Подключение внешних устройств к микропроцессору
Микропроцессорные системы часто используются для управления устройствами, блоками или системами связи. При этом в качестве микропроцессорного устройства может выступать универсальный компьютер или группа компьютеров, объединенных локальной или глобальной сетью (для больших и дорогих систем связи, таких как автоматические телефонные станции или коммутационные центры сотовых систем связи), или специализированное микропроцессорное устройство, в качестве которого для дешевой и портативной аппаратуры чаще всего выступает однокристальный микроконтроллер.
Внешними устройствами называются любые устройства, которыми управляет, от которых получает или которым передает информацию микропроцессор. В качестве внешних устройств может выступать принтер или дисплей, клавиатура или модем, но для устройств связи в качестве внешних устройств чаще выступают микросхемы приемников, передатчиков (в том числе построенные на базе сигнальных процессоров), микросхемы синтезаторов частоты или постоянные запоминающие устройства с электрическим стиранием.
Согласование сигналов цифровых микросхем между собой не представляет трудностей, т. к. практически все современные цифровые микросхемы по входу и выходу согласованы с TTL-уровнями. Если же это не так, то для согласования нестандартных уровней с TTL-уровнями выпускаются специальные микросхемы. Несколько иначе обстоит дело с индикаторами и исполнительными устройствами.
В качестве простейшего единичного индикатора рассмотрим светодиодный индикатор. Схема его подключения показана на рис. 5.10.
Рис. 5.10.Подключение одиночного светодиодного индикатора
Транзистор служит для увеличения тока, которым микропроцессор зажигает светодиодный индикатор. Кроме того, транзистор позволяет согласовать уровни выходного напряжения цифровых микросхем, к которым относятся и микропроцессорные устройства, и напряжения, необходимого для работы светодиодного индикатора. Гальванической развязки транзисторный ключ не обеспечивает. Светодиод питается постоянным током, поэтому для его работы требуется генератор тока, а не напряжения.
В простейшем случае необходимый ток может обеспечить токоограничивающии резистор R3. Если этот резистор не поставить, то ток по цепи индикатора может достигнуть недопустимой величины и светодиод или транзистор выйдут из строя.
Простой светодиодный индикатор позволяет отображать двоичную информацию, такую как состояние устройства (включено или выключено), наличие или отсутствие сигнала и т. д. Для отображения цифровой информации используются 7-сегментные индикаторы. Подключение одного сегмента такого индикатора не отличается от схемы, приведенной на рис. 5.10. Каждый сегмент представляет собой обычный светодиод.
Практически так же выглядят схемы подключения индикаторов на газоразрядных лампах и лампах накаливания к выходному порту микропроцессорной системы. Единственным отличием является то, что для лампы накаливания не нужен токоограничивающий резистор, ограничение тока обеспечивает внутреннее сопротивление самой лампы.
Несколько сложнее выглядит схема подключения внешних исполнительных электромеханических устройств. Чаще всего такие исполнительные устройства являются индуктивной нагрузкой. В качестве примера можно назвать такие устройства, как электромагнитное реле или электромагнит. Схема, позволяющая работать на индуктивную нагрузку, приведена на рис. 5.11. Диод VD1 в этой схеме служит для ограничения напряжения импульсов эдс самоиндукции, которые могут вывести из строя силовой транзистор VT1.
Рис. 5.11. Подключение внешнего устройства с индуктивной нагрузкой
При вводе информации из внешнего устройства возникают подобные проблемы. Источники дискретной информации могут иметь различную физическую природу. Они могут находиться на значительном расстоянии от контроллера, иметь различное напряжение питания, но их данные должны быть безошибочно считаны управляющей программой микропроцессорной системы. Практически всегда при работе с внешними датчиками требуется гальваническая развязка датчиков и управляющей микропроцессорной системы.
