AT89C51单片机高速串行输出口设计

AT89C51（与MCS-51兼容）单片机的串行口在方式0工作状态下，使用移位寄存器芯片可以扩展多个8位并行I/O口。在LED点阵显示屏应用系统中，一般都采用数据同步移位输出方式，并使用移位寄存器芯片（如74LS595）扩展并行I/O口驱动LED点阵显示。LED 点阵显示采用扫描方式，为不产生闪烁感，每秒需要传送50屏点阵显示数据，因此有大量的数据要通过同步移位的方式送到显示驱动电路部分，这就要求单片机能够快速地输出数据。AT89C51单片机的串行口在方式0工作状态下，数据以fosc/12的波特率输出，1个字节数据写入SBUF后，需检查中断标志位 TI是否为“1”并清“0”TI或延时几个机器周期后才能继续写入了一个数据，输出速度慢。在LED点阵显示屏应用系统中，系统与PC机之间的通讯需要使用单片机的串行口，显示数据的同步移位输出口只有另外扩展。本文介绍的高速串行同步移位输出口（以下简称扩展串行口）电路，采用模块化设计，给出基于 TTL和PLD两种电路的实现方案，波特率提高到fosc，数据输出不需要等待或延时。

一、扩展串行口与单片机的连接

扩展串行口电路框图如图1所示。与并行存储器芯片类似，扩展串行口被视为一个外部RAM地址单元，直接挂接在AT89C51的外部数据总线上，D0～D7为数据线，CE为片选信号，WE为写脉冲信号，也是扩展串行口的输出控制信号。AT89C51 外接晶体振荡器的振荡信号经二个与非门整形后为扩展串行口提供时钟脉冲XTAL2。DAT和CLK分别是扩展串行口的数据输出端和同步移位脉冲输出端。

二、操作指令

假设AT89C51分配给扩展串行口的地址是0000H，使用MOVX@DPTR，A或MOVX@R0，A指令将数据写入扩展串行口并移位数据。下面的程序段将内部RAM数据区首址为30H的32字节数据送扩展串行口同步移位输出：
MOV P2，#00H ；设置扩展串行口地址高8位
MOV R1，#30H ；设置内部RAM数据区首址
MOV R7，#32 ；输出字节个数
LOOP：MOV A，@R1 ；从内部RAM数据区读入1字节
INC R1 ；指向内部RAM数据区下一个地址单元
MOVX @R0，A ；数据送扩展串行口输出
DJNZ R7，LOOP ；32字节未送完继续
RET

三、基于TTL电路的设计方案和工作原理

图2是用TTL电路实现的扩展串行口电路。74LS74是有预置、清零功能的双上升沿D触发器，D1～D5构成8脉冲发生器（计数器原理），74LS165是8位并行输入串行输出移位寄存器。CPU执行MOVX@R0，A（或MOVX @DPTR，A）指令时，数据被锁存在74LS165中。产生8脉冲信号的时序如图3所示。图3中，Q0～Q5分别是6个D触发器的输出端，扩展串行口片选有效（CE=0），写脉冲WE到来时，WR=0，在时钟脉冲XTAL2的上升沿触发器D0的输出Q0=0，Q0复位Q5，使Q5=1；写脉冲结束后，WR=1，则WR·Q5=1，计数器的复位端无效，计数器开始计数，同时在Q1端输出方波脉冲；第8个脉冲结束后，Q5=1，则WR·Q5=0，计数器被复位，停止计数，等待下一个写脉冲。Q1端输出的8个脉冲作为同步移位脉冲接74LS165的CLK2（15脚），同时也是扩展串行输出口的同步移位脉冲输出信号：由MOVX指令锁存在74LS165中的数据在同步移位脉冲（CLK）的作用下，从扩展串行输出口的数据端（DAT）输出。

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四、基于PLD电路的设计方案

用可编程门阵列器件设计电路，可使电路简化，器件数量减少。图2中虚线框内的8脉冲发生器电路用 1片GAL16V8D就可以实现，如图4所示。XTAL2是扩展串行口时钟脉冲输入信号，WR是片选有效情况下的写脉冲信号，Q1是8脉冲输出端。根据图 3所示时序图写出Q1～Q5的逻辑表达式，下面是GAL16V8D芯片的逻辑设计示例。

AFT16V8D
NAME：ED13_U00
AUTHOR：FUHAO
DATE：04.15.1999
；1 2 3 4 5 6 7 8 9 10（pin）
CLK WR NC NC NC NC NC NC NC GND
；11 12 13 14 15 16 17 18 19 20（pin）
OE Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 NC NC NC VCC
Q1：=/Q1*WR*/Q5
Q2：=/Q2*Q1*WR*/Q5
+Q2*/Q1*WR*/Q5
Q3：=/Q3*Q2*Q1*WR*/Q5
+Q3*/Q2*WR*/Q5
+Q3*/Q2*WR*/Q5
Q4：=/Q4*Q3*Q2*Q1*WR*/Q5
+Q4*/Q3*WR*/Q5
+Q4*/Q2*WR*/Q5
+Q4*/Q1*WR*/Q5
Q5：=/Q5*Q4*Q3*Q2*Q1*WR
+Q5*/Q4*WR
+Q5*/Q3*WR
+Q5*/Q2*WR
+Q5*/Q1*WR
DESCRIPTION
 
结束语

本文介绍的单片机扩展高速串行同步移位输出口的方法，以及给出的基于TTL和PLD两种电路的实现方案，在LED点阵显示屏系统中都已得到成功的应用。扩展串行口采用模块化设计，很容易移植到其他应用系统中。