智能数字控制系统
本文着重讨论以键盘作为输入设备、LED数码管作为输出设备的单片机控制系统的设计与实现。首先对绘制电路原理图和PCB图的工作环境PROTELL33作了详细的介绍，然后在分析硬件结构的同时对所用到的8031、8155的工作原理也作了分析，同时对键盘和LED数码管显示器的工作原理进行了详细的介绍。在此基础上设计出硬件电路。最后借助仿真器对硬件电路和相关软件进行综合调试。从而完成了利用8031开发了控制系统装置的研制。在装置研制成功后，可以用FPGA器件对外围电路进行优化。
关键词 8031 单片机 控制系统
Title Device For Intelligent Digital Control System
Abstract
This paper discusses the keyboard as input device,LED digital control
Equipment as the output of SCM Control System Design and Implementation.
Drawing on the first circuit schematic and PCB plans PROTELL33 working environment are described in detail.Then the analysis of the structure of the hardware to be used by the 8031、8155 the working principle is analyzed,Meanwhile on the keyboard and LED digital display of the working principle of detail. The circuit design is based on this.Finally use the simulator Hardware and related software for integrated debugging.Thus
Completing the 8031 development of the use of the control system for
Installation.Successful deveolopment of the device,the FPGA can be used
to optimize the external circuit.
Keywords 8031 SCM Contorl System
智能数字控制系统
前 言
随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度极高的方向发展。CPU的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。如CPU的运算位数从4位、8位 ……到32位机的发展，运算速度从8 MHz、32 MHz……到1.6 GHz。可以说是日新月异的发展着。其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机（CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次，需要具有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第三，具有综合运用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。 单片机的开发与应用必须借助于单片机开发系统来完成，换句话说，没有单片机开发系统，单片机不可能得到应用。只有对开发系统原理和监控程序有深入的了解，才能更好地使用开发系统，才能更好的进行单片机的开发和应用。此开发系统是以8031为核心的单板系统。因此它既是开发系统又是典型的MCS-51单片机的应用系统，是MCS-51单片机软、硬件知识的综合体。它包括数据存储扩展，程序存储扩展，串行I/O口应用，键盘输入，数字显示等电路硬件结构。
本文着重讨论以键盘作为输入设备、LED数码管作为输出设备的单片机控制系统的设计与实现首先在对几种常见的单片机与键盘接口技术进行分析比较的基础上，设计出了一种简单实用的单片机和键盘的接口电路，可结合监控程序用数码管显示出地址及该地址对应的内容，也可对此地址的内容进行修改。
一个完整的单片机开发系统往往也是一个计算机系统。它通过附加的配件还可以实现单片机仿真。用户只要把实际应用系统的单片机芯片拔掉，把单片机仿真插头插入单片机芯片插座上，整个开发系统就取代了单片机的功能。
本文中将详细地分析MCS-51单片机开发机的硬件结构和原理，将全面的介绍开发过程及所用到的绘图软件平台。
第一章 智能数字控制系统装置的介绍与指导
1．1 智能数字控制系统装置开发概念
目前大多数单片机应用，都是围绕正常运行下的单片机展开的，也就是说，都是在假设正确完好的程序已经存放在单片机内部程序存储器或者外部程序存储器之中的条件下进行的设计。然而，怎样才能建立满足用户要求的单片机用户系统？怎样才能得到满足应用要求的正确的完善的程序？怎样才能把这些程序固化到单片机内部程序存储器（或者外部程序存储器）呢？等等，所谓单片机的开发就是要解决这些问题。
为了得到满足要求的用户程序，一般都需要有调试过程，甚至需要经过多次反复调试才能完成，这项工作单片机自身是无法完成的，因为程序在机器内部连续高速地运行，难以观测程序的运行情况。程序存储器不是ROM类型就是EPROM类型，无法对程序加以修改和调试。因此，需要一种装置，它能够输入用户程序，并在运行中提供诊断、修改等调试手段，直到得到满意的程序为止。
另外，把程序固化到单片机片内部或外部程序存储器中，也不是一般单片机自身能做到的。对于ROM型单片机，用户只能通过提供绝对可行的程序，由制造单片机芯片的厂家固化在片内。而对EPROM型单片机或存储器，用户必须借助于专用的装置才能完成程序的固化工作。
当单片机运行起来后，对整个用户样机系统的软、硬件进行实时诊断调试，则需要有强有力的仿真工具才能完成。
综上所述，可以认为：单片机程序的调试、诊断、修改、固化，以至于整个系统的软、硬件诊断、调试工作，或者说，从用户源程序的编写到单片机应用系统的正常运行之前的一切准备工作，都可称之为单片机的开发，而实现开发的装置称之为开发系统（开发机）。显然，单片机的开发和开发系统在单片机应用中占有十分重要的地位。
1．2 智能数字控制系统装置的作用
完成一个有关单片机应用的科研课题，大致可以分为以下几个阶段：
（1） 对课题进行全面分析，明确要解决的问题、参数，确定算法，制定总体方案。
（2） 设计硬件系统。
（3） 设计软件系统。
（4） 在开发机上，对各个程序模块进行分块调试。
（5） 硬件系统完成后借助于开发系统连成仿真系统，进行在线开发和总调。
（6） 把调试成功的程序在开发系统上固化到程序存储器中。
（7） 把固化好的程序插入实际应用系统，投入实际使用。
上述过程中，可能会由于硬件系统设计不合理而更改设计。从上述可以得出一个结论，没有单片机开发系统，单片机的应用几乎是不可能的。而开发系统装置的研制则为单片机开发系统的第一步。
1．3 智能数字控制系统基本功能
1、程序输入与修改
在开发系统（装置）中，使用随机存储器RAM来存放用户程序。程序通过键盘输入，并由显示器显示存储单元地址和内容。程序修改和输入类似。
2、程序运行故障诊断
当程序输入之后，就可以在开发系统中进行运行和故障诊断。其中单步运行和断点运行是广泛采用而又行之有效的调试方法。单步运行时，操作者可以用单步执行键一条指令、一条指令地执行用户程序，并且可以随时检查第一条指令执行的结果，以诊断指令是否全理。当程序较长或有循环操作时，可采用断点运行方式。通过设置断点，使程序运行到断点处自动停下，操作者可以检查这一段程序执行的正确性。断点运行和单步执行结合使用就更加灵活有效。
3、应用系统仿真
用开发系统中的单片机取代应用系统的单片机（通过仿真插头），从而可以利用开发系统的资源和能力进行实时系统仿真。
4、应用程序固化
开发系统可以把已调好的程序写入到单片机内部EPROM或外部EPROM芯片中。
以上是开发系统应具有的基本功能。
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第二章 PROTEL33简介及应用
