Đang tải... (xem toàn văn)
LUẬN VĂN THIẾT KẾ HỆ VI XỬ LÍ 8 BIT
Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít 1 ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ VI XỬ LÝ 8 BIT YÊU CẦU Phần cứng : 1. Bộ vi xử lý 8 bit (8085, 89C51 ….) 2. Bộ nhớ chương trình ROM : 8KB từ địa chỉ 0000H 3. Bộ nhớ dữ liệu RAM 8kB có địa chỉ tuỳ chọn. 4. Cổng vào tương tự 8 kênh nhận tín hiệu nhiệt độ từ 0 – 10V tương ứng vói nhiệt độ từ 0 – 200 độ C. 5. Nhập dữ liệu vào từ bàn phím 16 phím 6. Khối hiển thị dữ liệu dùng màn hình tinh thể lỏng LCD. Phần mềm : 1. Tín hiệu cho phép chạy và dừng chương trình.Tín hiệu dừng khẩn cấp. 2. Đọc tín hiệu từ 8 kênh đo lư trữ trong vùng nhớ RAM . 3. Sau mỗi lần đọc tính giá trị trung bình của nhiệt độ và gửi kết quả ra cổng hiển thị bằng LCD 4. Chương trinh dừng lại báo động bằng còi nếu xảy ra một số điều ki ện sau: - Giá trị trung bình < hoặc > giá trị min hoặc max tương ứng cho trước.Các giá trị max & min này được đặt ở trong 2 ô nhớ RAM. - Có 4 kênh đo vượt quá hoặc nhỏ hơn giá trị giới hạn cho phép so với giá trị trung bình. Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít 2 PHẦN I THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG CHƯƠNG I định hướng thiết kế Thiết kế một hệ vi xử lý bao gồm cả việc thiết kế tổ chức phần cứng và viết phần mềm cho nền phần cứng mà ta thiết kế. Việc xem xét giữa tổ chức phần cứng và chương trình phần mềm cho một thiết kế là một vấn đề cần phải cân nhắc. Vì khi tổ chức phần cứng càng phức tạp, càng có nhiều chức nă ng hỗ trợ cho yêu cầu thiết kế thì phần mềm càng được giảm bớt và dễ dàng thực hiện nhưng lại đẩy cao giá thành chi phí cho phần cứng, cũng như chi phí bảo trì. Ngược lại với một phần cứng tối thiểu lại yêu cầu một chương trình phần mềm phức tạp hơn, hoàn thiện hơn; nhưng lại cho phép bảo trì hệ thống dễ dàng hơn cũ ng như việc phát triển tính năng của hệ thống từ đó có thể đưa ra giá cạnh tranh được. Từ yêu cầu và nhận định trên ta có những định hướng sơ bộ cho thiết kế như sau: 1. Chọn bộ vi xử lý: Từ yêu cầu dùng VXL 8 bit ta dự kiến dùng các chip vi điều khiển thuộc họ MCS-51 của Intel, mà cụ thể ở đây là dùng chip 89C51 vì những lý do sau: + AT89C51 thuộc họ MCS-51, là chip vi điều khiển 8 bít đơn chíp CMOS có hiệu suất cao, công suất nguồn tiêu thụ thấp và có 4 Kb bộ nhớ ROM Flash xoá được lập trình được. Chíp này được sản xuất dựa theo công nghệ bộ nhớ không mất nội dung có độ tích hợp cao của Atmael + AT89C51 có các đặc trưng chuẩn sau: 4Kb Flash, 128 byte RAM, 32 đường xuất nhập, bộ định thời / đếm 16 bit, một cấu trúc ngắn hai mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt, một port nối tiếp song song công, mạch dao động và mạch dao động và mạch tạo xung trên chíp. Vì những lý do trên mà việc lựa chọn vi điều khiển 89C51 là một giải pháp hoàn toàn phù hợp cho thiết kế. 2. Tổ chức ngoại vi: + Xử lý tín hiệu vào ta dùng thiết bị chuyển đổi tương tự/ số (ADC) có 8 kênh vào tương tự kết nối với 8 tín hiệu đo nhiệt độ từ 0 ÷ 10V tương ứng với nhiệt độ từ 0 o ÷ 200 o C. + Xử lý việc hiển thị kết quả nhiệt độ trung bình ta dùng 3 LED 7 thanh để hiển thị tương ứng với các nhiệt độ trong dải 0 ÷ 200 0 C. Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít 3 + Tín hiệu cho phép chạy được xử lý bằng cách dùng một nút ấn Reset hệ thống. + Tín hiệu báo động được xử lý bằng một còi báo động kết nối với một cổng bất kỳ phục vụ cho vào/ra. + Nếu có yêu cầu dùng các phím để định các mode hoạt động, cũng như đặt lại giá trị MAX và MIN thì bàn phím cũng phải được kết nối với các cổng giao tiếp vào/ra (ở đây yêu cầu dùng 8255). T ất cả các thiết bị phải được kết nối với nhau thông qua các bus cần thiết gồm bus dữ liệu, bus địa chỉ và bus điều khiển. Sơ đồ khối cho thiết kế phần cứng của hệ thống như sau: VXL 89C51 Khối vào tương tự 8 kênh Khối hiển thị Control Bus Address Bus Mạch giao tiếp 8255 Data Bus ROM RAM Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít 4 CHƯƠNG II NỘI DUNG THIẾT KẾ I. tổ chức phần cứng hệ VXL89C51. 