专利名称：Pc机用51单片机集成教学卡的制作方法
技术领域：
本发明是一种通过PC机扩展总线，将51单片机实验教学与PC机融为一体的设备。
MCS-51单片机是目前在工业、军工及民用领域中应用极为广泛的一类单片机，因此，在我国各高中等工科院校基本都开设了此门课程。在教学中，此门课程的实验是最为重要的内容。传统的51单片机教学实验设备是以箱式单片机为主，再根据实验内容辅以相关仪表构成，它体积大，使用不方便，不易管理。信息显示通常采用数码管显示方式，直观性差，设备维护不便，因此，学生的上机实践机会常会受到限制。如果将现有的51单片机与PC机结合起来进行实验，可以改善部分实验条件，但是它体积大，还必须占用机房，势必增加管理人员编制。
本发明的目的是提供一种MCS-51单片机教学卡，它与PC机融为一体，可以完成51单片机的各种教学程序编辑、调试、运行、观察和演示，达到体积小、使用方便、易于维护和管理的目的并能充分利用PC机的信息资源，节省维护人员，为学生提供更多上机实践机会。
本发明是这样实现的它是一块插在PC机扩展槽中的51单片机教学卡，实现单片机与PC机的结合，并充分利用PC机的资源，实现箱式单片机所不能实现的功能。该教学卡包括单片机、共用存储器、逻辑控制单元，总线隔离单元、双向通讯单元、外围接口电路其特征是PC机通过数据、控制、地址总线分别连接逻辑控制单元和总线隔离单元，通过数据总线连接双向通讯单元；逻辑控制单元与总线隔离单元、共用存储器、单片机和双向通讯单元相连；单片机通过数据、控制、地址总线与总线隔离单元、双向通讯单元和外围接口电路相连接。
总线隔离单元是由PC机和51单片机的地址总线分别接到两组三态缓)中器的输入端，并将对应输出线相连，接至共用存储器做为地址线，PC机和51机的数据总线分别接至两组双向三态缓冲器的输入端，并将对应的输出端相接做为共用存储器的数据线。由PC机和51机的控制总线<读、写信号线>，分别接到两组三态缓冲器的输入端，并将对应的输出端相接做为共用存储器的读、写信号线。
外围接口电路由地址译码、数/模电路、模/数电路，I/O、键盘显示器电路组成。排除现有技术外，其中的数/模、模/数反馈电路是经51单片机写信号同该电路的译码信号线经或非门送至A/D转换芯片用于起动和锁存，51机的读信号同该电路的译码信号线经或门接至A/D转换芯片用于读回采样数据。51单片机的写信号同该电路的译码信号线同时接至D/A转换芯片，将P0口的数字信号转换为模拟电流信号，并通过运算放大器将电流模拟信号转换为电压模拟信号输出至A/D芯片的一路输入，实现模拟信号反馈是本电路的要点。其中的I/O电路51单片机写信号同该电路译码信号经或非门输出至锁存器的锁存端，用于将P0口数据锁存并输出。51写信号同该电路译码信号经或门接至另一锁存器的输出使能端，用于将该芯片上的信号读回。前一锁存器的输出与后一锁存器的输入端的对应信号线相连，完成输出信号的反馈。
双向通讯单元单片机的P2口经译码器，输出地址译码信号，送至可编程I/O芯片的片选端，P0口接至该芯片的数据端；PC机的地址信号线经译码器进行端口译码，输出至另一可编程I/O芯片的使能端，地址线接至该芯片地址端，数据信号线接至该芯片数据端。将两可编程I/O芯片的三个I/O口信号线对接，完成51单片机与PC机的多口双向通讯。
本发明的优点是本系统由于将单片机与PC机融为一体，因此，它具有体积小、使用方便、易于管理、性能可靠、以软件模拟各种仪表，信息显示直观、信息种类丰富、磁盘存取方件方便等优点，可充分利用PC机各种软硬件资源进行单片机的程序编辑、调试以及硬件开发，非常适合大专院校计算机专业、电专业、自控专业的单片机实验教学，由于本系统优越的工作方式和丰富的软硬件配置，它在科研开发领域也具有实用价值。
本发明的细节通过以下实施例及其附图给出。
图1是本发明的电路总框图。
图2是总线隔离单元的电路图。
