单片机原理与接口技术第十章 IO过程通道
单片机IO口结构及工作原理
单片机IO口结构及工作原理单片机（Microcontroller Unit，MCU）的IO口是指可用来输入输出数据的引脚，在单片机系统中具有重要的作用。
本文将详细介绍单片机IO口的结构和工作原理。
一、单片机IO口的结构单片机的所有IO口都可以看作是一个通用的数字引脚。
常用的单片机IO口主要包括输入端和输出端两个部分。
1.输入端：单片机IO口的输入端包含一个输入缓冲区，用于对输入信号进行缓冲和驱动。
输入缓冲区通常由一个高阻抗的MOSFET器件构成，可以对输入信号进行放大和处理。
输入端能够接收来自外界的高电平和低电平信号，通过输入缓冲区将信号传递给单片机的内部电路。
2.输出端：单片机IO口的输出端是由一个输出缓冲器和驱动电路构成的。
输出缓冲器一般由一个强驱动能力的MOSFET器件构成，可以对输出信号进行放大和驱动。
输出端能够将单片机内部的数据通过输出缓冲器传递给外部电路，形成相应的高电平或低电平电压信号。
3. 接口电路：为了提高单片机IO口的抗干扰能力和适应外部电路的需求，通常在IO口的输入和输出端之间设置了一些接口电路，如上拉电阻（Pull-Up Resistor）和下拉电阻（Pull-Down Resistor）。
上拉电阻和下拉电阻可以对输入或输出信号进行稳定的电平处理和电流限制，使得单片机的IO口在复杂的电路环境中能够正常工作。
二、单片机IO口的工作原理单片机的IO口工作原理主要包括输入和输出两种模式。
1.输入模式：当IO口被设定为输入模式时，输入信号可以通过外部电路或者内部电路输入到IO口，并经过输入缓冲器进行电平放大和处理。
在输入模式下，可以通过软件对IO口进行设置，使其能够读取外部电路的电平状态。
通过输入模式，单片机可以读取外部的开关状态、传感器的输出以及其他的输入信号，实现数据的采集和处理。
2.输出模式：当IO口被设定为输出模式时，单片机可以将内部处理的数据通过输出缓冲器驱动外部电路。
单片机接口技术 第十章全套PPT
12 R1OUT R1IN 13
8 3 7 2
9 R2OUT R2IN 8
6
1
MAX232
10.1.3.2 软件设计
通信约定：双方均采用8位数据位，一个停止位，波特率为110， 无奇偶校验方式。PC机发送数据采用查询方式，每发送完一个 元素后便等待8051将接收到的数据回传。若发送的数据和接收 到的数据相等，则串行通信正确，否则，通信有错误。8051采 取中断方式接收数据，使用方式1。
单片机接口技术(C51版)
第十章 通信编程
内容概述
主要介绍MCS-51单片机与PC机之间的双机通 信、MCS-51单片机的多机通信系统的硬件设计及 软件设计。
教学目标
1.了解MAX232的作用及引脚功能。 2.了解PC机串行口的引脚功能，设计单片机与PC机之间
双机通信的电路设计，并能编写单片机与PC机通信时 单片机与PC机的源程序。
主要介绍MCS-51单片机与PC机之间的双机通信、MCS-51单片机的多机通信系统的硬件设计及软件设计。
若SM2为1，则仅当接收到的第9位数据RB8为1时，数据才装入SBUF，置位RI，请求CPU对数据进行处理；
02H 从机软件设计-------初始化程序 请求从机向主机发送数据命令
ES=1;
//允许串口中断
教学体会
右表是PC机9脚串口的引脚定义。
图10-1-3 PC机串口DB-9引脚
10.1.3 单片机与PC机通信应用实例
10.1.3.1电路原理图
8051
1 C1+
Vs+ 2
5
3 C1-
Vs- 6
9
4 C2+
VCC 16
4
11
单片机IO口结构及工作原理
、Po端口的结构及工作原理Po端口8位中的一位结构图见下图:地址∕ttiκI i O i XWwfr⅛⅛内部总线i⅛引脚PO 口工作康理图由上图可见，P0端口由锁存器、输入缓冲器、切换开关、一个与非门、一个与门及场效应管驱动电路构成下面，先分析组成P0 口的各个部分：先看输入缓冲器：在P0 口中，有两个三态的缓冲器，在其的输出端可以是高电平、低电平，同时还有一种就是高阻状态（或称为禁止状态），上面一个是读锁存器的缓冲器，下面一个是读引脚的缓冲器，读取P0.X引脚上的数据，要使这个三态缓冲器有效，引脚上的数据才会传输到内部数据总线上。
