單片機關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)詳解（一） - 全文

　單片機被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，家電，消費電子，醫(yī)療電子，儀表測量等領(lǐng)域，為應(yīng)廣大初級電子工程師/單片機愛好者之需，電子發(fā)燒友隆重策劃整合推出《單片機關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)詳解》系列技術(shù)文章，以后會陸續(xù)推出其他章節(jié)，敬請廣大工程師朋友繼續(xù)關(guān)注和留意。

　一、關(guān)于C51單片機的中斷號以及中斷向量

　　1、中斷號

　　2、interrupt 和 using 在C51中斷中的使用

　　8051 系列 MCU 的基本結(jié)構(gòu)包括：32 個 I/O 口（4 組8 bit 端口）;兩個16 位定時計數(shù)器;全雙工串行通信;6 個中斷源（2 個外部中斷、2 個定時/計數(shù)器中斷、1 個串口輸入/輸出中斷），兩級中斷優(yōu)先級;128 字節(jié)內(nèi)置RAM;獨立的 64K 字節(jié)可尋址數(shù)據(jù)和代碼區(qū)。中斷發(fā)生后，MCU 轉(zhuǎn)到 5 個中斷入口處之一，然后執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)處理程序。中斷程序的入口地址被編譯器放在中斷向量中，中斷向量位于程序代碼段的最低地址處，注意這里的串口輸入/輸出中斷共用一個中斷向量。8051的中斷向量表如下：

　　二、CPU與單片機的復(fù)位電路的作用及基本復(fù)位方式

　　在上電或復(fù)位過程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。

　　無論用戶使用哪種類型的單片機，總要涉及到單片機復(fù)位電路的設(shè)計。而單片機復(fù)位電路設(shè)計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設(shè)計完單片機系統(tǒng)，并在實驗室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機的復(fù)位電路設(shè)計不可靠引起的。

　　基本的復(fù)位方式

　　單片機在啟動時都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期（24個振蕩周期）以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。

　　1、手動按鈕復(fù)位

　　手動按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平（圖1）。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。手動按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。

　　圖1

　　2、上電復(fù)位

　　AT89C51的上電復(fù)位電路如圖2所示，只要在RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至Vcc端，下接一個電阻到地即可。對于CMOS型單片機，由于在RST端內(nèi)部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至1？F。上電復(fù)位的工作過程是在加電時，復(fù)位電路通過電 容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著Vcc對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位，RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時，Vcc的上升時間約為10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為10MHz，起振時間為1ms;晶振頻率為1MHz，起振時間則為10ms。在圖2的復(fù)位電路中，當(dāng)Vcc掉電時，必然會使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復(fù)位，則程序計數(shù)器PC將得不到一個合適的初值，因此，CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。

　　圖2

　　3、積分型上電復(fù)位

　　常用的上電或開關(guān)復(fù)位電路如圖3所示。上電后，由于電容C3的充電和反相門的作用，使RST持續(xù)一段時間的高電平。當(dāng)單片機已在運行當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵K后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。

　　根據(jù)實際操作的經(jīng)驗，下面給出這種復(fù)位電路的電容、電阻參考值。

　　圖3中：C：=1uF，Rl=lk，R2=10k

　　圖3 積分型上電復(fù)位電路

　　三、單片機雙機并行通信中所遇問題

　　1 引言

　　本系統(tǒng)采用的CPLD為 ATMEL公司生產(chǎn)的ATF1540AS器件，該器件是一種高性能、高密度復(fù)合可編程邏輯器件，簡稱CPLD，它利用ATMEL 的電可擦除存儲器技術(shù)，有 64個邏輯宏單元和68個I/O端口，很容易和多個TTL、SSI、MSI、LSI和經(jīng)典的PLDS組合使用。每個宏單元包括積項和積項多路選擇器、 OR/XOR/CASCADE邏輯、觸發(fā)器、輸出選擇和使能、輸入邏輯陣列五個部分。ATF1504AS的增強選路開關(guān)增加了可用的門計數(shù)，提高了管腳鎖存設(shè)計修改的成功率。

　　圖1 雙機通信框圖

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的CPU采用W77E58，由ATF1504AS構(gòu)成通信接口，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　2.1 問題提出

　　電腦刺繡機為達到良好的人機界面交互功能，采用上下位機方式，下位機主要進行繡花動作的控制，上位機主要進行花樣的跟蹤。為了實現(xiàn)繡花的同時在液晶屏上進行繡花跟蹤，單CPU方式存在系統(tǒng)資源透支， CPU處理數(shù)據(jù)將十分困難，于是提出了采用雙CPU的工作方式，但同時帶來一個問題—雙CPU的通信問題。
?