图3是外围接口单元的数模转换部分电路图。
图4是外围接口单元的I/O部分电路5是双向通讯单元的电路图。
根据附图1本发明由逻辑控制单元A、总线隔离单元B，共用存储器C，单片机D，双向通讯单元E，单片机外围接口F六部分组成。其中逻辑控制单元A为通用译码电路，共用存储器C为常用的RAM芯片，单片机D为单片机最小系统，都是现有技术。总线隔离单元B与PC机和单片机分别以三总线相连，它将PC机和单片机的控制、数据、地址总线隔离；逻辑控制单元A与PC机的三总线相连，同时与共用存储器C，总线隔离单元B，单片机D，双向通讯单元E相接，它控制以上各部分的一切操作，特别是逻辑控制单元A决定PC机与单片机D那一方使用共用存储器C；双向通讯单元E的数据总线与PC机和单片机D数据总线相连，负责两者间的双向通讯；单片机外围接口F与单片机以三总线相连，它包含了单片机实验所用到的所有电路。
根据附图2，本发明的总线隔离单元B包括PC机和单片机的16位地址总线分别接至四片三态缓冲器U1-U4(74LS241)的两组三态门的输入端，并将两组输出线对应相接，接至共用存储器(它是62256RAM芯片)的地址信号线。PC机和单片机的数据总线分别接到两片三态缓冲器U6、U7(74LS245)的输入端，两芯片对应输出线相接，并接至共用存储器D0-D7数据信号线。PC机与单片机的控制总线(RD、WT即读、写信号线)分别接到一片三态缓冲器U5(74LS241)的两组输入端，对应输出线相接，接至共用存储器的读、写(RD、WT)信号线。以上所述的信号线将分别属于两机但相对应的信号线分别用两个三态门隔离，并在逻辑上保证这两个三态门一时刻只一个使能，以此达到总线隔离的目的。其中数据线为双向传送，U6、U7的方向端由微机和单片机隔离后读信号线控制，即当RAM的RD线为低时，U6、U7由RAM向外传送数据，否则，由外向RAM传送数据。U6的使能端由地址译码信号PC_ADDR_DECODE0进行控制，即当该信号为低电平时，U6使能；U7的使能端由地址译码信号51_ADDR_DECODE0进行控制，即当该信号为低电平时，U7使能。地址隔离芯片U1-U4(74LS241)的使能端由PC/51_使能信号控制，即当PC/51_为高电平时，U1-U4的一组三态门使能，由PC机使用RAM，为低电平时，U1-U4的另一组三态门使能，单片机使用RAM。
根据附图3-4，外围接口电路F包括译码、数/模转换、模/数转换、I/O和键盘显示器电路构成。图3给出了数/模、模/数反馈电路，图4给出了I/O并行口反馈电路数模转换反馈电路由芯片A2(DAC0832)的输出经运算放大器进行电流/电压变换，与芯片A1(ADC0809)的一路输入相接，是本电路的主要特征。用户送到DAC0832的信号被运放变为电压信号，保持在ADC0809的IN-7上，此信号被转换后以中断驱动送至单片机。其中<A4B>将ADC0809片选信号或非上单片机写信号送往ADC0809的ALE和START引脚，用于启动ADC0809，即当51_ADDR_DECODE2信号为低且单片机51_WT信号也为低时，ADC0809启动。<A4A>将片选信号或非上单片机51_RD信号送往ADC0809的ENABLE，用于读回转换完成的数据。即当51_ADDR_DECODE信号为低且单片机RD信号也为低时，单片机从ADC0809读回采样数据。51机片选信号51_ADDR_DECODE3接至DAC0832的CS端，51机的51_WT信号接至DAC0832的WR1、WR2引脚，51机P0口与DAC0832相应数据线对接，经DAC0832进行数模转换，由IOUT1、IOUT2转换后的电流信号经运算放大器转换为电压信号反馈至0809的IN-7脚，完成信号的反馈。
