Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bùi Đức Thắng-TĐH1-K47
Port 3 là port xuất nhập 8 bit hai chiều.
Port 3 cũng còn được dùng làm chức năng khác của AT89C51 các chức năng
được liệt kê như sau:
Chân của port Chức năng
P3.0 RxD ( ngõ vào của port nối tiếp )
P3.1 TxD ( ngõ ra của port nối tiếp )
P3.2
0INT
( ngõ và ngắt ngoài 0 )
P3.3
1INT
( ngõ vào ngắn ngoài 1 )
P3.4 TO ( ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 0 )
P3.5 T1 ( ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 1 )
P3.6
RW
( điều khiển bộ nhớ dữ liệu ngoài )
P3.7
RD
( điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài )
Port 3 cũng nhận một vài tín hiệu điều khiển cho việc lập trình Flash và điều
khiển chương trình.
RST
Ngõ vào reset.
ALE/
PROG
xung của ngõ ra cho phép chốt địa chỉ ALE cho phép chốt byte
thấp của địa chỉ trong thời gian truy xuất bộ nhớ ngoài. Chân này cũng được dùng
làm ngõ vào xung lập trình (
PROG
) trong thời gian lập trình Flash.
PSEN
Chân cho phép bộ nhớ chương trình ngoài , điều khiển truy xuất bộ nhớ
chương trình ngoài.
pp
V/EA
Chân cho phép truy nhập bộ nhớ ngoài
EA
, phải được nối với GND để cho
phép chíp vi điều khiển tìm nạp lệnh tờ các vị trí ô nhớ của bộ nhớ chương trình
ngoài
Chân
EA
nối với V
CC
để thực hiện chương trình bên trong chíp.
pp
V/EA
còn nhận điện áp cho phép lập trình V
PP
trong thời gian lập trình cho
Flash , điện áp này cấp cho bộ phận có yêu cầu điện áp 12V
XTAL1
Ngõ vào đến mạch khuyếch đại dảo của mạch dao động và ngõ đến mạch
xung clock bên trong chíp.
Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít
5
Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bùi Đức Thắng-TĐH1-K47
XTAL2
Ngõ ra từ mạch khuyếch đại đảo của mạch dao động.
1.2 Tổ chức bộ nhớ:
1.2.1 Cấu trúc chung của bộ nhớ:
Tất cả các vi điều khiển thuộc họ MCS-51 đều phân chia bộ nhớ thành hai
vùng địa chỉ cho bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình. Sự phân chia logic giữa
bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình cho phép truy nhập bộ nhớ dữ liệu bằng 8
bit địa chỉ giúp cho việc lưu trữ và thao tác dữ liệu nhanh hơn.Tuy nhiên, chúng ta
có thể sử dụng địa chỉ bộ nhớ dữ liệu 16 bit thông qua thanh ghi DPTR.
Bộ nhớ chương trình là loại bộ nhớ chỉ cho phép đọc, không cho phép ghi.
Một số vi điều khiển được tích hợp sẵn bộ nhớ chương trình bên trong với dung
lượng khoảng 4kbyte hay 8 kbyte, số còn lại phải sử dụng bộ chương trình mở rộng
mà quá trình truy nhập được thực hiện thông qua sự điều khiển bằng tín hiệu PSEN
(Progam Strobe Enable).
Tuy nhiên, vi điều khiển 8051 cho phép ta sử dụng đến 64kbyte bộ nhớ
chương trình bằng cách sử dụng cả bộ nhớ chương trình bên trong và bên ngoài.
Bộ nhớ số liệu chiếm giữ vùng địa chỉ phân chia của bộ nhớ chương trình.
Dung lượng của bộ nhớ dữ liệu có thể mở rộng lên tới 64 kbyte. Trong quá trình
truy nhập bộ nhớ số liệu, CPU phát ra các tín hiệu đọc và tín hiệu viết số liệu thông
qua các chân RD và WR.
Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít
6
00H
0000H
Bộ nhớ Chương trình
B
ộ nhớ
Số
liệu
Bộ
nhớ mở
rộng
Bộ
nhớ
m
ở
rộng
|PSEN |WR |RD
FFH
|EA=1
Bộ
nhớ
trong
|EA=0
Bộ
nhớ
ngo ià
FFFFH
Hình 2.3: Cấu trúc bộ nhớ của họ MCS-
51.
Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bùi Đức Thắng-TĐH1-K47
Chúng ta có thể kết hợp bộ nhớ chương trình mở rộng với bộ nhớ số liệu mở
rộng bằng cách cho hai tín hiệu RD và PSEN qua một cổng logic AND, lối ra của
cổng AND này sẽ tạo tín hiệu đọc cho bộ nhớ mở rộng.
1.2.2 Bộ nhớ chương trình:
Sau khi Reset, CPU bắt đầu thực hiện chương trình từ địa chỉ 0000H. Vùng
đầu của bộ nhớ chương trình là vùng chứa các vector ngắt, mỗi ngắt được phân
chia một vùng địa chỉ cố định trong trong bộ nhớ chương trình. Khi xuất hiện ngắt,
CPU sẽ nhảy tới địa chỉ này, đây cũng là địa chỉ đầu của chương trình con phục vụ
ngắt. Các vector ngắt cách nhau 8 byte, vì vậy nếu chương trình con phục vụ ngắt
quá dài (>8 byte) thì tại vector ngắt ta phải đặt một lệnh nhảy không điều kiện tới
vùng địa chỉ khác chứa chương trình con phục vụ ngắt.
1.2.3 Bộ nhớ số liệu:
Phía bên phải của Hình 2.3 biểu diễn không gian bộ nhớ dữ liệu của MCS-
51. Chúng ta có thể sử dụng tới 64 Kbyte bộ nhớ số liệu ngoại vi. Độ rộng bus địa
chỉ của bộ nhớ số liệu ngoài có thể là 8 bit hoặc 16 bit. Bus địa chỉ rộng 8 bit
thường được sử dụng để liên kết với một hoặc nhiều đường vào ra khác để định địa
chỉ cho RAM theo trang. Trong trường hợp bus địa chỉ rộng 16 bit, cổng P2 sẽ phát
ra 8 bit địa chỉ cao còn cổng P1 sẽ phát ra 8 bit địa chỉ thấp. Bằng cách này, ta có
thể truy nhập trực tiếp lên bộ nhớ dữ liệu ngoài với độ lớn tối đa là 64 Kbyte.
Bộ nhớ số liệu trong được chia ra làm 3 vùng:
+128 byte cao.
+128 byte thấp.
+Vùng dành cho các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR).
Địa chỉ của bộ nhớ số liệu trong luôn là 8 bit, và có thể quản lý được 256
byte bộ nhớ.
2. Tổ chức bộ nhớ (Memory Map):
Từ cấu trúc của vi điều khiển 89C51 giới thiệu ở chương I và yêu cầu thiết kế
ta tiến hành phân bổ các vùng nhớ như sau:
Bộ nhớ chương trình 8K ROM chia làm hai vùng:
Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít
7
Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bùi Đức Thắng-TĐH1-K47
ROM trong (On-chip) có địa chỉ vật lý: 0000H ÷ 0FFFH.
Bộ nhớ dữ liệu được mở rộng thêm 8K RAM ngoài, với địa chỉ vật lý:
2000H ÷ 3FFFH.
Mạch ghép nối vào/ ra sử dụng IC8255 với địa chỉ của từng cấu hình như
sau:
Địa chỉ cổng PA: 4000H
Địa chỉ cổng PB: 4001H
Địa chỉ cổng PC: 4002H
Địa chỉ của từ điều khiển PSW: 4003H
Địa chỉ của ADC08098 kênh vào tương tự: 6000H ÷ 6007H.
3. Khối hiển thị :
Khối hiển thị gồm 8 LED 7 đoạn được tổ chức theo kiểu sáng luân phiên 2.5
ms một lần. LED sáng được chọn bởi 89C51 qua đường điều khiển từ cổng P0.0 ->
P0.3. Dữ liệu được hiển thị dưới dạng mã 7 thanh cũng được 89C51 gửi tới LED
qua đường data. Để phù hợp giữa số liệu đưa ra cổng của 8255 (ở dạng BCD) với
số liệu hiển thị ra LED 7 đoạn, ta sử dụng mạch phần cứng. Vì vậy trong khối hiển
thị ta sử dụng vi mạch SN7447 để giải mã số BCD ra mã 7 thanh và để điều khiển
bộ đèn hiển thị.