2．1 PROTEL33简介
电路设计自动化EDA（Electronic Design Automation）如今已成为不可逆转的时代潮流。随着计算机工业的蓬勃发展，EDA的工作环境已从早期昂贵的工作站进入到一般个人电脑。Protel设计系统就是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统。
PROTEL33是基于DOS环境的电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电路原理图设计、印刷电路板设计、电路信号仿真、可编程逻辑器件设计等，是集成的一体化的电路设计与开发环境。
2．2 PROTEL33原理图设计基础
2．2．1 设计原理图编辑器
原理图设计编辑器实际上就是原理图的设计系统，用户在该系统中可以进行电路原理图的设计，为后面的印制电路板设计做好准备。进入原理图设计环境的操作过程如下：
（1）首先打开PROTEL33文件夹，双击SCHEDIT.EXE执行文件，进入原理图设计环境。输入文件名建立新的设计图或打开已存在的设计图文件。
（2）建立或打开设计图后，系统将显示一个画图的界面。此时用户就可以进行原理图的绘制。
（3）接着左击鼠标，弹出目录菜单（MAIN），其中包括14项工具栏：Block（块工具栏）、Current(通用栏)、Delete（删除栏）、Edit（编缉栏）、 File（文件栏）、Hightlight(高亮度栏）、Information（信息栏）、Jump（跳转
栏）、Library（库栏）、MOVE（移动栏）、Place(置放栏)、Repeat（重置栏）、Set up（设置栏）、Undelete（取消删除栏）和Zoom（上升栏）。充分的用这些工具会极大地方便电路图的绘制，以下介绍几个主要工具栏的作用：
1、Block
单击此栏，可执行的命令有：Copy（块复制）、Define（块定义）、Hide（块隐藏）、Inside Delete（删除块内内容）、Move（块移动）、Outside Delete（删除块外内容）、Read（调出块）、Write（保存块）。执行此栏时，可先单击Define，确定块的起始点，单击鼠标，再确定块的终点，单击鼠标。此时定义好了一个块，定义好的块内会变为白色。接着就可以执行Copy、Inside Delete、Move、Outside Delete、Write功能。执行完所需的功能后，可以执行Hide功能，隐藏此块。
2、Current
此栏包括Line Type（线的类型设置）、Sheet Size（界面大小设置）、Junction Size（连接点设置）。此栏还列出了装入的三个库。其中线的类型有：Thin Signal(细线)、Thick Signal（粗线）、Bus（总线）、Dashed(虚线)。
3、Delete
单击此栏，可选中的命令有：Annotation（删除标记）、Component（删除器件）、Documentation Box(删除文档块)、Junction（删除连接点）、Line（删除线）和Net Label（删除网络标记）。执行相应的命令，再左击选择相应的器件，即可达到删除的目的。
4、Edit
在此栏中，可对一些器件，线等进行编辑。包括：Annotation（编辑标记）、Component（编辑器件）、Documentation Box（编辑文档块）、Junction（编辑连接点） 、Line（编辑线）、Net Label（编辑网络标记）、Pins（编辑器件引脚）。当执行相应的命令时，再左击所需要编辑的器件，将显示此器件的所有属性，即可对相应项进行修改。
5、File
单击此栏，可对此绘图文件进行一些操作。包括：Clear（清除文件）、Dos（切入进DOS环境）、Files（文件另存为）、Load（退出前是否保存）、Path（文件路径）、Quit（退出文件）、Save（保存文件）。
6、Hightlight
此栏有利于检查线路的连接状况。可选择Loctation项或Net项。若选择Loctation项，在文件中选择一条线，此线及相连的两点就会变亮。若选择Net 项，在文件中选择一条线或是点，则与该线或该点连通的线和点都会变亮。
7、Information
此栏为信息栏，单击此栏可以查阅Components（器件信息）、Highlighted Pins（高亮度点信息）、Library（库信息）和Status（此文件状态信息）。
8、Jump
利用此栏可以快速找出原理图中各器件。可以单击Component（器件），输入器件名按器件名查找，或单击Loctation（定位），输入X轴和Y轴的坐标，按位置查找。查找网络标号可以单击Net，再输入标号名。单击Origin（原点）跳到绘图页面的起点。单击Text（内容），输入文字内容，可以查找输入的一些文字的位置。
9、Library
此栏是关于库的一些操作和信息。可选项有Browse（库浏览）、Components（器件浏览）和Load（库装载）。一般同时最多只能装载三个库，在装载库的时候，可以先输入‘？’，按Enter键，就可以调出所有的库，可以从中选择所需要的库。在库浏览时，单击对应的库将显示出库内所有的器件，单击对应的器件还可以将此器件调出来浏览，并且包括此器件的一些属性。
10、Move
在对器件位置的修改时要用到此栏。单击相应项：Component（器件）、Documentation Box（文档块）、End of line（线的末端）、Junction（结点）、Line（线）和 Text（文本），就可以移动相应项的位置。
11、Place
Place栏是用来在原理图上放置部件的。包括：单击Annctation（放置标记）、Component（放置器件）、Documentation Box（放置文档块）、Junction（放置结点）、Line（放置连线）、Net Label（放置网络标号）。
12、Repeat
此栏为重置栏，主要包括：Execute Repeat（重复执行），并且可单击它设置重复的次数；X-offset (miles)、Y-offset(miles)（设置X，Y坐标）。
13、Set up
该设置栏可以设置关键字（Keys）；菜单颜色(Menu Colors)，其中可以设置背景颜色、文本颜色等；显示颜色（Display Colors），其中包括器件颜色设置等；此外，还可通过单击String DefaultsàAnnotation Size/Component/Compo
-nent Designator Size分别设置标记的大小、器件大小和器件标记大小。Options选项内可以设置一些页面关闭、大小光标转换等问题。
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14、Zoom
些栏为上升栏，可以选择所有器件上升：All，选择上升倍数：Select，面板上升：Pan等等。
2．2．2 图纸的放大与缩小
在绘图过程中，需要经常查看整张原理图或只看某一个局部，所以要经常改变显示状态，使绘图区放大或缩小。当系统处于其他绘图命令下时，用户无法用鼠标去执行一般的命令，此时要放大或缩小显示状态，必须采用功能键来实现。
（1） 放大 按PageUP键，可以放大绘图区域。
（2） 缩小 按PageDown键，可以缩小绘图区域。
（3） 居中 按Home键，可以从原来光标下的图纸位置，移动到工作区中心位置显示。
（4） 更新 按End键，对绘图区的图形进行更新，恢复正确的显示状态。
（5） 移动当前位置 按↑键可上移当前查看的图纸位置，按↓键可下移当前查看的图纸位置，按←键可左移当前查看的图纸位置，按→键可右移当前查看的图纸位置 。
2．2．3 器件的制造
在绘制原理图时，有些器件不存所有的库里面，需要使用者自己造。此时需要用到SLM.EXE执行文件。双击此文件，单击New，输入新建库名，设定库的大小，单击Edit，输入库的名字，然后单击New，输入要造的器件的名字，左击，出现器件的一些属性，可根据要制造的器件的需要进行编辑。造好器件后，将它保存在新建的库内。
2．3 PCB设计的基础