　　2.2 解決方案

　?。?） 采用串行通信方式

　　優(yōu)點：在由單片機組成的多機方式中，串行接口方式是最常用的。串行通信方式接口電路簡單，可以方便實現(xiàn)長距離傳輸?？垢蓴_能力比較好。

　　缺點：傳輸數(shù)據(jù)慢，不適合實時數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸要求高的情況下，容易造成瓶頸堵塞現(xiàn)象。

　?。?） 采用并行通信方式

　　優(yōu)點：并行通信傳輸數(shù)據(jù)快，適合進行實時控制。

　　缺點：抗干擾能力差，不適合長距離傳輸，最大距離不超過5m。

　　由于本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求比較高，并且上下位機之間的距離不超過3m，進行適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施，完全可以達到系統(tǒng)的要求，所以確定采用并行通信方式。

　　2.3 具體措施

　?。?） 采用ATF1504AS（可編程邏輯器件）進行并行通信，減少分立器件所產(chǎn)生的雜散電容而帶來的噪聲干擾。

　?。?） 在輸入數(shù)據(jù)端加斯密特電路（74LS14），將外部傳輸線上耦合噪聲濾除掉。從而提高總線接收的抗干擾性能。

　?。?） 采用三態(tài)門驅(qū)動方式可以提高總線的抗干擾能力，因為三態(tài)門有三種狀態(tài)輸出，既所謂的低阻高電平、低阻低電平、高阻態(tài)（禁態(tài)）。由于三態(tài)門的輸入具有的三態(tài)性，所以使三態(tài)門的信號源的負擔(dān)減輕。有利于提高速度和抗干擾能力。

　　3 雙CPU通信原理設(shè)計

　　3.1 雙CPU通信原理圖

　　從圖2雙CPU通信原理圖中可以看出，在輸入接口上都接上74LS14斯密特電路和74LS244三態(tài)門驅(qū)動器，以提高抗干擾能力。在SRZB、SCYX（上位機）及SRZB、SCYX（下位機）的握手信號線上接入74LS14斯密特電路，以提高抗干擾能力。

　　圖2 雙機通信原理圖

　　3.2 ATF1504AS內(nèi)部原理圖

　　由于篇幅有限，僅列出上位機的ATF1504AS的內(nèi)部原理圖如圖3，下位機的ATF1504AS的內(nèi)部原理圖與此相類似。

　　圖3 ATF1504AS內(nèi)部原理圖

　　4 系統(tǒng)工作原理

　　4.1 上位機輸入數(shù)據(jù)

　　如圖3所示。在輸入數(shù)據(jù)以前，通過對U1（74173）給U2（D觸發(fā)器）進行初始化，即對U2的CLRN端輸入一上升沿的脈沖，使U2清零。此時上位機 SRYX端為低電平，ZDQQ端為高電平。此時為接收數(shù)據(jù)做好準備。當(dāng)下位機接收到上位機的SRYX端輸出的低電平時，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到鎖存器中，緊接著給上位機的SRZB端輸出一個上升沿脈沖，U2的Q端（SRYX端）輸出正脈沖，ZDQQ端經(jīng)過反相器輸出負脈沖。上位機在檢測到ZDQQ端為低電平時，將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)取出。緊接著通過對UI給U2進行進行初始化，完成對一個字節(jié)的讀取，并為讀取下一個字節(jié)做好準備。上位機輸入數(shù)據(jù)信號波形圖如圖5所示。

　　圖4 上位機輸出數(shù)據(jù)時信號波形圖

　　圖5 上位機輸入數(shù)據(jù)時信號波形圖

　　4.2 上位機輸出數(shù)據(jù)

　　如圖3所示在輸出數(shù)據(jù)以前，通過對U1 （74173）給U3（D觸發(fā)器）進行初始化，即對U3的PRN端輸入一上升沿的脈沖，使U3輸出置1。此時上位機的SCZB端經(jīng)反相器輸出低電平，U3 的Q端為高電平。此時為發(fā)送數(shù)據(jù)做好準備。當(dāng)上位機的SCYX端接收輸入的上升沿脈沖時，U3的Q端為低電平，當(dāng)CPU檢測到Q端為低電平時，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到鎖存器中，緊接著通過上位機的SCZB端向下位機SRZB端輸出一個上升沿脈沖。表示已發(fā)送數(shù)據(jù)，接著通過對U1給U2進行進行初始化。完成對一個字節(jié)的輸出，并為輸出下一個字節(jié)做好準備，上位機輸出數(shù)據(jù)信號波形圖如圖4所示。

　　5 軟件設(shè)計

　　5.1 程序流程設(shè)計

　　圖6示出輸入數(shù)據(jù)流程圖，圖7示出輸出數(shù)據(jù)流程圖。

　　圖6 輸入數(shù)據(jù)流程

　　圖7 數(shù)據(jù)輸出程序流程圖

　　5.2 部分程序清單

　?。?） 輸入數(shù)據(jù)程序清單

　　ORG 0000H

　　JMP START

　　ORG 0003H

　　JMP RESEVE

　　START： MOV TCON，#0 ;設(shè)置中斷INT0

　　MOV TMOD，#11H

　　CALL SZSRDK ;設(shè)置輸入端口

　　MOV IE，#81H

　　MOV IP，#1 ;開中斷

　　。.

