基于8086的交通信号控制器的设计.docx

基于8086的交通信号控制器的设计报告
这次课程设计，我们的任务是：基于8086的交通信号控制器的设计。8086系统是我们这个学期学习的主线方向，我们将在8086系统的基础上完成交通信号控制器的设计，其具体功能是：1.显示十字路口东西、南北2个方向的红、黄、绿的指示状态。2.实现正常的倒计时功能。用2组数码管作为东西和南北方向的倒计时显示，显示时间为红灯30s，绿灯50s，黄灯5s。3.按S1键能实现特殊的功能，显示倒计时的2组数码管闪烁，计数器停止计数并保持在原来的状态；东西、南北路口均显示红灯状态；特殊状态解除后能继续计数。4.按S2键实现总体清零功能。计数器由初始状态计数，对应的指示灯亮。
1.2 设计思想
在此次设计过程中，我们选择了数码管、发光二极管、8255A和8086来控制实现交通灯按设计要求工作。
1）硬件部分
1、LED设计说明:
用LED作为倒计时时间的显示器， LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为10:1，利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，LED是发光二极管属于二极管的一种,LCD是液晶显示器,两者相差太多.但是用LED的点阵也能组成显示器,适用于户外大屏幕显示,分辨率较低，LED与LCD具体比较如下图
表1-1：LCD与LED的比较
LCD
液晶显示器，通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象，具有零辐射，低耗能，散热小，纤薄轻巧，精确还原图象，显示字符锐利，屏幕调节方便，可视角度小，响应时间过慢，亮度可对比度低等特点
LED
发光二极管，是由发光二极管排列组成的显示器件，它采用低电压扫描技术，具有耗电少，使用寿命长，成本低，亮度高，故障少，视角大，视角大，可视距离远的特点
通过分析和对比，LED显示器要较优于LCD显示器，因此本实验选择LED
2、8255设计说明:
用8255A可编程并行接口芯片的A、B、C三口作为红、绿、黄交通灯的控制输入口。8255有三个并行输入输出口，可以方便的对三种颜色的交通灯进行很好的控制。解决方案是：PB0~PB7接模拟灯二极管，PA0~PA7接7段二极管的段选，PC0~PC3接7段二极管的位选，PC4~PC7与开关相连，处理器芯片集成芯片卡PCI卡连接，用于完成硬件方面的实验正常通信。其芯片比较说明:如下表：

