《微机接口技术》课程设计指导书.doc

《微机接口技术》

课程设计指导书

信息科学与工程学院
电子信息工程教研室
2013.7 修订

目 录

一、课程设计目的及意义 …………………………………………………………1

二、课程设计任务及要求 …………………………………………………………1

三、课程设计题目及设计要求 ……………………………………………………1

四、课程设计说明书内容要求 ……………………………………………………5

五、课程设计考核方法及成绩评定 ……………………………………………………6

附录：A/D、D/A接口实验卡电路原理图 …………………………………………7

一、课程设计目的及意义
通过课程设计，学生可掌握多种接口的软硬件设计基本思路和调试方法，培养学生分析解决实际问题的能力。加深学生对《微机接口技术》、《电子测量技术》和《单片机原理及应用》等课程知识的掌握与综合运用能力。掌握工程设计手段和软件工具，锻炼以图纸和说明书表达设计思想和结果的能力，培养学生在实际工程设计中严谨认真的工作态度。提高学生的创新意识及动手能力，为后续课程的学习以及毕业后从事微机硬件及软件开发打下基础，积累初步的经验。
二、课程设计任务及要求
课程设计的过程是综合运用所学知识的过程。课程设计主要任务是根据设计题目的具体要求，将单一的接口电路及相关的控制程序组合起来，完成题目所规定的任务及功能。设计任务包括：查阅专业资料、工具书或参考文献，了解设计课题的总体结构、组成单元及相关的专业术语，分析其工作原理；完成总体方案设计、单元电路设计、控制程序设计及安装调试工作；总结全部设计工作，写出完整、规范的设计说明书。课程设计2人一组，在教师的指导下协作完成规定的设计任务，每人独立完成一份课程设计说明书。课程设计提供以下四个题目，学生从其中任选一个，按题目要求完成全部设计工作。
三、课程设计题目及设计要求
题目一：数字存储示波器设计
（一）设计目的及意义
数字存储示波器是常用的电子测量仪器之一，其中采用的A/D转换、D/A转换及数据处理技术与《微机接口技术》课程内容联系紧密。通过本设计，学生可掌握A/D、D/A转换电路的设计和调试方法，培养学生分析解决实际问题的能力。
（二）设计任务与要求
本设计通过简单的A/D转换接口电路，配合汇编语言程序设计，实现最基本的信号波形采集与存储，并通过简单的D/A转换接口电路，将存储的数据还原为信号波形，在普通示波器的屏幕上显示出来。
被测信号产生电路参见“A/D、D/A接口实验扩展卡电路原理图”。当按下S1时，电容C5完全放电，A/D转换器输入电压为零；抬起S1时，电容C5开始充电，A/D转换器输入电压按RC过渡过程开始上升，最终达到+5V。图中RC时间常数约为10ms，整个充电过程需要3～5倍的RC时间常数时间。设计要求使用A/D转换器捕捉电容C5充电的完整过程，并将采样数据存储起来。然后依次将采样数据通过D/A转换器循环输出，产生一定频率的重复波形，送到普通示波器显示。
基本要求：使用一个D/A转换器通道，将信号波形施加到示波器的Y轴，X轴扫描信号由示波器产生并调节，实现RC充电过程的波形稳定显示。
发挥部分：将示波器调整在X-Y方式，采样数据的D/A转换器输出接到Y轴输入端，增加一个D/A转换器通道，产生频率可变的X轴扫描信号，接到示波器X轴外部输入端，使RC充电过程的波形稳定显示。
（三）设计内容与步骤
1. 数字存储示波器原理分析
阅读相关的参考文献，了解数字存储示波器的组成单元、电路结构及相关的专业术语。分析数字存储示波器的工作原理。掌握数字存储示波器中最基本的数据采集及处理方法。
2. 数字存储示波器电路设计
根据单片机实验系统提供的相关信号线，使用ADC0809、DAC0832和相关外围电路元件，组成最基本的A/D转换和D/A转换电路。要求具有单通道0～5V的电压输入范围，双通道0～5V的电压输出功能。画出电路原理图，确定元器件参数，并给出关键元件参数的计算方法。
3. 数字存储示波器程序设计
根据数字存储示波器的基本工作原理编写实验程序，实现触发点的捕捉、被测信号的采集和数据的存储以及信号波形的再现功能。参考程序流程如下：
开始
采集并存储
有触发吗？
设定存储字节数
完成吗？
采集并存储
设定初始地址
设定存储字节数
输出存储的数据
地址+1

