專利名稱：Pc機用51單片機集成教學(xué)卡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種通過PC機擴展總線，將51單片機實驗教學(xué)與PC機融為一體的設(shè)備。
MCS-51單片機是目前在工業(yè)、軍工及民用領(lǐng)域中應(yīng)用極為廣泛的一類單片機，因此，在我國各高中等工科院校基本都開設(shè)了此門課程。在教學(xué)中，此門課程的實驗是最為重要的內(nèi)容。傳統(tǒng)的51單片機教學(xué)實驗設(shè)備是以箱式單片機為主，再根據(jù)實驗內(nèi)容輔以相關(guān)儀表構(gòu)成，它體積大，使用不方便，不易管理。信息顯示通常采用數(shù)碼管顯示方式，直觀性差，設(shè)備維護(hù)不便，因此，學(xué)生的上機實踐機會常會受到限制。如果將現(xiàn)有的51單片機與PC機結(jié)合起來進(jìn)行實驗，可以改善部分實驗條件，但是它體積大，還必須占用機房，勢必增加管理人員編制。
本發(fā)明的目的是提供一種MCS-51單片機教學(xué)卡，它與PC機融為一體，可以完成51單片機的各種教學(xué)程序編輯、調(diào)試、運行、觀察和演示，達(dá)到體積小、使用方便、易于維護(hù)和管理的目的并能充分利用PC機的信息資源，節(jié)省維護(hù)人員，為學(xué)生提供更多上機實踐機會。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的它是一塊插在PC機擴展槽中的51單片機教學(xué)卡，實現(xiàn)單片機與PC機的結(jié)合，并充分利用PC機的資源，實現(xiàn)箱式單片機所不能實現(xiàn)的功能。該教學(xué)卡包括單片機、共用存儲器、邏輯控制單元，總線隔離單元、雙向通訊單元、外圍接口電路其特征是PC機通過數(shù)據(jù)、控制、地址總線分別連接邏輯控制單元和總線隔離單元，通過數(shù)據(jù)總線連接雙向通訊單元；邏輯控制單元與總線隔離單元、共用存儲器、單片機和雙向通訊單元相連；單片機通過數(shù)據(jù)、控制、地址總線與總線隔離單元、雙向通訊單元和外圍接口電路相連接。
總線隔離單元是由PC機和51單片機的地址總線分別接到兩組三態(tài)緩)中器的輸入端，并將對應(yīng)輸出線相連，接至共用存儲器做為地址線，PC機和51機的數(shù)據(jù)總線分別接至兩組雙向三態(tài)緩沖器的輸入端，并將對應(yīng)的輸出端相接做為共用存儲器的數(shù)據(jù)線。由PC機和51機的控制總線<讀、寫信號線>，分別接到兩組三態(tài)緩沖器的輸入端，并將對應(yīng)的輸出端相接做為共用存儲器的讀、寫信號線。
外圍接口電路由地址譯碼、數(shù)/模電路、模/數(shù)電路，I/O、鍵盤顯示器電路組成。排除現(xiàn)有技術(shù)外，其中的數(shù)/模、模/數(shù)反饋電路是經(jīng)51單片機寫信號同該電路的譯碼信號線經(jīng)或非門送至A/D轉(zhuǎn)換芯片用于起動和鎖存，51機的讀信號同該電路的譯碼信號線經(jīng)或門接至A/D轉(zhuǎn)換芯片用于讀回采樣數(shù)據(jù)。51單片機的寫信號同該電路的譯碼信號線同時接至D/A轉(zhuǎn)換芯片，將P0口的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，并通過運算放大器將電流模擬信號轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號輸出至A/D芯片的一路輸入，實現(xiàn)模擬信號反饋是本電路的要點。其中的I/O電路51單片機寫信號同該電路譯碼信號經(jīng)或非門輸出至鎖存器的鎖存端，用于將P0口數(shù)據(jù)鎖存并輸出。51寫信號同該電路譯碼信號經(jīng)或門接至另一鎖存器的輸出使能端，用于將該芯片上的信號讀回。前一鎖存器的輸出與后一鎖存器的輸入端的對應(yīng)信號線相連，完成輸出信號的反饋。