在用PCB系统进行设计前，先要了解印制电路板的结构，一般来说，印制电路板的结构有单面板、双面板和多层板3种。单面板是一种一面有敷铜的电路板，用户只可在敷铜的一面布线并放置元器件。单面板由于其成本低，不用打过孔而被广泛应用。由于单面板走线只能在一面上进行，因此，它的设计往往比双面板或多层板困难得多。双面板包括顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer）两层，顶层一般为元器件面，底层为焊锡层面，双面板的双面都有敷铜，都可以布线。双面板的电路一般比单面板的电路复杂，但布线比较容易，是制作电路板比较理想的选择。多层板就是包含了多个工作层的电路板。除了顶层和底层以外，还包括中间层、内部电源或接地层。随着电子技术的高速发展，电子产品越来越精密，电路板也就越来越复杂，多层电路板的应用也越来越广泛。多层电路板一般指三层以上的电路板。
2．3．1 PCB设计的基本原则
PCB设计的好坏对电路板抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时，必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合搞干扰设计的要求。要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设是很重要的。
1、在布局方面，首先，要考虑PCB的尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线路长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近结条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元器件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部器件进行布局。在确定特殊元器件的位置时要遵守以下原则：
（1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它样的分布参数和相互之间的电磁干扰。
（2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。
（3）以每个功能电路的核心元器件为中心，围绕它来进行布局。
（4）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。
（5）位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3：2或4：3。
2、布线的方法以及布线的结果对PCB的性能影响也很大，一般布线要遵循以下原则：
（1） 输入和输出端的导线应尽量避免相邻平行。
（2） 印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流 过它们的电流值决定。
（3） 印制板导线拐弯一般取圆弧形，而直角或锐角在高频电路中会影响 电气性能。
3、印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系。根据印制线路板的大小，尽量加粗电源线的宽度，减少环路电阻。同时，使电源线，地线的走向和数据传递的方向一致。数字地与模拟地分开。接地线应尽量加粗。接地线构成闭环路。
4、去藕电容配置
PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的去藕电容。去藕电容的一般配置原则是：
（1）电源输入端跨接10~100uF的电解电容器。
（2） 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM，ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入去藕电容。
（3）电源引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。
5、各元器件之间的接线安排方式如下：
（1） 印制电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。
（2） 电阻、二极管、管状电容器等元器件有“立式”和“卧式”两种安装方式。
（3） 同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。
（4） 总地线必须严格按高频——中频——低频逐级按弱电到强电的顺序排列的原则。
（5） 设计印制板图时，在使用IC座的场合下，一定要特别注意IC座上定位槽放置的方位是否正确。
（6） 进出接线端布置。相关联的两引线端的距离不要太大。
（7） 在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求合理走线，少用外接跨线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装，调整和检修。
2．3．2 PCB设计编辑器
双击TRAXEDIT.EXE进入PCB设计系统，输入文件名，进入绘图界面。
1、 PCB编辑器界面缩放
当系统处于其他命令状态下时，鼠标无法移出工作区去执行一般的命令。此时要缩放显示状态，必须要用快捷键来完成此项工作：
（1） 放大 按PageUP键，编辑区会放大显示状态。
（2） 缩小 按PageDown键，编辑区会缩小显示状态。
（3） 更新 如呆显示画面出现杂点或变形时，按End键后，程序会更新画面，恢复正确的显示图形。
2、 各个面的翻转
当在绘制线时，有时线会从绘制板的一层画到另外一层，此时需要换面画线，按键盘“+”键，即可换面。
3、 工具栏的使用
与原理图设计系统一样，PCB也提供了各种工具栏。在绘图界面上左击将出现一系列工具栏，共16项，分别为：Block（块操作）、Current（通用栏）、Delete（删除操作栏）、Edit（编辑栏）、Grid（表格栏）、Highlight（高亮度栏）、Information（信息栏）、Jump（跳转栏）、Library（库栏）、Move（移动栏）、NetList（网络表栏）、Place（放置元件栏）、Repeat（重置栏）、Set up（设置栏）、Un-Delete（放弃删除栏）、Zoom（上升栏）。以下介绍这16个工具栏的作用：
（1） Block
此栏为块操作栏，包括以下8个操作：Define（块定义）、 Hide（块隐藏）、Move（块移动）、Copy（块复制）、Inside Delete（块内删除）、Outside Delete（块外删除）、Read（读入块）、Write（保存块）。进行此栏操作时，可先选择块定义BlockàDefine，确定块的起始点与终点，定义的块颜色会变亮。之后可选择相应项对此块进行一系列的操作。
（2） Current
此栏为通用栏。通常用设定一些线、器件等的属性。包括以下12个操作： Arc Line Width（设置弧线的宽度）、Cursor Mode（粗略模式设置）、Floating Origin（起始点设置）、Grid（设置计量单位）、Layer（当前层设置）、Pad Type（面板规格设置）、Pad Orientation（面板方向设置）、Track Width（线宽设置）、String Size（字符大小设置）、String Lines（字符长短设置）、Via Size（孔大小设置）、Via Hole Size（内孔大小设置）。所有设置只需更改对应项后的数字或选择相应规格。
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（1） Delete
此栏为删除栏，共8个可选项：Arc（删除弧）、Component（删除器件）、Fill（删除填充部分）、Highlight（删除高亮度的线）、Pad（删除面板）、String（删除字附）、Track（删除线）、Via（删除孔）。选择对应相删除相应部分。
（2） Edit
此栏为编辑栏，共6个可选项：Arc（编辑弧）、Component（编辑器件）、Pad（编辑面板）、Track（编辑线）、String（编辑字符）、Via（编辑孔）。使用此栏时，先选择要编辑的种类（6个可选项），再选择要编辑的目标，选中目标后，会出现该目标的属性，左击相应属性即可修改。
（3） Grid
