详解单片机的IO接口

MCS-51系列单片机有4组I/O接口：P0、P1、P2和P3。前面简单介绍了一下各个端口，要学好单片机技术，非常有必要详细了解这些端口的内部结构及工作原理。

P0端口

P0 端口有 P0.0～P0.7 共 8 个引脚，这些引脚除了可作 I/O 引脚外，在外接存储器时，还可作地址 / 数据总线引脚。 P0端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-6所示。

图2-6 P0端口内部电路结构

(1)当P0端口用作输出端口时

如果要将P0端口用作输出端口，单片机内部的CPU会发出一个“0”到与门的控制端。控制端的“0”一方面关闭与门(即与门的一端为“0”时，不管另一端输入何种信号，输出都为“0”)，使地址/数据总线送来的信号无法通过与门;另一方面控制电子开关，让电子开关与锁存器的Q端接通。

此时若给锁存器的写锁存器端送写脉冲信号，内部总线送来的数据就可以通过D端进入锁存器并从Q和Q端输出，如D端输入“1”，则Q端输出“0”(Q端输出“1”)，该“0”经电子开关送到场效应管VT2的栅极，VT2截止，从P0端口输出“1”。

也就是说，当给P0端口内部的与门控制端送“0”，同时给写锁存器端送写脉冲信号时，单片机内部总线的信号就可以通过接口电路从P0端口输出。

(2)当P0端口用作输入端口时

当将P0端口用作输入端口时，P0端口的信号既送到三态门，又送到VT2的漏极。如果锁存器之前锁存的为“0”，即Q=0、Q=1，其中Q=1会使VT2导通，P0端口被钳在“0”电平上，“1 ”将无法送入P0端口。

解决的方法是：在将数据输入P0端口前，先通过内部总线向锁存器写“1”，即让Q=0，VT2截止，P0端口输入的“1”就可以送到三态门的输入端，此时再给三态门的读引脚送一个读控制信号，“1”就可以通过三态门送到内部总线。

也就是说，要将P0端口作为输入端口，先要将P0端口的锁存器写“1”，然后再给输入三态门送读控制信号，P0端口的数据就可以通过接口电路，送到单片机内部的总线上。

(3)当P0端口用作地址/数据总线引脚时

如果要将P0端口用作地址/数据总线引脚，先要给与门的控制端送“1”，于是与门打开，同时电子开关和非门输出端接通。当地址/数据总线为“1”时，“1”一方面通过与门送到VT1的栅极，VT1导通，另一方面送到非门，经反相变为“0”，再经电子开关送到VT2的栅极，VT2截止，VT1导通，VT2截止使P0端口输出为“1”;当地址/数据总线为“0”时，VT1导通，VT2也导通，P0端口输出为“0”。

也就是说，当给与门的控制端送“1”时，内部地址/数据总线上的信号就可以从P0端口输出，P0端口就可当作地址/数据总线引脚使用。

P1端口

P1 端口有 P1.0～P1.7 共 8 个引脚，这些引脚可作 I/O 引脚。 P1端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-7所示。

图2-7 P1端口内部电路结构

从图2-7中可以看出，P1端口的结构较P0端口简单很多，由于P1端口内部采用了一只场效应管，并且与电源之间接了一只上拉电阻，所以不需要在P1端口的外部接上拉电阻。

(1)当P1端口用作输出端口时

如果要将P1端口用作输出端口，应给锁存器的写锁存器CL端送写脉冲信号，内部总线送来的数据就可以通过D端进入锁存器并从Q和Q端输出，如D端输入“1”，则Q端输出“0”(Q端输出“1”)，该“0”送到场效应管的栅极，场效应管截止，从P1端口输出“1”。

(2)当P1端口用作输入端口时

当将P1端口用作输入端口时，如果锁存器以前锁存的为“0”，即Q=0、Q=1，其中Q=1会使场效应管导通，P1端口被钳在“0”电平上，“1”将无法送入P1端口。所以与P0端口一样，在将数据输入P1端口前，先要通过内部总线向锁存器写“1”，让Q=0，场效应管截止，P1端口输入的“ 1”就可以送到输入三态门的输入端，此时再给三态门的读引脚送一个读控制信号，“1”就可以通过输入三态门送到内部总线。