4. Khối các thiết bị giao tiếp/ghép nối.
Cổng vào ra tương tự/số dùng ADC0809. Số liệu vào tương tự từ 8 cảm biến
nhiệt độ sẽ được kết nối vào 8 cổng vào của ADC, ADC được điều khiển bởi
VXL89C51 thực hiện việc chuyển đổi số liệu sang dạng số và lưu trữ vào một vùng
nào đó trong RAM trong.
Cổng vào/ ra số dùng vi mạch PPI 8255 có khả năng lập trình thực hiện quá
trình phối hợp trao đổi dữ liệu; cụ thể ở đây là số liệu vào giữa ADC với VXL và
số liệu từ VXL ra LED.
II. Giới thiệu linh kiện và tổ chức phối ghép.
1. Thiết kế bộ nhớ:
Xem xét cấu trúc của 89C51 và yêu cầu cần 8K cho nhớ chương trình ta thiết
kế thêm vùng nhớ chương trình dùng thêm 8Kb ROM đặt ở ngoài. Đối với yêu cầu
cho nhớ dữ liệu, vì 89C51 đã có 128 bytes RAM trong và yêu cầu cần thiết kế bộ
Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít
8
Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bùi Đức Thắng-TĐH1-K47
nhớ dữ liệu là 4Kb nên để dễ dàng cho thiết kế ta sử dụng thêm 8Kb RAM ngoài để
mở rộng bộ nhớ dữ liệu cho hệ thống.
Bộ nhớ ROM ngoài
Thực ra thì ta có thể dùng bộ nhớ ROM ngoài là các chíp nhớ EPROM có
dung lượng 4K hoặc 8K có bán trên thị trường để mở rộng bộ nhớ.Tuy nhiên, để
cho đơn giản ta lựa chọn giải pháp là dùng bộ nhớ ROM 8k trên chíp vi điều khiển
89S51.Như vậy sẽ đơn giản hơn rất nhiều cho thiết kế mà vẫn phù hợp với nội
dung phạm vi cho phép của chương trình.
Bộ nhớ RAM ngoài
Đối với RAM ngoài ta sử dụng loại SRAM vi mạch dùng trong thiết kế là
6264. Cũng có 13 đường địa chỉ 8 đường dữ liệu. Nó có địa chỉ 2000÷3FFF, địa chỉ
này được chọn ra trong vùng địa chỉ của vi điều khiển bởi chân /CS2 của giải mã
địa chỉ. Ngoài ra còn có đường chọn vỏ khác là /CS2 được nối tích cực và có hai
đườngtín hiệu yêu cầu đọc viết là /OE, /WE .
• Sơ đồ chân của RAM 6264:
2. Vi mạch ADC0809:
Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi
tương sang số 8 bit, bộ chọn kênh và mật bộ logic điều khiển tương thích. Bộ
chuyển đổi tương tự số này sử dụng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ. Bộ chọn kênh
có thể chọn ra kênh cần chuyển đổi bằng 3 chân chọn địa chỉ. Thiết bị này loại trừ
khả năng cần thiết điều chỉnh điểm zero bên ngoài và khả năng điều chỉnh tỉ số làm
cho ADC đễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý.
Các đặc điểm cơ bản của ADC 0809
- Nguồn nuôi đơn ± 5 V, hiệu suất cao.
Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít
9
Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bùi Đức Thắng-TĐH1-K47
- Dải tín hiệu lối vào tương tự 5V khi nguồn nuôi là +5V. Có thể mở rộng
thang đo bằng các giải pháp kỹ thuật cho từng mạch cụ thể.
- Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý vì đầu ra có bộ đệm 3 trạng thái nên có thể
ghép trực tiếp vào kênh dữ liệu của hệ VXL.
- Tổng sai số chưa chỉnh ±1/2LSB.
- Thời gian chuyển đổi 100 µs .
- Tần số xung clock 10kHz – 1028 kHz.
- Đảm bảo sai số tuyến tính trong dải nhiệt độ từ –40
0
C ÷ 85
O
C.
a. Bảng chân lý và sơ đồ chân của vi mạch ADC0809.