表1-2：8255A与8251芯片的比较
比较内容
8255A芯片
8251A芯片
通信方式
并行
串行
数据传送方式
数据的各位同时传送，
数据一位一位地顺序传送，，
内部组成
8155内有256字节RAM和一个定时计数器。
8255没有
特点
通信线路较8251复杂
通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现通信
输入/输出
编程较为灵活
编程较8255不够灵活
应用范围
使用十分方便，传输距离近，成本较高
传输距离远，使用不方便，但传输速度慢，降低成本 ,
初始化特点
8255A直接位清0/置1功能简化了接口控制
8251在初始化时,必须重新设置模式寄存器的格式.
2）、软件部分
根据硬件需求采用8255A芯片，为实现对通信的控制，采用汇编语言，分别编程控制8255的工作方式，在编程时应考虑到状态的转换采用查询方式控制，根据需求分析可采用8255的方式0下工作具体如下设置：
硬件连接说明：8255A芯片的PA、PB、PC三口的工作方式为方式0，将8255的PB0~PB7接红绿灯用以模拟交通灯的变化，PA0~PA7接7段LED灯的段选码，，完成LED显示器的段选，PC0~PC3接LED显示器的位选码用以完成位选，PC4-PC7接开关，以完成初值接收。初始化8255后。利用汇编语言编写访问控制程序，控制绿灯的显示倒记时间，它与红灯的显示时间是相同的，编写控制程序控制黄灯的闪烁时间，当绿灯的显示时间结束后切换到黄灯，再切换到红灯，如此循环下去。
二、硬件设计
2.1 选择芯片8255A
1）、8255A在本实验中的作用：
通过8255A的三个I/O端口A口、B口、C口与红、绿、黄二极管连接起来控制交通灯的规律性变化。
2）、8255Ａ的功能分析：
PA、PB、PC三口均工作在方式０状态。：PB2~PB3接黄灯，PB4~PB5接红灯；PB0~PB1接绿灯，PA0~PA7作为段选码；PC0~PC1作为位选码。我们采用的是将PC口分成两部分使用，PC0-PC3作为位选码，PC4-PC7作为输入口，接收开关输入的初值信息。将在用8255Ａ前首先要对它进行初始化，设置它的方式选择控制字。
3）、8255Ａ工作方式０说明:
方式0的工作特点：这种方式通常不用联络信号，不使用中断，三个通道中的每一个都有可以由程序选定作为输入或输出。其功能为：
（1）两个8位通道：通道A、B。两个四位通道：通道C高4位和低四位；
（2）任何一个通道可以作输入/输出；（3）输出是锁存的；
（4）输入是不锁存的；
（5）在方式0时各个通道的输入/输出可有16种不同的组合。
方式0的使用场合：同步传送是在外设控制过程的各种动作时间为固定，且已知的条件下使用的。因此，传送中不要应答信号。输入时，执行程序只要给出IN指令；而输出时，也只给出OUT指令，就能实现数据的输入或输出。优点是程序简单，接口的硬件开销小。
查询式传输时，要先查询一个外设的状态，当该状态表示外设已准备好时，方能开始查询传输，否则CPU将继续查询。但在方式0，没有规定固定的应答信号，所以，这时将通道A、B作为数据通道，把通道C的4个位（高4位或低4位）规定为输出口，用来输出一些控制信号，而把通道C的另外4个位规定为输入口，用来输入外设的状态。这样利用通道C来配合通道A和B的输入/输出操作。
4）、8255Ａ方式选择控制字说明：
控制字格式如图1-2：

图1-2：8255A芯片的控制字格式
参数说明：Ｄ7＝１工作方式控制标志。Ｄ6Ｄ5组合设定Ａ口工作方式：００～方式０、０１～方式１、１０／１１～方式２。Ｄ4设定Ａ口的输入／输出，Ｄ4＝１输入Ｄ4＝０输出。Ｄ3Ｃ口高位输入／输出选择，Ｄ3＝１输入Ｄ3＝０输出。Ｄ2Ｂ口工作方式选择，Ｄ2＝１方式１；Ｄ2＝０方式０。Ｄ1Ｂ口输入／输出选择Ｄ1＝１输入Ｄ1＝０输出。Ｄ0设定Ｃ口低位输入／输出Ｄ0＝１输入Ｄ0＝０输出。
5）、8255Ａ技术参数：
主要参数说明：8255A工作最大电流为120MA,VCC=-5V~+5V，I（DAR）工作电流最大为4MA。8255的输出电压不高，连接到LED时，最好加入一个驱动器起到电流放大的作用,其具体参数值说明如表3-1。
表1-3：8255A技术参数说明