Для решения указанных проблем все датчики выполняются так, что с точки зрения электрической схемы представляют собой контакты, работающие на замыкание. Поэтому схемы подключения датчика и кнопки не различаются. Со стороны микропроцессорного устройства надо преобразовать замыкание/размыкание контактов в логические уровни, необходимые для правильной работы микропроцессорного устройства. Эту функцию выполняет схема, приведенная на рис. 5.12.
Рис. 5.12.Подключение источника дискретной информации
Иногда требуется вводить информацию с большого количества кнопок. В этом случае для уменьшения количества линий ввода-вывода используется клавиатура, представляющая собой двухмерную матрицу кнопок, организованных в ряды и колонки. Для подключения клавиатуры используется два порта: ввода и вывода. Схема подключения клавиатуры приведена на рис. 5.13.
Рис. 5.13.Подключение клавиатуры к микропроцессорному устройству
Подключение клавиатуры отличается от схемы подключения одиночной кнопки тем, что потенциал общего провода на опрашиваемые кнопки подается не непосредственно, а через порт вывода. В каждый момент времени сигнал логического 0 подается только на один столбец кнопок.
Двоичные сигналы, присутствующие при этом на строках клавиатуры, считываются через порт ввода микропроцессорной системы. Временная диаграмма напряжений, присутствующих на порте вывода при выполнении программы опроса клавиатуры, приведена на рис. 5.14.
Рис. 5.14.Временная диаграмма напряжений на линиях порта вывода
Принципы построения параллельного порта
Параллельные порты предназначены для обмена многоразрядными двоичными данными между микропроцессором и внешними устройствами. В качестве внешнего устройства может служить любой объект управления или источник информации (различные кнопки, датчики, микросхемы приемников, синтезаторов частот, дополнительной памяти, исполнительные механизмы, двигатели, реле и т. д.). Иногда в качестве внешнего устройства может выступать другой компьютер или микропроцессор.
Параллельные порты позволяют согласовывать низкую скорость работы внешнего устройства и высокую скорость работы системной шины микропроцессора. С точки зрения внешнего устройства порт представляет собой обычный источник или приемник информации со стандартными цифровыми логическими уровнями (обычно ТТЛ), а с точки зрения микропроцессора - это ячейка памяти, куда можно записывать данные или где сама собой появляется информация. В зависимости от направления передачи данных параллельные порты называются портами ввода, портами вывода или портами ввода-вывода информации.
В качестве простейшего порта вывода может быть использован параллельный регистр, т. к. он позволяет запоминать данные, выводимые микропроцессором, и хранить их до тех пор, пока подается питание. Все это время сигналы с выходов этого параллельного регистра поступают на внешнее устройство. В порт вывода возможна только запись. Структурная схема порта вывода с использованием параллельного регистра приведена на рис. 5.15. Данные с системной шины микропроцессора записываются в параллельный регистр по сигналу "WR". Выходы "Q" регистра могут быть использованы как источники логических уровней для управления внешними устройствами. Этот регистр называется регистром данных порта вывода.
Рис. 5.15.Структурная схема порта вывода
Для отображения регистра параллельного порта вывода информации только в одну ячейку памяти адресного пространства микропроцессорного устройства совместно с портом вывода всегда используется дешифратор адреса. Разработка дешифратора адреса и вопросы выбора конкретного адреса для параллельного порта обсуждались ранее при рассмотрении распределения адресного пространства микропроцессорного устройства.
В качестве порта ввода может быть использована схема с открытым коллектором или с третьим (Z) состоянием. В настоящее время обычно используются схемы с третьим состоянием. Микросхема, объединяющая несколько таких элементов, называется шинным формирователем. Из порта ввода возможно только чтение информации. Структурная схема порта ввода приведена на рис. 5.16. Для построения порта ввода выход шинного формирователя подключается к внутренней шине данных, а на его вход подключаются сигналы, которые нужно ввести в микропроцессорную систему. Значение сигнала с внешнего вывода порта передается на шину данных (считывается) по управляющему сигналу "RD".