D锁存器：在51单片机的32根I/O 口线中都是用一个D触发器来构成锁存器的。
D 端是数据输入端，CP是控制端（也就是时序控制信号输入端），Q是输出端，Q非是反向输出端。
多路开关：在51单片机中，不需要外扩展存储器时，P0 口可以作为通用的输入输出端口（即I/O）使用，对于8031 （内部没有ROM ）的单片机或者编写的程序超过了单片机内部的存储器容量，需要外扩存储器时，P0 口就作为,地址/数据? 总线使用。
这个多路选择开关就是用于选择是做为普通I/O 口使用还是作为，数据/地址?总线使用的选择开关了。
当多路开关与下面接通时，P0 口是作为普通的I/O 口使用的，当多路开关是与上面接通时，P0 口是作为,地址/数据？总线使用的。
输出驱动部份：P0 口的输出是由两个MOS管组成的推拉式结构，也就是说，这两个MOS管一次只能导通一个，当V1导通时，V2就截止，当V2导通时，V1截止。
Po 口作为I/O端口使用时，多路开关的控制信号为0 （低电平）,V1管截止, 多路开关是与锁存器的Q非端相接的（即P0 口作为I/O 口线使用）。
作为地址/数据线使用时，多路开关的控制信号为1，V1管由地址/数据线决定，多路开关与地址/数据线连接。
输出过程：1、I/O输出工作过程：当写锁存器信号CP有效，数据总线的信号→锁存器的输入端D→锁存器的反向输出Q非端→多路开关→V2管的栅极→V2的漏极到输出端P0.X。
IO技术-通道
2 2、数组多路通道
基本思想：当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务；当设 备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开与这个设备的连 接，挂起该设备的通道程序，去为其他设备服务，即执行其他设 备的通道程序。所以数组多路通道很像一个多道程序的处理器。
3 3、字节多路通道
字节多路通道主要用于连接大量的低速设备，如键盘、打印机等 等。例如数据传输率是1000B/s，即传送1个字节的间隔是1ms， 而通道从设备接收或发送一个字节只需要几百纳秒，因此通道在 传送两个字节之间有很多空闲时间，字节多路通道正是利用这个 空闲时间为其他设备服务。
例：典型的具有通道的计算机系统
这种结构与前述的单总线结构机器不同，它具有两种 类型的总线．一种是存储总线，它承担通道与内存、CPU与 内存之间的数据传输任务．另一种是通道总线，即I/O总 线，它承担外围设备与通道之间的数据传送任务．这两类 总线可以分别按照各自的时序同时进行工作． 通道总线可以接若干个设备控制器，一个设备控制器 可以接一个或多个设备。因此，从逻辑结构上讲，I/O系统 一般具有四级连接： CPU与内存<-->通道<-->设备控制器<-->外围设备 CPU与内存 <-->通道 <-->设备控制器<-->外围设备 与内存<--> 通道<--> 设备控制器<--> 存储管理部件是内存的控制部件，它的主要任务是根 据事先确定的优先次序，决定下一周期由哪个部件使用存 储总线访问内存。
二、通道的类型
根据通道的工作方式，通道分为选择通道、数组多路通道、字节 多路通道个系统可以兼有三种类型的通道，也可以只有其中一、二 种．
Hale Waihona Puke 1. 选择通道选择通道又称高速通道，在物理上它可以连接多个设备，但是这些设 备不能同时工作，在某一段时间内通道只能选择一个设备进行工作。选择 通道很像一个单道程序的处理器，在一段时间内只允许执行一个设备的通 道程序，只有当这个设备的通道程序全部执行完毕后，才能执行其他设备 的通道程序。 选择通道主要用于连接高速外围设备，如磁盘、磁带等，信息以成组方 式高速传输。由于数据传输率很高，可以达到1.5MB/s，即0.67μs传送一 个字节，通道在传送两个字节之间已很少空闲，所以在数据传送期间只为 一台设备服务是合理的。但是这类设备的辅助操作时间很长,在样长的时间 里通道处于等待状态，因此整个通道的利用率不是很高。
单片机原理及其接口技术
单片机原理及其接口技术
单片机是一种能够实现控制、数据采集、运算处理等功能的微处理器
技术，是拥有最广泛应用范围的控制芯片之一、单片机中主要包括由编程
