基于MCS51单片机的8位PC104总线主板的研发与应用

万方数据　万方数据第７期江游等：基于ＭＣＳ５１单片机的８位ＰＣＩ０４总线主板的研发与应用１２３１中断复用的原理是，首先，程序设置Ｐ８９ｃ５１ＲＤ２的ＩＮＴ０中断为电平触发方式，规定ＰＣＩ０４总线中断ＩＲＱ下降沿有效，当ＩＲＱ２～１ＲＱ７其中任意一个或几个产生中断信号，Ｄ触发器将输出低电平，经过与门再触发Ｐ８９ｃ５１ＲＤ２产生中断，执行中断服务程序；然后在Ｐ８９ｃ５１ＲＤ２程序中读取７４４６５（三态缓冲器）的数据获知产生中断的对应通道（７４４６５输出的低６位分别对应６个中断的状态），如果是０，则产生了中断，反之没有产生；最后，程序对Ｄ触发器进行置１操作，清除与门对ＩＮＴＯ的中断驱动。

２．２．３主板与上位机通信的接口电路主板与上位机的数字通信方式是ＲＳ２３２串口和以太网接口。

８９ｃ５１ＲＤ２内部集成了全双工的ＲＳ２３２通信协议，用１片ＭＡＸ２３２电平转换芯片实现接口电路。

使用１片以太网控制芯片８０１９ＡＳ一１，１片１０ＭＨｚ变压器ＨＲ６０１６２７，以及上述的微控制器系统，组成以太网通信的硬件，再在单片机中编写解析ＡＲＰ、ＩＣＭＰ、ＩＰ、ＴＣＰ、ＵＤＰ¨叫协议的程序，可实现Ｐ８９ｃ５１ＲＤ２的以太网通信。

２．２．４编程的注意事项编程需注意两点：其一，切换Ｐ８９ｃ５１ＲＤ２对外部数据存储器和ＰＣＩ０４Ｉ／Ｏ总线的控制。

它们复用Ｐ８９ｃ５１ＲＤ２的外部数据总线，使用Ｐ８９ｃ５１ＲＤ２的Ｐ１．５口进行切换。

代码如下。

向ＰＣＩ０４总线Ｉ／Ｏ地址为０ｘ３００的端口写数据０ｘ５５的汇编代码：ＣＬＲＰ１５ＭＯＶＡ，５５ＨＭＯＶＤＰＴＲ，３００ＨＭＯＶＸ＠ＤＰＴＲ．Ａ向外部数据存储器地址０ｘＦＥ００写数据０ｘＡＡ的汇编代码：ＳＥＴＢＰ１５ＭＯＶＡ，ＡＡＨＭＯＶＤＰＴＲ，０ＦＥ００ＨＭＯＶＸ＠ＤＰＴＲ．Ａ其二，复位中断信号。

根据图２，Ｐ８９ｃ５１ＲＤ２处理完中断后，需要将Ｄ触发器的输出复位成高电平。

假设ＰＣＩ０４的ＩＲＱ２产生了中断，与ＩＲＱ２连接的Ｄ触发器置‘１’操作的总线地址是０ｘ０３ＦＦ，读操作有效，解除ＩＲＱ２中断的汇编代码如下。

ＣＬＲＰ１５ＭＯＶＤＰＴＲ．３ＦＦＨＭＯＶＸＡ．＠ＤＰｒｒＲ２．３主板实现的主要技术指标单片机Ｐ８９ｃ５１ＲＤ２的晶振频率是２０ＭＨｚ，６时钟模式，平均运算速度１．７ＭＩＰＳ。

８位ＰＣＩ０４总线地址锁存信号频率３．３ＭＨｚ；８位ＰＣＩ０４总线读写信号频率５２５ｋＨｚ；中断源６个。

主板最大功耗４１４ｍＷ；程序存储器容量６４ＫＢ，数据存储器容量６４ＫＢ；１路ＲＳ２３２串口，可编程波特率范围是６００一ｉ１５２００Ｂａｕｄ；１路以太网通信口，应用层通信的速率是３０ＫＢ／ｓ；两层ＰＣＢ电路板制造工艺，长宽尺寸９０ｍｍ×９６ｍｍ［１｜．３主板在质谱仪中的应用ＺＤＺ型质谱仪是一台主要用于测量气体样品中稀有气体含量的磁质谱仪。