8255A技术参数

测试条件
规范值

单位
大
小
输入低电平电压ＶIL

０.８
－０.５
Ｖ
输入高电平电压ＶIH

ＶCC
２.０
Ｖ
输出低电平电压ＶOL（数据端口）
ＩOL＝２.５ＭＡ
０.４５

Ｖ
输出低电平电压ＶOL（外围端口）
ＩOL＝１.７ＭＡ
０.４５

Ｖ
输出高电平电压ＶOH（数据端口）
ＩOR＝－４００ＭＡ

２.４
Ｖ
输出高电平电压ＶOH（外围端口）
ＩOH＝－２００ＭＡ

２.４
Ｖ
达林顿驱动电流ＩOAR

－４.０
－１.０
mA
电源电流　　　ＩCC

１２０

mA
输入负载电流　ＩIL
ＩIN＝０～ＶＣＣ
Ｉ／Ｏ

mA
输出浮动电流　ＩOF
ＶOR＝０.４５～VＣＣ
Ｉ／Ｏ

mA
6）、8255A的逻辑图

图1-3： 8255A内部逻辑图
2.2 选择芯片七段LED显示器
1）、LED显示器在本设计中的作用：
接收由8255A芯片送来的字型码显示编码结果其中LED技术参数如表1-5：
表1-4： LED技术参数说明
2）、七段LED显示器LED显示器的功能分析：
LED显示器有共阳极和共阴极两类。其原理图（图1-4）：
图是一个6位LED动态显示电路，段驱动器输出LED字符7段代码信息，位驱动器输出6个LED的位选信号，即分时使Q0 ～ Q5轮流有效，使得LED0～LED5轮流显示。

图1-4：七段LED显示器

笔画型LED显示器是由8个二极管电路a~dp按字型‘8’的方式排列，当不同的二极管被选通后根据发光效果会显示不同的自型。本设计中采用共阴极连接方式，a~dp分别与74LS273的1Q~8Q相连，接收段选码信号（高电平）；4位LED显示器的4根共阴极引线与8255A的PC0~PC3相连，接收位选码信号（低电平）。段选码和位选码共同作用以显示不同的字型。
LED字型显示原理：
表1-5：LED字型显示组合
Dp
G
f
E
d
c
b
A
显示数码

0
0
1
1
1
1
1
1
0
3fh
0
0
0
0
0
1
1
0
1
O6H
0
1
0
1
1
0
1
1
2
5bh
0
1
0
0
1
1
1
1
3
4fH
0
1
1
0
0
1
1
0
4
66H
0
1
1
0
1
1
0
1
5
6dH
0
1
1
1
1
1
0
1
6
7dH
0
0
0
0
0
1
1
1
7
07H
0
1
1
1
1
1
1
1
8
7fH
0
1
1
0
1
1
1
1
9
6fH
2.3 硬件总逻辑图及其说明
1）、硬件原理说明：
本设计以STAR ES598PCI实验仪提供的最实用、新颖的接口实验，提供的汇编控制程序设计控制硬件运行为依据设计的；在课程设计中主要利用了STAR ES598PCI实验提供的8255A芯片，7段LED显示器，以及红绿灯LED显示二极管，其中完成PC机与实验箱之间的通信用到了最主要的集成卡PCI卡。课程设计时完成编程调试的只要开发工具为星研集成开发环境。
2）、硬件连接说明：
8255A芯片的PA、PB、PC三口的工作方式为方式0，将8255的PB0~PB7接红绿灯用以模拟交通灯的变化，PA0~PA7接7段LED灯的段选码完成LED显示器的段选，PC0~PC3接LED显示器的位选码用以完成位选，PC机通过数据总线经过集成电路卡PCI卡与8255A芯片相连接。其连接方式为：PCI卡的地址总线A1A0接到8255A芯片的A1A0来实现端口选择。将8255A芯片的片选信号CS与PCI卡的CS1相连接来决定各端口的初始地址。8255A芯片的PB口中PB0~PB7经过排线与实验箱的红绿灯电路板的插槽相连接，用来实现控制交通灯的变化规律；8255A的PC口中的PC0~PC3经过排线与实验箱上的7段LED灯的位选码插槽相连接，用来实现选择绿灯倒计时时的7段LED灯的位置选择，8255A芯片的PA口中的PA0~PA7经过排线与实验箱上的7段LED灯的段选码插槽相连接，用来实现7段LED灯的段选码选择。LED灯管的a、b、c、d、e、f、g、dp做为段选来显示倒计时数据。

