基于ＰＣ的分頻器設計與實現(xiàn)

摘要：簡要設計和實現(xiàn)了基于PC的分頻器，從硬件的選配，軟件的編寫和調(diào)試。討論了硬件的選擇原則，并實現(xiàn)了最優(yōu)化，從軟件的編寫角度考慮內(nèi)存的應用情況，有助于大規(guī)模工程的實現(xiàn)。

關鍵詞：PC；分頻器；最優(yōu)化

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)14-20950-02

1 分頻器的設計和實現(xiàn)思路

分頻器就是能夠?qū)⑤斎腩l率通過器件的作用在輸出時變?yōu)樵瓉淼腘分之一。要想能夠達到分頻目的，需要一個能夠?qū)?shù)值輸入的接口，設計要求中需要的是從二進制邏輯開關；同時要考慮到硬件芯片接口問題，在這里我們用8255來完成。利用8253芯片在方式3下的工作特點完成硬件分頻。

在整個分頻過程中，同樣要求有一個輸出接口，設計要求中需要的是由LED完成。這個輸出數(shù)值是分頻器的分頻系數(shù)。所以本設計中需要至少兩個可編程接口芯片，輸入頻率需要產(chǎn)生，輸出頻率需要顯示。

1.1 解決問題的方法及思路

1.1.1 硬件部分

首先用8253來實現(xiàn)分頻器的作用。通過對計算機可編程芯片的學習，知道可編程定時器/計時器8253工作在方式3時，可以產(chǎn)生方波，用來計算分頻的結(jié)果非常方便。

然后是輸入和輸出接口芯片的選擇，我們采用8255來完成這個工作。8255是一種通用的可編程并行I/O接口芯片。8255既可以作為輸入接口，同時也可以作為輸出接口，這兩種功能可以同時進行。

分頻系數(shù)由二進制邏輯開關輸入，通過邏輯開關的閉合狀態(tài)表示“1”，“0”。然后將其作為二進制數(shù)來表示十六進制數(shù)。本設計中這個數(shù)值作為8253的分頻系數(shù)值。

分頻系數(shù)的輸出由LED顯示器來完成顯示，LED顯示器在實驗箱上有提供，為六位。本設計中只要有四位顯示器即可，由單獨的四位顯示器芯片來完成工作。

8253需要一個頻率發(fā)生器為之提供固定的脈沖頻率從而進行分頻工作。這個任務由頻率發(fā)生器74LS16完成，它可以產(chǎn)生固定的脈沖頻率，并可以改變發(fā)生脈沖頻率的值。也就是說它可以將脈沖頻率限制在2MHZ以內(nèi)，這樣就達到了本設計的第一個要求。

1.1.2 軟件部分

對8253的8253的工作方式設定為方式3，用計數(shù)器0和計數(shù)器2進行工作。計數(shù)器0工作方式控制字為：36H。通道2用來控制二極管，所以初始化計數(shù)器2的工作方式控制字為：0b6h。

初始化8255，c口輸入，a，b口輸出，b口段選，a口位選。C口作為輸入口，與邏輯開關相連，接收開關表示的數(shù)值輸入。PA、PB口作為輸出口，它們的分別于LED的位碼和段選碼相連，這樣8255的方式選擇控制字為：10001001B。

2 硬件設計

2.1 選擇芯片8253A

8253A在本設計中起分頻器的作用，即將固定頻率分成其1/N輸出。接受頻率發(fā)生器發(fā)出的固有頻率，將其按照輸入的分頻系數(shù)進行分頻，把結(jié)果傳到8255。

8253A是一種可編程的定時器/計數(shù)器芯片，它可用于事件計數(shù)、分頻、方波脈沖發(fā)生、定時器等各個有用的方面。它分頻工作的功能是這樣的：CLK引腳獲得初始頻率，此時若GATE為高電平，十六位計數(shù)初值寄存器中的數(shù)據(jù)裝入計數(shù)執(zhí)行單元CE中，它對CLK脈沖計數(shù)，每出現(xiàn)一個CLK脈沖，計數(shù)對執(zhí)行單元CE的值減小。當減為0時，通過OUT輸出指示信號，表明計數(shù)執(zhí)行單元已為0。這時OUT輸入的信號頻率是CLK頻率的N分之一。這樣就達到了分頻的目的。8253A有5種工作方式：門脈沖控制時鐘輸入，用門脈沖重新啟動計數(shù)器，用門脈沖停止計數(shù)器工作，單次計數(shù)，循環(huán)計數(shù)等。

2.2 LED顯示器

LED在本設計中作為分頻系數(shù)的輸出觀察，需要以段位碼判斷各位輸入的二進制數(shù)，并且做相應輸出，從而驗證設計中的接口電路是否成功。

LED是一種當處加電壓超過額定電壓時發(fā)生擊穿，并因此而產(chǎn)生可見光的器件。這種數(shù)碼管是由7段或8段（含有小數(shù)點，本實驗中使用此種）筆畫顯示器組合一個字符而形成的。當段組合發(fā)亮時，便可以顯示某一數(shù)碼或字符。7段代碼的各位用作a—g和DP的輸入。LED分為共陰極和共陽極。兩種情況下的字符編碼不一樣。

2.3 選擇芯片8255A

8255A在本設計中起并行I/O傳輸接口，主要起到接受人為輸入的分頻系數(shù)并將其傳至8253，待8253分頻成功后再將分頻頻率傳出，使得L1小燈作出相應閃爍；并且將輸入的分頻系數(shù)通過內(nèi)部連接的74L244傳給LED，使得分頻系數(shù)在LED顯示器上顯示出來。采用8255A的方式0。C口作為輸入口，與邏輯開關相連，接收開關表示的數(shù)值輸入。PA、PB口作為輸出口，它們的分別于LED的位碼和段選碼相連。

