51單片機并口擴展的實驗設(shè)計與分析

曹曉龍

（貴州師范大學(xué)，貴州貴陽，550001）

0 引言

單片機常用于各種需要進行控制的領(lǐng)域，包括工業(yè)、工業(yè)乃至家庭電子產(chǎn)品。單獨一個單片機是無法完成控制作用的，必須通過單片機與外部設(shè)備進行連接。然而51單片機的并口資源較少，僅有P0、P1、P2和P3四個8位并口。且在大多數(shù)情況下，外接存儲器、大量IO接口時，P0、P2作為地址數(shù)據(jù)線、P3則作為控制線。而余下的僅有P1口。由此可見，51的并口資源是極其缺乏的。有必要采取一定的方法對51的并口資源進行擴展。多數(shù)教材中，基本上都介紹了利用鎖存器及緩沖器進行雙向并口的擴展，以及利用并口芯片8255A進行擴展的方法[1]。然而，教學(xué)過程中僅靠老師引導(dǎo)式地講解，還不足以讓學(xué)生完全了解這種方法的核心，沒有形成直觀的感受，在脫離課堂以及課本后，學(xué)生仍舊無法充分掌握該擴展法。正是在這一背景下，本文提出了一種利用Proteus仿真平臺，設(shè)計一個有關(guān)利用8255A進行并口擴展的方法實驗，旨在通過對整個實驗內(nèi)容的設(shè)計，讓學(xué)生親自動手，逐步實現(xiàn)其硬件軟件設(shè)計，并最終能夠理解并掌握擴展方法。此外，對于在單片機與其他外部芯片的連接上也有一定的參考價值。

1 單片8255擴展的實驗內(nèi)容及原理圖

本設(shè)計的實驗原理圖如圖1所示。

圖1 單片8255A擴展并口實驗原理圖

實驗的主要內(nèi)容是通過8255A輸出數(shù)據(jù)以使得兩個BCD類型數(shù)碼管顯示60秒的計數(shù)器。內(nèi)容較為簡單，主要是體現(xiàn)出對8255A的基本設(shè)置。為此可按照下述步驟進行實驗的準(zhǔn)備與設(shè)計。

■1.1 8255A主要結(jié)構(gòu)特性

這部分主要是為了幫助學(xué)生將課堂所學(xué)的有關(guān)8255A的相關(guān)特點進行一個歸納總結(jié)，以便為后續(xù)的實驗作準(zhǔn)備。為此，可以設(shè)置一些問答及思考題，讓學(xué)生在實驗中完成。以鞏固所學(xué)的知識點。例如可設(shè)置下面的問題：

(1)8255A內(nèi)部一共有 個寄存器，其對應(yīng)的外部地址為A1A0，且當(dāng)A1A0為 時表示此時的數(shù)據(jù)接收寄存器為 。

(2)根據(jù)圖2所示的8255A的控制寄存器格式[2]，說明當(dāng)寄存器為 時，表示A口為輸出，方式0、其余口為方式0，輸出？

圖2 8255A控制方式字

(3)在與8255A進行連接時，_______與A1A0形成地址信號。

通過類似上述三個問題的回答，能夠較為清楚地反應(yīng)出8255A并口芯片在實現(xiàn)連接以及軟件設(shè)置時的重點。

■1.2 51單片機外接時的主要特性分析

為了能夠?qū)崿F(xiàn)擴展，51單片機本身的外連時的主要特性也是整個外擴的重點內(nèi)容，尤其是對P0的外接鎖存器以連接地址線，以及同時又要與數(shù)據(jù)線相連的特點，此外還需要掌握通過MOVX實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。為此可參?255A的做法設(shè)置相應(yīng)的問答及思考題加強學(xué)生對相關(guān)的重點難點理解與掌握?？稍O(shè)置諸如下面所給的例子中相關(guān)的思考題以充分發(fā)揮學(xué)生的主動性

