單片機IO口擴展技術(shù)

0 引言

在單片機家族的眾多成員中，MCS-51系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)、高可靠性和高性價比,占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，并成為國內(nèi)單片機應(yīng)用領(lǐng)域中的主流機型。

MCS-51單片機的并行口有P0、P1、P2和P3，由于P0口是地址／數(shù)據(jù)總線口，P2口是高8位地址線，P3口具有第二功能，這樣，真正可以作為雙向I／O口應(yīng)用的就只有P1口了。這在大多數(shù)應(yīng)用中是不夠的，因此，大部分MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計都不可避免的需要對P0口進行擴展。

由于MCS-51單片機的外部RAM和I／O口是統(tǒng)一編址的，因此，可以把單片機外部64K字節(jié)RAM空間的一部分作為擴展外圍I／O口的地址空間。這樣，單片機就可以像訪問外部RAM存儲器單元那樣訪問外部的P0口接口芯片，以對P0口進行讀／寫操作。用于P0口擴展的專用芯片很多。如8255可編程并行P0口擴展芯片、8155可編程并行P0口擴展芯片等。本文重點介紹采用具有三態(tài)緩沖的74HC244芯片和輸出帶鎖存的74HC377芯片對P0口進行的并行擴展的具體方法。

1 輸入接口的擴展

MCS-51單片機的數(shù)據(jù)總線是一種公用總線，不能被獨占使用，這就要求接在上面的芯片必須具備“三態(tài)”功能，因此擴展輸入接口實際上就是要找一個能夠用于控制且具備三態(tài)輸出的芯片。以便在輸入設(shè)備被選通時，它能使輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)線和單片機的數(shù)據(jù)總線直接接通；而當(dāng)輸入設(shè)備沒有被選通時，它又能隔離數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)總線(即三態(tài)緩沖器為高阻抗狀態(tài))。

1.1 74HC2244芯片的功能

如果輸入的數(shù)據(jù)可以保持比較長的時間(比如鍵盤)，簡單輸入接口擴展通常使用的典型芯片為74HC244，由該芯片可構(gòu)成三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器。74HC244芯片的引腳排列如圖1所示。

74HC244芯片內(nèi)部共有兩個四位三態(tài)緩沖器，使用時可分別以1C和2G作為它們的選通工作信號。當(dāng)1C和2G都為低電平時，輸出端Y和輸入端A狀態(tài)相同；當(dāng)1G和2G都為高電平時，輸出呈高阻態(tài)。

1.2 應(yīng)用74HC244芯片擴展輸入接口

圖2是采用74HC2244芯片進行輸入接口擴展的原理電路，圖3是讀P0口的時序。由圖3可以看出，當(dāng)P2.7和RD同為低電平時，74HC2244才能將輸入端的數(shù)據(jù)送到單片機的P0口。其中，P2.7決定了74HC244的地址，0000H-7FFFH(共32K)地址都可以訪問這個單元，這就是用線選法所帶來的副作用。通?？蛇x擇其中的最高地址作為這個芯片的地址來寫程序，如這個芯片的地址是7FFFH。但這僅僅是一種習(xí)慣，并不是規(guī)定，當(dāng)然也完全可以用0000H作為這個芯片的地址。當(dāng)確定了地址之后，其接口的輸入操作程序如下：

MOV DPTR，#7FFFH

MOVX A,@DPTR

其中MOVX類指令是MCS-5l單片機專用于對外部RAM進行操作的指令。由于外部I／O與外部RAM是同一接口，所以一般使用這條指令對外部I／O進行操作。一旦執(zhí)行到MOVX類指令，單片機就會在RD或WR(根據(jù)輸入還是輸出指令)引腳產(chǎn)生一個下降沿，這個下降沿的波形與P2.7相或，則會在或門的輸出口也產(chǎn)生一個下降沿，這個下降沿將使74HC244的輸出與輸入接通，這樣，輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)就可以被MCS-51單片機從總線上讀取。

