基于AT89S2051單片機(jī)串行通信接口的I/O擴(kuò)展技術(shù)研究

摘 要： 白色智能家電產(chǎn)品多以單片機(jī)進(jìn)行控制。這一類產(chǎn)品的特點是體積較小，需要外部輸入的信息和對外輸出的信息多，因此要求單片機(jī)體積小且I/O多。通過對基于單片機(jī)的串行通信接口與并入串出移位寄存器74LS166配合進(jìn)行輸入口擴(kuò)展的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出解決數(shù)據(jù)錯位的方法。

關(guān)鍵字： AT89S2051； 數(shù)據(jù)錯位； 串行通信； 74LS166

中圖分類號： TN95?34； TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0160?03

在單片機(jī)的控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會進(jìn)行I/O口擴(kuò)展，常用擴(kuò)展方法有：利用單片機(jī)提供的三總線（數(shù)據(jù)、地址、控制）技術(shù)配合通用的數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)據(jù)緩沖器（74LS373、273、244、245等）進(jìn)行I/O擴(kuò)展，也可以利用I/O擴(kuò)展專用芯片（8255、8155等）進(jìn)行I/O擴(kuò)展。在實際的控制器中，由于控制板體積限制，采用體積較小簡化版的單片機(jī)（如AT89S2051），但這類單片機(jī)I/O少，且不能提供三總線，如何實現(xiàn)I/O擴(kuò)展？在一款家電產(chǎn)品的控制器設(shè)計時，利用AT89S2051單片機(jī)的串行異步通信接口進(jìn)行配合并入串出移位寄存器74LS166進(jìn)行輸入口擴(kuò)展，但在設(shè)計仿真時，遇到讀入數(shù)據(jù)錯位的問題，下面就這一問題的解決方法進(jìn)行探究。

1 軟硬件設(shè)計

1.1 硬件電路

AT89Sxx系列單片機(jī)都提供有一個全雙工串行異步通信接口TXD（P3.1）和RXD（P3.0），其工作方式有四種，方式1、2、3主要用于單片機(jī)與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，在此不做討論；方式0稱為移位寄存器方式，與外部移位寄存器配合可以用于I/O擴(kuò)展，此時單片機(jī)的RXD端作為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，TXD端作為單片機(jī)提供給外部移位寄存器的移位時鐘。利用單片機(jī)TXD、RXD與外部并入串出移位寄存器74LS166進(jìn)行8位輸入口擴(kuò)展，也可以通過串級擴(kuò)展更多位輸入口。硬件電路如圖1所示。

圖1 單片機(jī)串行通信接口擴(kuò)展輸入接口電路（一）

1.2 硬件電路原理

1.2.1 移位寄存器74LS166的基本功能

74LS166是一片通用的并入串出8位移位寄存器。圖2是74LS166的邏輯圖。表1是74LS166的功能表。

表1 74LS166功能表

圖2 74LS166邏輯圖

MR：清零端，低電平清零。

INH：時鐘屏蔽端，高電平，移位時鐘被屏蔽；低電平，移位時鐘有效。

CLK：移位時鐘，低電平時，寄存器保持原態(tài)，上升沿，內(nèi)部寄存器由Q0向Q7方向移動一位。

SI：串行數(shù)據(jù)輸入端，在移位時鐘上升沿，此端數(shù)據(jù)移位到內(nèi)部寄存器。

D0～D7：并行數(shù)據(jù)輸入端。

SO：串行數(shù)據(jù)輸出端。

[SH/LD：]數(shù)據(jù)移位或并行數(shù)據(jù)加載控制。當(dāng)此端低電平，在移位時鐘的上升沿，并行輸入數(shù)據(jù)送入內(nèi)部寄存器Q0～Q7。當(dāng)此端為高電平，允許寄存器移位。

1.2.2 電路工作原理

單片機(jī)采用AT89S系列簡易版AT89S2051，20個管腳，只有P1口（8位）和P3口，無P0和P2口，以滿足單片機(jī)體積小的要求。本文電路采用Proteus仿真軟件繪制。

8個按鈕分別接入74LS166的8個并行輸入（D7～D0）端，74LS166的串行輸出SO接單片機(jī)的串行接口的數(shù)據(jù)端RXD。考慮到74LS166的CLK是上升沿移位，而單片機(jī)通過串口讀取數(shù)據(jù)時TXD發(fā)出八個負(fù)脈沖，因此將TXD端輸出脈沖經(jīng)過反相器變?yōu)檎}沖作為移位時鐘，8個按鈕作為外部的輸入信號。P1口接8個LED主要是用于控制器的工作狀態(tài)指示，在硬件調(diào)試時，被用于觀察從串行口讀入的數(shù)據(jù)（將串行口讀到的數(shù)據(jù)直接向P1輸出）。由于串行口讀入的數(shù)據(jù)低位在前，高位在后，圖中的LED燈的信息由左到右逐位對應(yīng)的是由左到右按鈕的信息狀態(tài)。

1.3 控制軟件設(shè)計

串口讀入8位按鈕的信息在P1口顯示的程序如下：

#include

#define uchar unsigned char

sbit SH_LD=P3^7；

sbit CLK=P3^1；

uchar Read_166 （void）

{

uchar n；

SH_LD=0； //裝載8位按鈕信息

CLK=0；CLK=1； //發(fā)出脈沖

SH_LD=1； //允許移位

RI=0；

REN=1； //允許接收數(shù)據(jù)

while（！RI）；

REN=0； //停止接收數(shù)據(jù)