雙向通訊單元單片機的P2口經(jīng)譯碼器，輸出地址譯碼信號，送至可編程I/O芯片的片選端，P0口接至該芯片的數(shù)據(jù)端；PC機的地址信號線經(jīng)譯碼器進(jìn)行端口譯碼，輸出至另一可編程I/O芯片的使能端，地址線接至該芯片地址端，數(shù)據(jù)信號線接至該芯片數(shù)據(jù)端。將兩可編程I/O芯片的三個I/O口信號線對接，完成51單片機與PC機的多口雙向通訊。
本發(fā)明的優(yōu)點是本系統(tǒng)由于將單片機與PC機融為一體，因此，它具有體積小、使用方便、易于管理、性能可靠、以軟件模擬各種儀表，信息顯示直觀、信息種類豐富、磁盤存取方件方便等優(yōu)點，可充分利用PC機各種軟硬件資源進(jìn)行單片機的程序編輯、調(diào)試以及硬件開發(fā)，非常適合大專院校計算機專業(yè)、電專業(yè)、自控專業(yè)的單片機實驗教學(xué)，由于本系統(tǒng)優(yōu)越的工作方式和豐富的軟硬件配置，它在科研開發(fā)領(lǐng)域也具有實用價值。
本發(fā)明的細(xì)節(jié)通過以下實施例及其附圖給出。


圖1是本發(fā)明的電路總框圖。
圖2是總線隔離單元的電路圖。
圖3是外圍接口單元的數(shù)模轉(zhuǎn)換部分電路圖。
圖4是外圍接口單元的I/O部分電路5是雙向通訊單元的電路圖。
根據(jù)附圖1本發(fā)明由邏輯控制單元A、總線隔離單元B，共用存儲器C，單片機D，雙向通訊單元E，單片機外圍接口F六部分組成。其中邏輯控制單元A為通用譯碼電路，共用存儲器C為常用的RAM芯片，單片機D為單片機最小系統(tǒng)，都是現(xiàn)有技術(shù)?？偩€隔離單元B與PC機和單片機分別以三總線相連，它將PC機和單片機的控制、數(shù)據(jù)、地址總線隔離；邏輯控制單元A與PC機的三總線相連，同時與共用存儲器C，總線隔離單元B，單片機D，雙向通訊單元E相接，它控制以上各部分的一切操作，特別是邏輯控制單元A決定PC機與單片機D那一方使用共用存儲器C；雙向通訊單元E的數(shù)據(jù)總線與PC機和單片機D數(shù)據(jù)總線相連，負(fù)責(zé)兩者間的雙向通訊；單片機外圍接口F與單片機以三總線相連，它包含了單片機實驗所用到的所有電路。
根據(jù)附圖2，本發(fā)明的總線隔離單元B包括PC機和單片機的16位地址總線分別接至四片三態(tài)緩沖器U1-U4(74LS241)的兩組三態(tài)門的輸入端，并將兩組輸出線對應(yīng)相接，接至共用存儲器(它是62256RAM芯片)的地址信號線。PC機和單片機的數(shù)據(jù)總線分別接到兩片三態(tài)緩沖器U6、U7(74LS245)的輸入端，兩芯片對應(yīng)輸出線相接，并接至共用存儲器D0-D7數(shù)據(jù)信號線。PC機與單片機的控制總線(RD、WT即讀、寫信號線)分別接到一片三態(tài)緩沖器U5(74LS241)的兩組輸入端，對應(yīng)輸出線相接，接至共用存儲器的讀、寫(RD、WT)信號線。以上所述的信號線將分別屬于兩機但相對應(yīng)的信號線分別用兩個三態(tài)門隔離，并在邏輯上保證這兩個三態(tài)門一時刻只一個使能，以此達(dá)到總線隔離的目的。其中數(shù)據(jù)線為雙向傳送，U6、U7的方向端由微機和單片機隔離后讀信號線控制，即當(dāng)RAM的RD線為低時，U6、U7由RAM向外傳送數(shù)據(jù)，否則，由外向RAM傳送數(shù)據(jù)。U6的使能端由地址譯碼信號PC_ADDR_DECODE0進(jìn)行控制，即當(dāng)該信號為低電平時，U6使能；U7的使能端由地址譯碼信號51_ADDR_DECODE0進(jìn)行控制，即當(dāng)該信號為低電平時，U7使能。地址隔離芯片U1-U4(74LS241)的使能端由PC/51_使能信號控制，即當(dāng)PC/51_為高電平時，U1-U4的一組三態(tài)門使能，由PC機使用RAM，為低電平時，U1-U4的另一組三態(tài)門使能，單片機使用RAM。