此栏为表格设置栏。有两项关于表格的设置：Snap Grid（表格内每格大小设置）和Visible Grid（可视表格大小的设置）。
（4） Hightlight
此栏为高亮度设置栏，共有5个可选项：Connection(按连接点设置高亮度)、Duplicate（加倍高亮度）、Net（按网络表中相连的点线设置高亮度）、Make NetList（生成网络表）、Reset Highlight（重置高亮度）。此栏有助于在检查线路时能够看清是连线是否正确。
（5） Information
此栏为信息栏，通过此栏可查询绘图板上一些部件的属性信息。该栏包括以下7个可选项：Board Dimensions(面板大小信息，包括长、宽)、Components（器件信息查询）、Highlighted Pins（高亮度管角信息查询）、 Library Components（库内器件信息查询）、 Nets（网络信息查询）、Pwr/Grd Pins（引脚信息查询）、Status（系统状态信息查询）。
（6） Jump
此栏为跳转栏，在器件布置得很多的时候，寻找器件比较麻烦，通过此栏，可以快速所要查看的器件在绘图板中的位置。此栏共有6个可选项：Component（跳转到器件）、Location（跳转到某个位置）、Net（跳转到某个网络）、Origin（跳转到起始点）、Pad（跳转到部件的某个管脚）、String（跳转到某个字符）。执行此栏功能时，首先选中要跳转的目标的类型，再输入跳转目标的名字或输入目标的坐标。
（7） Library
此栏为库信息栏。运用此栏可以添加库或修改库信息。共包括5个选项：Add（添加库）、Browse（浏览库器件）、Compact（压缩库）、Delete （删除库）、Explode（释放库）、File（装载库）、List（库列表）、Merge（连结库）、New Library（新建库）、Rename（重命名库）。在绘制PCB图的时候，首先要装载库，再添加库（LibraryàFileàAdd）。
（10）Move
此栏为移动栏。此栏可以实现对器件、线等位置的移动。共包括以下9项操作：Arc（移动弧）、Break（截断并移动线）、Component（移动器件）、Drag End（移动线的端点）、Pad（移动面板）、Re-Route（移动线的路径）、String（移动字附）、Track（移动线）、Via（移动孔）。
（11）Net List
此栏关于网络表栏。共包括12个可选项：Auto Place（此项可以实现从网络表中装载器件等功能）、Clear（清除网络表）、DRC（显示网络表所在的目标地址）、Get Nets（输入网络表的名字，即可获取网络表）、 Hide（隐藏网络表）、Identify（定义网络表）、Length（获取调入的网络表的大小）、Nets（查询已装载的网络表）、Optimize（最大化选中的网络表）、Pwr/Gnd（标记网络表到最底层或最上层）、Route（查询网络表的通用信自）、Show（显示网络表）。
（12）Place
此栏为置放栏，进行在绘制板上置放器件等。可行的操作有：Arc（放置弧）、Component（放置器件）、External Plane（扩充绘制板）、Fill（放置覆盖层）、Pad（放置面板）、String（放置字符）、Track（放置线）、Via（放置孔）。在放置器件时，若不知道器件的名字，可以输入‘？’，左击，可以查到所有的器件名，单击选中器件，则可以调出所需要的器件，还可以单击LibraryàBrowse，把器件一个一个调出来查看。
（13）Repeat
此栏为重置栏，主要操作包括：Execute Repeat（重复执行），并且可单击它设置重复的次数；X-offset (miles)、Y-offset(miles)（设置X，Y坐标）。
（14）Set up
此栏为设置栏，可以对一些部件的属性进行设置。共有以下10个可操作项：Component Text（设置器件名）、Layer Colors（绘图板颜色设置）、Menu Color（菜单颜色设置）、Keys（关键字设置）、Options（选项设置）、Pads（绘图板设置）、Redraw（重画设置）、Strings（字符设置）、Toggle Layers（各个层是否关闭设置）、External Plane（面板外部格子大小和画线粗细设置）。
（15）Un-Delete
此项用在操作错误时，选择此项，设定次数，可以取消此前错误的若干次操作。
（16）Zoom
此项为上升操作。包括9项可操作项。其主要的有：All（绘制板中所有内容全部上升），Select（选择放大倍数），Pan（面板上升）等等。
4、 旋转元器件
在元器件的排列还不一致时，就需要将各元器件的排列方向也进行调整，即对元器件进行旋转操作。元器件旋转的具体操作过程如下：
按M键，再按C键，选中器件，
（1）按X键，器件左右旋转。
（2）按Y键，器件上下旋转。
（3）按空格键，器件逆时针旋转。
5、 制造元器件
有些元器件没有预设在库内，需要自己制造。造器件的过程如下：
选中菜单中PlaceàVia，在绘制板上放置对应的孔的位置，放置完成了后，选中菜单中定义块的选项BlockàDefine，然后选中菜单中加入到库的选项：LibraryàAdd，定义好器件名即加入到库内。
第三章 智能数字控制系统装置的结构及设计原理
3．1 控制系统装置的硬件结构
控制系统具有三组总线：地址总线（ADDRESS BUS）、数据总线（DATA BUS）和控制总线（CONTROL BUS），与总线相接的主要器件有：
（1） 中央处理器：MCS-51系列的8031。
（2） 存储器：1片随机存储器6264。
（3） I/O口：可编程I/O口8155一片。
（4） 其它电路：译码、驱动和一些模拟器件。
下面将根据原理图，分块介绍各部分结构及原理。
一、中央处理器——8031
8031是MCS-51系列单片机中最简单的芯片，它既无8051内部的4K ROM，也无8751内部的4K EPROM，因此需要外接程序存储器。
8031采用耗尽型N沟道硅栅HMOS工艺制造，40引脚、DIP封装。以下为采用双列直插式封装的MCS-51系列单片机管脚图。
各管脚功能说明如下：若图片无法显示请联系QQ3710167
（1） 电源管脚
Vcc（40脚）：接+5V；Vss（20脚）：接地。
（2） 时钟信号管脚
XTAL1（19脚），XTAL2（18脚）：外部时钟信号的两个管脚。
（3） 控制线
1、RST/Vpd（9脚） 当作为RST使用时，为复位输入端。在时钟电路工作以
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后，此管脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。在RST与Vcc管脚之间连接一个10-20uF的电容，RST与Vcc管脚之间连接一个约8.2k欧的电阻，就可实现上电复位功能。
2、/EA/Vpp（31脚） /EA为访问内部或外部程序存储器的选择信号。若使用CPU片内的程序存储器单元，/EA端必须接高电平，当PC值小于0FFFH时，CPU访问内部程序存储器；当PC值大于0FFFH且外部有扩充的程序存储器时，CPU将自动转向执行外部程序存储器内的程序。若使用片内无ROM/EPROM的CPU时，/EA必须接地。CPU全部访问外部程序存储器。
对片内EPROM编程时，此管脚（作Vpp）接入21V编程电压。
3、ALE//PROG（30脚）当访问外部存储器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器。即使不访问外部存储器，ALE端仍以固定的振荡器振荡频率的1/6速率输出正脉冲信号，此时可用它作为对外输出的时钟或定时脉冲。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，以1/21的振荡频率输出。
对片内EPROM编程时，该管脚（/PROG）用于输入编程脉冲，ALE端能驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL负载。
4、/PSEN（29脚） 外部程序存储器读选通控制信号，低电平有效。以区别读取外部数据存储器。在读取外部程序存储器指令（或常数）时，每个机器周期产生两次/PSEN有效信号。但执行片内程序存储器取指令时，不产生/PSEN信号。/PSEN信号同样能驱动8个LSTTL负载。