I/O电路的特点是I/O并行口的输出与输入端相接，以实现并行信号的返回。I/O数据的返回也对用户透明，由系统自动完成。通过将锁存器O1(74LS373)输出端与锁存器O2(74LS373)输入端相连而成。由地址译码信号51_ADDR_DECODE1同51单片机的51_RD进入O5A或门，输出至O2的OE_端用于将锁存端的数据读回。由地址译码信号51_ADDR_DECODE1同51单片机的51_WT进入O6A或非门，输出至O1的LE端用于将P0口数据锁存并输出。O1输出端与O2的对应输入端相连。
根据附图5，双向通讯采用可编程芯片C3(8155)与C2(8255)对接方式，即C3(8155)的PA、PB、PC的各位信号线分别与C2(8255)的PA，PB，PC口的对应信号线相接。另外，C3(8155)的数据、地址信号端与单片机相联，C2(8255)的数据、地址信号端与PC机相联，再加上各自的译码器C0、C1(74LS688)，就可以完成双机间三个口的双向通讯。用户送至C3(8155)的数据信号被锁在8255的相应输入端，PC机可随时读回。芯片C0，C1分别为U3(8155)和C2(8255)译码。当单片机地址在F000-F1FF之间时，C0输出低电平，C3(8155)使能，单片机可对C3(8155)操作；当PC机端口为所选端口时，C1输出低电平，C2(8255)使能，PC机可对C2(8255)操作。
系统总的工作过程如下由PC机将事先编写好的单片机程序或由用户实时敲入的程序代码通过PC机总线及总线隔离单元写入共有RAM中，再通过PC总线及双向通讯单元向51单片机传送运行程序所必需的入口地址，然后释放对RAM的控制权，交给单片机控制，这之后，PC机只能通过双向通讯单元了解51机程序的运行情况。
51机在得到用户程序运行地址及RAM的控制权后，即开始运行51机程序。程序运行过程中，各种实验结果均由51机负责向PC机传送。程序运行终了后，由51机向PC机传送运行结束信息。这样就完成了一次程序运行过程。
卡的工作过程可分为PC机对总线的管理过程、PC机与单片机双向通讯的过程和单片机对外围接口电路的操作过程PC机对总线的管理过程当PC机软件要对共用RAM操作时，通过逻辑控制单元向总线隔离单元发出控制信号，总线隔离单元根据此信号，将共用RAM总线与PC总线连通，与单片机总线隔离。PC机通过PC总线可向共用RAM写入数据或程序代码。当PC机要运行单片机程序时，通过逻辑控制单元向双向通讯单元发出译码信号，打开通讯通路，向单片机传送程序运行请求码，单片机接到请求码后，向PC机传送应答码，PC机接收到应答码后，通过逻辑控制单元向总线隔离单元发出控制信号，总线隔离单元根据此信号，将共用RAM总线与单片机总线连通，与PC总线隔离，并开始向单片机传送运行程序的首地址，然后等待单片机返回程序运行结束码，单片机接收到程序运行首地址后，即开始运行单片机用户程序，等用户程序结束并返回单片机监控时，通过双向通讯单元向PC机传送程序运行结束代码。PC机接收到程序运行结束代码后，通过逻辑控制单元向总线隔离单元发出控制信号，总线隔离单元根据此信号，将共用RAM总线与PC总线连通，与单片机总线隔离。
PC机与单片机双向通讯的过程双向通讯单元占据三个双向端口，A口，B口，C口。A口用作传递数据信息，B口用作传递地址信息，C口用作传递命令或控制码。当单片机需要向PC机传送有关实验数据时，可先通过双向通讯口的C口向PC机发送请求码，并不断查询PC机向C口发送的应答码，查询到应答码后即可向A口发送数据，向C口发送数据传送状态码，与PC机进行实验数据传送。传送结束后，各自向C口发送空闲码，作为本次传送的结束。当PC机要向单片机传送地址时，先向C口发送请求码，查询到应答码后即可向B口发送地址，向C口发送数据状态码，与单片机进行程序地址传送。传送结束后，各自向C口发送空闲码，作为本次传送的结束。