根據(jù)附圖3-4，外圍接口電路F包括譯碼、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、I/O和鍵盤顯示器電路構(gòu)成。圖3給出了數(shù)/模、模/數(shù)反饋電路，圖4給出了I/O并行口反饋電路數(shù)模轉(zhuǎn)換反饋電路由芯片A2(DAC0832)的輸出經(jīng)運算放大器進(jìn)行電流/電壓變換，與芯片A1(ADC0809)的一路輸入相接，是本電路的主要特征。用戶送到DAC0832的信號被運放變?yōu)殡妷盒盘?，保持在ADC0809的IN-7上，此信號被轉(zhuǎn)換后以中斷驅(qū)動送至單片機。其中<A4B>將ADC0809片選信號或非上單片機寫信號送往ADC0809的ALE和START引腳，用于啟動ADC0809，即當(dāng)51_ADDR_DECODE2信號為低且單片機51_WT信號也為低時，ADC0809啟動。<A4A>將片選信號或非上單片機51_RD信號送往ADC0809的ENABLE，用于讀回轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。即當(dāng)51_ADDR_DECODE信號為低且單片機RD信號也為低時，單片機從ADC0809讀回采樣數(shù)據(jù)。51機片選信號51_ADDR_DECODE3接至DAC0832的CS端，51機的51_WT信號接至DAC0832的WR1、WR2引腳，51機P0口與DAC0832相應(yīng)數(shù)據(jù)線對接，經(jīng)DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，由IOUT1、IOUT2轉(zhuǎn)換后的電流信號經(jīng)運算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號反饋至0809的IN-7腳，完成信號的反饋。
I/O電路的特點是I/O并行口的輸出與輸入端相接，以實現(xiàn)并行信號的返回。I/O數(shù)據(jù)的返回也對用戶透明，由系統(tǒng)自動完成。通過將鎖存器O1(74LS373)輸出端與鎖存器O2(74LS373)輸入端相連而成。由地址譯碼信號51_ADDR_DECODE1同51單片機的51_RD進(jìn)入O5A或門，輸出至O2的OE_端用于將鎖存端的數(shù)據(jù)讀回。由地址譯碼信號51_ADDR_DECODE1同51單片機的51_WT進(jìn)入O6A或非門，輸出至O1的LE端用于將P0口數(shù)據(jù)鎖存并輸出。O1輸出端與O2的對應(yīng)輸入端相連。
根據(jù)附圖5，雙向通訊采用可編程芯片C3(8155)與C2(8255)對接方式，即C3(8155)的PA、PB、PC的各位信號線分別與C2(8255)的PA，PB，PC口的對應(yīng)信號線相接。另外，C3(8155)的數(shù)據(jù)、地址信號端與單片機相聯(lián)，C2(8255)的數(shù)據(jù)、地址信號端與PC機相聯(lián)，再加上各自的譯碼器C0、C1(74LS688)，就可以完成雙機間三個口的雙向通訊。用戶送至C3(8155)的數(shù)據(jù)信號被鎖在8255的相應(yīng)輸入端，PC機可隨時讀回。芯片C0，C1分別為U3(8155)和C2(8255)譯碼。當(dāng)單片機地址在F000-F1FF之間時，C0輸出低電平，C3(8155)使能，單片機可對C3(8155)操作；當(dāng)PC機端口為所選端口時，C1輸出低電平，C2(8255)使能，PC機可對C2(8255)操作。
系統(tǒng)總的工作過程如下由PC機將事先編寫好的單片機程序或由用戶實時敲入的程序代碼通過PC機總線及總線隔離單元寫入共有RAM中，再通過PC總線及雙向通訊單元向51單片機傳送運行程序所必需的入口地址，然后釋放對RAM的控制權(quán)，交給單片機控制，這之后，PC機只能通過雙向通訊單元了解51機程序的運行情況。
51機在得到用戶程序運行地址及RAM的控制權(quán)后，即開始運行51機程序。程序運行過程中，各種實驗結(jié)果均由51機負(fù)責(zé)向PC機傳送。程序運行終了后，由51機向PC機傳送運行結(jié)束信息。這樣就完成了一次程序運行過程。