　　。.

　　。.

　　RESEVE： CLR EA ;開中斷

　　PUSH PSW

　　PUSH DPH

　　PUSH DPL

　　RESEV1： JB ZDQQ，RESEV1

　　;判ZDQQ是否為低

　　MOV DPTR，#ADDR0

　　;為U5（輸入數(shù)據(jù)端口）的地址

　　MOVX A， @DPTR

　　。.

　　。.

　　CALL SZSRDK

　　POP DPL

　　POP DPH

　　POP PSW

　　SETB EA

　　RETI

　　SZSRDK： CLRN EQU 2CH.0

　　CLR CLRN ;

　　MOV DPTR，#ADDR1

　　;為U1的地址

　　MOV A，2CH

　　MOVX @DPTR，A

　　SETB CLRN

　　MOV A，2CH

　　MOV DPTR，#ADDR1

　　MOVX @DPTR，A

　　RET

　?。?） 輸出數(shù)據(jù)程序清單

　　SEND： MOV DPTR，#ADDR3

　　MOVX A，@DPTR

　　JB ACC.0，SEND

　　;為U3的Q端輸出

　　MOV DPTR，#ADDR4

　　;為U4（輸出端口）的地址

　　MOVX @DPTR，A

　　CALL SZSCDK

　　RET

　　SZSCDK： PRN EQU 2CH.1

　　SETB PRN

　　MOV DPTR，#ADDR1

　　;為U1的地址

　　MOV A，2CH

　　MOVX @DPTR，A

　　CLR PRN

　　MOV DPTR，#ADDR1

　　MOV A，2CH

　　MOVX @DPTR，A

　　RET

　　6 結(jié)束語

　　設(shè)計中采用了AT1504AS器件，該器件實現(xiàn)了硬件設(shè)計軟件化，方便了硬件設(shè)計，縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計成本，應(yīng)用也十分方便，該系統(tǒng)經(jīng)過采取以上措施后，以達到最初的設(shè)計要求?，F(xiàn)產(chǎn)品已投放市場，市場的反映良好。

　　四、PIC單片機軟件開發(fā)技巧

　　項目是有關(guān)機器人控制的實現(xiàn)?？刂撇糠植捎肞IC16F7X系列單片機，運用匯編語言編程，運行速度較快，能夠達到系統(tǒng)的要求。

　　在這里使用的大多是數(shù)字信號的控制，電機的控制只有開和合兩種狀態(tài)。在動作的過程中需要兩只手臂、身體、頭部、腳部等的協(xié)調(diào)動作。整個控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，因而在PIC程序編寫和空間分配方面需要注意一些問題。

　　1 動作標(biāo)志位的使用

　　在整個控制中，組合的動作很多，當(dāng)所有動作定位都通過光電開關(guān)控制時，在程序編寫上就有一些問題。如要求左手上升到鼓掌位、右手上升到舉手位（手初始位置在最下的放下位），光電開關(guān)0有效（即為0時是擋住），到達正確位置。用簡單的理解可以寫成下面的程序：

　　list P=16c73

　　call lefthandup

　　call righthandup

　　LO call readinsignal

　　bdss csl_v，1efthandligbts

　　call lefthandstop

　　btfsc csl_v，righthandlight4

　　goto L0

　　call righthandstop

　　L1 call readinsignal

　　btfsc csl_v，lefthandlight3

　　goto L1

　　call lefthandstop

　?。?/p>

　　lefthandlight表示光電開關(guān)，由此判斷是否到相應(yīng)的位置。1表示在手臂最下面的位置;2表示在手臂的握手位置;3表示在手臂的鼓掌位置;4表示在手臂的高舉手位置。上面程序描寫左手臂上升到舉手位置和右手臂上升到鼓掌位置并停止的過程。先判斷左手到達否，到達則左手停止，接著看右手是否到達舉手位，到達則停止，否則循環(huán)上述的檢測，直到左手到達鼓掌位，右手到達舉手位。