器芯片（CPU）、内存、外围电路元器件以及相关的接口技术组成，正是
由于单片机的优势，其在智能家居、智能物联网、汽车电子等领域得到了
广泛的应用。
单片机接口技术是一种实现硬件和软件之间通信的技术，它确保系统
的稳定性和可靠性。
接口技术主要有I/O接口、传输接口、外设接口、模
拟量接口、通用接口、串行接口和无线接口等。
I/O接口是单片机的核心技术，它是用来实现硬件和软件间的任务交
互的接口，通过I/O接口，可以实现软件和外围设备之间的信息传输，它
由多种I/O接口技术，如串口口、并口、中断口和DMA（Direct Memory Access）组成，用于实现与外部设备的连接。
外设接口是一种实现单片机与外设之间的接口技术，它要求使用特定
的接口类型来连接数据。
外设一般包括存储设备、显示器、键盘、投影仪、打印机等，外设接口可以用来控制外设，传输数据，收集外边设备的信息。
外设接口主要有USB接口、SCSI接口、GPIO接口、I2C接口、SPI接口等。
io的原理及应用单片机实验
IO的原理及应用单片机实验1. IO简介IO（Input/Output）是指计算机与外界设备进行信息交互的接口。
在单片机中，IO端口是与外部设备进行数据输入和输出的重要通路。
它充当着信息传输的桥梁，实现单片机与外部设备的连接和数据的交互。
了解IO的原理及应用对于进行单片机实验和开发非常重要。
2. IO的原理IO端口主要包括输入端口和输出端口。
通过配置相应的寄存器和引脚状态，可以实现外部设备与单片机的数据输入和输出。
•输入端口：将外部设备的信号输入到单片机中。
输入端口通常和外部器件的开关量信号相连，如按钮、开关等。
•输出端口：将单片机中的数据输出给外部设备。
输出端口通常和外部器件的执行元件相连，如LED灯、马达等。
3. IO的应用IO的应用非常广泛，涵盖了很多领域。
下面以单片机实验为例，介绍IO的常见应用。
3.1 LED闪烁实验LED闪烁实验是单片机实验中最基础的实验之一。
通过控制IO口的电平，可以控制LED的亮灭。
实验步骤： 1. 连接硬件电路，将LED的正极连接到单片机的输出口，负极连接到地。
2. 在单片机的程序中配置输出端口为高电平或低电平。
3. 运行程序，观察LED的亮灭情况。
3.2 数码管显示实验数码管显示实验是单片机实验中常见的应用之一。
通过IO口的输出控制，可以实现数字的显示。
实验步骤： 1. 连接硬件电路，将数码管的引脚连接到单片机的输出端口。
2.在单片机的程序中配置输出端口的电平，根据不同的情况控制数码管的显示。
3.运行程序，观察数码管的显示结果。
3.3 温度传感器实验温度传感器实验是单片机实验中涉及到模拟信号输入的应用之一。
通过IO口的输入控制，可以获取温度传感器的模拟信号，并进行处理。
实验步骤： 1. 连接硬件电路，将温度传感器的输出引脚连接到单片机的模拟输入端口。
2. 在单片机的程序中配置输入端口为模拟转换模式，并进行相应的模拟信号转换。
3. 运行程序，获取温度传感器的模拟信号，并进行显示或者其他处理。
工业控制计算机IO过程通道
工业控制计算机IO过程通道IO过程通道是ICC实现与外部设备数据交换的基础设施，其任务是完成数据的采集、传送和存储等功能。
在ICC中，IO过程通道通常由硬件和软件两部分组成。
硬件部分主要包括信号采集电路、通信接口电路等，用于实现数据信号从外部设备到ICC的传输。
软件部分则是通过编程实现对IO过程通道的控制和管理。
在ICC中，IO过程通道的主要作用有以下几个方面：1.数据采集：IO过程通道可以连接各种传感器、执行器等外部设备，实现对现场设备状态和参数的实时采集。
比如，温度传感器可以通过IO过程通道将采集的温度数据传送到ICC，用于实时监测和控制温度。
2.数据传输：IO过程通道可以将采集到的数据传输给ICC内部的控制程序进行处理。
通过IO过程通道的传输功能，ICC可以实时获取现场设备的运行状态、生产数据等，为工艺控制和生产管理提供数据支持。
3.数据存储：IO过程通道可以将采集到的数据存储到内存或外部存储设备中，以便后续处理和分析。
通过IO过程通道的存储功能，ICC可以实现对历史数据的保存和查询，为生产过程的分析和优化提供数据基础。