卡的工作過程可分為PC機對總線的管理過程、PC機與單片機雙向通訊的過程和單片機對外圍接口電路的操作過程PC機對總線的管理過程當(dāng)PC機軟件要對共用RAM操作時，通過邏輯控制單元向總線隔離單元發(fā)出控制信號，總線隔離單元根據(jù)此信號，將共用RAM總線與PC總線連通，與單片機總線隔離。PC機通過PC總線可向共用RAM寫入數(shù)據(jù)或程序代碼。當(dāng)PC機要運行單片機程序時，通過邏輯控制單元向雙向通訊單元發(fā)出譯碼信號，打開通訊通路，向單片機傳送程序運行請求碼，單片機接到請求碼后，向PC機傳送應(yīng)答碼，PC機接收到應(yīng)答碼后，通過邏輯控制單元向總線隔離單元發(fā)出控制信號，總線隔離單元根據(jù)此信號，將共用RAM總線與單片機總線連通，與PC總線隔離，并開始向單片機傳送運行程序的首地址，然后等待單片機返回程序運行結(jié)束碼，單片機接收到程序運行首地址后，即開始運行單片機用戶程序，等用戶程序結(jié)束并返回單片機監(jiān)控時，通過雙向通訊單元向PC機傳送程序運行結(jié)束代碼。PC機接收到程序運行結(jié)束代碼后，通過邏輯控制單元向總線隔離單元發(fā)出控制信號，總線隔離單元根據(jù)此信號，將共用RAM總線與PC總線連通，與單片機總線隔離。
PC機與單片機雙向通訊的過程雙向通訊單元占據(jù)三個雙向端口，A口，B口，C口。A口用作傳遞數(shù)據(jù)信息，B口用作傳遞地址信息，C口用作傳遞命令或控制碼。當(dāng)單片機需要向PC機傳送有關(guān)實驗數(shù)據(jù)時，可先通過雙向通訊口的C口向PC機發(fā)送請求碼，并不斷查詢PC機向C口發(fā)送的應(yīng)答碼，查詢到應(yīng)答碼后即可向A口發(fā)送數(shù)據(jù)，向C口發(fā)送數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)碼，與PC機進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)傳送。傳送結(jié)束后，各自向C口發(fā)送空閑碼，作為本次傳送的結(jié)束。當(dāng)PC機要向單片機傳送地址時，先向C口發(fā)送請求碼，查詢到應(yīng)答碼后即可向B口發(fā)送地址，向C口發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)碼，與單片機進(jìn)行程序地址傳送。傳送結(jié)束后，各自向C口發(fā)送空閑碼，作為本次傳送的結(jié)束。
單片機對外圍接口電路的操作過程外圍接口電路中包含有實驗常用的A/D，D/A，I/O，顯示器，鍵盤，中斷等實驗電路，并為它們安排了相應(yīng)的訪問地址，每一次實驗只需要用到其中一種電路，用戶只需知道該部分電路占據(jù)的地址即可編制程序，進(jìn)行教學(xué)實驗。當(dāng)用戶程序訪問到某一電路時，該電路相應(yīng)的地址譯碼信號即變?yōu)橛行顟B(tài)，并使得該部分電路完成必要的工作。A/D占用地址FF00-FF07，F(xiàn)F00對應(yīng)0809芯片的IN-1，...，F(xiàn)F07對應(yīng)0809芯片的IN-7。每一路A/D通道都可進(jìn)行A/D實驗，D/A占用地址FF0B，F(xiàn)F0C，兩路D/A都可進(jìn)行D/A實驗，I/O占用地址FF0F，可完成I/O實驗。顯示器，鍵盤實驗占用地址F000-F003。使用地址即可完成對它們的訪問。
權(quán)利要求