　　注意，這里的3，4表示的就是鼓掌位，舉手位。經(jīng)過循環(huán)檢測可以讓手臂停在各位上，然而機械動作是有慣性的，機械停止位可能在該位的上一點或下一點，這就影響下面動作的進行，可能在若干動作后機械動作出現(xiàn)失常，也就是程序沒法正常的運行。在此情況下，需要修改程序的編寫方式，采用標(biāo)志位來控制動作的進行。如果采用控制標(biāo)志位，一定要在動作子函數(shù)中對標(biāo)志位置零。程序如下：

　　list p=16c73

　?。?/p>

　　actlonstopflag equ Ox6e ;位定義

　　lefthandfla8 cqu 0x0 ;0表示停止左手動作

　　rightbandflag equ Oxl ;O表示停止右手動作

　?。?/p>

　　movlw Ox03

　　movWf actionstopflag

　　call lefthanduo

　　call righthandup

　　L2 call readinsignal

　　btfss csl_v，lefthandhght3

　　call lefthatldotop

　　btfss csl_v，righthandlight4

　　call righthandstop

　　movlw Ox00

　　subwf actionstopflag，w

　　btfss status，z

　　goto L2

　　繼續(xù)下面的程序

　　actionstopflag表示動作標(biāo)志位參數(shù)，給動作標(biāo)志位賦值，動作停止函數(shù)中將清零標(biāo)志位的值。上述程序和前面所述程序的功能一樣，實現(xiàn)兩支手臂的動作。上面程序描寫左手是否到達鼓掌位，到達停止，右手是否到達舉手位，到達停止。看動作標(biāo)志位是否為零，不是，不斷地循環(huán)檢測;是，執(zhí)行下面的程序。

　　2 GOTO，cALL指令的不同使用

　　在PIC的匯編程序中，CALL與GOT0指冷使用的場合不同。一般情況下，在于程序與主程序之間大多用CALL指令;而狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊之間大多用GOTO指令，即由此狀態(tài)進入另一種狀態(tài)不需返回。由于PIC單片機的堆棧有限，在程序中，不能無止境地使用GOTO語句，這樣會使堆棧溢出，程序無法正常運行。各個小程序內(nèi)部循環(huán)占用堆棧的級數(shù)不多，使用GOTO指令是可行的，但在大的程序中用GOTO則無法返回到調(diào)用前程序的下一條指令。CALL指令完成調(diào)用完子程序后返回到調(diào)用前的程序。程序如下：

　　list D=16c76

　　start：ca11 setcpu

　　call automatlsn、statel

　　L3 call readinsignal

　　btfsc cs2_v，ultrasonicdetectl

　　goto L3

　　goto autonatlsmstate2

　?。?/p>

　　automatlsmstate2：

　　return

　　auatomatismstatel、automatismstate2表示兩種狀態(tài)，uhrasonicdetectl表示一個輸入超聲檢測信號。上面程序描寫調(diào)用automatistmstate1狀態(tài)，執(zhí)行完后進行下面的檢測ultrasonicdetect］，沒有觸發(fā)就一直循環(huán)檢測，觸發(fā)就進入autornatismstate2狀態(tài)，執(zhí)行完也不再回到下面的程序。

　　3 狀態(tài)標(biāo)志位Z、C的不同使用情況

　　在進行判斷標(biāo)志位時，Z（零標(biāo)志）、C（借位標(biāo)志）是不同的。Z為l時，表示上面的結(jié)果為0，Z為0時，則結(jié)果不為0。C為l時，借位，C為0時，沒有借位。在使用定時器的時候，一般使用C標(biāo)志位，這是由于當(dāng)完成某一動作去檢查定時器時，時間可能沒到，或是正好，或是已經(jīng)超過時間，只要到了或超過時間，都要按照要求關(guān)閉定時器，如下面程序所述。如果用Z標(biāo)志位，等于0時可能沒有檢測到，無法判斷停止的狀態(tài)，而用z可以很好地控制時間定時。進行一般的計算時大多用Z，如前面的動作標(biāo)志位中就是如此使用的。

　　list D=16c76

　　call opentimerO

　　L4 movlw d’30’

　　subwf t0_v2，W

　　btfss status，c

　　goto L4

　　cau closetimer0

　　程序檢測時間是否到達1.5s，沒有則循環(huán)等待，到了或檢測時間過了就關(guān)閉定時器，執(zhí)行下面的程序。

　　總之，在PIC單片機的編程中采用合適的方法，可以使整個程序運行穩(wěn)定，而且程序空間的使用也將有所減小，避免了調(diào)試中的Bug。這是筆者在實際中的一點體會，還有許多不足或沒有考慮到的問題，希望在和大家的探討中不斷學(xué)習(xí)PIC單片機的精髓。