仪器的控制信号有２４路数字信号，４路１６位０～１０Ｖ的模拟电压信号；采集的模拟电压信号０～１０Ｖ，分辨率１６位。

控制方法与Ｆｉｎｎｉｇａｎ公司的ＭＡＴ２６１¨“”ｏ质谱仪器类似。

测控系统的组成包括：１块基于Ｐ８９ｃ５１ＲＤ２的８位ＰＣＩ０４主板，２块ＨＴ－７４６４型４路１６位ＤＡＣ接口板（北京宏拓控制技术有限责任公司），１块ＰＭ５０５型４８路Ｌ／Ｏ、３路计数器接口板（北京中泰研创科技有限责任公司），１块１６位ＶＦ’１副转换接口板。

工作原理是：在以太网通信中，主板首先接受计算机发出的控制命令，转换成对ＰＭＳ０５和ＨＴ－７４６４的控制数据，驱动仪器的高压和磁场扫描系统；然后，计算机发出读ＶＦ的命令，主板将ＶＦ转换结果立即返回给计算机，完成单点扫描，循环即可获得谱图。

该测控系统运行良好，协助计算机软件系统对仪器进行了正确的控制和数据获取。

主板和在ＺＤＺ质谱仪器中的测控系统如图３和图４所示。

图３基于ＭＣＳ５１单片机的８位ＰＣＩ０４主板Ｆｉｇ．３Ｐｉｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｍａｉｎｂｏａｒｄ　万方数据１２３２仪器仪表学报第２８卷［７］图４在ＺＤＺ型质谱仪中的的应用［８］Ｆｉｇ．４ＰｉｃｔｕｒｅｏｆＺＤＺｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｍａｉｎｂｏａｒｄ４结束语与标准的ＰＣＩ０４主板相比，基于ＭＣＳ５１单片机设计的ＰＣＩ０４总线主板的特点是成本较低，开发与应用简便。

按照上述的结构设计，ＣＰＵ可以用３２位单片机设计，例如ＡＲＭ等，实现１６位ＰＣＩ０４总线或３２位的ＰＣＩ０４一ｐｌｕｓ…总线以提高主板的性能，相对标准的ＰＣＩ０４主板仍然具有较高的性价比和更灵活的嵌入式应用。

软件上，可以将ＨＴＭＬ集成到单片机的代码中，开发出基于Ｂ／Ｓ模式的仪器远程测控‘１…；也能将科学仪器的图像远程操作¨纠功能移植到ＰＣＩ０４的测控系统中，减小控制系统的体积和功耗。

［１］［２］［３］［４］［５］［６］参考文献ＩＥＥＥ二Ｐ９９６．１，ＰＣ／１０４ＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎＶｅｒｓｉｏｎ２．５［Ｓ］．２００３．ＩＥＥＥ．Ｐ９９６，ＡＴ９６ＢｕｓＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎＶ１．１［Ｓ］．１９９５．张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９３．ＺＨＡＮＧＳＹＸ．Ｓｉｎｇｌｅｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｐｐｌｉｃａ－ｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＮａｔｉｏｎａｌＤｅ—ｆｅｎｃｅＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，１９９３．习友宝，古军．分布式网络化测试技术综述［Ｊ］．仪器仪表学报，２００２（ｓ３）：２１２－２１６．ＸＩＹＢ．ＧＵＪ．Ｔｈｅｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｄｉｓ—ｔｒｉｂｕｔｅｄｎｅｔｗｏｒｋｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＪＩ．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００２（Ｓ３）：２１２—２１６．周渭，渡边健藏．近年来国外仪器与测量技术发展趋势［Ｊ］．仪器仪表学报，２００５（７）：７６５－７７０．ＺＨＯＵＷ，ＫＥＮＺＯＷＡＴＡＮＡＢＥ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐ—ｍｅｎｔｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｂｒｏａｄｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００５（７）：７６５－７７０．魏银珍，郭唐永，廖成旺．地震观测仪器网络化探讨［Ｊ］．大地测量与地球动力学，２００５（３）：１３３—１３５．ＷＥＩＹＺＨ．ＧＵＯＴＹ．ＬＩＡＯＣＨＷ．Ｓｔｕｄｙａｎｄｒｅａｌｉｚａ．［９］［１０］［１１］［１２］［１３］［１４］［１５］ｔｉｏｎｏｆｓｅｉｓｍｉｃｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｎｅｔｗｏｒｋｅｄ［Ｊ］．ＣｒｕｓｔａｌＤｅ－ｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＥａｒｔｈｑｕａｋｅ，２００５（３）：１３３一１３５．李凌，宋亚辉，李凤保．基于ＣＯＲＢＡ和Ａｇｅｎｔ的网络化测控系统［Ｊ］．仪器仪表学报，２００５（Ｓ２）：５６４－５６６．ＵＬ，ＳＯＮＧＹＨ，ＬＩＦＢ．ＮｅｔｗｏｒｋｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｂａｓｅｄＣＯＲＢＡａｎｄＡｇｅｎｔ［Ｊ］．Ｃｈｉ－ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００５（Ｓ２）：５６４＿５６６．ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＩＤＲＮ．Ｐ８９Ｃ５１砌）２Ｈ｝。