RI=0；

n=SBUF；

return n；

}

void main（void）

{

uchar m；

SCON=0x00； //單片機(jī)串口工作于方式0

while（1） {P1=Read_166（）；}

//讀入74LS166輸出到P1口

}

讀數(shù)據(jù)函數(shù)，首先發(fā)出并行數(shù)據(jù)裝載指令（SH_LD=0；CLK=0；CLK=1；SH_LD=1）D0～D7到74LS166內(nèi)部寄存器的輸出；然后發(fā)出串口讀入指令，TXD輸出8位移位脈沖，在移位脈沖的作用下，74LS166分別移位8次，單片機(jī)依次讀入8位數(shù)據(jù)，函數(shù)返回讀到的8位按鈕信息。在主程序中將讀數(shù)函數(shù)的結(jié)果直接送入P1口。

1.4 調(diào)試結(jié)果分析

單片機(jī)執(zhí)行上述程序后，當(dāng)最左邊的兩個和最右邊按鈕按下后，得到的結(jié)果如圖1所示。圖中黑色LED表示不亮，P1口該位輸出為高電平，白色LED表示LED被點亮，P1口該位輸出的是低電平。從仿真的結(jié)果可以看到，輸入8位按鈕信息是00111110（0x3E），而讀到的數(shù)據(jù)由P1輸出為10011111（0x9F），也就是說，最低位按鈕的數(shù)據(jù)（讀入的第一位數(shù)據(jù)）丟失，也就是說輸入的最高兩位數(shù)00，向低位移了一位，發(fā)生了數(shù)據(jù)錯位。這樣圖1所示電路會造成讀入數(shù)據(jù)錯誤，下面就對其原因進(jìn)行討論。

當(dāng)發(fā)出串行口允許輸入指令后，TXD輸出8位負(fù)脈沖，經(jīng)反相器變?yōu)檎}沖作為74LS166的移位脈沖CLK，其時序如圖3所示。

單片機(jī)在TXD每輸出一位脈沖后讀入一位數(shù)據(jù)。由于74LS166的移位脈沖是上升沿移位，也就是對應(yīng)TXD下降沿移位，因此在TXD發(fā)出第一個負(fù)脈沖的下降沿，74LS166先移位（Q6的數(shù)據(jù)移到Q7即SO輸出），單片機(jī)再讀入，單片機(jī)讀入的第一位數(shù)據(jù)實際上就是Q6（也就是D6所接按鈕）對應(yīng)的數(shù)據(jù)，D7的數(shù)據(jù)丟失，這也是圖1電路讀入數(shù)據(jù)錯誤的原因，也就是單片機(jī)串口讀取數(shù)據(jù)的時刻、TXD發(fā)出的移位脈沖與74LS166硬件接入的并行按鈕在時序上沒有匹配。實際上當(dāng)單片機(jī)TXD發(fā)出8個脈沖后，讀入的8位數(shù)據(jù)是D6～D0和SI的數(shù)據(jù)。

圖3 TXD輸出移位時鐘

1.5 電路的設(shè)計改進(jìn)

根據(jù)對圖1電路出現(xiàn)讀數(shù)錯位的原因分析，將圖1電路中8個按鈕依次接入SI、D0～D6，D7接高電平（或低電平），執(zhí)行上述程序，結(jié)果如圖4電路所示。從仿真結(jié)果看到，P1口輸出的數(shù)據(jù)00111110就是8個按鈕的信息。

圖4 單片機(jī)串行通信接口擴(kuò)展輸入接口電路（二）

圖4電路中，將按鈕依次低接一位，D7不接（或高或低），就能讀到正確的結(jié)果。

實際上將單片機(jī)TXD端直接接到74LS166的CLK端，8個按鈕按圖1的電路接入D0～D7單片機(jī)也能讀到正確的結(jié)果（見圖5電路所示）。在TXD發(fā)出第一個負(fù)脈沖，讀到的第一位數(shù)就是Q7，也就是D7裝載到Q7（SO）的數(shù)據(jù)；以后在發(fā)出7個脈沖的上升沿，74LS166移位寄存器依次將Q6～Q0的7位數(shù)據(jù)移到Q7（SO）輸出，由單片機(jī)讀入。

圖5 單片機(jī)串行通信接口擴(kuò)展輸入口電路（三）

2 結(jié) 語

（1） 利用AT89S2051單片機(jī)的串行通信接口和外部移位寄存器74LS166配合，可以有效地解決智能家電產(chǎn)品控制器對單片機(jī)在體積小I/O多的矛盾的問題。

（2） 正確的硬件時序分析在基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計中非常重要。

利用單片機(jī)的串行通信接口擴(kuò)展輸入口時，單片機(jī)的TXD發(fā)出移位脈沖后，才能讀入1位數(shù)據(jù)，而74LS166在移位脈沖的上升沿來到時，數(shù)據(jù)移動1位，這兩者之間先后循序，決定硬件電路的設(shè)計。只有準(zhǔn)確理解單片機(jī)工作在串行通信接口下讀入數(shù)據(jù)和外部移位寄存器的時序，才能設(shè)計出單片機(jī)與外部移位寄存器正確配合的硬件電路，與軟件結(jié)合即可得到理想的結(jié)果。

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