P2端口

P2端口有P2.0～P2.7共8个引脚，P2端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-8所示。

图2-8 P2端口内部电路结构

从图2-8中可以看出，P2端口的内部结构与P0端口很相似。P2 端口也可作 I/O 引脚，在外接存储器时，还可以作为地址总线引脚。

(1)当P2端口用作地址总线引脚时

如果要将P2端口用作地址总线引脚，单片机内部的CPU会发出一个控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与内部地址总线接通，地址总线上的信号就可以在通过电子开关、非门和场效应管后从P2端口引脚输出。

(2)当P2端口用作I/O接口时

如果要将P2端口用作I/O接口，单片机内部的CPU会发出一个控制信号到电子开关的控制端，让电子开关与锁存器接通。

当将P2端口用作输出端口时，给锁存器的CL端送写脉冲信号，内部总线上的数据就被锁存进锁存器并从Q端输出，再通过电子开关、非门和场效应管从P2端口引脚输出。

当将P2端口用作输入端口时，如果锁存器以前锁存的为“0”，即Q=0，经非门反相后会使场效应管导通，P2端口被钳在“0”电平上，“1”将无法送入P2端口。所以与P0、P1端口一样，在将数据输入P2端口前，先通过内部总线向锁存器写“1”，让Q=1，场效应管截止，P2端口输入的“1 ”就可以送到输入三态门的输入端，此时再给读引脚送一个读控制信号，“1”就可以通过三态门送到内部总线。

P3端口

P3 端口有 P3.0～P3.7 共 8 个引脚， P3 端口可作为 I/O 接口，还可以用于其他方面。P3端口每个引脚的内部电路结构都相同，其内部电路结构如图2-9所示。

图2-9 P3端口内部电路结构

(1)当P3端口用作I/O接口时

如果要将P3端口用作I/O接口，应让与非门的选择输出功能端为“1”，以开通与非门。

当将P3端口用作输出端口时，给锁存器的CL端送写脉冲信号，内部总线送来的数据就可以通过D端进入锁存器并从Q端输出，再通过与非门和场效应管从P3端口引脚输出。

当将P3端口用作输入端口时，应先通过内部总线向锁存器写“1”，让Q=1，场效应管截止，P3端口输入的信号就可以通过缓冲器、输入三态门送到内部总线。

(2)当P3端口用作第二功能时

P3端口用作第二功能(又称复用功能)时，实际上也是在该端口输入或输出信号，只不过输入、输出的是一些特殊功能的信号。所以当P3端口用作第二功能时，其内部电路的工作原理与用作I/O接口时是一样的，在用作输入功能时，端口的锁存器同样要先置“1”。

P3端口8个引脚的第二功能详见表2-1。例如P3.2引脚用作第二功能时，该端口可输入由外部设备送到的中断请求信号，该信号通过缓冲器、输入三态门送到内部总线。

P3端口除了可以接收外界的输入信号外，还可以接收内部的替代输入功能端送来的信号，该信号通过输入三态门送到内部总线。

总之，P0、P1、P2 和 P3 端口的功能是：都可以作输入或输出端口; P0、P2、P3 端口具有第二功能，各种端口的第二功能见表2-1。例如，表中说明P0端口的第二功能可以用作低8位地址总线/ 数据总线，P2端口可用作高8位地址总线，P3.0端口可用作串行数据接收端。

表2-1 MCS-51系列单片机各端口的第二功能

单片机RS485通信接口、控制线、原理图及程序实例

RS232 标准是诞生于 RS485 之前的，但是 RS232 有几处不足的地方：

接口的信号电平值较高，达到十几 V，使用不当容易损坏接口芯片，电平标准也与TTL 电平不兼容。传输速率有局限，不可以过高，一般到一两百千比特每秒(Kb/s)就到极限了。接口使用信号线和 GND 与其它设备形成共地模式的通信，这种共地模式传输容易产生干扰，并且抗干扰性能也比较弱。传输距离有限，最多只能通信几十米。通信的时候只能两点之间进行通信，不能够实现多机联网通信。