【８０Ｃ５１８－ｂｉｔＦｌａｓｈｍｉｅｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆａｍｉｌｙ［ＥＢ］．Ｐｈｉｌｉｐｓ公司ＮＸＰＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃ－ｔｏｒｓ部门微控制器系列网站，２００２．王剑．串行接口设备接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的解决方案［Ｊ］．仪器仪表学报，２００４（Ｓ１）：４９２－４９３．ＷＡＮＧＪ．ＰｒｏｐｏｓａｌｏｆｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｆａｃｉｌｉｔｙｎｅｃｔｅｄｔｏＩｎｔｅｒｎｅｔ『Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎ．ｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００４（Ｓ１）：４９２－４９３．ＳＴＥＶＥＮＳＷＲ．ＴＣＰ／ＩＰｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｖｏｌｕｍｅ１：ｔｈｅｐｒｏｔｏ－ｃｏｌｓ［Ｍ］．ＡＤＤＩＳＯＮ—ＷＥＳＬＥＹ，２０００．方向，刘文贵．ＭＡＴ同位素质谱仪数字电路分析［Ｊ］．质谱学报，１９９７（３）：６６－７２．ＦＡＮＧＸ，ＬＩＵＷＧ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｉｇｉｔｃｉｒｃｕｉｔｓｏｆＭＡＴｉｓｏｔｏｐｉｃｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙＳｏｃｉｅｔｙ，１９９７（３）：６６－７２．方向，刘文贵，刘智洋．ＭＡＴ同位素质谱计软件控制技术分析［Ｊ］．质谱学报，１９９７（０４）：７１—７６．ＦＡＮＧＸ，ＬＩＵＷＧ，ＬＩＵＺＨＸ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒａｌａｎｄｍｅａａｓｕｒｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＭＡＴｉｓｏｔｏｐｉｃｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅ·ｔｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙＳｏｃｉｅｔｙ，１９９７（０４）：７１．７６．施丽莲，周泽魁．基于ｖ／Ｆ变换的高精度电量测试系统［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２００４（０１）：３－７．ＳＨＩＬＬ，ＺＨＯＵＺＫ．Ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｖ／Ｆｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎ－ｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００４（０１）：３－７．熊行创，田地，江游．基于Ｂ／Ｓ结构的远程测控模型及实现方法［Ｊ］．计算机应用研究，２００３（１０）：１１０．１１２．ＸＩＯＮＧＸＣＨ，ＴＩＡＮＤ，ＪＩＡＮＧＹ．ＡｒｅｍｏｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｍｏｄｅｌｂａｓｅｄＢ／Ｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｔｓｉｍ—ｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏｒｎ—ｐｕｔｅｒｓ，２００３（１０）：１１０—１１２．霍正聃．科学仪器远程操作中样品图像传输模型的研究与实现［Ｊ］．计算机应用研究，２００６（０２）：１４９－１５０．ＨＵＯＺＨＤ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｓａｍｐｌｅｉｍ—ａｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｃｉ—ｅｎｔｉｆｉｃｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏｍｐｕｔ－ｅｒｓ，２００６（０２）：１４９．１５０．　万方数据第７期江游等：基于ＭｃＳ５ｌ单片机的８位ＰＣＩ０４总线主板的研发与应用１２３３作者简介江游，男，１９７９年３月出生，２００１年于吉林大学获得学士学位，２００４年于吉林大学获得硕士学位，现吉林大学仪器科学与电气工程学院的博士研究生，主要研究方向为测控技术及仪器。