单片机并口扩展

单片机IO口扩展技术
2010-05-09 18:13
0 引言
在单片机家族的众多成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术、高可靠性和高性价比,占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，并成为国内单片机应用领域中的主流机型。

MCS-51单片机的并行口有P0、P1、P2和P3，由于P0口是地址／数据总线口，P2口是高8位地址线，P3口具有第二功能，这样，真正可以作为双向I／O口应用的就只有P1口了。

这在大多数应用中是不够的，因此，大部分MCS-51单片机应用系统设计都不可避免的需要对P0口进行扩展。

由于MCS-51单片机的外部RAM和I／O口是统一编址的，因此，可以把单片机外部64K字节RAM空间的一部分作为扩展外围I／O口的地址空间。

这样，单片机就可以像访问外部RAM存储器单元那样访问外部的P0口接口芯片，以对P0口进行读／写操作。

用于P0口扩展的专用芯片很多。

如8255可编程并行P0口扩展芯片、8155可编程并行P0口扩展芯片
等。

本文重点介绍采用具有三态缓冲的74HC244芯片和输出带锁存的74HC377芯片对P0口进行的并行扩展的具体方法。

1 输入接口的扩展
MCS-51单片机的数据总线是一种公用总线，不能被独占使用，这就要求接在上面的芯片必须具备“三态”功能，因此扩展输入接口实际上就是要找一个能够用于控制且具备三
态输出的芯片。

以便在输入设备被选通时，它能使输入设备的数据线和单片机的数据总线直接接通；而当输入设备没有被选通时，它又能隔离数据源和数据总线(即三态缓冲器为高阻抗状态)。

1.1 74HC2244芯片的功能
如果输入的数据可以保持比较长的时间(比如键盘)，简单输入接口扩展通常使用的典型芯片为74HC244，由该芯片可构成三态数据缓冲器。

74HC244芯片的引脚排列如图1所示。

74HC244芯片内部共有两个四位三态缓冲器，使用时可分别以1C和2G作为它们的选通工作信号。

当1C和2G都为低电平时，输出端Y和输入端A状态相同；当1G和2G都为高电平时，输出呈高阻态。

1.2 应用74HC244芯片扩展输入接口
图2是采用74HC2244芯片进行输入接口扩展的原理电路，图3是读P0口的时序。

由图3可以看出，当P2.7和RD同为低电平时，74HC2244才能将输入端的数据送到单片机的
P0口。

其中，P2.7决定了74HC244的地址，0000H-7FFFH(共32K)地址都可以访问这个单元，这就是用线选法所带来的副作用。

通常可选择其中的最高地址作为这个芯片的地址来写程序，如这个芯片的地址是7FFFH。

但这仅仅是一种习惯，并不是规定，当然也完全可以用0000H作为这个芯片的地址。

当确定了地址之后，其接口的输入操作程序如下：
MOV DPTR，#7FFFH
MOVX A,@DPTR
其中MOVX类指令是MCS-5l单片机专用于对外部RAM进行操作的指令。

由于外部I／O与外部RAM是同一接口，所以一般使用这条指令对外部I／O进行操作。

一旦执行到MOVX类指令，单片机就会在RD或WR(根据输入还是输出指令)引脚产生一个下降沿，这个下降沿的波形与P2.7相或，则会在或门的输出口也产生一个下降沿，这个下降沿将使74HC244的输出与输入接通，这样，输入设备的数据就可以被MCS-51单片机从总线上读取。

需要说明的是，74HC244是不带锁存的，因此，如果输人设备提供的数据时间比较短，那么就要用带锁存的芯片进行扩展，如74HC373，74HC573等。

2 输出接口的扩展
由于单片机的数据总线是为各个芯片服务的，一般不可能为一个输出而一直保持一种状态，因此，输出接口的主要功能是进行数据保持(即数据锁存)，也就是说，输出接口的扩展实际上就是扩展锁存器。

2.1 74HC377芯片的功能
输出接口扩展通常用74HC377芯片来实现。

该芯片是一个带允许端的8D锁存器，其芯片的引脚如图4所示，各相关引脚的功能如下：
◇D0～D7为8位数据输入端；
◇Q0～Q7为8位数据输出端；
◇G为使能控制端；
◇CLK为时钟信号，上升沿锁存数据。

表1所列是该芯片的真值表。

2.2 应用74HC377芯片扩展输出接口
图5是利用74HC377进行输出接口扩展的电路连接图。

图中，74HC377的G端与P2.6口相连，其地址是x0xxxxxxB，如果把“x”全置为1，则为1011 1111 1111 1111B，这样，0BFFFH 就是该芯片的地址了。

由于MCS-51的WR是与74HC377的CLK端相连的，当WR信号由低变高时，数据总线上的数据为输出数据，而此时P2.6输出低电平，G有效，因此，数据就被锁存。

其相关程序如下：
MOV DPTR，#0BFFFH
MOV A，#DATA
MOVX @DPTR，A
此外，利用74HC373芯片、74HC573芯片也可以进行P0口的扩展。

3 接口扩展实例
在实际的应用系统中，可能需要同时扩展多个I／O口，以满足应用系统的需要。

而各个输入、输出扩展I／O芯片应通过74LS138进行“全地址”译码选通，从而分时复用数据总线DB (DataBus)。

为了防止过渡干扰对译码选通逻辑造成的影响，单片机系统所用的外围芯片一般均设为双步选通方式，即除了配置译码选通端外，还应配置使能选通端。

而74HC244芯片本身没有明显的片选和读／写控制端，设计时通常采用译码和读控制信号来同时控制74HC244的CS，从而有效地抑制输入／输出数据信息的过渡干扰。

此电路输入口扩展采用2个74HC244。

其输入端接键盘或其它数字信号；而输出口扩展则选用2个74HC377，以用于控制数码管、发光二极管、继电器等。

其详细电路原理图如图6所示。

其部分代码如下：
51单片机的数据／地址／控制总线端口都有一定的负载能力，P0口可驱动8个TTL门电路，P1口、P2口和P3口可驱动4个TTL门电路。

负载超过上述规定一般应加驱动器。

总线驱动器可以使用TTL型三态缓冲门电路74HC244、74HC245。

另外，在扩展口线的同时，还应兼顾配置总线驱动器，注意总线负载平衡的配置。

在总线上适当安装上拉电阻可以提高总线信号传输的可靠性。

此外，一个系统可能由于存在各种干扰及不稳定因素而出现故障，为解决这一问题，设计时也可以从软件设计方面采取一些措施。

4 结束语
与其它51单片机P0口扩展相比，本文介绍的输入／输出口的P0并行扩展方法，可以很方便的实现P0口的并行扩展。

所设计的接口扩展电路已成功用于实际系统中。

实际运行表明，采用该方法扩展的P0口系统能够可靠、稳定的运行。