数据采集

N
S1按下吗？

N

Y

N

Y

程序“开始”部分是初始化内容，包括指定堆栈指针SP（例如：50H）；设定采集数据的存储首地址，本设计为单片机外部RAM的C000H。
“数据采集”部分包括启动A/D转换、执行延时程序（延时时间可设定在200μs）等待转换结束、取回转换结果，为S1是否按下提供参考数据。
“S1按下吗？”部分为按键S1是否按下判断程序。本设计采用上升沿触发方式，S1按下时产生下降沿。当A/D采样数据大于判断点（例如：20H）时，表明按键尚未按下，当A/D采样数据小于触发点时，表明按键已经按下，转入触发检测环节，循环存储采样数据。当A/D采样值重新上升到大于或等于触发点数据时，便认为触发信号到来，转入下面的采样程序。
“采集并存储”部分包括启动A/D转换、执行延时程序等待转换结束、取回转换结果并存储到C000H开始的RAM中和存储器地址加1，为下次存储做准备等程序。其中延时程序决定了数据采样周期，采样周期（延时时间）可初步设定在200μs，全部程序调试完成后，再尝试改变采样周期，观察采样周期变化对重现被测信号波形的影响，并说明原因。本设计数据存储深度为256字节，存满256 字节后自动从头开始刷新。可用DPTR做数据指针，利用INC DPL指令实现DPTR在C000H～C0FFH之间自动循环。
“有触发吗？”部分为触发点（触发点数据要大于等于S1按下判断点数据）判断程序。本设计采用上升沿触发方式，当A/D采样数据小于触发点时，表明按键按下尚未抬起，继续循环存储采样数据。当A/D采样值上升到大于或等于触发点数据时，表明按键按已抬起，便认为触发信号到来，转入下面的采样程序。
“设定存储字节数”程序将触发后的采样点数设定在128个字节。接下来的“采集并存储”部分与前面叙述的完全相同。“完成吗？”判断128个字节的采样是否完成，如果完成就进入下面的D/A转换程序。这样在256个字节的存储器中，就包含了触发前、后各128字节的采样数据，可完全记录电容C5充电前后的电压变化波形。
“设定初始地址”部分将数据指针（例如：DPTR）重新设定在C000H。“输出存储的数据”程序将数据存储器中的A/D采样值送到D/A转换器输出。“地址＋1”程序修改数据指针的低8位地址，使数据存储器地址在C000H～C0FFH之间自动循环。这样便可以通过D/A转换器反复重现电容C5充电过程的完整波形，实现存储波形的稳定显示。
4. 数字存储示波器调试
存储示波器的硬件电路调试分为A/D和D/A两个部分，参见附录电路原理图。A/D转换器部分只要调节RP4使基准电压VREF2为最大值（VCC）即可。D/A转换器部分，首先调节RP2和SW1-3，使基准电压VREF1为-5.00V。然后向D/A转换器写入00H，调节RP3，使VO1输出电压为0V；再向D/A转换器写入FFH，调节RP1，使VO1输出电压为5.00V。
存储示波器的控制程序可分为三个步骤进行调试：
（1）A/D转换部分调试。无条件循环执行数据采集和存储程序，分别在S1按下和抬起状态终止程序的执行（按MON键），观察存储器中采集到的数据是否全部为00H或FFH。如果是，则说明A/D转换和数据存储程序工作正常，否则说明A/D转换和数据存储程序没有正常工作。
（2）D/A转换部分调试。将存储器中输入一些有规律的数据，例如多个FFH和OOH，循环执行D/A转换程序，看示波器中是否有对应的高、低电压波形出现。如果有，则说明D/A转换程序工作正常，否则说明D/A转换程序没有正常工作。
（3）触发点捕捉部分调试。连续执行全部程序，在不断的按下和抬起S1时，按下MON键，根据当前的PC值，确定程序终止在哪个部分的循环程序中，判断相关指令的使用是否正确。
题目二：信号发生器设计
（一）设计目的及意义
信号发生器是常用的电子测量仪器之一，其中采用的D/A转换及数据处理技术与《微机接口技术》课程内容联系紧密。通过本设计，学生可掌握D/A转换电路及相关控制程序的设计和调试方法，培养学生分析解决实际问题的能力。
（二）设计任务与要求
本设计通过简单的D/A转换接口电路，配合汇编语言程序设计，实现锯齿波、三角波、梯形波、方波和正弦波等波形的产生，信号频率10Hz～10kHz。在普通示波器上观测信号波形及失真情况。
（三）设计内容与步骤
1. 信号发生器原理分析
阅读相关的参考文献，了解信号发生器的组成单元、电路结构及相关的专业术语。分析信号发生器的工作原理。掌握信号发生器中最基本的数据处理方法。
2. 信号发生器电路设计
