一種單片機(jī)控制的指令轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

1 引言

在某大型指揮控制系統(tǒng)中，由于指令發(fā)送裝置與接收裝置的指令格式有很大的區(qū)別，兩者不能直接通信。而更換其中之一都會(huì)造成巨大的資金浪費(fèi)，指令轉(zhuǎn)換器的目的就是在不改變發(fā)送和接收裝置的情況下對(duì)發(fā)送裝置所產(chǎn)生的指令進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使產(chǎn)生的指令格式與接收裝置所能接收的指令格式一致，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的順利通信。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

指令轉(zhuǎn)換器的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。所有電路模塊集中在一塊印刷電路板上，主要有89C51單片機(jī)、串口擴(kuò)展電路、中斷擴(kuò)展電路、監(jiān)測(cè)電路、靜態(tài)存貯器擴(kuò)展電路、輸出電路及分頻電路等幾個(gè)部分，下面將對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2 中央控制單元

2.2.1時(shí)鐘電路

89C51的內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。89C51有內(nèi)部和外部?jī)煞N時(shí)鐘方式，本系統(tǒng)采用外部時(shí)鐘方式。

2.2.2復(fù)位電路

復(fù)位電路設(shè)計(jì)的核心是：在振蕩器運(yùn)行時(shí)，保證89C51的RST引腳上出現(xiàn)10ms以上穩(wěn)定的高電平，這樣可以使89C51可靠地復(fù)位。常用的復(fù)位電路有上電復(fù)位、電平開關(guān)復(fù)位、兩種復(fù)位電路相結(jié)合的控制電路等,本系統(tǒng)采用上電復(fù)位電路。

2.3 串口擴(kuò)展電路

89C51單片機(jī)僅有一個(gè)異步串行通信接口，而指令轉(zhuǎn)換器需要同時(shí)與指令發(fā)送裝置、指令接收裝置進(jìn)行通信，需要兩個(gè)專用的串行口，利用Intel 8251擴(kuò)展串行口，可有效解決問(wèn)題。8251可用于同步和異步傳輸。異步傳送時(shí)，可傳送5-8bits字符，時(shí)鐘速率為通信波特率的1、16或64倍；可產(chǎn)生1、1.5或2位的停止位，可檢查假啟動(dòng)位，自動(dòng)監(jiān)測(cè)和處理終止字符；完全雙工，具有雙緩沖器發(fā)送和接收器；具有奇偶、溢出和幀錯(cuò)誤檢測(cè)電路。本系統(tǒng)用兩片8251進(jìn)行擴(kuò)展串口，其片選地址分別為#1FFFH、#3FFFH。                         

2.4 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路

89C51單片機(jī)內(nèi)部有128個(gè)字節(jié)RAM存儲(chǔ)器。CPU對(duì)內(nèi)部RAM具有豐富的操作指令。但在用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠?jī)?nèi)部的128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在這種情況下，可以利用89C51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。

2.5 中斷擴(kuò)展電路

89C51單片機(jī)僅提供了兩個(gè)外部中斷源，而指令格式轉(zhuǎn)換器需要四個(gè)中斷源，為了解決此問(wèn)題，利用能夠管理多級(jí)中斷請(qǐng)求Intel 8259A來(lái)進(jìn)行中斷擴(kuò)展是一個(gè)有效的辦法。

由于8259A與 89C51的接口并不完全兼容，因此必須對(duì)89C51輸出的控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的變換后再對(duì)8259A進(jìn)行控制。這需要解決硬件與軟件兩個(gè)問(wèn)題，下面先給出硬件解決方案。

硬件方面，當(dāng)8259A發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)INT=1后，要求CPU返回一個(gè)中斷應(yīng)答信號(hào) 送至8259A，以控制8259A調(diào)用機(jī)器指令碼的發(fā)送，但89C51不會(huì)自動(dòng)發(fā) =0的信號(hào)，可以通過(guò)對(duì)89C51的 信號(hào)與INT信號(hào)相結(jié)合，如圖2-2所示，通過(guò)CPU連續(xù)執(zhí)行三條指令MOVX  A，@R0指令可產(chǎn)生8259A的 所需要的中斷應(yīng)答信號(hào)。