针对 RS232 接口的不足，就不断出现了一些新的接口标准，RS485 就是其中之一，它具备以下的特点：

采用差分信号。我们在讲 A/D 的时候，讲过差分信号输入的概念，同时也介绍了差分输入的好处，最大的优势是可以抑制共模干扰。尤其当工业现场环境比较复杂，干扰比较多时，采用差分方式可以有效的提高通信可靠性。RS485 采用两根通信线，通常用 A 和 B 或者 D+和 D-来表示。逻辑“1”以两线之间的电压差为+(0.2~6)V 表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.2~6)V 来表示，是一种典型的差分通信。RS485 通信速率快，最大传输速度可以达到 10Mb/s 以上。RS485 内部的物理结构，采用的是平衡驱动器和差分接收器的组合，抗干扰能力也大大增加。传输距离最远可以达到 1200 米左右，但是它的传输速率和传输距离是成反比的，只有在 100Kb/s 以下的传输速度，才能达到最大的通信距离，如果需要传输更远距离可以使用中继。可以在总线上进行联网实现多机通信，总线上允许挂多个收发器，从现有的 RS485芯片来看，有可以挂 32、64、128、256 等不同个设备的驱动器。RS485 的接口非常简单，与 RS232 所使用的 MAX232 是类似的，只需要一个 RS485转换器，就可以直接与单片机的 UART 串口连接起来，并且使用完全相同的异步串行通信协议。但是由于 RS485 是差分通信，因此接收数据和发送数据是不能同时进行的，也就是说它是一种半双工通信。那我们如何判断什么时候发送，什么时候接收呢？

RS485 转换芯片很多，这节课我们以典型的 MAX485 为例讲解 RS485 通信，如图 18-1所示。

图 18-1 MAX485 硬件接口

MAX485 是美信(Maxim)推出的一款常用 RS485 转换器。其中 5 脚和 8 脚是电源引脚；6脚和 7 脚就是 RS485 通信中的 A 和 B 两个引脚；1 脚和 4 脚分别接到单片机的 RXD 和 TXD引脚上，直接使用单片机 UART 进行数据接收和发送；2 脚和 3 脚是方向引脚，其中 2 脚是低电平使能接收器，3 脚是高电平使能输出驱动器，我们把这两个引脚连到一起，平时不发送数据的时候，保持这两个引脚是低电平，让 MAX485 处于接收状态，当需要发送数据的时候，把这个引脚拉高，发送数据，发送完毕后再拉低这个引脚就可以了。为了提高 RS485 的抗干扰能力，需要在靠近 MAX485 的 A 和 B 引脚之间并接一个电阻，这个电阻阻值从 100欧到 1K 都是可以。

在这里我们还要介绍一下如何使用 KST-51 单片机开发板进行外围扩展实验。我们的开发板只能把基本的功能给同学们做出来提供实验练习，但是同学们学习的脚步不应该停留在这个实验板上。如果想进行更多的实验，就可以通过单片机开发板的扩展接口进行扩展实验。大家可以看到蓝绿色的单片机座周围有 32 个插针，这 32 个插针就是把单片机的 32 个 IO 引脚全部都引出来了。在原理图上体现出来的就是 J4、J5、J6、J7 这 4 个器件，如图 18-2 所示。

图 18-2 单片机扩展接口

这 32 个 IO 口中并不是所有的都可以用来对外扩展，其中既作为数据输出，又可以作为数据输入的引脚是不可以用的，比如 P3.2、P3.4、P3.6 引脚，这三个引脚是不可用的。比如P3.2 这个引脚，如果我们用来扩展，发送的信号如果和 DS18B20 的时序吻合，会导致 DS18B20拉低引脚，影响通信。除这 3 个 IO 口以外的其它 29 个，都可以使用杜邦线接上插针，扩展出来使用。当然了，如果把当前的 IO 口应用于扩展功能了，板子上的相应功能就实现不了了，也就是说需要扩展功能和板载功能之间二选一。