根据单片机实验系统提供的相关信号线，使用DAC0832和相关外围电路元件，组成最基本的D/A转换电路。要求具有单通道0～5V的电压输出功能。画出电路原理图，确定元器件参数，并给出关键元件参数的计算方法。
3. 信号发生器程序设计
根据锯齿波、三角波、梯形波、方波和正弦波等波形的产生原理编写控制程序，实现信号波形的输出功能。
4. 信号发生器调试
首先调节RP2和SW1-3，使基准电压VREF1为-5.00V。然后向D/A转换器写入00H，调节RP3，使VO1输出电压为0V；再向D/A转换器写入FFH，调节RP1，使VO1输出电压为5.00V。
题目三：数字电压表设计
（一）设计目的及意义
数字电压表是常用的电子测量仪器之一，其中采用的A/D转换及数据处理技术与《微机接口技术》课程内容联系紧密。通过本设计，学生可掌握A/D转换电路及相关控制程序的设计和调试方法，培养学生分析解决实际问题的能力。
（二）设计任务与要求
本设计通过简单的A/D转换接口电路，配合汇编语言程序设计，实现0～5V的电压采集，在实验系统的数码管上显示出被测电压值。
（三）设计内容与步骤
1. 数字电压表原理分析
阅读相关的参考文献，了解数字电压表的组成单元、电路结构及相关的专业术语。分析数字电压表的工作原理。掌握数字电压表中最基本的数据处理方法。
2. 数字电压表电路设计
根据单片机实验系统提供的相关信号线，使用ADC0809和相关外围电路元件，组成最基本的A/D转换电路。要求具有单通道0～5V的电压输入功能。画出电路原理图，确定元器件参数，并给出关键元件参数的计算方法。
3. 数字电压表程序设计
根据数字电压表的工作原理，编写控制程序，实现数据采集功能；根据单片机实验系统提供的显示电路，编写运算及控制程序，实现电压值的显示功能。
4. 数字电压表调试
电路部分调节RP4，使基准电压VREF2为5.12V。程序部分可将采集到的数据×2，然后转换成BCD码，送显示器显示。
题目四：数字频率计设计
（一）设计目的及意义
数字频率计是常用的电子测量仪器之一，其中采用的定时技术与《微机接口技术》课程内容联系紧密。通过本设计，学生可掌握定时器电路及相关控制程序的设计和调试方法，培养学生分析解决实际问题的能力。
（二）设计任务与要求
本设计通过简单的定时器接口电路及其他辅助接口电路，配合汇编语言程序设计，实现0～10kHz的频率测量，在实验系统的数码管上显示出被测频率值。
（三）设计内容与步骤
1. 数字频率计原理分析
阅读相关的参考文献，了解数字频率计的组成单元、电路结构及相关的专业术语。分析数字频率计的工作原理。掌握数字频率计中最基本的数据处理方法。
2. 数字频率计电路设计
根据单片机实验系统提供的相关信号线，使用8253和相关外围电路元件，组成最基本的计数器电路，实现频率测量。画出电路原理图。
3. 数字频率计程序设计
根据数字频率计的工作原理，编写控制程序，实现频率测量功能；根据单片机实验系统提供的显示电路，编写运算及控制程序，实现频率的显示功能。
4. 数字频率计调试
控制计数器的闸门时间，通过程序计算频率值，然后转换成BCD码，送显示器显示。
四、课程设计报告内容要求（全部内容不能超过12页！）
完成设计任务后，在课程设计的最后阶段，需要总结全部设计工作，写出完整、规范的设计说明书。每人独立完成一份说明书，在指定的时间内交给指导教师。课程设计说明书要求逻辑清晰、层次分明、书写整洁，使用下列统一的格式书写完成：
1. 封面与成绩评定表（共2页）
封面包括：课程设计题目、学生姓名、学号、班级、指导教师、完成日期。
成绩评定表：另见（范文）格式要求。
2. 目录与正文（目录1页，正文不能超过6页！）
目录包括正文及附录的标题及页码（参见范文）。
正文包括的内容有：
（1）设计任务与要求（简单说明设计任务包含的内容和要求）；
（2）总体方案设计（包括分析所选课题的工作原理、电路组成及功能作用。根据本设计的任务，画出总体结构框图）；
（3）硬件电路分析（包括设计思路、使用到哪些芯片及其作用，说明基本工作原理，在附录中给出电路原理图）；
（4）程序设计（说明设计思路和实现方法，给出详细程序流程图、在附录中给出源程序清单与注释）；
（5）调试说明（包括硬件电路相关电压调节目的及调节方法，程序的调试方法及调试过程，说明调试中遇到的问题、产生原因及解决方法）；
（6）结论（写出课程设计结果、学到的知识、存在的问题及个人体会）；
（7）参考文献（列出课程设计查阅的所有参考资料）。
3. 附录（附录内容不能超过3页！）
（1）电路原理图；
（2）原始程序清单。