图1-5: 硬件总连接图
三、控制程序设计
3.1控制程序设计思路说明：
首先，明确交通灯的变化规律，假设在一个十字路口，其中东西方向，南北方向，工作方式如下：将红黄绿灯按照红灯停，绿等行，黄灯闪烁为缓冲时间的原则进行通车。倒计时将可以由用户自由设定，用8255的PB，PC口来连接红黄绿灯电路板，而PA口连接LED显示管来计数倒计时。开始时初始化东西南北方向全为红灯，然后东西方向绿灯亮，进入倒计时默认值40秒，结束后东西方向绿灯闪烁三次，变黄灯亮三秒，然后红灯亮；南北方向绿灯亮，此时南北方向进入倒计时，倒计时时间可以在开关口提前设定本次倒计时时间。结束后绿灯闪烁三秒后，变黄灯亮三秒，然后红灯亮，东西方向绿灯亮，如此循环下去。
其次，主程序的设计思路：首先初始化8255A的芯片的控制字格式和状态字格式，其次设置交通灯开始运行的初始状态并做相应的延时便于观察，再次调用子程序对东西绿灯的倒计时时间，调用子程序显示绿灯的倒计时，后进行查表选择相应的LED灯的段选码，使相应的灯亮，显示东西绿灯交通灯变化，然后设置绿灯的闪烁，以及黄灯的亮持续，再次就是查表设置转换成南北绿灯的亮，同时调用子程序设置南北绿灯的倒计时时间，后进行查表选择相应的LED灯的段选码，使相应的灯亮，显示南北绿灯交通灯变化，然后做南北绿灯的闪烁，和黄灯的亮持续，最后做主程序的循环，利用无条件跳转指令。
开始
3.2 程序流程图

程序初始化

东西红南北绿
路口红灯全亮

倒计时开始
东西绿南北红开始倒计时

Cx=5

Cx=5

南北绿灯灭
东西绿灯，南北红灯

延时500ms
延时500ms

南北绿灯亮cx自减1
东西绿灯灭，cx自减1

Cx=0
Cx=0

南北黄灯亮延时5s

东西黄灯亮延时5s

图1-6:主控制程序

再次，也设计了一个到计时显示子程序，用来显示绿灯的到计时时间，设计思路：
首先要保存进入到计时子程序时的断点保存，以保证能够子程序结束能够正常返回主程序，其次设置LED灯的秒数跳的快慢，使其运行结果便于观察，再次设置程序分别显示到计时LED灯的秒数的个位与十位，在显示秒数的个位与十位时要做秒数的个位与十位计数是否到零的判断，与此同时也要做秒数的个位与十位的断选码指示器的移动，最后做恢复断点和子程序的返回。其控制流程图：

进入
显示个位
延时
显示十位
延时
个位减一
十位减一
个位赋9
返回
CX=0
个位等于表外第一个地址

十位等于表外第一个地址

N

N

图1-7：倒计时显示程序
最后，还设计了两个延时程序，一个是绿灯闪烁3次时间的延时DL500子程序，一个是延时黄灯亮的时间DELAY子程序；DL500子程序的设计思路利用了设备提供的软中断实现的延时，其控制流程如（流程图：1-7）；DELAY子程序的设计利用的是多次循环空操作实现，思路首先保存断点设置空操作的次数，做判断循环是否该结束，然后恢复断点，返回主程序，其控制流程如下

保存断点
MOV AH,0FFH
INT 21H
星研公司提供的软中断实现延时
恢复保存中断
返回

图1-8:500ms延时程
保存断电

置空操作循环次数

循环计数器是否为0

N

恢复断点

7段LED灯显示清0

返回

图1-9:DELAY延时程序

3.3 控制程序
.MODEL TINY
PCIBAR3 EQU 1CH ;8位I/O空间基地址(它就是实验仪的基地址, 也为DMA & 32 BIT ;RAM板卡上的8237提供基地址)
Vendor_ID EQU 10EBH ;厂商ID号
Device_ID EQU 8376 ;设备ID号