1. Hệ vi xử lý AT89C51: 1.1 Sơ đồ chân hệ vi xử lý AT89C51: Port 0 Port 0 là port xuất nhập 8 bit hai chiều cực D hở. Port 0 còn được cấu hình làm bus địa chỉ ( byte thấp ) và bus dữ liệu đa hợp trong khi truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài vcà bộ nhỡ chư[ng trình ngoài. Port 0 cũng nhận các byte mã trong khi lập trình cho Flash và các byte mã trong khi kiểm tra chương trình. Port 1 Port 1 là port xuất nhập 8 bít. Port 1 cũng là byte địa chỉ thấp trong thừi gian lập trình cho Flash và kiểm tra chương trình. Port 2 Port 2 là port xuất nhậ p 8 bit hai chiều. Port 2 tạo ra byte cao của địa chỉ trong thời gian tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chương trình ngoài và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng địa chỉ 16 bit Port 2 cũng nhận các địa chỉ cao và tín hiệu điều khiển trong thời gian lập trình cho Flash và kiểm tra chương trình. Port 3 Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít 5 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. Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít 6 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 hi ệu 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 vi ết số liệu thông qua các chân RD và WR. 00H 0000H Bộ nhớ Chương trình B ộ nhớ Bộ nhớ mở rộng Bộ nhớ rộng |PSEN |WR |RD FFH |EA=1 Bộ nhớ trong |EA=0 Bộ nhớ ngoài FFFFH Hình 2.3: Cấu trúc bộ nhớ của họ MCS-51. Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít 7 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 ngắ t, 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 ch ỉ 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 nă ng 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: 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 c ủa từng cấu hình như sau: Địa chỉ cổng PA: 4000H Địa chỉ cổng PB: 4001H Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít 8 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 đổ i dữ liệu; cụ thể ở đây là số liệu vào giữa ADC với VXL và số liệu từ VXL ra LED. 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 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. ¾ 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. ¾ 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 củ a RAM 6264: Thi đổ i Bộ chọ bị n điề r c a iết kế hệ vi x 2. Vi mạc B i tương san ộ chuyển đổ ọn kênh có này loại trừ ều chỉnh tỉ s Các đặc - Ng - Dả rộng thang - Dễ có thể ghép - Tổn - Thờ - Tần - Đả a. Bảng ch A 0 0 0 0 1 1 1 1 X * ý nghĩ - IN - A,B - Các - AL xử lý 8 bít ch ADC08 Bộ ADC 0 ng số 8 bit, ổi tương tự thể chọn r ừ khả năng số làm cho c điểm cơ b guồn nuôi đ ải tín hiệu lố đo bằng cá dàng giao p trực tiếp v ng sai số ch ời gian chu n số xung c ảm bảo sai hân lý và sơ B C 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 X X ĩa các chân N0 – IN7 : 8 B,C : các tí c chân 2.1- LE cho phép 09: 0809 là một bộ chọn k ự số này sử ra kênh cần g cần thiết đ ADC đễ d bản của AD đơn ± 5 V, h ối vào tươn ác giải pháp tiếp với vi vào kênh d hưa chỉnh ± uyển đổi 10 clock 10kH số tuyến tí ơ đồ chân c C X 0 0 1 1 0 2 1 3 0 4 1 5 0 6 1 7 X (?) : 8 đầu vào tư ín hiệu chọ -2.7: là các p chốt số li t thiết bị CM kênh và mật ử dụng phư n chuyển đổ điều chỉnh dàng giao ti DC 0809 hiệu suất c ng tự 5V kh áp kỹ thuật i xử lý vì đ dữ liệu của ±1/2LSB. 00 μs . Hz – 1028 k ính trong dả của vi mạc ương tự. n kênh. đầu ra số. iệu đầu vào MOS tích h t bộ logic đ ương pháp ổi bằng 3 ch điểm zero iếp với các ao. hi nguồn n cho từng m đầu ra có b hệ VXL. kHz. ải nhiệt độ ch ADC080 o. hợp với mộ điều khiển chuyển đ ổ hân chọn đ bên ngoài bộ vi xử l ý nuôi là +5V mạch cụ thể bộ đệm 3 tr từ –40 0 C ÷ 09. ột bộ chuyể tương thích ổi xấp xỉ. B địa chỉ. Thi và khả nă n ý. V. Có thể m ể. rạng thái nê ÷ 85 O C. ển h. Bộ ết ng mở ên Thiết kế hệ vi xử lý 8 bít Bài tập dài: Thiết kế hệ Vi xử lý 8 bít 10 - 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 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 đổ i 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