（1） 输入/输出口线
1、P0口（32-39脚） 8位漏极开路型双向并行I/O口。在访问外部存储器时，P0口作为低8位地址/数据总线复用口，通过分时操作，先传送低8位地址，利用ALE信号的下降沿将地址锁存，然后作为8位双向数据总线使用，用来传送8位数据。
在对片内EPROM编程时，P0口接收指令代码；而在内部程序验证时，则输出指令代码，并要求外接上拉电阻。
外部不扩展而单片应用时，则作双向I/O口用，P0口能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。
2、P1口（1-8脚） 具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口。在片内EPEOM编程及校验时，它接收低8位地址。P1口能驱动4个LSTTL负载。
对8032/8052，其中P1.0和P1.1还具有第二变异功能：P1.0（T2）为定时器/计数器2的外部事件脉冲输入端。P1.1（T2Ex）为定时器/计数器2的捕捉和重新装入触发脉冲输入端。
3、P2口（21-28脚） 8位具有内部上拉电阻的准双向I/O口。在外接存储器时，P2口作为高8位地址总线。在对片内EPROM编程、校验时，它接收高位地址。P2口能驱动4个LSTTL负载。
此设计中以8031为中央处理器。其P0口作地址总线低8位和数据总线（分时复用），P2口作为地址总线高8位，P3口中P3.6（/WR）、P3.7(/RD)、P3.2（/INT0）及29脚（/PSEN）、30脚（ALE）、9脚（RESET）为控制线。整个系统在8031控制下，协调工作。
二、 存储器
有关存储器部分，主要由74LS138译码器、74LS373锁存器、6264RAM芯片构成。其部分原理图如下图所示：若图片无法显示请联系QQ3710167
1、 74LS138存储器译码器
存储器译码器由74LS138完成。74LS138的8脚接地，16脚接高电平，G1（6脚），正常工作状态下，使能端G1（6脚）接高电频，/G2A（4脚）、/G2B（5脚）接低电平，其输入端A、B、C分别接8031的地址总结A3、A4、A5，因些根据74LS138功能表（表3-1）及上述条件，得到：当地址的高8位A15-A8为11111111时，经过74LS30与非门，接入译码器的/G2A（4脚）和/G2B（5脚），同时A7为1，接入译码器的G1（6脚），使译码器开始工作。当A5、A4、A3为111时，74LS138的Y7端输出低电平（其它端输出高平），即选中Y7，经过与门，输出低电平，与8155的使能端/CE相接，给8155提供正常工作的条件。
74LS138真值表（表3-1）：
G1
/G2A
/G2B
CBA
输 出
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
000
001
010
011
100
101
110
111
Y0=0其余为1
Y1=0其余为1
Y2=0其余为1
Y3=0其余为1
Y4=0其余为1
Y5=0其余为1
Y6=0其余为1
Y7=0其余为1
不是上述情况
***
全部输出为1
2、 74LS373
程序存储器扩展时，地址锁存器信号为ALE。管脚图如附录所示。
74LS373有3种状态：
（1） 当/OE为低电平且LE为高电平时，输出端状态和输入端状态相同，即输出跟随输入；
（2） 当/OE为低电平且LE由高电平降为低电平（下降沿）时，输入端数据1D～8D锁入内部寄存器中，内部寄存器的数据与输出端相同，当LE保持为低电平时，输入端状态不能被锁存，即不会影响输出端状态；
（3） 当/OE为高电平且LE为低电平时，74LS373的输入端1D～8D与输出端1Q～8Q隔离，即不能锁存，锁存器缓冲三态门也不能被使能。
此系统作低8位地址/数据地址锁存器时，将/OE置成低电平，锁存允许信号
LE受控于8031地址有交锁存信号ALE，当外部地址有效信号ALE使LE变为高电
平时，74LS373内部寄存器便处于直通状态，当LE下降为低电平时，立即将锁存
器的输入端1D～8D锁入内部寄存器中。
3、 6264存储器
6264是8K*8的静态随机存储器芯片，由单一+5V供电，额定功耗为220mW，
典型存取时间为200ns。为28线双列直插式封装，其引脚图如下图所示：
A0～A12为片内13位地址线，D0～D7为8位数据线，CS1，CS2为片选信号线，/OE、/WR为读，写信号线。若图片无法显示请联系QQ3710167
三、 键盘、显示器接口——8155
可编程接口芯片8155是开发机的扩展接口，主要用来接收键盘输入和显示器输出，是人机对话的关键环节。
1、8155管脚图如下图所示。若图片无法显示请联系QQ3710167
AD0-AD7 为地址数据总线，单片机和8155之间的地址、数据、命令、状态信息都是通过这个总线口传送。
ALE为地址锁存信号输入线，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址
智能数字控制系统
信息以及/CE、IO//M的状态都锁存到8155内部寄存器。因此，单片机P0口输出的低8位地址信号不须外接锁存器。
IO//M为RAM/IO口选择线。当IO//M=0时，单片机选择8155的RAM读/写。AD0-AD7上地址为8155中RAM单元地址；当IO//=1时，单片机选择8155的I/O口，AD0-AD7上地址为I/O口地址。/CE为片选售号，/RD、/WR为读、写控制输入线。
2、 8155的RAM和I/O口地址编码
8155在单片机应用系统中是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址数据，其高8位由片选线/CE提供，而低8位地址为片内地址。当IO//M=0时，单片机对8155RAM读/写，RAM低8位编址为00H-FF；当IO//M=1，单片机对8155中的I/O口进行读/写时，8155内部I/O口及定时器的低8位编址如下：
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 I/O口
* * * * * 0 0 0 命令/状态口
* * * * * 0 0 1 PA口
* * * * * 0 1 0 PB口
* * * * * 0 1 1 PC口
* * * * * 1 0 0 定时器低8位
* * * * * 1 0 1 定时器高8位
3、 8155的工作方式与基本操作
8155可作为I/O口，片外256字节数据存储器及定时器使用，在各种类型使用下的基本操作如下。
（1） 作片外256字节数据存储器
种工作状态使用时将8155的IO//M，这时8155只能作片外数据存储RAM使用，其地址高8位由片选线决定，低8位为00H-FFH。与应用系统中其他数据存储器统一编址。使用片外数据存储器相同的读/写操作指令MOVX。
（2） 作扩展I/O口使用
8155作扩展口使用时，IO//M引脚必须设置高电平，这时PA、PB、PC口的口地址的低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0时）。
8155的I/O口工作方式选择是通过对8155内部命令寄存器（命令口）设定命令控制字来实现的。命令寄存器的低8位地址为00H。
● I/O口的工作方式选择。8155的A口、B口、可工作于基本I/O方式，选通方式，C口可作为输入输出口线，也可以作为A口、B口选通方式工作时的状态控制信号线。
● I/O口工作方式选择完全依靠对8155命令寄存器（命令口）设定命令控制字的方式实现。命令寄存器只能写入不能读出。其格式如下页图所示。
命令寄存器的D0-D5位为I/O工作方式选择位。
基本I/O工作方式：当8155编程为ALT1、AEL2时，A、B、C口均为基本输入输出方式，而用D0、D1位选定A、B口为输出还是输入工作方式选通I/O工作方式；当8155被编程为ALT3时，A口定义为选I/O，B口定义基本I/O；编程为ALT4时，A、B口定义为选通I/O工作方式。
TM1
TM2
IEB
IEA
PC2
PC1
PB
PA
0：A口定义为输入方式 1：A口定义为输出方式
0：B口定义为输入方式，1：B口定义为输出方式