2.6 輸出電路

為了使信號(hào)轉(zhuǎn)換器和指令發(fā)送裝置之間能夠通信，本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)異步通信接口RS-232作為輸出端口。

RS-232電路采用MAXIM公司的232專用接口芯片MAX238DIP，該芯片單5V供電，包含4路收，4路發(fā)，可以全雙工方式工作，MAX238DIP引腳定義及典型應(yīng)用電路如圖2-3所示，引腳定義見(jiàn)表2-1，T1IN、T2IN、T3IN、T4IN到T1OUT、T2OUT、 T3OUT、T4OUT實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輸入到232轉(zhuǎn)換，R1IN、R2IN、R3IN、R4IN到R1OUT、R2OUT、R3OUT、R4OUT實(shí)現(xiàn)232 到驅(qū)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換。

表2-1  MAX238DIP引腳定義

 
2.7 分頻電路

分頻電路由12MHz晶振、74LS14、74LS92計(jì)數(shù)器（用于12倍分頻）、74LS90計(jì)數(shù)器（用于10倍分頻）組成，其主要目的是產(chǎn)生 的時(shí)鐘信號(hào)，供串口擴(kuò)展芯片8251的 使用，同時(shí)產(chǎn)生 的CLK信號(hào)，供8251內(nèi)部時(shí)鐘使用。

2.8 檢測(cè)電路

為了便于維護(hù)、管理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)自我檢測(cè)功能模塊，各由三極管和發(fā)光二極管組成的四組檢測(cè)電路分別接至89C51的P14~P17，用于指示系統(tǒng)自檢、來(lái)自指令發(fā)送裝置的指令數(shù)據(jù)接收檢測(cè)、發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)至指令發(fā)送裝置的檢測(cè)及發(fā)送指令數(shù)據(jù)至指令接收裝置的檢測(cè)4種狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是信號(hào)轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵組成部分，本系統(tǒng)采用了KEIL C51集成開發(fā)環(huán)境。KEIL C51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為89C51微控制器的軟件開發(fā)提供了C語(yǔ)言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效、快速的特點(diǎn)。

3.1 8251初始化編程

8251是一個(gè)可編程的多功能通訊接口，所以在使用時(shí)必須對(duì)它進(jìn)行初始化編程，確定它的具體工作方式。例如：規(guī)定工作在同步方式還是異步方式、傳送的波特率、字符格式等。初始化編程必須在系統(tǒng)RESET以后，在USART工作以前進(jìn)行，即USART不論工作于任何方式，都必須經(jīng)過(guò)初始化。本系統(tǒng)中，兩片 8251都進(jìn)行收發(fā)工作。

對(duì)于8251(Ⅰ)，收發(fā)數(shù)據(jù)的速率為9600bps，接收器、發(fā)送器的時(shí)鐘頻率為153.6KHz，所以波特率系數(shù)為異步×16，字符長(zhǎng)度為8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，異步方式，一個(gè)起始位，一個(gè)停止位。8251（Ⅰ）的方式選擇字、命令字分別為#4EH、#37H。

對(duì)于8251(Ⅱ)，收發(fā)數(shù)據(jù)的速率為2400bps，接收器、發(fā)送器的時(shí)鐘頻率為153.6KHz，所以波特率系數(shù)為異步×64，字符長(zhǎng)度為8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，異步方式，一個(gè)停止位。8251（Ⅱ）的方式選擇字、命令字分別為#4FH、#37H。