(1)51單片機在外擴時是如何實現(xiàn)與外接設(shè)備的地址數(shù)據(jù)相連操作的？期間用到了鎖存器LS373，鎖存器用在何處？為什么？

(2)若外設(shè)的地址線有3根，那么單片機可設(shè)置的地址范圍是多少？

(3)單片機的ALE信號主要作用是什么？外接時，一般接在何處？

(4)單片機訪問外部的指令是什么？具有怎樣的格式？

(5)有哪些間接尋址寄存器可使用？使用所采取的選擇標(biāo)準(zhǔn)是什么？

通過類似上述思考題的設(shè)置，可以較為全面地歸納了51單片機在外擴時的硬件軟件特征。通過對各個問題的回答，更加深了對知識點的了解。

■1.3 單片8255A擴展的硬件設(shè)計

通過上面的分析和準(zhǔn)備，指出了外擴時的主要控制信號以及讀寫實現(xiàn)的原理。因此，可在此處依然以問答的方式逐步引導(dǎo)學(xué)生寫出關(guān)鍵信號的連接關(guān)系，并繪制電路圖。相比事先給一個電路圖，讓學(xué)生照著畫的方式，更能調(diào)動學(xué)生的積極主動性，引發(fā)思考。充分利用實驗課時，提高實驗的效率和教學(xué)成果。

(1)8255A的A1A0及CS可與單片機的那一部分進行相連，對應(yīng)的地址分別是多少？

(2)74LS373的LE、OE如 何連接？

(3)數(shù)據(jù)線之間的連接關(guān)系如何？

(4)兩個BCD類型的7段數(shù)碼管與8255A如何連接。

通過對以上問題的思考，基本上能夠勾畫出整體的電路結(jié)構(gòu)圖，能夠在Proteus中畫出類似本文圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

■1.4 單片8255A擴展的軟件設(shè)計

單片機的軟件設(shè)計與硬件電路的構(gòu)成息息相關(guān)，而單片8255A擴展實驗中，軟件部分主要是實現(xiàn)對8255A的控制寄存器設(shè)置以及讀寫操作。所使用的指令是MOVX。但就對8255A操作上，程序設(shè)計并沒有任何難度，實驗的難點在于60秒顯示數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

8255A相關(guān)設(shè)置程序設(shè)計：

(1)根據(jù)電路，所使用的與數(shù)碼管相連的接口屬于輸入還是輸出？

(2)哪一種工作方式比較適合？由此得出的控制寄存器的值應(yīng)為多少？

(3)如何將設(shè)置的值寫入8255A的控制寄存器？

顯示部分程序設(shè)計：

(1)如何將一個兩位十進制數(shù)據(jù)分離為十位、個位？

(2)BCD顯示的顯示碼如何確定？

(3)1s的時間通過軟件如何實現(xiàn)？

通過對上述問題的回答，能夠?qū)懗鋈缦屡c實驗有關(guān)的程序。

在實現(xiàn)上述程序時，對一些較難的點，可在提示下幫助學(xué)生完成，以實現(xiàn)在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)互動。而非老師一味地講解原理，學(xué)生一味地被動聽。缺乏獨立思考的時間，對所操作的實驗沒有深入的體會和理解。

■1.5 單片8255A擴展的實驗結(jié)論

通過對這一簡單的實驗從分析到設(shè)計并到最終觀察到實驗現(xiàn)象，完全是靠學(xué)生參與到其中，逐步實現(xiàn)的過程。透過觀察到的實驗現(xiàn)象，可以看出與之前直接通過51單片機的某個并口輸出60的計數(shù)顯示數(shù)據(jù)進行對比，通過8255A可以實現(xiàn)相同的功能。實驗體現(xiàn)了關(guān)鍵信號之間的連接與控制作用，以及利用MOVX實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)傳輸?shù)溶浻布Y(jié)合的方法，實現(xiàn)了擴展。由此，能讓學(xué)生更加深入理解這種擴展方法的核心。此外，可針對連接關(guān)系進一步引發(fā)學(xué)生的思考。如可就其中若改變CS、A1、A0與P0口的連接，則對實驗將產(chǎn)生怎樣的影響，程序的設(shè)計將如何修改等問題進行提問。為后續(xù)的多片進行擴展的方法開拓思路。

2 多片8255A的擴展實驗設(shè)計與分析

經(jīng)過單片8255A擴展并口的基本實驗的設(shè)計與分析過程，使學(xué)生已經(jīng)建立了對這種擴展方式的感性認識及較為深入的理解。而單片擴展的方法使得51單片機的并口數(shù)量擴展為5個8位并口，因為其中P0及P3口被占用了資源。而實際應(yīng)用中，存在著對并口資源數(shù)量更多的要求，因此，如何利用8255A擴展出更多的并口，便成了51單片機外擴并口的一個具有現(xiàn)實意義的問題。為此，有必要在實驗中加入這一內(nèi)容。為此，在單片擴展實驗的基礎(chǔ)上，加入另一片8255A，從而構(gòu)成一個具有8個并口的51單片機系統(tǒng)。且整個實驗的設(shè)置可參考單片的模式，引導(dǎo)學(xué)生逐步實現(xiàn)設(shè)計并完成實驗。