4.控制指令传送：IO过程通道可以将ICC内部的控制指令传送给外部设备，实现对设备的控制。
通过IO过程通道的控制指令传送功能，ICC可以实现对现场设备的远程操作和控制，提高自动化程度和生产效率。
IO过程通道的设计和实现需要考虑以下几个因素：1.通信方式：IO过程通道可以采用多种通信方式实现与外部设备的数据交换。
常见的通信方式包括串行通信、并行通信、以太网通信等。
根据不同的应用场景和设备要求，选择合适的通信方式是确保IO过程通道正常工作的重要因素。
2. 通信协议：IO过程通道需要支持多种通信协议，以适应不同外部设备的要求。
常用的通信协议包括MODBUS、Profibus、CANopen等，通过支持不同的通信协议，可以实现与不同设备之间的数据交换和互操作。
3.数据处理能力：IO过程通道需要具备一定的数据处理能力，包括数据采集、传输、存储等。
单片机io通信
单片机io通信（最新版）目录1.单片机 IO 通信简介2.单片机 IO 通信的基本原理3.单片机 IO 通信的常用方式4.单片机 IO 通信的实际应用5.单片机 IO 通信的未来发展趋势正文【单片机 IO 通信简介】单片机 IO 通信是指单片机与其它设备或者单片机之间的数据传输过程。
IO 通信是单片机系统设计中的重要组成部分，它直接影响到整个系统的性能和稳定性。
在实际应用中，单片机 IO 通信主要用于传感器数据采集、设备控制、数据传输等方面。
【单片机 IO 通信的基本原理】单片机 IO 通信的基本原理是通过 IO 口进行数据输入输出。
IO 口是单片机与外部设备之间的物理接口，可以通过配置 IO 口的工作模式，实现数据的输入输出。
常见的 IO 口工作模式有输入模式、输出模式、复用模式等。
【单片机 IO 通信的常用方式】单片机 IO 通信的常用方式主要有串行通信和并行通信两种。
1.串行通信：串行通信是指数据位按顺序进行传输。
在串行通信中，数据是逐个传输的，因此，传输速度较慢，但是，占用的 IO 口资源较少。
2.并行通信：并行通信是指数据位同时进行传输。
在并行通信中，数据是同时传输的，因此，传输速度较快，但是，占用的 IO 口资源较多。
【单片机 IO 通信的实际应用】单片机 IO 通信在实际应用中主要用于设备控制、数据采集、数据传输等方面。
例如，在智能家居系统中，单片机通过 IO 通信实现对家电设备的控制，实现远程控制和自动化控制。
在工业自动化系统中，单片机通过 IO 通信实现对传感器的数据采集，实现实时监控和数据分析。
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10.1.1 开关量输入
（3）利用串行口
第七章中利用串行口扩展并行口的方法也可以用来输入 /输出开关
量。具体扩展方法见第七章相关内容。
10.1.2 开关量输出
在单片机应用系统中，现场电器的通／断是通过开关量
输出通道进行控制的。如电机的启／停、继电器的通断、
10.1.2 开关量输出
2.开关量输出的电气隔离
由于现场电器通断时会产生强烈的干扰，所以从端口线输出的开
关量都需要电气隔离，此外数字量0、1 的TTL 电平不足以驱动电器， 隔离后还要经驱动才能控制电器。开关量输出的基本结构如图10-3所
示。图中，输出线是来自单片机的输出信号，低电平有效。
10.1.2 开关量输出
10.1.1 开关量输入
（1）利用74系列门电路
当开关量输入点数不多时，使用 74 系列门电路扩展并行输入口是
常见的方法，该方法设计简单，性价比高。应注意的是选用有缓冲功 能的门电路，门的数量由输入点的个数而定。采用74LS244(八总线缓
冲器) 的应用场合较多。在地址线够用时，扩展芯片的片选( 或选通)
图10-3 开关量输出的基本结构
10.1.2 开关量输出
3.开关量输出的驱动
开关量输出往往直接驱动现场的电器或作用于大功率电器的控制
回路，需要有一定的功率驱动能力。光电耦合器件在受光侧由于光敏 三极管的驱动能力为mA级，一般不足以驱动执行机构，所以经常需要
使用驱动电路。
常见的功率驱动有下面四种方式：集成电路、可控硅、晶体管和 继电器。
第10章
I/0过程通道
• 10.1 • 10.2 • 10.3 • 10.4 • 10.5
开关量输入和输出通道 并行接口的模拟量输入通道 串行接口的模拟量输入通道 并行接口的模拟量输出通道 串行接口的模拟量输出通道
第10章
• •
概述
通过单片机系统的实时数据采集、实时决策和实时控制，使被控
对象完成预定的任务，实现设计确定的功能。 单 片 机 系 统 和 被 控 对 象 之 间 信 息 的 交 互 有 输 入 (Input) 和 输 出
(Output)两种类型，前者在单片机系统数据采集时，将被控对象的信 息经输入通道送入单片机系统；后者在单片机系统控制输出时，将单 片机系统决策的控制信息经输出通道作用于被控对象。
•
上述两类信息交互的通道称为过程I／O通道。
第10章交互的信息有两种不同的形式，一种是随时间变化的连续物理量
此外还有许多专用的驱动集成电路。
10.1.2 开关量输出
（2）可控硅
可控硅(SCR)又称晶闸管，具有体积小，效率高，寿命长，驱动能
10.1.2 开关量输出
（1）常用的驱动集成电路
集成电路的驱动能力一般不是很强，往往在几十至几百毫安，在
一些驱动电流要求不大的应用场合，由于集成电路具有占用空间小， 易于焊接，使用方便等优点，常用来驱动如LED 显示等小功率的电器
。常见的驱动集成电路有74系列、75系列、ULN200系列或28系列等。
10.1.1 开关量输入
图10-2 含状态指示的开关量输入电路
10.1.1 开关量输入
2. 利用扩展的I／O接口电路
当单片机的端口线全部被占用，只好另外扩展 I ／O 接口电路了。
如第八章所述，扩展I／O接口方法有下列几种。 （1） 利用74系列门电路
（2） 利用可编程并行I／O芯片
（3） 利用串行口
10.1.1 开关量输入
被控对象的一些开关状态可以经开关量输入通道输入到单片机系 统，如电器的启动和停止、电磁铁的吸合和断开、光路的通和断等。 但是，控制现场这些开关状态一般都不能直接接入单片机。原因 有两点：一方面，现场开关量一般不是 TTL 电平，需要将不同的电平 转化成单片机所需的 TTL 电平，该过程称为电平匹配；另一方面，即 使现场开关量符合 TTL 电平需要，由于来自现场的干扰严重，一般也 需要将单片机与外界进行电气隔离，避免对单片机产生干扰。经过电 平匹配和电气隔离后的开关信号才能够通过单片机接口，接入到单片 机系统。
10.1.1 开关量输入
开关量接口
单片机接口可以是单片机端口线。如果单片机的端口线不足，开
关量输入信号就只能经系统扩展中所扩展的输入缓冲芯片，通过数据 总线进入单片机。
10.1.1 开关量输入
1. 直接利用MCS-51端口线
要将一个现场开关状态输入到单片机，经常使用的方法如图 10-2
所示。图中的S1是现场开关，U1是光耦，其输出信号可以去单片机（ MPU）。当单片机系统有可用的端口线时，可以如图10-2所示连接。
，如电流、电压等，称为模拟量；另一种是有开、关两种状态的数字 量，称为数字量或开关量。
•
在本章中主要涉及开关量输入和输出以及模拟量输入和输出四个
方面的问题。
第10章
概述
图10-1 过程I／O通道的一般结构
10.1 开关量输入和输出
一个单片机应用系统，一般都有二个大的组成部分：一部分是人 与单片机交互的部分，另一部分是单片机与被控制对象之间的交互部 分。 人与单片机之间的接口，在第九章已经介绍过了，这一章开始研 究单片机与控制对象之间的接口，也称为过程I／O通道。如图10-1所 示，过程I／O通道可以分为开关量通道和模拟量通道。
电磁阀的吸合释放，甚至步进电机的步进脉冲等，这些都 是以开关量的形式表现出来的，都可以用数字1或0表示。 开关量输出通道一般是一条端口线控制一路电器。
10.1.2 开关量输出
1.开关量输出常见的受控对象
开关量输出常见的受控对象有电磁阀、继电器、各种电机等，只
有对这些受控对象有深入的了解，才能更好的使用它们，发挥它们的 最大效能。这些知识不属于本书的范围，需要时请参考其它资料。
采用线选法；地址线不够用时，采用地址译码法。
10.1.1 开关量输入
（2）利用可编程并行I／O芯片
采用可编程并行 I ／ O 芯片的方法不常用，仅为了几个开关量输入
，代价太高。可编程器件的优点在于其端口可编程设定为输入或输出 。如果将某端口固定作为输入或输出，势必大材小用，降低性能价格
比。有一种情况是例外的，某些场合必须用到可编程并行I／O芯片且