需要說明的是，74HC244是不帶鎖存的，因此，如果輸人設(shè)備提供的數(shù)據(jù)時間比較短，那么就要用帶鎖存的芯片進行擴展，如74HC373，74HC573等。

2 輸出接口的擴展

由于單片機的數(shù)據(jù)總線是為各個芯片服務(wù)的，一般不可能為一個輸出而一直保持一種狀態(tài)，因此，輸出接口的主要功能是進行數(shù)據(jù)保持(即數(shù)據(jù)鎖存)，也就是說，輸出接口的擴展實際上就是擴展鎖存器。

2.1 74HC377芯片的功能

輸出接口擴展通常用74HC377芯片來實現(xiàn)。該芯片是一個帶允許端的8D鎖存器，其芯片的引腳如圖4所示，各相關(guān)引腳的功能如下：

◇D0～D7為8位數(shù)據(jù)輸入端；

◇Q0～Q7為8位數(shù)據(jù)輸出端；

◇G為使能控制端；

◇CLK為時鐘信號，上升沿鎖存數(shù)據(jù)。

表1所列是該芯片的真值表。

2.2 應(yīng)用74HC377芯片擴展輸出接口

圖5是利用74HC377進行輸出接口擴展的電路連接圖。圖中，74HC377的G端與P2.6口相連，其地址是x0xxxxxxB，如果把“x”全置為1，則為1011 1111 1111 1111B，這樣，0BFFFH就是該芯片的地址了。

由于MCS-51的WR是與74HC377的CLK端相連的，當(dāng)WR信號由低變高時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)為輸出數(shù)據(jù)，而此時P2.6輸出低電平，G有效，因此，數(shù)據(jù)就被鎖存。其相關(guān)程序如下：

MOV DPTR，#0BFFFH

MOV A，#DATA

MOVX @DPTR，A

此外，利用74HC373芯片、74HC573芯片也可以進行P0口的擴展。

3 接口擴展實例

在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，可能需要同時擴展多個I／O口，以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的需要。而各個輸入、輸出擴展I／O芯片應(yīng)通過74LS138進行“全地址”譯碼選通，從而分時復(fù)用數(shù)據(jù)總線DB (DataBus)。為了防止過渡干擾對譯碼選通邏輯造成的影響，單片機系統(tǒng)所用的外圍芯片一般均設(shè)為雙步選通方式，即除了配置譯碼選通端外，還應(yīng)配置使能選通端。而74HC244芯片本身沒有明顯的片選和讀／寫控制端，設(shè)計時通常采用譯碼和讀控制信號來同時控制74HC244的CS，從而有效地抑制輸入／輸出數(shù)據(jù)信息的過渡干擾。

此電路輸入口擴展采用2個74HC244。其輸入端接鍵盤或其它數(shù)字信號；而輸出口擴展則選用2個74HC377，以用于控制數(shù)碼管、發(fā)光二極管、繼電器等。其詳細電路原理圖如圖6所示。

其部分代碼如下：

51單片機的數(shù)據(jù)／地址／控制總線端口都有一定的負載能力，P0口可驅(qū)動8個TTL門電路，P1口、P2口和P3口可驅(qū)動4個TTL門電路。負載超過上述規(guī)定一般應(yīng)加驅(qū)動器?？偩€驅(qū)動器可以使用TTL型三態(tài)緩沖門電路74HC244、74HC245。另外，在擴展口線的同時，還應(yīng)兼顧配置總線驅(qū)動器，注意總線負載平衡的配置。在總線上適當(dāng)安裝上拉電阻可以提高總線信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

此外，一個系統(tǒng)可能由于存在各種干擾及不穩(wěn)定因素而出現(xiàn)故障，為解決這一問題，設(shè)計時也可以從軟件設(shè)計方面采取一些措施。

4 結(jié)束語

與其它51單片機P0口擴展相比，本文介紹的輸入／輸出口的P0并行擴展方法，可以很方便的實現(xiàn)P0口的并行擴展。所設(shè)計的接口擴展電路已成功用于實際系統(tǒng)中。實際運行表明，采用該方法擴展的P0口系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定的運行。