在进行 RS485 实验中，我们通信用的引脚必须是 P3.0 和 P3.1，此外还有一个方向控制引脚，我们使用杜邦线将其连接到 P1.7 上去。RS485 的另外一端，大家可以使用一个 USB转 RS485 模块，用双绞线把开发板和模块上的 A 和 B 分别对应连起来，USB 那头插入电脑，然后就可以进行通信了。

学习了第 13 章实用的串口通信方法和程序后，做这种串口通信的方法就很简单了，基本是一致的。我们使用实用串口通信例程的思路，做了一个简单的程序，通过串口调试助手下发任意个字符，单片机接收到后在末尾添加“回车+换行”符后再送回，在调试助手上重新显示出来，先把程序贴出来。

程序中需要注意的一点是：因为平常都是将 MAX485 设置为接收状态，只有在发送数据的时候才将 MAX485 改为发送状态，所以在 UartWrite()函数开头将 MAX485 方向引脚拉高，函数退出前再拉低。但是这里有一个细节，就是单片机的发送和接收中断产生的时刻都是在停止位的一半上，也就是说每当停止位传送了一半的时候，RI 或 TI 就已经置位并且马上进入中断（如果中断使能的话）函数了，接收的时候自然不会存在问题，但发送的时候就不一样了：当紧接着向 SBUF 写入一个字节数据时，UART 硬件会在完成上一个停止位的发送后，再开始新字节的发送，但如果此时不是继续发送下一个字节，而是已经发送完毕了，要停止发送并将 MAX485 方向引脚拉低以使 MAX485 重新处于接收状态时就有问题了，因为这时候最后的这个停止位实际只发送了一半，还没有完全完成，所以就有了 UartWrite()函数内DelayX10us(5)这个操作，这是人为的增加了 50us 的延时，这 50us 的时间正好让剩下的一半停止位完成，那么这个时间自然就是由通信波特率决定的了，为波特率周期的一半。

/****************************RS485.c 文件程序源代码*****************************/

#include <reg52.h>#include <intrins.h>sbit RS485_DIR = P1^7; //RS485 方向选择引脚bit flagFrame = 0; //帧接收完成标志，即接收到一帧新数据bit flagTxd = 0; //单字节发送完成标志，用来替代 TXD 中断标志位unsigned char cntRxd = 0; //接收字节计数器unsigned char pdata bufRxd[64]; //接收字节缓冲区extern void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len);/* 串口配置函数，baud-通信波特率 */void ConfigUART(unsigned int baud){RS485_DIR = 0; //RS485 设置为接收方向SCON = 0x50; //配置串口为模式 1TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位TMOD |= 0x20; //配置 T1 为模式 2TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算 T1 重载值TL1 = TH1; //初值等于重载值ET1 = 0; //禁止 T1 中断ES = 1; //使能串口中断TR1 = 1; //启动 T1}/* 软件延时函数，延时时间(t*10)us */void DelayX10us(unsigned char t){do {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();} while (--t);}/* 串口数据写入，即串口发送函数，buf-待发送数据的指针，len-指定的发送长度 */void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len){RS485_DIR = 1; //RS485 设置为发送while (len--){ //循环发送所有字节flagTxd = 0; //清零发送标志SBUF = *buf++; //发送一个字节数据while (!flagTxd); //等待该字节发送完成}DelayX10us(5); //等待最后的停止位完成，延时时间由波特率决定RS485_DIR = 0; //RS485 设置为接收}/* 串口数据读取函数，buf-接收指针，len-指定的读取长度，返回值-实际读到的长度 */unsigned char UartRead(unsigned char *buf, unsigned char len){unsigned char i;//指定读取长度大于实际接收到的数据长度时，//读取长度设置为实际接收到的数据长度if (len > cntRxd){len = cntRxd;}for (i=0; i<len; i++){ //拷贝接收到的数据到接收指针上*buf++ = bufRxd[i];}cntRxd = 0; //接收计数器清零return len; //返回实际读取长度}/* 串口接收监控，由空闲时间判定帧结束，需在定时中断中调用，ms-定时间隔 */void UartRxMonitor(unsigned char ms){static unsigned char cntbkp = 0;static unsigned char idletmr = 0;if (cntRxd > 0){ //接收计数器大于零时，监控总线空闲时间if (cntbkp != cntRxd){ //接收计数器改变，即刚接收到数据时，清零空闲计时cntbkp = cntRxd;idletmr = 0;}else{ //接收计数器未改变，即总线空闲时，累积空闲时间if (idletmr < 30){ //空闲计时小于 30ms 时，持续累加idletmr += ms;if (idletmr >= 30){ //空闲时间达到 30ms 时，即判定为一帧接收完毕flagFrame = 1; //设置帧接收完成标志}}}}else{cntbkp = 0;}}/* 串口驱动函数，监测数据帧的接收，调度功能函数，需在主循环中调用 */void UartDriver(){unsigned char len;unsigned char pdata buf[40];if (flagFrame){ //有命令到达时，读取处理该命令flagFrame = 0;len = UartRead(buf, sizeof(buf)-2); //将接收到的命令读取到缓冲区中UartAction(buf, len); //传递数据帧，调用动作执行函数}}/* 串口中断服务函数 */void InterruptUART() interrupt 4{if (RI){ //接收到新字节RI = 0; //清零接收中断标志位//接收缓冲区尚未用完时，保存接收字节，并递增计数器if (cntRxd < sizeof(bufRxd)){bufRxd[cntRxd++] = SBUF;}}if (TI){ //字节发送完毕TI = 0; //清零发送中断标志位flagTxd = 1; //设置字节发送完成标志}}