1.PC機用51單片機集成教學(xué)卡，它包括單片機、共用存儲器、邏輯控制單元，總線隔離單元、雙向通訊單元、外圍接口電路，其特征是，PC機通過數(shù)據(jù)、控制、地址總線分別連接邏輯控制單元和總線隔離單元，通過數(shù)據(jù)總線連接雙向通訊單元；邏輯控制單元與總線隔離單元、共用存儲器、單片機和雙向通訊單元相連；單片機通過數(shù)據(jù)、控制、地址總線與總線隔離單元、雙向通訊單元和外圍接口電路相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學(xué)卡，其特征是，總線隔離單元是由PC機和51單片機的地址總線分別接到兩組三態(tài)緩沖器的輸入端，并將對應(yīng)輸出線相連，接至共用存儲器做為地址線，PC機和51機的數(shù)據(jù)總線分別接至兩組雙向三態(tài)緩沖器的輸入端，并將對應(yīng)的輸出端相接做為共用存儲器的數(shù)據(jù)線。由PC機和51機的控制總線<讀、寫信號線>，分別接到兩組三態(tài)緩沖器的輸入端，并將對應(yīng)的輸出端相接做為共用存儲器的讀、寫信號線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學(xué)卡，其特征是外圍接口電路由地址譯碼、數(shù)/模電路、模/數(shù)電路，I/O、鍵盤顯示器電路組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的教學(xué)卡，其特征是，外圍接口電路中的數(shù)/模、模/數(shù)反饋電路是經(jīng)51單片機寫信號線同電路的譯碼信號線經(jīng)或非門送至A/D轉(zhuǎn)換芯片用于起動和鎖存，51機的讀信號同該電路的譯碼信號線經(jīng)或門接至A/D轉(zhuǎn)換芯片用于讀回采樣數(shù)據(jù)，51單片機的寫信號同該電路的譯碼信號線同時接至D/A轉(zhuǎn)換芯片，用于D/A輸出，將P0口的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，并通過運算放大器將電流模擬信號轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號，輸出至A/D芯片的一路輸入，實現(xiàn)模擬信號反饋。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的教學(xué)卡，其特征是，外圍接口電路中的I/O電路是由51單片機寫信號同該電路譯碼信號經(jīng)或非門輸出至鎖存器的鎖存端，用于將P0口數(shù)據(jù)鎖存并輸出，51寫信號同該電路譯碼信號經(jīng)或門接至另一鎖存器的輸出使能端，用于將該芯片上的信號讀回。前一鎖存器的輸出與后一鎖存器的輸入端的對應(yīng)信號線相連，完成輸出信號的反饋。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學(xué)卡，其特征是，雙向通訊單元是由單片機的P2口經(jīng)譯碼器，輸出地址譯碼信號，送至可編程I/O芯片的片選端，P0口接至該芯片的數(shù)據(jù)端；PC機的地址信號線經(jīng)譯碼器進(jìn)行端口譯碼，輸出至另一可編程I/O芯片的使能端，地址線接至該芯片地址端，數(shù)據(jù)信號線接至該芯片數(shù)據(jù)端將兩可編程I/O芯片的三個I/O口信號線對接，完成51單片機與PC機的多口雙向通訊。
全文摘要
PC機用51單片機集成教學(xué)卡，包括單片機、共用存儲器、邏輯控制單元，總線隔離單元、雙向通訊單元、外圍接口電路。它將單片機與PC機融為一體，具有體積小、使用方便、易于管理、性能可靠、信息顯示直觀、信息種類豐富、磁盤存取文件方便等優(yōu)點，可充分利用PC機各種軟硬件資源進(jìn)行單片機的程序編輯、調(diào)試以及軟硬件開發(fā)，非常適合大專院校有關(guān)專業(yè)的單片機實驗教學(xué)，在科研開發(fā)領(lǐng)域也具有實用價值。
文檔編號G06F15/17GK1144937SQ9611500
公開日1997年3月12日 申請日期1996年1月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月5日
發(fā)明者趙久宏, 王濱, 徐魁, 任傳富, 黃松林 申請人:沈陽工業(yè)高等專科學(xué)校工礦備件公司