微机接口技术.docx
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微机接口技术
微机接口技术
大作业
机电学院
机械电子工程
SX1105124石东雨
南京航空航天大学
机电学院
2012年9月20日
作业要求
设计一外部设备监控系统，采用CPU为51系列单片机，用C51或ASM51编写软件，给出SCH原理图和软件清单（要求有功能注释），系统要求如下：
①系统带有电子时钟，2路模拟量和8路数字量的检测；
②4个按键，分别为设置、+、-、->可以可以完成相应的设置过程（包括时间设置和外部监控值的上下限设置）；
③采用I2C8583时钟芯片（可以查相关资料）；
④8个8段LED显示（可以采用SPI总线芯片7219）以辅助完成设置，显示内容：
时-分-秒；
⑤8个按键分别可以模拟外部8个故障点；
⑥2路电位器可以模拟外部模拟信号；
⑦EEPROM（I2C总线芯片24c256）保存最近100个外部故障数据（包含故障点和故障时间）；
⑧RS485上位机接口。
系统软件完成的功能：
①上电时电子钟方式显示当前时间；
②设置按键进入设置状态，可以重新设置新时间值和外部监控值的上下限，结果写入8583。
设置完成后电子钟方式显示当前时间；
③实时监测外部8个数字故障点和模拟数字，一旦故障记录其故障数据、故障发生时间和恢复时间；
④上位机传来命令字0xaa向上位机发送所保存的外部故障数据，发送完成后清除保存数据。
（自定义通讯协议）。
一、元器件选择
芯片名称
型号
接口类型
线数
数量
控制芯片
AT89C51
1块
数码管显示驱动器
MAX7219
SPI
3
1块
AD转换芯片
TLC549
SPI
3
2块
时钟芯片
PCF8583
I2C
2
1块
ROM芯片
FM24C256
I2C
2
1块
二、MCS-51单片机引脚接线
单片机I/O
引脚
外部器件连接及功用
器件名称
引脚代号
功用
P0^0
Button
按钮，模拟外部故障点1（A）
P0^1
Button
按钮，模拟外部故障点2（B）
P0^2
Button
按钮，模拟外部故障点3（C）
P0^3
Button
按钮，模拟外部故障点4（D）
P0^4
Button
按钮，模拟外部故障点5（E）
P0^5
Button
按钮，模拟外部故障点6（F）
P0^6
Button
按钮，模拟外部故障点7（G）
P0^7
Button
按钮，模拟外部故障点8（H）
P1^0
FM24C256PCF8583
I2C-SCL
I2C时钟线
P1^1
FM24C256PCF8583
I2C-SDA
I2C数据线
P1^2
MAX7219
DIN
数码管显示串行数据输入端
P1^3
MAX7219
LOAD
数码管显示数据锁存端
P1^4
SPI/TLC1549
SPI-CLK
SPI时钟线
P1^5
SPI/TLC1549
SPI-SDA
SPI数据线
P1^6
TLC1549
CS
TLC1549片选线
P1^7
TLC1549
CS
TLC1549片选线
P2^0
Button1
按钮，系统参数“设置”键
P2^1
Button2
按钮，系统参数“+”键
P2^2
Button3
按钮，系统参数“-”键
P2^3
Button4
按钮，系统平移“->”键
P2^4至P2^7
---
---
未使用
P3^0/RXD
COMPIM
RXD
485串口通信
P3^1/TXD
COMPIM
TXD
485串口通信
P3^2/INT0
外部故障
INT0
外部数字量中断
P3^3/INT1
系统参数键
---
系统参数键
P3^4至P3^7
---
---
未使用
三、SCH原理图
SCH原理图用Proteus仿真图表示，如图1所示。
图1SCH原理图
四、程序操作说明
本程序采用C51编写软件，编译器采用业界常用的KieluVision4编译器，所有程序和相应的外围芯片在Proteus中进行了联合仿真。
由于本检测系统需要和上位机通信，用到了Proteus中的COMPIM串口和虚拟串口软件VirtualSerialPortDriver。
在VirtualSerialPortDriver中设置COM2与COM3相连接，其设置如图2所示。
图2VirtualSerialPortDriver主界面
上位机并没有编写专用的软件（编写该软件用微软的MSComm控件比较简单），而是用串口调试助手完成单片机与上位机的模拟通信。
首先打开串口调试助手软件，设置串行端口为COM3（Protues中COMPIM设置为COM2），设置波特率为9600bit/s、数据位8位、空白检验、停止位1位，其他保持默认，这里的所有通信参数的设置要和单片机的串口通信参数保持一致。
所有参数设置好后，单击“打开串口”按钮即可打开串口，如图3所示。
图4是串口调试助手主界面。
图3串口调试助手参数设置
图4串口调试助手主界面
打开串口调试助手后，用Proteus打开仿真原理图，然后按下Proteus中的“运行
”按钮，此时会在串口调试助手中显示“Connectionsucceed!
Author:
ShiDongyu”的字样，表示单片机已和上位机连接成功。
此时还没有外部故障数据。
为此，单击Proteus中的模拟故障按键，模拟故障按键用红色椭圆在图5中标出，如图5所示。
图5Protues仿真原理图
故障按键一共有八个，分别对应外部八个故障监测点（由于空间小，看的不清除，可以用Proteus打开原理图放大这一部分查看）。
这里随便按下任意四个按键以模拟出四个外部故障数据点，这时四个故障数据被单片机存放到FM24C256芯片中（FM24C256为ROM芯片）。
题目要求当上位机传来命令字“0xaa”时向上位机发送所保存的外部故障数据，发送完成后清除保存数据。
这时可在串口调试助手的发送数据区输入“aa”然后单击“发送”按钮，即表示上位机向单片机传送命令字“aa”，则可以看到串口调试助手的接受数据区显示“已接受命令字：
aa外部故障点：
BEAA”字样（见图4串口调试助手主界面所示），这表示上位机接收到了四个故障点并显示了其故障点编号。
注意：
这里仅显示了故障点编号而没有显示故障包含的全部数据，在实际应用中可以加上，此处为了便于程序调试而省略。
这样就完成了单片机与上位机之间的通信和数据交换。
下面再阐述如何进行系统时间设置。
该系统共含有四个按键：
“设置”、“+”、“-”，“->”。
当单击“设置”按键时，系统LED显示的时间开始以1Hz的频率闪烁，以表示进入设置状态。
首先是对小时设置，如果此时单击“->”按键则对分钟设置，再次单击“->”按键则对秒设置。
分别单击“+”、“-”可进行小时、分钟、秒的加1和减1操作，设置完成后再次单击“设置”按键即可完成对系统时间的设置，此时LED显示器不再闪烁显示，进入正常显示状态。
注意：
这里必须首先单击“设置”按键后其他三个按键才有效，否则无效。
五、主要接口电路
下面介绍在本监测系统的主要接口电路，分别所述如下。
5.1I2C器件接线图
I2C总线上挂接有两个芯片：
ROM芯片FM24C256和时钟日历芯片PCF8583。
FM24C256和PCF8583和本监测系统的接口电路如图6所示。
图6I2C器件接线图
FM24C256是一个可电擦除的PROM芯片，它使用标准的I2C总线和控制芯片通信。
FM24C256包含256K-bits（32768x8）的存储空间，每64个字节为一页，共512页。
具有字节写、页写、当前地址读、任意地址读、顺序地址读等多种访问方式，它有PDIP、SOIC、TSSOP封装形式。
PCF8583是飞利浦（Philips）公司生产的CMOS型实时时钟集成电路，它通过I2C总线方式可与各种单片机接口，具有日历、时钟、计时、可编程定时中断，并提供256字节低功耗静态RAM，本监测系统主要是使用它的时钟功能。
5.2系统参数功能键接线图
本系统共有四个功能键，分别为“设置”、“+”、“-”、“->”，在图7中用红色椭圆标出，这四个功能键和单片机的外部中断INT1连接，并通过P2.0、P2.1、P2.2、P2.3加以识别。
通过这四个按键可完成对系统时间和外部监控值上下限的设置。
图7功能按键接线图
5.3外部8路数字故障点监测
本系统用8个按键（在图8中用椭圆标出）模拟外部8路数字故障点，他们接在单片机外部中断INT0上，并通过P0口的8位加以判断是那个故障点引起中断。
具体的判断方法可见附件中的程序，其硬件接线图如图8所示。
图8外部8路数字故障点监测
5.4AD转换器件接线图
本监测系统的AD转换芯片选用TLC549，TLC549是采用LinCMOSTM技术并以开关电容逐次逼近原理工作的8位串行A／D芯片。
可与通用微处理器通过SCLK、CS、SDO三条口线进行串行接口。
TLC549具有4MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为l7s，允许的最高转换速率为40000次／s。
本系统需要监测两路模拟量，所以采用两个TLC549芯片，它们的片选信号CS分别接在P1.6和P1.7上，SDO、SCLK线挂接到SPI总线上，前置的模拟信号用电位器模拟给出，见图9所示。
图9AD转换器件接线图
5.5RS485串口连线电路图
图10RS485串口连线电路图
串口连线电路图主要用到了Proteus中的COMPIM虚拟串口，COMPIM在单片机串口仿真中使用非常方便，它和虚拟串口软件VirtualSerialPortDriver相结合可方便的完成单片机和上位机之间的模拟串口通信，本硬件接线图中直接使COMPIM的TXD、RDX与单片机的TXD、RDX连接，中间没有接RS485转换芯片。
5.6数码管显示驱动接线图
图11数码管显示驱动接线图
数码管显示驱动采用MAX7219，它是微处理器和共阴极七段八位LED显示、图条/柱图显示或64点阵显示接口的小型串行输入/输出芯片。
片内包括BCD译码器、多路扫描控制器、字和位驱动器和8×8静态RAM。
外部只需要一个电阻设置所有LED显示器字段电流。
MAX7219和微处理器只需三根导线连接，属于SPI总线接口。
每位显示数字有一个地址由微处理器写入。
允许使用者选择每位是BCD译码或不译码。
使用者还可选择停机模式、数字亮度控制、从1～8选择扫描位数和对所有LED显示器的测试模式。
六、软件程序清单
1.延时程序：
voiddelay（）；
2.启动I2C总线：
voidI2C_Start（）;
3.停止I2C总线：
voidI2C_Stop（）;
4.主机通过I2C向从机发送数据或地址bitwrite_one_byte（ucharaddr_OR_data）;
5.主机通过I2C接收从机的一个字节数据后并向从机发送应答位还是非应答位：
ucharread_one_byte（bitack_OR_nack）;
6.将时间结构体写入时钟日历芯片：
voidPCF8583_SetTime（TIMESTRUCT*pTime）;
7.从时钟日历芯片中读出时间结构体：
voidPCF8583_ReadTime（TIMESTRUCT*pTime）;
8.向24C256芯片写入一字节数据：
voidWriteOneByteTo24C256（uintByteAddr,ucharByte）;
9.从24C256芯片读出一字节数据：
ucharReadOneByteFrom24C256（uintByteAddr）;
10．将外部故障数据存入24C256中：
voidFaultMsgStoreTo24C256（FAULATSTRUCT*pFault）;
11．初始化LED驱动芯片MAX7219：
voidmax7219_init（）;
12．LED显示当前时间：
voidmax7219_display（TIMESTRUCT*pTime）;
13．返回TLC549模数转化结果：
ucharADC_TLC549_1（）;
14．初始化RS485串口：
voidRS485_init（）;
15．单片机向上位机发送一字节数据：
voidsend_one_byte（ucharbyte）;
16．单片机向上位机发送N字节数据：
voidsend_n_bytes（ucharN,uchar*pBytes）;
17．初始化中断：
voidisr_init（）;
18．外部8路数字量检测（INT0中断）：
voidExtern8DigProcess（）interrupt0
19．定时器T0中断：
voidLED_Flicker（）interrupt1
20.设置系统时间和故障上下限：
voidSetting_TimeAndBounds（void）interrupt2
21.接受上位机传送给单片机的命令字：
voidreceive_one_byte（）interrupt4
21．主函数：
voidmain（）;
七、主函数和子程序介绍
由于本系统程序代码很多，这里不一一列出，仅列出变量申明和结构体的定义部分以及主函数的详细程序代码。
其他子函数可见附件。
在设计和管理子函数时尽量做到了条理清楚明晰，所有功能相似的子函数放在一个源文件中，并又对源文件进行了分类和管理。
源文件具体分类包括SourceGroup1、InterruptFiles、CommPort、I2CBus、SPIBus。
从名字意思便可看出其功能，对子函数、源文件的分类和管理对于大型程序非常必要。
所有程序文件在Keil中的结构如图12所示。
图12程序结构图
7.1函数变量及端口定义
下面的变量申明及端口定义位于declaration.h文件中，可在Keil中查看。
#ifndef__DECLARATION_H__
#define__DECLARATION_H__
#defineNOP2_nop_（）;_nop_（）;
#defineNOP4NOP2NOP2
typedefunsignedcharuchar;
typedefunsignedintuint;
typedefstructtagTIME
{
ucharyear;
ucharmonth;
ucharday;
ucharhour;
ucharminute;
ucharsecond;
}TIMESTRUCT,*pTIMESTRUCT;
typedefstructtagFAULA
{
ucharspot;//故障点
ucharupper;//故障上限
uchardown;//故障下限
TIMESTRUCTftime;//发生故障时间
TIMESTRUCTrtime;//故障恢复时间
}FAULATSTRUCT,*pFAULATSTRUCT;
#defineSLAR85830xA1//PCF8583读操作芯片地址
#defineSLAW85830xA0//PCF8583写操作芯片地址
#defineSLAR24C2560xA3//FM24C256读操作芯片地址
#defineSLAW24C2560xA2//FM24C256写操作芯片地址
sbitSCL=P1^0;//I2C-Bus（Inter-IntergratedCircuit）
sbitSDA=P1^1;
sbitDIN=P1^2;//SPI-Bus（SerialPeripheralInterface）
sbitLOAD=P1^3;
sbitCLK=P1^4;//SPI-CLK
sbitSDO=P1^5;//SPI-SDA
sbitCS549_1=P1^6;
sbitCS549_2=P1^7;
sbitCfmButton=P2^0;//确认按钮
sbitAddButton=P2^1;//加一按钮
sbitSubButton=P2^2;//减一按钮
sbitTrsButton=P2^3;//平移按钮（右移）
7.2主函数
voidmain（）
{
TIMESTRUCTTimeStruct;//存储LED显示时间
FAULATSTRUCTfault;//故障结构体
ucharanalog1,analog2;//存储两路模拟量，即TLC549模数转换的结果
uchartemp;//临时变量
TimeStruct.month=0x11;//初始化日期和时间（压缩BCD码）
TimeStruct.day=0x17;
TimeStruct.hour=0x09;//初始时间为09-32-58
TimeStruct.minute=0x32;
TimeStruct.second=0x58;
isr_init（）;//初始化中断
max7219_init（）;//初始化用于控制LED显示的MAX7219
RS485_init（）;//串口（用来和上位机通信）初始化
PCF8583_SetTime（&TimeStruct）;//将初始化好的时间写到时钟日历芯片PCF8583中
PCF8583_ReadTime（&TimeStruct）;//从PCF8583中读出新的时间并写回到TimeStruct结构体中
max7219_display（&TimeStruct）;//用MAX7219显示出读出新的时间
analog1=ADC_TLC549_1（）;//两路A-D转换，
analog2=ADC_TLC549_2（）;//说明：
在主程序中没有处理A-D转换结果，在实际应用中示具体情况加入即可。
/*把下面程序注释掉会引起两个警告，这是由于FaultMsgStoreTo24C256（&fault）函数没有被调用过而引起*/
//fault.spot='F';//模拟外部故障1（只设定故障点），用来验证FaultMsgStoreTo24C256（）函数的正确性
//FaultMsgStoreTo24C256（&fault）;
//FaultNumber++;
//delay（）;
//fault.spot='a';//模拟外部故障2（只设定故障点）,故障也可以由外部故障中断引起。
//FaultMsgStoreTo24C256（&fault）;
//FaultNumber++;
//temp=ReadOneByteFrom24C256（0x1000）;//用P0显示模拟的外部故障点
//temp=ReadOneByteFrom24C256（0x1000+15）;
//P0=temp;
WriteOneByteTo24C256（0x4564,0x45）;//该函数在此处调用无实际意义，仅为验证该函数的正确性（用P0显示结果）
delay（）;
temp=ReadOneByteFrom24C256（0x4564）;
//P0=temp;
send_n_bytes（sizeof（"Connectionsucceed!
"）,"Connectionsucceed!
"）;
send_one_byte（32）;//发送一个空格
send_n_bytes（sizeof（"Author:
ShiDongyu"）,"Author:
ShiDongyu"）;
send_one_byte（'\r'）;//发送一个换行符
send_one_byte（'\n'）;
while
（1）
{
PCF8583_ReadTime（&TimeStruct）;//从PCF8583中读出新的时间并写回到TimeStruct结构体中
max7219_display（&TimeStruct）;//用MAX7219显示出读出新的时间
if（CommandFromPC==0x6161）//如果CommandFromPC==0xaa，则单片机向上位机上传故障数据点
{
ucharcount;
send_one_byte（'\r'）;
send_one_byte（'\n'）;
send_n_bytes（sizeof（"已接受命令字：
aa"）,"已接受命令字：
aa"）;
send_one_byte（'\r'）;
send_one_byte（'\n'）;
send_n_bytes（sizeof（"外部故障点：
"）,"外部故障点：
"）;
for（count=0;count{
temp=ReadOneByteFrom24C256（0x1000+count*15）;
send_one_byte（temp）;
send_one_byte（32）;
}
CommandFromPC=0;
}
//说明：
在主程序中没有处理A-D转换结果，在实际应用中示具体情况在此加入即可。
delay（）;//此处软件延时是为了减轻CPU负担，便于Proteus仿真
}
}
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