.STACK 100

.DATA
IO_Bit8_BaseAddress DW ?
msg0 DB 'BIOS不支持访问PCI $'
msg1 DB '找不到Star PCI9052板卡 $'
msg2 DB '读8位I/O空间基地址时出错$'
COM_ADD DW 00F3H ;控制口偏移量
GGG DW ?
HHH DW ?
WWW DW ?
PA_ADD DW 00F0H ;PA口偏移量
PB_ADD DW 00F1H ;PB口偏移量
PC_ADD DW 00F2H ;PC口偏移量
XXX DW ?
LED_Data DB 11001100B ;红灯全亮
DB 01010110B ;东西绿灯，南北红灯。 从高位7到低位0为0则亮，1则灭。排线反接则顺序颠倒亮。
DB 11011110B ;东西绿灯闪烁，南北红灯
DB 10011010B ;东西黄灯亮，南北红灯
DB 01100101B ;东西红灯，南北绿灯
DB 11101101B ;东西红灯，南北绿灯闪烁
DB 10101001B ;东西红灯，南北黄灯亮
SG DB 6fH,7fH,07H,7dH,6dH,66H,4fH,5bH,06H,3fH ;9-0
.CODE
START: MOV AX,@DATA
MOV DS,AX
NOP
CALL InitPCI
CALL ModifyAddress ;根据PCI提供的基地址,将偏移地址转化为实地址
MOV AL,10000000B ;PA、PB、PC为基本输出模式
MOV DX,COM_ADD
OUT DX,AL ;灯全亮
MOV BX,OFFSET LED_Data
MOV DX,PA_ADD
start0: MOV AL,0 ;红灯全亮
XLAT
OUT DX,AL
CALL DL500ms
START1: MOV AL,01111101B ;东西绿灯，南北红灯
OUT DX,AL
CALL DL5S
MOV SI, 3FH
MOV DI, 4FH
CALL DJS
MOV CX,5
START2: MOV AL,01111101B ;东西绿灯闪烁，南北红灯
OUT DX,AL
CALL DL500ms
MOV AL,11111101B
OUT DX,AL
CALL DL500ms
LOOP START2
MOV AL,10111101B ;东西黄灯亮，南北红灯
OUT DX,AL
CALL DL3S
MOV AL,11010111B ;东西红灯，南北绿灯
OUT DX,AL
CALL DL5S
MOV CX,5
MOV SI,3FH
MOV DI,4FH
CALL,DJS
START3: MOV AL,11010111B ;东西红灯，南北绿灯闪烁
OUT DX,AL
CALL DL500ms
MOV AL,11011111B
OUT DX,AL
CALL DL500ms
LOOP START3
MOV AL,11011011B ;东西红灯，南北黄灯亮
OUT DX,AL
CALL DL3S
JMP START1
;倒计时显示程序
DJS PROC NEAR
PUSH DX
PUSH CX
PUSH BX
PUSH AX
PRT:
NUM:
MOV Al, [SI] ;设置段选码，将SI中的内容送入PA口
MOV DX, PA_ADD
OUT DX, Al
MOV Al, 0FcH ;设置位选码，PC0口置0高四位为0
MOV DX, PC_ADD ;其他口为1来选中LED1，显示个位
OUT DX, Al
CALL DELAY
MOV Al, [DI] ;设置段选码，将DI中的内容送入PA口
MOV DX, PA_ADD
OUT DX, Al
MOV Al, 0FDH ;设置位选码，PC1口置0高四位为0
MOV DX, PC_ADD ;其他口为1来选中LED2，显示十位
OUT DX, Al
CALL DELAY
LOOP NUM ;循环到NUM
INC SI ;个位SI自增1
CMP SI, OFFSET SG + 10 ;与表外的第一个偏移地址相比较，如果不
JNZ PRT ;等则显示数据且SI+1，如果相等顺序执
INC DI ;十位DI自增1
MOV SI, OFFSET SG ;将SG即9的偏移地址送给SI
CMP DI, OFFSET SG + 10 ;与表外的第一个偏移地址相比较，如果不
JNZ PRT ;等则显示数据且DI+1，如果相等顺序执行
mov al, 0
out dx, al
POP AX ;结束子程序
POP BX
POP CX
POP DX
RET
DJS ENDP
DL500ms PROC NEAR
PUSH AX
PUSH DX
MOV DX,500 ;延时500ms
MOV AH,0FFH ;星研公司提供的软中断
INT 21H
POP DX
POP AX
RET
DL500ms ENDP
DL3S PROC NEAR
PUSH CX
MOV CX,6
DL3S1: CALL DL500ms
LOOP DL3S1
POP CX
RET
ENDP
DL5S PROC NEAR
PUSH CX
MOV CX,10
DL5S1: CALL DL500ms
LOOP DL5S1
POP CX
RET
ENDP
InitPCI PROC NEAR
MOV AH,00H
MOV AL,03H
INT 10H ;清屏
MOV AH,0B1H
MOV AL,01H
INT 1AH
CMP AH,0
JZ InitPCI2
LEA DX,msg0
InitPCI1: MOV AH,09H
INT 21H
JMP Exit
InitPCI2: MOV AH,0B1H
MOV AL,02H
MOV CX,Device_ID
MOV DX,Vendor_ID
MOV SI,0
INT 1AH
JNC InitPCI3 ;是否存在Star PCI9052板卡
LEA DX,msg1
JMP InitPCI1
InitPCI3: MOV DI,PCIBAR3
MOV AH,0B1H
MOV AL,09H
INT 1AH ;读取该卡PCI9052基地址
JNC InitPCI4
LEA DX,msg2
JMP InitPCI1
InitPCI4: AND CX,0FFFCH
MOV IO_Bit8_BaseAddress,CX
RET
InitPCI ENDP
ModifyAddress PROC NEAR
ADD COM_ADD,CX
ADD PA_ADD,CX
ADD PB_ADD,CX
ADD PC_ADD,CX
RET
ModifyAddress ENDP
Exit: MOV AH,4CH
INT 21H
END START
四、上机调试过程
4.1硬件调试
根据实验硬件原理图和硬件连接说明，进行连线，结合实验时的实验箱的实际环境连接好上述部件后给实验箱通电。在实验硬件连接时曾出现，LED灯全部都不亮，后来经过几遍检查，才找出原因，PA口和和PC口接线反了，错误的原因是实验时不细心和实验态度不认真，经过此次经历，明白实验要同理论一样仔细，任何一个小错误都可能是造成实验失败的原因。
4.2 软件调试
我和同组人员一起讨论，在完成老师要求的基本功能基础上又相应相应的增加了相应的子程序用来实现相应的功能，例如如何动态的设计倒计时时间，如何在绿灯倒计时结束时使蜂鸣器发出警报的声音等等。
在程序的调试过程中却出现了各种错误现象，在单步调试过程下不断改正错误，重新调试，直到调试通过。但是功能还是不理想。后来经过参考其他班同学的程序设计，分别对各个程序代码进行了修改，后经过老师指导在老师的指导下，调试通过，功能基本实现。。
在我们的交通灯实验中有一个紧急情况处理的情况，要求是按下按钮东西南北方向的交通灯全部变为红色，这个功能的实现需要要用到一个中断，我们打算采用dos键盘功能调用的0bh号功能调用，即检测键盘状态，有按下执行子程序，无按下循环执行。但由于上机调试时间有限这一功能未能实现。
4.3 联机调试
将实验箱总电源开关打开，打开PC机上的星源集成软件。将控制程序输入其中后，对程序进行编译，编译通过后，单步调试并观察结果以及各寄存器中值得变化，然后单步连续执行观察按下键与显示数值。出现问题时对程序进行修改，直至出现正确结果。再作全速运行。
4.4 调试结果
调试结果基本正确，符合任务书的结果：接口上的红、绿、黄发光二极管按十字路口交通红、绿、黄灯形式闪烁，并显示绿灯的倒计时时间。