/*****************************main.c 文件程序源代码******************************/

#include <reg52.h>unsigned char T0RH = 0; //T0 重载值的高字节unsigned char T0RL = 0; //T0 重载值的低字节void ConfigTimer0(unsigned int ms);extern void UartDriver();extern void ConfigUART(unsigned int baud);extern void UartRxMonitor(unsigned char ms);extern void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len);void main(){EA = 1; //开总中断ConfigTimer0(1); //配置 T0 定时 1msConfigUART(9600); //配置波特率为 9600while (1){UartDriver(); //调用串口驱动}}/* 串口动作函数，根据接收到的命令帧执行响应的动作buf-接收到的命令帧指针，len-命令帧长度 */void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len){//在接收到的数据帧后添加换车换行符后发回buf[len++] = ' ';buf[len++] = ' ';UartWrite(buf, len);}/* 配置并启动 T0，ms-T0 定时时间 */void ConfigTimer0(unsigned int ms){unsigned long tmp; //临时变量tmp = 11059200 / 12; //定时器计数频率tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值tmp = tmp + 33; //补偿中断响应延时造成的误差T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定时器重载值拆分为高低字节T0RL = (unsigned char)tmp;TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位TMOD |= 0x01; //配置 T0 为模式 1TH0 = T0RH; //加载 T0 重载值TL0 = T0RL;ET0 = 1; //使能 T0 中断TR0 = 1; //启动 T0}/* T0 中断服务函数，执行串口接收监控 */void InterruptTimer0() interrupt 1{TH0 = T0RH; //重新加载重载值TL0 = T0RL;UartRxMonitor(1); //串口接收监控}

现在看这种串口程序，是不是感觉很简单了呢？串口通信程序我们反反复复的使用，加上随着学习的模块越来越多，实践的越来越多，原先感觉很复杂的东西，现在就会感到简单了。从设备管理器里可以查看所有的 COM 口号，我们下载程序用的是 COM4，而 USB 转RS485 虚拟的是 COM5，通信的时候我们用的是 COM5 口，如图 18-3 所示。

图 18-3 RS485 通信试验设置和结果

上海羊羽卓进出口贸易有限公司

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单片机接口原理图详解单片机的IO接口

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