A B C X
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 2
0 1 1 3
1 0 0 4
1 0 1 5
1 1 0 6
1 1 1 7
X X X (?)
* ý nghĩa các chân:
- IN0 – IN7 : 8 đầu vào tương tự.
- A,B,C : các tín hiệu chọn kênh.
- Các chân 2.1-2.7: là các đầu ra số.
- ALE cho phép chốt số liệu đầu vào.
- Start: xung cho phép bắt đầu chuyển đổi.
- Clk:đầu vào xung clock
- Ref(+): điện áp vào chuẩn +5v
- Ref(-): điện áp vào chuẩn 0
- Vcc: nguồn cung cấp
b. Cấu trúc bên trong của ADC 0809
Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít
10
Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bùi Đức Thắng-TĐH1-K47
Cấu trúc bên trong của ADC0809 được thể hiện ở hình vẽ dưới:
Hoạt động chuyển đổi:
Các bit địa chỉ ở lối vào A,B,C từ bộ giải mã địa chỉ sẽ chốt và xác định kênh
đầu vào nào được chọn. Khi một kênh được chọn đồng thời yêu cầu START, ALE
được tích cực, yêu cầu độ rộng xung START không nhỏ hơn 200ns. Giá trị điện áp
cần được chuyển đổi sẽ được chốt lại ở cổng vào tương ứng xung Start bắt đầu
chuyển đổi. Sau xung START khoảng 10μs đầu ra EOC (end of convert) lúc này
xuống thấp thực sự bắt đầu quá trình chuyển đổi. Trong suốt quá trình chuyển đổi
EOC luôn ở mức tích cực thấp, đồng thời đầu ra 3 trạng thái của ADC0809 bị thả
nổi. Sau khoảng 100 µs, ADC0809 thực hiện việc chuyển đổi xong, dữ liệu đầu vào
được đưa đến bộ đệm đầu ra ba trạng thái đồng thời chân tín hiệu EOC chuyển lên
mức cao báo cho VXL biết để đọc kết quả vào.
c. Ghép ADC0809 với VXL8051.
+ Các kênh vào Analog được nối vào các đầu vào tương ứng của ADC. Mỗi
kênh đó có địa chỉ riêng do tổ hợp 3 bit địa chỉ A,B,C quy định. Các đầu vào địa
chỉ này kết nối với đường địa chỉ A
0
A
1
A
2
của Bus địa chỉ của hệ thống. Các đường
địa chỉ cao của hệ thống được dùng để tạo tín hiệu chọn chip (/CS) cho ADC0809.
Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít
11
Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bùi Đức Thắng-TĐH1-K47
+ Tín hiệu /CS được đưa tới đầu vào của mạch OR để khởi động ADC (Start)
khi có tín hiệu /WR đồng thời chốt địa chỉ (ALE) của kênh hiện hành có giá trị là
giá trị 3 bit A,B,C. Tín hiệu /CS cũng được đưa tới đầu vào của mạch OR thứ hai
để tạo tín hiệu OE cùng với /RD nhằm chốt dữ liệu đã biến đổi xong ở đầu ra.
+ Vì khi biến đổi xong, ACD0809 dùng tín hiệu ra chân EOC để báo cho
VXL biết mã nhị phân tương ứng với mức cao của tín hiệu đầu vào đã được tạo ra.
Vì vậy ta kết nối EOC với đầu vào ngắt ngoài /INT1 của 8051.
- + 8 bit dữ liệu thường được ghép trực tiếp với Bus dữ liệu hệ thống vì
bản thân bộ đệm ra là 3 trạng thái, cũng có thể ghép qua 8255.
3.Vi mạch giao tiếp song song PPI 8255:
Vi mạch 8255 là một vi mạch được sử dụng phổ biến để giao tiếp trong các hệ
VXL 8 – 16 bit. Sử dụng 8255A làm cho việc thiết kế để ghép nối bộ VXL với các
thiết bị ngoại vi đơn giản đi nhiều, độ mềm dẻo của thiết kế sẽ tăng lên và linh kiện
phụ trợ đi kèm cũng giảm đi nhiều. Do có khả năng lập trình được nên nó có thể
vừa dùng như cổng nhận số liệu cũng như xuất số liệu tuỳ nội dung của từ điều
khiển mà người lập trình đưa vào.
Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít
12
Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bùi Đức Thắng-TĐH1-K47
a. Sơ đồ chân và sơ đồ chức năng của 8255A.
Sơ đồ chức năng và sơ đồ chân của 8255A được thể hiện dưới hình vẽ sau:
Trong đó:
Chân 1 ÷ 4, 37 ÷ 40 (PA
0
– PA
7
): là các đường xuất nhập có tên là cổng A.
Chân 18 ÷ 25 (PB
0
– PB
7
): là các đường nhập xuất có tên cổng B.
Chân 10 ÷ 13, 14 ÷ 17 (PB
0
– PB
7
): là các đường nhập xuất có tên cổng C.
Chân 27 ÷ 34 (D
0
– D
7
): là các đường dữ liệu (data) hoạt động hai chiều,
dẫn tín hiệu điều khiển từ vi xử lý ra các thiết bị bên ngoài đồng thời nhận các dữ
liệu từ các thiết bị điều khiển bên ngoài vào vi xử lý.
Chân 35 (Reset input): ngõ vào xóa, chân reset phải được nối với tín hiệu
reset out của vi xử lý để không làm ảnh hướng đến mạch điều khiển. Khi reset, các
cổng của 8255A là các ngõ vào, đồng thời tất cả các dữ liệu trên thanh ghi bên
trong 8255A đều bị xóa, 8255A trở về trạng thái ban đầu săn sàng làm việc.
Chân 6 (CS\): tín hiệu ngõ vào chip select (CS\) được điều khiển bởi vi xử lý,
dùng để lựa chọn 8255A làm việc khi vi xử lý giao tiếp với nhiều thiết bị.
Chân 5 (RD\): ngõ vào đọc dữ liệu (Read Input).
Chân 36 (WR\) : ngõ vào ghi dữ liệu (Write Input).
Chân 8,9 (A
1
, A
0
): ngõ vào địa chỉ (Address Input), dùng nhận địa chỉ vào để
lựa chọn thanh ghi và các cổng.
Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít
13
PA
3
PA
2
PA
1
PA
0
RD
\
CS\
GN
D
A
1
A
0
PC
7
PC
6
PC
5
PC
4
PC
0
PC
1
PC
2
PC
3
PB
0
PB
1
PB
2
PA
4
PA
5
PA
6
PA
7
WR\
RESET
D
0
D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
D
7
Vc
c
PB
7
PB
6
PB
5
PB
4
PB
3
1
20 21
40
D
0
– D
7
PA
0
– PA
7
PB
0
– PB
7
PC
0
– PC
7
RD\
WR\
RESET
A
0
A
1
CS\
8255A
8255A
Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bùi Đức Thắng-TĐH1-K47
•Bảng địa chỉ lựa chọn thanh ghi và các cổng:
A
1
A
0
Cổng và thanh ghi
0 0 Cổng A
0 1 Cổng B
1 0 Cổng C
1 1 Thanh ghi điều khiển
Chân 26 (Vcc) : nguồn 5 VDC
.
Chân 7 (GND) : GND 0 VDC.
b. Cấu trúc bên trong và hoạt động của 8255A.
Sơ đồ khối cấu trúc bên trong của vi mạch 8255A.
Hoạt động của vi mạch 8255A:
Từ sơ đồ khối cấu trúc bên trong của vi mạch 8255A ta thấy các cổng của
8255A được chia thành 2 nhóm:
Nhóm A gồm cổng A và 4 bit cao của cổng C.
Nhóm B gồm cổng B và 4 bit thấp của cổng C.
Cấu hình làm việc của 2 nhóm sẽ do nội dung của thanh ghi điều khiển quyết
định.
Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít
14
Port A
Port C
(4 bit cao)
Nhóm A
Port C
(4 bit thấp)
Port B
Nhóm B
Điều
khiển
nhóm A
Điều
khiển
nhóm B
Đệm
bus dữ
liệu
Logic
điều
khiển
ghi/đọc
RD\
WR\
CS\
A
0
A
1
D
7
–
D
0
PA
7
–
PA
0
PC
7
– PC
4
PC
3
– PC
0
PB
7
– PC
0
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét