微机接口技术.docx

1、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：系统带有电子时钟，2路模拟量和8路数字量的检测；4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）；采用I2C 8583时钟芯片（可以查相关资料）；8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；8个按键分别可以模拟外部8个故障点；2路电位

2、器可以模拟外部模拟信号；EEPROM（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）；RS485上位机接口。系统软件完成的功能：上电时电子钟方式显示当前时间；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；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；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AT89C511块数码管显示驱动器MAX721

3、9SPI31块AD转换芯片TLC549SPI32块时钟芯片PCF8583I2C21块ROM芯片FM24C256I2C21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P00Button按钮，模拟外部故障点1（A）P01Button按钮，模拟外部故障点2（B）P02Button按钮，模拟外部故障点3（C）P03Button按钮，模拟外部故障点4（D）P04Button按钮，模拟外部故障点5（E）P05Button按钮，模拟外部故障点6（F）P06Button按钮，模拟外部故障点7（G）P07Button按钮，模拟外部故障点8（H）P10FM24C256

4、 PCF8583I2C-SCLI2C时钟线P11FM24C256 PCF8583I2C-SDAI2C数据线P12MAX7219DIN数码管显示串行数据输入端P13MAX7219LOAD数码管显示数据锁存端P14SPI/TLC1549SPI-CLKSPI时钟线P15SPI/TLC1549SPI-SDASPI数据线P16TLC1549CSTLC1549片选线P17TLC1549CSTLC1549片选线P20Button1按钮，系统参数“设置”键P21Button2按钮，系统参数 “+”键P22Button3按钮，系统参数“-”键P23Button4按钮，系统平移“-”键P24至P27-未使用P30

5、/RXDCOMPIMRXD485串口通信P31/TXDCOMPIMTXD485串口通信P32/INT0外部故障INT0外部数字量中断P33/INT1系统参数键-系统参数键P34至P37-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1 SCH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Kiel uVision4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Virtual Serial Port Driver。在Virtual Seri

6、al Port Driver中设置COM2与COM3相连接，其设置如图2所示。图2 Virtual Serial Port Driver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

7、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“Connection succeed! 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5 Protues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

8、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：B E A A”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

9、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。5.1 I2C器件接线图I2C总

10、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6 I2C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 (32768 x 8)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、

11、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

12、8所示。图8 外部8路数字故障点监测5.4 AD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AD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4 MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为l7 s，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9 AD转换器件接线图5.5 RS4

13、85串口连线电路图 图10 RS485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Virtual Serial Port Driver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

14、码器、多路扫描控制器、字和位驱动器和88 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18 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：void delay()；2. 启动I2C总线：void I2C_Start();3. 停止I2C总线：void I2C_Stop();4. 主机通过I2C向从机发送数据或地址bit write_one_byte(uchar a

15、ddr_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：uchar read_one_byte(bit ack_OR_nack);6. 将时间结构体写入时钟日历芯片：void PCF8583_SetTime(TIMESTRUCT *pTime);7. 从时钟日历芯片中读出时间结构体：void PCF8583_ReadTime(TIMESTRUCT *pTime); 8. 向24C256芯片写入一字节数据：void WriteOneByteTo24C256(uint ByteAddr,uchar Byte);9. 从24C256芯片读出一字节数据：u

16、char ReadOneByteFrom24C256(uint ByteAddr);10将外部故障数据存入24C256中：void FaultMsgStoreTo24C256(FAULATSTRUCT *pFault);11初始化LED驱动芯片MAX7219：void max7219_init();12LED显示当前时间：void max7219_display(TIMESTRUCT *pTime);13返回TLC549模数转化结果：uchar ADC_TLC549_1();14初始化RS485串口：void RS485_init();15单片机向上位机发送一字节数据：void send_on

17、e_byte(uchar byte);16单片机向上位机发送N字节数据：void send_n_bytes(uchar N,uchar *pBytes);17初始化中断：void isr_init();18外部8路数字量检测（INT0中断）：void Extern8DigProcess() interrupt 019定时器T0中断：void LED_Flicker() interrupt 1 20. 设置系统时间和故障上下限：void Setting_TimeAndBounds(void) interrupt 221. 接受上位机传送给单片机的命令字：void receive_one_byte

18、() interrupt 421主函数：void main();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Source Group 1、Interrupt Files、CommPort、I2C Bus、SPI Bus。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

19、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_#define NOP2 _nop_();_nop_();#define NOP4 NOP2 NOP2typedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint;typedef struct tagTIME uchar year; uchar month; uchar day; uchar hour; uchar minute; uchar second;TIMES

20、TRUCT,*pTIMESTRUCT;typedef struct tagFAULA uchar spot; /故障点 uchar upper; /故障上限 uchar down; /故障下限 TIMESTRUCT ftime; /发生故障时间 TIMESTRUCT rtime; /故障恢复时间FAULATSTRUCT,*pFAULATSTRUCT;#define SLAR8583 0xA1 / PCF8583 读操作芯片地址#define SLAW8583 0xA0 / PCF8583 写操作芯片地址#define SLAR24C256 0xA3 / FM24C256 读操作芯片地址#def

21、ine SLAW24C256 0xA2 / FM24C256 写操作芯片地址sbit SCL=P10; /I2C-Bus(Inter-Intergrated Circuit) sbit SDA=P11;sbit DIN=P12; /SPI-Bus(Serial Peripheral Interface)sbit LOAD=P13;sbit CLK=P14; /SPI-CLKsbit SDO=P15; /SPI-SDAsbit CS549_1=P16;sbit CS549_2=P17;sbit CfmButton=P20; / 确认按钮sbit AddButton=P21; / 加一按钮sbit

22、 SubButton=P22; / 减一按钮sbit TrsButton=P23; / 平移按钮（右移）7.2 主函数void main() TIMESTRUCT TimeStruct; / 存储LED显示时间 FAULATSTRUCT fault; / 故障结构体 uchar analog1,analog2; / 存储两路模拟量，即TLC549模数转换的结果 uchar temp; / 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-

23、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M

24、AX7219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+; / dela

25、y();/ 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=ReadOneByt

26、eFrom24C256(0x4564);/ P0=temp; send_n_bytes(sizeof(Connection succeed!),Connection succeed!); 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

27、 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 uchar count; 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;countFaultNumber;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