扩展接口有2种方案,一种是购置现成的接口板,另一种是根据系统实际需要,选用适合的芯片进行设计控制系统。就后一种而言,主要包括以下几个方面的内容。
基本系统的构成:一个独立的单片机核心系统,一般由时钟电路、地址锁存器电路、地址译码器、存储器扩展、模拟量输入通道的扩展、模拟量输出通道的扩展、开关量的I/O接口设计、键盘输入和显示电路等组成。
(1)存储器扩展 由于单片机有4种不同的存储器,且程序存储器和数据存储器是分别编址的,所以单片机的存储器容量与同样位数的微型机相比扩大了一倍多。扩展时,首先要注意单片机的种类;另一方面要把程序存储器和数据存储器分开。
(2)模拟量输入通道的扩展 主要有以下2个问题:一个是数据采集通道的结构形式,一般单片机控制系统都是多通道系统。因此选用何种结构形式采集数据,是进行模拟量输入通道设计首先要考虑的问题。多数系统都采用共享A/D和S/H形式。但是当被测参数为几个相关量时,则需选用多路S/H,共享A/D形式。对于那些参数比较多的分布式控制系统,可把模拟量先就地进行A/D转换,然后再送到主机中处理。对于那些被测参数相同(或相似)的多路数据采集系统,为减少投资,可采用模拟量多路转换,共享仪用放大器、S/H和A/D的所谓地电平多路切换形式。另外一个问题是A/D转发器的选择,设计时一定要根据被控对象的实际要求选择A/D转换器,在满足系统要求的前提下,尽量选用位数比较低的A/D转换器。
(3)模拟量输出通道的扩展 模拟量输出通道是单片机控制系统与执行机构(或控制设备)连接的纽带和桥梁。设计时要根据被控对象的通道数及执行机构的类型进行选择。对于那些可直接接受数字量的执行机构,可由单片机直接输出数字量,如步进电机或开关、继电器系统等。对于那些需要接收模拟量的执行机构,则需要用D/A转化,即把数字量变成模拟量后,再带动执行机构。
(4)开关量的I/O接口设计 由于开关量只有2种状态“1”或“0”,所以,每个开关量只需一位二进制数表示即可。因为MCS—51系列单片机设有一个专用的布尔处理机,因而对于开关量的处理尤为方便。为了提高系统的抗干扰能力,通常采用光电隔离器把单片机与外部设备隔开。
(5)操作面板 操作面板是人机对话的纽带,它根据具体情况,可大可小。为了便于现场操作人员操作,单片机控制系统设计一个操作面板的要求: 操作方便、安全可靠、并具有自保功能,即使是误操作也不会给生产带来恶果。
(6)系统速度匹配 在不影响系统总功率的前提下,时钟频率选得低一些较好,这样可降低系统对其他元器件工作速度的要求,从而降低成本和提高系统的可靠性。但系统频率选的比较高时,要设法使其他元器件与主机匹配。
(7)系统负载匹配 系统中各个器件之间的负载匹配问题,主要表现在以下几个方面。
① 逻辑电路间的接口及负载:在进行系统设计时,有时需要采用TTL和CMOS混合电路,由于二者要求的电平不一样,因此一定要注意电流及负载的匹配问题。
② MCS—51系列单片及负载:8031的外部扩展功能是很强的,但是8031的P0口和P2口以及控制信号ALE的负载能力都是有限的,P0口能驱动8个LSTTL电路,P2口能驱动4个LSTTL电路。硬件设计时应仔细核对8031的负载,使其不超过总的负载能力的70%。