五、课程设计考核方法及成绩评定
课程设计的考核依据学生的学习态度、方案合理性、资料完备性、创造性、报告撰写规范性和书面表达能力等为考核点，对学生进行综合考核。成绩评定采用优秀、良好、中等、及格和不及格五级记分制。评定细则如下：
1、遵守纪律（20%）：根据设计出勤情况、遵守纪律情况及设计态度等因素评定；
2、设计报告（30%）：根据课程设计说明书内容要求和实际完成情况评定；
3、设计效果（30%）：根据设计实际完成的质量及设计中的创造性评定；
4、验收答辩（20%）：根据对设计报告及设计、调试过程的答辩情况评定。
对设计任务理解透彻，能够全面、正确、独立地完成设计内容所规定的任务，得出正确的设计结果，并按时提交完整、规范的设计报告，可评为优秀；按照设计任务要求能够顺利地完成任务，得出结果，按时提交较完整的、符合要求的设计报告，可评定为良好；按照设计要求完成了硬件电路连接和软件的编程与调试，基本完成了任务要求，提交符合要求的设计报告，可评为中等；基本完成设计目标，但不够完善，存在缺陷，在帮助指导下能够完成任务要求，提交设计报告，可评为及格；不能完成规定的任务和要求，未提交设计报告的，评为不及格。

参 考 文 献

1 刘乐善. 微型计算机接口技术及应用. 第1版.武汉：华中科技大学出版社，2000
2 张永瑞. 电子测量技术基础. 第1版. 西安：西安电子技大学出版社，1994
3 阎石. 数字电子技术基础. 第4版. 北京：高等教育出版社，2002
4 童诗白. 模拟电子技术基础. 第3版.北京：高等教育出版社，2000
5 高锋. 单片微型计算机原理与接口技术. 北京：科学出版社，2003

A/D、D/A接口实验扩展卡电路原理
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