● I/O的状态查询。8155有一个状态寄存器，锁存I/O口和定时器的当前状态，供单片机查询用，状态存储器和命令寄存器共一个地址，只能读出不能写入。因此，或以认为8155的00H口是命令/状态寄存器，对其定入时作为命令寄存器，写入的是命令：而对其读出时，作为状态寄存器，读出的是当前I/O口和定时器的状态。
4、 8155工作状态
74LS138是8155芯片的译码器，在地址线A15至A8为1，A7=1的条件下，译码器才能工作。
（1） 8155内部RAM
8155芯片内部有256字节的RAM，其中00H～FFH地址共224个单元作为8031外部数据存储器，它们可以低8位寻址（高8位为1）。选中8155RAM区条件为：/CE=0，IO//M=0。只需译码器74LS138的Y7端输出高电平，即地址线A5、A4、A3任意一条为0，选中8155内部RAM。
（2） 8155输入输出口
8155作为输入输出口时，其条件为：/CE=0，IO//M=1。此时译码器74LS138的Y7端输出低电平，即地址线A5、A4、A3为111，选中8155输入输出口。
8155受8031控制，8155芯片A口接显示器的各段。B口作为输入口，接键盘的每一列。C口作为输入输出口，接键盘的每一行，并且分别接显示器的选通端，控制所有数码管的位选。
四、系统键盘输入、显示器输出原理
1、 显示器工作原理
显示器是MCS-51实用系统中最常用的输出设备。
本设计系统采用了6只8段共阴极数码管作为显示器。它可以显示16进制数、小数点和另外一些由程序规定的字符。
每一个数码管由8个发光二极管构成。发光二极管和普通二极管类似，也具单向导电性能，只是当管子有电流流过时就发光。图a是一只8段共阴极数码管，简称LED显示器。图b是一种LED显示电路。8155的PA口分别接在a到g和DP的8个发光二极管阳极上。由于采用了共阴极接法，只有在PA口输出为“1”时，且CS端为0时，发光二极管才会亮，即只有LED显示器中CS端为“0”，且只有a,b,c,d,e,f,g,DP 8端至少有一个为“1”时，LED显示器才能显示内容:
(a) (b)
若图片无法显示请联系QQ3710167
2、 字形代码
如果要使上图（b）的显示器显示“3”字形，那么只有使a、b、c、d、g 5个发光二极管发光才能实现。因此，阳级电平关系如下：
a b c d e f g dp
1 1 1 1 0 0 1 0
其中，“1”表示高电平，“0”表示低电平，并且要保证CS端为“0”。因此，要使（a）图显示“3”字形，必须在输出端加F2H码，并且CS端应为“0”。
这样，就存在着字形（“3”）与字形代码（F2H）转换问题。这个转换不必人工去作，并且，字形与字形代码的转换与各段接PA口的7个输出端的顺序有关，在程序中要显示的字，通过原理图分析可得到其代码。
3、 系统显示电路
此系统共有6只数码管。数码管的8个阳极分别与8155A口的PA0～PA7相接（即6只数码管的阳极并接在8155A口）。6只数码管阴极分别与8155C口PC0～PC5相接。（若在8155A口、C口各位加上反相器，则可提高它们带负载能力）。因此，8155A口为显示器字形口，地址为FFF9H。8155C口为显示器字位口，地址为FFFBH。
要使某一只管子显示一个特定的字形，就要在8155A口输出字形代码（此时字形代码同时加在6只数码管的阳级上），另外要使该位数码管阴极为“0”，其它数码管为“1”，才能只有一只管子显示规定字形。加在阴极上，保证只有一位数码管显示的信号叫字位代码。表3-2给出了系统中各数码管字位代码。例如，数码管LED3，字位代码为DFH，即11101111。如果把DFH送8155C口，只有数码管LED3为低电平“0”（其它各位阴极都为高电平“1”），因此仅选中了LED3。
数码管
LED1
LED2
LED3
LED4
LED5
LED6
字位码
F7H
EFH
DFH
FBH
FDH
FEH
表3-2 字位码表
总之，要使某数码管显示特定内容，必须满足3个条件：
（1） 字形代码送8155A口（口地址为F9H）
（2） 字位代码送8155C口（口地址为FBH）
（3） 延时1ms以上。
其中，“延时”是由于计算机工作速度太快，把字形码、字位码送到
显示器仅需要几微秒时间，这样短的时间显示器不可能正常发光，人眼看不到。“延时”是使字形码、字位码保持作用在数码管中一段时间，使其正常发光，以便使人的眼睛能稳定看到。
4、 系统键盘输入原理
键盘是系统输入数据与程序的输入设备。键盘不仅能使8031能识别有无键按下而且还能识别是哪个键按下。
键盘主要有全编码键盘和非编码键盘两种。
全编码键盘每按下一个键，其键盘电路能自动提供被压键代码，并能产生一个选通脉冲通知CPU，此外还具有去抖动、防窜键等功能。这种键盘的优点是易于使用，但需要较多的硬件，价格也比较高。
非编码键盘在硬件上很简单，仅提供键盘行与列矩阵，其它工作都是由软件完成，也就是说用程序解决键识别，关生相应代码，防窜键，去抖动等问题。
本设计采用非编码键盘，以下介绍非编码键盘原理及其接口。
本系统设计键盘共有23个键，其中16个为数字键，12个为命令键。为
智能数字控制系统
了使接线最省，键盘采用矩阵结构。横线为“行”，竖线为“列”。一个键实际上就是一个开关。当键压合时，把键所在行与列接通（短路）。键盘行线与8155PC口PC0～PC5相接。8155C口输出键盘扫描信号。键盘列线与8155B口PB0～PB4相接。8155B口为键盘输入口。
系统采用“程序扫描法”处理键盘输入，即在开发机硬件基础上反复执行一段扫描键盘的程序，达到键盘输入的目的。以下对“程序扫描法”解释如下：
8155C口（PC0～PC5）输出扫描信号，依次循环输出100000、010000、
001000、000100、000010、000001。由于扫描信号是计算机主动输出的，计算机每输出一组扫描信号就记录本组扫描信号“1”值位置，按上述扫描顺序，其零值位置分别为6、5、4、3、2、1，在计算机中用二进制表示为110、101、100、011、010、001，一般称其为“行码”。
在8155C口每输出一组扫描信号后，就由8155B口读入数据为“列码”。
因此键盘扫描一般过和为：8155C口输出一组扫描信号并记录其零值位置（行码），然后由8155B口读入信号（列码）。当无键压合时，由8155B口读入的为全“1”，这就是“有无键入”的判断条件。
例如下图数字键“6”压合，即把第三行、第三列两条线短接。扫描工作过程如下： 若图片无法显示请联系QQ3710167
8155C口输出第一组扫描信号“011111”（即扫描第6行），8155B口读入信号（列码）为“1111”。虽然“6”键压合，但由于扫描信号“011111”
（见图a），第三行线为1，因此第三列线仍然输出的是“1”，故8155B口读入为全“1”。8155C口再输出第二组扫描信号“101111”，B口读入的仍为全“1”（见图b）。8155C口再输出第三组扫描信号“110111”，B口读入的仍为全“1”（见图c）。8155C口再输出第四组扫描信号“111011”，由于第3行线为“0”，压合的“6”键把第3行与第3列线短路，故由B口读入信号（列码）为“111011”。因此，被压合键处于第3行、第3列时，其行码为011，列码为“1011”。
3．2 控制系统装置的原理图设计
一、启动原理图设计编辑器
打开PROTELL33文件夹，双击SCHEDIT.EXE执行文件，进入原理图设计界面。
一、装入所需库文件
左击绘图界面，出现菜单列，单击LIBRARY→Load,输入“？”，单击,显示所有的库名,调入DEVICE.LIB,INTEL.LIB和TTL.LIB三个库(一次只能最多调入三个库,这里所调入的库为最常用三个库)。若在这三个库里面没有找到所需要的器件，还可以调入其它的库或是造器件。例如此原理图中有所造的器件7805存入在新建的QQ.LIB库内。
二、调出所需要的器件
1、 电路原理图
绘制此原理图所需要调出的器件有8155一片，8031一片，从INTEL.LIB库内调出。74系列的有74LS373、74LS138、74LS30、74LS08、74LS32、74LS00各一片，从TTL.LIB库调出。存储器6264一片，从MEM.LIB库调出。电阻、电容和发光二极管，晶振分别从DEVICE.LIB库内调出。布置好元件的位置。（使用M→C命令移动元件的位置）。
2、 输入输出电路原理图