8251（Ⅰ）、8251（Ⅱ）的控制字和狀態(tài)寄存器的地址分別為#1FFFH、#3FFFH，下面以8251（Ⅰ）為例給出初始化編程：
                MOV  DPTR,#1FFFH   ；送方式控制字
                MOV  A,#4EH
                MOV  @DPTR,A       ；送命令指令
                MOV  A,#37H
                MOV  @DPTR,A

3.2 8259A初始化編程

前面已經(jīng)提過(guò)，由于8259A與89C51的接口信號(hào)不能完全兼容，因此必須對(duì)89C51輸出的控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的變換后再對(duì)8259A進(jìn)行控制。在軟件方面需要解決的問(wèn)題是：當(dāng)CPU進(jìn)入中斷響應(yīng)周期，送來(lái)第①個(gè) 應(yīng)答負(fù)脈沖時(shí)，89C51不能接收8259A送來(lái)的CALL指令機(jī)器碼（兩者CALL指令機(jī)器碼不兼容），在中斷程序中將其廢掉，然后在第②、③個(gè) 應(yīng)答負(fù)脈沖期間，用2條MOVX  A,@R0指令讀出8259A中斷矢量低8位送DPL，高8位送DPH，通過(guò)DPTR，再用跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)至中斷源對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口執(zhí)行，時(shí)序圖見(jiàn)圖3-1。

8259A中斷控制程序包括：初始化主程序，解決89C51單片機(jī)中斷初始化和8259A的初始化；中斷服務(wù)程序以及為各個(gè)中斷源服務(wù)的子程序，解決如何從8259A讀入中斷矢量地址并轉(zhuǎn)中斷處理程序，最后結(jié)束中斷并返回，下面給出程序。

設(shè)8259A選擇中斷優(yōu)先級(jí)固定，全嵌套工作方式，因此只需要填寫ICW1、ICW2。IR0設(shè)定為邊沿觸發(fā)中斷方式。中斷源輸入IR0的中斷矢量為0260H，IR1以及以后的中斷矢量依次加4。

8259A中斷服務(wù)程序框圖如圖3-2所示：

8259A中斷后進(jìn)入中斷程序清單如下：

對(duì)于每個(gè)中斷申請(qǐng)，應(yīng)有一段為IR0～I(xiàn)R4服務(wù)的中斷子程序。但是，在8259A的ICW1中規(guī)定了IRi中斷矢量間隔4個(gè)字節(jié)，不能存入一段實(shí)際的中斷服務(wù)程序。故在8259A中斷矢量0260H單元開始存放一個(gè)散轉(zhuǎn)表，再轉(zhuǎn)入實(shí)際的IRi的中斷服務(wù)子程序執(zhí)行。并在每個(gè)程序都要以執(zhí)行指令LJMP RET04來(lái)結(jié)束，以便返回到8259A中斷程序的模擬斷點(diǎn)處RET04。

3.3 主程序

本程序主要用來(lái)接收指令發(fā)送裝置發(fā)來(lái)的指令，并對(duì)指令格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送給指令接收裝置。主要功能是設(shè)置89C51、8251、8259A的初始狀態(tài)，開啟中斷，等待中斷，根據(jù)不同的中斷矢量轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷子程序。流程如下所示：

        圖3-3  主程序流程圖

接收指令子程序主要用來(lái)接收由指令發(fā)送裝置發(fā)送來(lái)的模擬指令，接收的指令數(shù)據(jù)由格式轉(zhuǎn)換子程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換；發(fā)送應(yīng)答子程序根據(jù)接收子程序接收的數(shù)據(jù)正確與否向指令發(fā)送裝置發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)幀；發(fā)送指令子程序把轉(zhuǎn)換后的指令發(fā)送到指令接收裝置；接收應(yīng)答子程序用來(lái)接收指令接收裝置發(fā)送過(guò)來(lái)的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的指令轉(zhuǎn)換器已與整個(gè)指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，該指令轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)正確，實(shí)現(xiàn)了指令格式的轉(zhuǎn)換，運(yùn)行速度快，可靠性高。

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