单片机对外围接口电路的操作过程外围接口电路中包含有实验常用的A/D，D/A，I/O，显示器，键盘，中断等实验电路，并为它们安排了相应的访问地址，每一次实验只需要用到其中一种电路，用户只需知道该部分电路占据的地址即可编制程序，进行教学实验。当用户程序访问到某一电路时，该电路相应的地址译码信号即变为有效状态，并使得该部分电路完成必要的工作。A/D占用地址FF00-FF07，FF00对应0809芯片的IN-1，...，FF07对应0809芯片的IN-7。每一路A/D通道都可进行A/D实验，D/A占用地址FF0B，FF0C，两路D/A都可进行D/A实验，I/O占用地址FF0F，可完成I/O实验。显示器，键盘实验占用地址F000-F003。使用地址即可完成对它们的访问。
权利要求
1.PC机用51单片机集成教学卡，它包括单片机、共用存储器、逻辑控制单元，总线隔离单元、双向通讯单元、外围接口电路，其特征是，PC机通过数据、控制、地址总线分别连接逻辑控制单元和总线隔离单元，通过数据总线连接双向通讯单元；逻辑控制单元与总线隔离单元、共用存储器、单片机和双向通讯单元相连；单片机通过数据、控制、地址总线与总线隔离单元、双向通讯单元和外围接口电路相连接。
2.根据权利要求1所述的教学卡，其特征是，总线隔离单元是由PC机和51单片机的地址总线分别接到两组三态缓冲器的输入端，并将对应输出线相连，接至共用存储器做为地址线，PC机和51机的数据总线分别接至两组双向三态缓冲器的输入端，并将对应的输出端相接做为共用存储器的数据线。由PC机和51机的控制总线<读、写信号线>，分别接到两组三态缓冲器的输入端，并将对应的输出端相接做为共用存储器的读、写信号线。
3.根据权利要求1所述的教学卡，其特征是外围接口电路由地址译码、数/模电路、模/数电路，I/O、键盘显示器电路组成。
4.根据权利要求3所述的教学卡，其特征是，外围接口电路中的数/模、模/数反馈电路是经51单片机写信号线同电路的译码信号线经或非门送至A/D转换芯片用于起动和锁存，51机的读信号同该电路的译码信号线经或门接至A/D转换芯片用于读回采样数据，51单片机的写信号同该电路的译码信号线同时接至D/A转换芯片，用于D/A输出，将P0口的数字信号转换为模拟电流信号，并通过运算放大器将电流模拟信号转换为电压模拟信号，输出至A/D芯片的一路输入，实现模拟信号反馈。
5.根据权利要求3所述的教学卡，其特征是，外围接口电路中的I/O电路是由51单片机写信号同该电路译码信号经或非门输出至锁存器的锁存端，用于将P0口数据锁存并输出，51写信号同该电路译码信号经或门接至另一锁存器的输出使能端，用于将该芯片上的信号读回。前一锁存器的输出与后一锁存器的输入端的对应信号线相连，完成输出信号的反馈。
6.根据权利要求1所述的教学卡，其特征是，双向通讯单元是由单片机的P2口经译码器，输出地址译码信号，送至可编程I/O芯片的片选端，P0口接至该芯片的数据端；PC机的地址信号线经译码器进行端口译码，输出至另一可编程I/O芯片的使能端，地址线接至该芯片地址端，数据信号线接至该芯片数据端将两可编程I/O芯片的三个I/O口信号线对接，完成51单片机与PC机的多口双向通讯。
全文摘要
PC机用51单片机集成教学卡，包括单片机、共用存储器、逻辑控制单元，总线隔离单元、双向通讯单元、外围接口电路。它将单片机与PC机融为一体，具有体积小、使用方便、易于管理、性能可靠、信息显示直观、信息种类丰富、磁盘存取文件方便等优点，可充分利用PC机各种软硬件资源进行单片机的程序编辑、调试以及软硬件开发，非常适合大专院校有关专业的单片机实验教学，在科研开发领域也具有实用价值。
文档编号G06F15/17GK1144937SQ9611500
公开日1997年3月12日 申请日期1996年1月5日 优先权日1996年1月5日
发明者赵久宏, 王滨, 徐魁, 任传富, 黄松林 申请人:沈阳工业高等专科学校工矿备件公司