■2.1 多片8255A擴展的硬件電路設(shè)計

解決的主要問題是，另一片8255A將怎樣接入到只有一片8255A的并口系統(tǒng)中，針對這一問題，仍舊可以通過提出對應(yīng)思考題的方式進行。在有了對8255A關(guān)鍵控制信號以及與單片機互連受單片控制完成控制字的設(shè)置，以及數(shù)據(jù)讀寫的單片擴展基礎(chǔ)，要回答這一類問題相對容易。此外，新引入的8255A也要考慮其內(nèi)部控制寄存器以及A、B和C口數(shù)據(jù)寄存器的地址分配問題。而這些早已在上一個單片擴展實驗中就已解決的問題，在這里完全具有一定的參考價值，學(xué)生能較容易地寫出第二片8255A各個口的分配地址。從而更能體會外接存儲器或接口地址劃分的技術(shù)。若此時提出要求增加的第二片8255A將作為輸入接入8個按鈕以實現(xiàn)第一片上顯示第二片中接入的按鈕按下的具體哪一號鍵，則學(xué)生能夠畫出如圖3所示的多片8255A擴展的實驗硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖3 多片8255A擴展硬件構(gòu)成圖

圖3所示的系統(tǒng)連接圖，通過同一個P0.2的輸出作為對芯片片選信號的輸出控制，且從連接的關(guān)系來看，兩片的片選信號屬于互斥關(guān)系，當(dāng)一片被選中時，另一片處于未選中的狀態(tài)。這一屬性是通過P0.2的經(jīng)鎖存器輸出以直接接在其中一片，而另一片則經(jīng)過反相器進行連接對應(yīng)的CS片選而實現(xiàn)的，而A1A0的連接，可以兩片的都通過相同的信號進行控制，也可以選擇不同的P0口進行確定，圖3所示的采用的是第二種方法。從而保證了兩片8255A各個內(nèi)部寄存器在地址上不會出現(xiàn)重疊。

■2.2 多片8255A進行外擴的軟件設(shè)計

多片8255A軟件設(shè)計部分主要是針對兩片不同的8255A進行控存不同數(shù)據(jù)的寫入，以及通過第二片的輸入按鈕數(shù)據(jù)，并通過第一片8255A輸出。程序?qū)崿F(xiàn)的功能相對簡單，但包括了有關(guān)外擴的主要特點。按圖3所示的結(jié)構(gòu)，第一片的控存地址仍舊為03H，第二片為1CH，第一片的A口地址為00H，第二片B口地址為0CH。另外，第一片的控制數(shù)據(jù)仍舊為80H，第二片的則為82H。得出這些重要的相關(guān)數(shù)據(jù)后，引導(dǎo)學(xué)生寫出實驗程序。程序的主要功能是通過從第二片讀取數(shù)據(jù)，并通過第一片輸出。

3 結(jié)語

通過設(shè)置兩個基于51單片機與8255A連接以實現(xiàn)并口擴展的實驗，讓學(xué)生掌握并理解這一擴展方法的關(guān)鍵技術(shù)。與大多數(shù)直接給出實驗原理圖以及實驗代碼的方式不同，為了改變老師講解，學(xué)生被動聽，最終實驗教學(xué)效果低下的現(xiàn)狀，本實驗設(shè)計采用的是引導(dǎo)式教學(xué)方式。從分析8255A的主要結(jié)構(gòu)包括內(nèi)部寄存器及外部引腳連接入手，以思考題的方式讓學(xué)生主動積極復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，同時也采用同一方式加深51單片機外接時的主要信號特點。并在對這些關(guān)鍵性問題的回答上，自行在Proteus中畫出相應(yīng)的實驗電路圖。從而激發(fā)學(xué)生實驗的積極性及主動性。而實驗內(nèi)容的設(shè)計上，采用逐步提高的方式，在理解并實際設(shè)計單片8255A擴展的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)通過兩片8255A實現(xiàn)擴展的方法。不僅對外接方法有了一進步的認識和掌握，還能深入理解多片擴展增加并口數(shù)量的意義所在。在實際的教學(xué)中取到了很好地教學(xué)效果。使學(xué)生能夠充分利用實驗時間，掌握實驗內(nèi)容。