 通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7,ALE：通道鎖存控制信號輸入端，ALE上升沿將A ，B，C三地址線的狀態(tài)鎖存到片內(nèi)通道地址積存器中。 CLK：轉(zhuǎn)換時鐘輸入端；時鐘頻率不能超過640K，否則應(yīng)

22、分頻。 START：啟動轉(zhuǎn)換輸入控制端，高電平有效。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，在轉(zhuǎn)換過程中保持低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時自動轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。該位可作為CPU 的中斷信號或查詢標(biāo)志位。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許控制端，高電平有效。 Vref+,Vref-: 參考電壓輸入端,ADC0809的應(yīng)用,ADC0809是逐次比較式8位二進制輸出的A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)集成有八路模擬開關(guān)，可對8路模擬輸入電壓實施分時轉(zhuǎn)換。,性能指標(biāo)：分辨率：8位二進制數(shù)。000255。 轉(zhuǎn)換時間：100uS 輸入模擬電壓：單極性輸入，05V。 使用注意事項： 、具有轉(zhuǎn)換啟動信號和轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，可通過查詢或中斷的方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 、轉(zhuǎn)換時

23、鐘不能大于640KHz。,ADC0809與MCS51系列單片機的接口電路圖,1,1,2、D/A轉(zhuǎn)換接口,在機電一體化產(chǎn)品中，很多被控對象要求用模擬量做控制信號，如交流電動機的變頻調(diào)速、直流電動機調(diào)速器等，而計算機只能輸出數(shù)字量，這就要求將計算機輸出的數(shù)字量通過D/A轉(zhuǎn)換接口（D/A轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換成模擬量。 常用的D/A器件有DAC0832（8位）、DAC1210（12位）、AD7520 （10位）等。,DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有數(shù)據(jù)鎖存器，輸出量為電流，在實際中需要外接運放將電流轉(zhuǎn)換成模擬電壓，具有單緩沖、雙緩沖、直通三種工作方式，按照輸出電壓的范圍可分為單極性（只輸出正電壓或負(fù)電

24、壓）和雙極性（輸出電壓從正到負(fù)）。,DAC0832,D0D7：數(shù)據(jù)線。,Iout1、 Iout2：差動電流輸出端。 Iout1+ Iout2=常數(shù)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“0FFH”時最大。,Vref：參考電壓輸入端。使用時接電源電壓或基準(zhǔn)電源。,Rfb：反饋信號輸入線。用于外接D/A的輸出增益調(diào)整電位器。,單緩沖方式：先將數(shù)據(jù)送入鎖存器（只要使片選條件1有效即可），然后再送入寄存器（只要使片選條件2有效即可） 。 適用場合：系統(tǒng)中只有一路模擬量輸出或有多路模擬量輸出但不要求同步輸出的情況。 雙緩沖方式：同時使兩個片選條件有效，數(shù)據(jù)直接送入寄存器。 適用場合：系統(tǒng)中有多路模擬量輸出且要求同步輸出的情況。

25、 直通方式：通過硬件電路來滿足兩個片選條件，使一上電就開始轉(zhuǎn)換。實際中一般不用。,3、功率接口,在機電一體化產(chǎn)品中，被控對象所需要的驅(qū)動功率一般比較大，而計算機發(fā)出的數(shù)字控制信號或經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的模擬控制信號的功率都很小，因而必須經(jīng)過功率放大后才能夠驅(qū)動被控對象。實現(xiàn)功率放大的接口電路稱為功率接口電路。 如果被控對象是電感性負(fù)載，會引起電磁干擾，它會竄入控制系統(tǒng)影響計算機系統(tǒng)的正常工作，為了避免這種情況發(fā)生，通常在計算機系統(tǒng)與負(fù)載間采用光電耦合器來隔離。,（1）光電耦合器采取電光電形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，被耦合的兩部分可以自成系統(tǒng)不“共地”，能夠?qū)崿F(xiàn)強電部分和弱電部分的隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機。,（2）光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，能夠吸收脈沖干擾信號，具