从LVJB.LIB库内调出6个LED数码管，从DEVICE.LIB库内调出24个按键，从INTEL.LIB库内调入一片8155。布置好各器件在绘图板的位置。
四、布线
根据上一节所分析的电路原理，开始布线。使用P→L命令，即可开始画线。画线时应该注意：在连接点外应放置连结点（按键P→J），为了看图的方便尽量少画交叉线。在画数据线，地址线时，选用BUS类型的线（CURRENT→LINE TYPE→BUS）。并在端口标记数据线，地址线，8031中P0口接8位数据线和地址线的低8位，P2口接地址线的高8位。在做标记时，先用粗线（CURRENT→LINE TYPE→THICK LINE）把管脚引出来，然后再在粗线上标记。在一些接地，接电源和接跳线器的管脚均需做上标记。8031的P2口接高8位地址线，当高8位地址为全“1”时，通过74LS30与非门，输出脚（8脚）输出低电平，接74LS138的/G2A（4脚），/G2B（5脚），为74LS138正常工作提供条件。74LS138译码器的G1端（6脚）接地址线A15。译码器的A、B、C三端接地址线A3、A4、A5。译码器的输出端Y7接74LS08与门的一端，74LS08与门的另一端由地址线A7和74LS30的输出脚（8脚）通过74LS32或门后所产生的信号相接。共同控制8155的使能端信号。74LS138译码器的其它6个输出口Y0→Y6接入跳线器，供扩展其它功能时使用。同时74LS30的输出端（3脚）与8155的IO//M相接，控制8155的工作状态（两种工作状态：输入输出工作状态和存储器状态）。8155的ALE、/RD、/WR、RESET端分别与8031的ALE//P、/RD、/WR、RESET端相接。所有的地址线和数据线均引出接跳线器。原理图见附表。
3．3 控制系统PCB设计
进入PCB设计系统，实际上就是双击TRAXEDI.EXE执行文件，进入PORTEL33绘制PCB图环境。
一、装入设计库
打开绘图环境后，执行LIBRARY→FILE，输入PROTEL33文件所在的位置，左击，选择TRAXSTD.LIB库，即将已存在的设计库装入。
二、设置参数
栅格的设置包括移动栅格的设置和可视栅格的设置。移动栅格主要用于控制工作空间的对象移动栅格的间距。设置栅格的间距为10，可视栅格为100。操作如下：Gird→Snap Grid，左击，输入10；Gird→Visible Grid,左击，输入100。
三、放置器件
先在库中找出所要→的器件的名字LIBRARY→BROWSE，再调出器PLACE→COMPONENT，输入器件名，即调出器件。对不存在的器件，例如，键盘不存在于库内，这时需要造键盘。首先执行PLACE→PAD命令，执行该命令后，光标变成了十字形状，将光标移到所需的位置，单击鼠标，即可将一个焊盘放置在该处，测好两个点之间的距离，将光标移到新的位置，按照上述步骤放置其他焊盘。键盘一共有四个焊盘，为矩形，长5个栅格，宽2个栅格。放置好后，定义为一个块BLOCK→DEFINE，加入进库中LIBRARY→ADD。当再次用这个元件时，直接从加入的库中调出来即可。
焊盘属性也需要设置，键盘的X轴尺寸设为100，Y轴尺寸也设为100，1脚的形状为矩形，焊盘通孔直径设为65。操作如下：EDIT→PAD，选中键盘的1脚，修改属性Designator:1,shap:Rectangular ,Layer:Multi-
layer，Hole Size:65，X-Size:100，Y-Size:100。键盘其它脚的形状为圆形Circular，其设置方法与上操作一样。电源插座的焊盘比较大，三个孔均为矩形（Rectangular）,X轴尺寸设为100，Y轴尺寸设为150，孔直径设为100。其它焊盘的1脚设为矩形，其它脚设为圆形，X轴尺寸均为50，Y轴尺寸也均为50，孔直径设为30，设置方法与键盘的操作一样。
四、布线
此焊盘的布线均布在正面和反面（Top layer和Bottom layer）。布线时，首先对线的属性进行设置。此焊盘的地线的宽度设为30，电源线设为45，其它线的亮度设为12。设置线宽的操作：Current→Track Width。布线用的命
智能数字控制系统
令为：Place→Track。同一个面上的线不可以交叉，相通的线在不同的面上要放置过孔，过孔的大小设为50。孔内径为28。执行的命令：Current→Via Size/Via Hole Size.设置过孔的命令为：Place→Via。在此焊盘上，大体上正面布的是横线，反面布的是竖线。最后画的是焊盘的外框线，此线在每一层在都需要画，便于在每一层进行检查时都有外框线。
一、检查
PCB图完成之后，需要对所有的连线进行检查，以确保连接的正确性。对每个点设置高亮度，可检查出与此点相连的所有的点。操作如下：Hight
light→Net，选中要检的点即可。
PCB图见附表。
二、生成网络表
PCB图完成之后，接下来的任务就是要生成网络表。操作如下：Hight
Light→Make Netlist，自动生成网络表。
第四章 智能数字控制系统装置的仿真调试
4．1 脱机调试
用万能表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查机中各器件的电源及各引脚的连线是否正确，检查数据总线、地址总线的控制总线是否有短路等故障。有时为保护芯片，先对各管座的电位（或电源）进行检查、确定其无误后再插入芯片检查。
4．2 调试硬件
首先检查、排除硬制电路板电源与地线的开路与短路，将仿真插头插到用户单片机插座时，不要插错、插反，必要时用万用表确认一下双方的1号脚，接通仿真机和用户系统电源时，仿真机应能正常工作，仿真电缆是经过信号驱动器隔离的，硬制电路板有故障，一般不会影响仿真机工作。如果不工作，首先检查电源，再检查电路板系统单片机的RST脚电平状态，若是处于复位状态，应排除此故障。
4． 3 调试软件
调试系统数据空间，使用仿真器提供的命令对系统数据的存储器，I/O芯片进行读写应正常，则数据，地址总线、/WR、/RD、片选信号有故障，可用测试程序或用示波器逐级观察波形找出故障，可在仿真器I状态通过键盘输入如下程序：
控制口的地址为FFF8H，在控制口输入控制字0FH，此时8155的PA口，PB口，PC口均设为输出口。其中PA口地址为FFF9H，PB口地址为FFFAH，PC口地址为FFFBH。首先调试A口的输出情况：输入PA口地址，并依次输入PA口的内容：01H，02H，04H，08H，10H，20H，40H，80H。分别测试数码管的对应位是否正常显示。若均正常显示，刚表示PA口的输出正确。若没有正常显示可根据未正常显示时输入的PA口的内容，根据PA口输入的内容，判断PA口的哪一个管脚出现了问题。若全部都没有正常显示可能是8155的工作状态出现了问题，这时需要测试8155的一些控制信号。若数码管的有些位显示正常而有些位不正常，这时，问题可能出现在不正常显示的管脚的接线是否正常，可用万用表测试是PA口的输出出现了问题还是数码管的电位不正确。在测试PB口时，输入PB口地址，与PA口一样，输入PB口的内容，由于PB口接的是键盘的列，并不能直观的从数码管中看出输出的正确与否，这时需要用万用表测输出端的电压来判断输出是否正确。测试PC端口的输出情况时，从仿真器的键盘中输入PC口的端口地址，然后依次输入PC口的内容：FEH，FDH，FBH，F7H，EFH，DFH。由于PC口控制键盘的行和数码管的位。在输入以上内容时，数码管只有选中对应的一个会亮，若结果不正确，则要分析8155的工作状态，PC口的输出状态和数位管的位选管脚的连接状况找出问题的所在。
第五章 外围电路的优化
5．1 VHDL语言与MAX+PLUS Ⅱ简介
5．1．1 VHDL语言简介
VHDL即Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description
Language,是符合美国电气和电子工程师协会标准（IEEE标准1076）的超高速集成电路硬件描述语言，它可以用一种形式化的方法来描述数字电路的设计数字逻辑系统。利用VHDL进行自顶向下的电路设计，并结合一些先进的EDA工具软件，可以极大地缩短产品的设计周期，加快产品进入市场的步伐，在当今高速发展的信息时代，可以更好地把握商机
VHDL适应实际电路系统的工作方式，以并行和顺序的多种主句方式来描述在同一时刻中所有可能发生的事件。因此，要求系统设计人员摆脱一维的思维模式，以多维开发的思路来完成VHDL的程序设计。
一个成功的VHDL工程设计，其评判的标准包括：是否完成功能要求、满足速度要求、并考虑其可靠性以及资源的占用情况。在具体的工程设计中，必须清楚软件程序和硬件构成之间的联系，在考虑语句能够实现的功能的同时，要考虑实现这些功能可能付出的硬件代价。在编程过程中某个不恰当的语句、算法或可省去的操作都可能带来硬件资源的浪费，因此，在保证完成功能的条件下，应该合理而有效地利用VHDL语言所提供的各种语法条件，尽量地优化算法，从而节约硬件资源。
5．1．2 MAX+PLUSⅡ简介
MAX+PLUS Ⅱ是美国ALTERA公司自行开发的一种对其公司生产的系列FPGA产品进行设计、仿真、编程的软件工具，它接受对一个电路设计的图形描述（电路图）或文本描述（硬件描述语言），通过编辑、编译、仿真、综合及FPGA编程等一系列过程，将用户所设计的电路原理图或电路描述转变为FPGA内部的基本逻辑单元，写入芯片中。MAX+PLUSⅡ具有丰富的元件库，能支持多种编辑方式，并具有强大的编译、逻辑仿真和综合能力。
5．2 8155的VHDL程序设计
一、工作原理
8155是单片机应用系统中广泛使用的芯片。它采用单一+5V供电，所以可以用可编程逻辑器件对它进行写操作。8155的输出有三个端口，可采用两位地址线通过译码分别控制三个端口的输出情况。
总体框图如下：若图片无法显示请联系QQ3710167
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二、 模块及模块功能
模块74LS139为2-4译码器，此模块可从VHDL提供的元件库中直接调出。74LS139可同时实现两组2-4译码器的功能。此设计中只用到它其中的一组：G1N，A1，B1，Y10，Y11，Y12，Y13。
模块SAN为三态缓冲器。采用MAX+PLUSⅡ编写的过程如下：
1、启动MAX+PLUSⅡ
进入Windows,双击MAX+PLUSⅡ图标，就可以进入如下图所示的MAX+PLUSⅡ主画面。
2、建立设计项目
首先在所需要的盘符上建立起用英文命名的文件夹，例如在E盘上建立zh文件夹。在zh文件夹上建立设计项目。建立项目的主要好外是便于管理和处理文件。启动File/Project/Name菜单，出现如下图所示的建立设计项目框。选择E盘zh文件夹，输入设计项目的名字SAN，点击OK，则建立一个名为SAN的设计项目，所有关于SAN的文件都存在这个设计项目里。
1、新建文件
单击File菜单后，选择New选项，屏幕如下图所示。
系统提示选择新建文件的类型，其中Graphic Editor file用于图形方式输入，可以保存为“.sch”和“.gdf”两种文件格式，选择“.gdf”格式。Symbol Editor file是符号编辑方式输入。Waveform Editor file是用于仿真的波形方式输入，可存为“.scf”和“.wdf”两种文件格式，选择“.scf”文件格式。Text Edit file为文本编辑方式，用于编辑VHDL源代码程序。
1、文件编辑
设计SAN模块时用文本编辑。点击File/New，选择TextEditorfile项，点击OK按钮，进入文本编辑界面。如下图所示：
进入文本编辑后首先要保存文件，点击File/Project/Set Project to Current File选项，选择E盘zh文件夹，将文件保存为san.vhd文件，点击OK按钮，文本文件即被保存到当前设计项目中，这是另一种存文件的方法。注意，必须把文件存为“.vhd”，这样才能以不同颜色的字体显示字，在实际的操作过程中，VHDL的保留字会变成其他颜色，这些保留字不可以作为程序的标识符。接着就可以写入源程序了。SAN模块的源程序如下：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity san is
port(aa:in std_logic_vector(7 downto 0);
en:in std_logic;
bb:out std_logic_vector(7 downto 0));
end san;
architecture san_arc of san is
begin
process(aa,en)
begin
if en='0' then
bb<=aa;
else
bb<="ZZZZZZZZ";
end if;
end process;
end san_arc;
源程序写入后，再次保存，文本输入就完成了。在实际的操作中，文本输入完毕后，一般会进行编译，系统在编译前会进行自动保存，所以不用刻意地保存文件。
1、编译
启动MAX+PLUSⅡ/Compiler菜单，出现编译界面。先给定器件，单击Asign/device栏，这里使用的是EPM7128SLC84-15，它在MAX7000S系列里，而且不选中Show Only Fastest Speed Grades复选框，单击OK。
在编译界面中单击Start键或者按快捷键
开始编辑，并且显示编译结果，生成的.pof、.cnt文件，在硬件下载和编程时调用。同时产生.rpt文件，可
详细查看编译结果，可查看使用的系统资源的情况。
如果编译时发现错误，将使编译中断，由信息管理器给出错误，并在源文件中进行定位，找出错误所在。错误等级共有四种：note(注意)、warning（警告）、 error（出错）、failure（失败）。
在编译前或编译后，单击File/Creat Defalt Symbol,将使所编辑的文件自动生成一个模块，以后就可以在图形输入时直接调用。
三、 模块组合
新建一个图形编辑器，可以在Enter Symbol编辑框的Symbol Name中输入元件名，或者从Symbol Libraries中鼠标双击元件名。从mf元件库中调入74139元件，从zh中调出三个san元件，从prim元件库中调出一些输入输出元件。
管脚连线：把鼠标移到引脚附近，鼠标光标由箭头变成十字，按住鼠标左键拖动，即可画连线，连线的粗细、线型以及管脚名字的大小，字型均可修改。特别注意正确连线，如果连接点正确，系统会自动产生连接的黑点。每个图形都得有输入端和输出端，在调用输入管脚（input）、输出管脚（output）的时候，输入管脚接图形的输入端，输出管脚接图形输出端。连接好的原理图如总体框图所示。
点击保存按钮，可以对原理图进行保存，扩展名为.gdf，取名为t8155.gdf。
四、 仿真
打开下图所示的窗口，点中Waveform Edictor file，打开波形编辑器。若图片无法显示请联系QQ3710167
在上图中单击Node菜单，在下拉菜单中选择Enter Node From SNF，或者直接点击右键，在弹出的菜单中选择Enter Node From SNF。出现一个窗口，再单击List按钮，将显示所有管脚，选中所需要管脚，如果要全选，则可使用=>，全选后点击OK按钮后，屏幕如下a图所示。
给定en，a0，a1的输入，单击垂直的工具条，给定输入。
文件保存后自动存为t8155.scf，点击OK按钮。
点击MAX+PLUXⅡ，将出现b图所示的对话框，单击Start按钮，软件将自动进行仿真。
仿真完成后，按OK按钮确定，点击Open SCF按钮，可以打开仿真结果。
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参 考 文 献
1. 王树勋.MCS-51单片机开发系统与监控分析.机械工出版社.
1993年第一期.
2. 王迎旭.单片机原理与应用.机械工业出版社.2006年第一版.
3. 戴梅萼.微型计算机技术及应用.清华大学出版社.2006年第三版.
4. 江思敏.Protel电路设计教程.清华大学出版社.2006年第二版.
5. 南建辉.MCS-51单片机原理及应用实例.清华大学出版社.
2004年第一版.
6. 王振红.VHDL数字电路设计与应用实践教程.机械工业出版社.
2006年第二版.
7. 杨晨宜.计算机组成结构.东南大学出版社.2005年第一版.
8. 张友德.MCS-51单片机实验指导.复旦大学出版社.1993年第一版.
本设计所选用的74系列芯片引脚图
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