8255A是一種通用的可編程并行I/O接口芯片，又稱“可編程外設接口芯片”。它是為8086/8088而設計的可以通過程序來改變其功能。本設計中8255A設置為方式0，在方式0下，CPU可以采用無條件讀/寫方式與8255A交換數(shù)據(jù)。C口作為輸入口，與邏輯開關相連，接收開關表示的數(shù)值輸入。PB口的八位作為LED的段選碼，以顯示是何數(shù)值輸入。同時這個數(shù)據(jù)送給8253A作為其的分頻系數(shù)。

2.4 邏輯開關

邏輯電平開關在本設計中作為輸入器件，通過其輸入的二進制數(shù)值來表示分頻系數(shù)。它與8255A的PC口相連。由于需要輸入16位二進制數(shù)，但是實驗設備只有8位二進制邏輯開關，所謂16位二進制數(shù)的輸入需要經(jīng)過4次逐位輸入才能完成，具體方法如下：當8位二進制開關1～8中的第8位為1時，允許輸入當?shù)?和第6為分別為00、01、10、11時各代表16位二進制數(shù)的低8位的低4位、低8位的高4位、高8位的低4位、高8位的高4位，這將當?shù)?位為0第5為置1，就使得剛才輸入數(shù)據(jù)打入8253，成為分頻系數(shù)。

邏輯開關可作為數(shù)值的輸入器件，也可以表示邏輯值。撥上時為+5V，撥下時為0V，分別代表“1”和“0”。其中5～8位需要做一些設定，簡單的說第8位做輸入控制，6和7位做位碼選擇，而第5位就做打入指令。

2.5 硬件總邏輯圖及其說明

8255的D7—D0與8086的AD19—AD0通過數(shù)據(jù)總線收發(fā)器相連接，它的A1、A0與8086的A2、A1通過地址鎖存器連接。由地址譯碼器的CS0連接其CS端。上述3位控制端作為8255的選擇工作信號。8086的讀/寫控制信號也與8255的WR、RD相連接。8255的PA口八位與LED的8位段碼相連，而位碼則與PC的相連，273的片選與CS1相連。8255的PC口全部8位與8位二進制開關相連。8253的數(shù)據(jù)線、控制線、地址線、讀/寫控制線的連接與8255基本一致。片選線CS與CS2相連。8253的計數(shù)器的OUT與發(fā)光二極管相連，GATE與高電平相連。CLK與頻率發(fā)生器相連。

3 控制程序設計

程序的一開始初始化8255A，然后再讀取十六位二進制開關的數(shù)值，將其保存到新開辟的一個內(nèi)存單元中。接下來初始化8253A，將保存到內(nèi)存單元中的數(shù)值送入8253A，作為8253A的分頻系數(shù)。8253A開始工作，進行分頻，并將結(jié)果通過指示燈顯示出來。送入內(nèi)存中的數(shù)值再被送入到8255A進行輸出。通過段碼和位碼的選擇，將要輸出的數(shù)值在其應該出現(xiàn)的地方顯現(xiàn)出來。段碼的選擇通過讀取段碼表的數(shù)據(jù)，將此時刻所讀取的數(shù)值轉(zhuǎn)化為它的段碼值。位碼的選擇按照順序進行。從低位到高位進行選擇。每個數(shù)值的顯示都要設置一定的延時，并且使要顯示的四位數(shù)值循環(huán)起來顯示，這樣在人眼的觀察下就是靜態(tài)的顯示了。

4 上機調(diào)試過程

4.1 硬件調(diào)試

在硬件調(diào)試的過程為：首先連線，8255的D7—D0與8086的AD19—AD0通過數(shù)據(jù)總線收發(fā)器相連接，它的A1、A0與8086的A2、A1通過地址鎖存器連接。由地址譯碼器的CS0連接其CS端。上述三位控制端作為8255的選擇工作信號。8086的讀/寫控制信號也與8255的WR、RD相連接。8255的PA口八位與LED的八位段碼相連，而位碼則與PC的相連，273的片選與CS1相連。8255的PC口全部8位與8位二進制開關相連。8253的數(shù)據(jù)線、控制線、地址線、讀/寫控制線的連接與8255基本一致。片選線CS與CS2相連。8253的計數(shù)器的OUT與發(fā)光二極管相連，GATE與高電平相連。CLK與頻率發(fā)生器相連。當設備連線完畢后，打開實驗箱的電源開關，看實驗箱上的各個電源指示燈是否亮起，如果亮起，說明設備供電正常。

4.2 軟件調(diào)試

首先進入與實驗設備相配套的編程環(huán)境，將程序先輸入其中。經(jīng)過編譯連接后使其成為可以運行的匯編程序。在調(diào)試的過程中，采用單步運行的方式，每次都要檢查一下程序中用到的寄存器里面的數(shù)值，看它們是否是理論上程序運行后的數(shù)值。從中判斷所寫程序的正確性。以便找出程序錯誤的細節(jié)之處。此外還要注意邏輯錯誤，是程序本身符合功能需要。對此，要通過對檢查寄存器數(shù)值的觀察，得出結(jié)論，加以修改。

4.3 聯(lián)機調(diào)試

檢查實驗箱與電腦是否連接完好，打開實驗箱電源。接著在電腦上進行操作，先點開調(diào)試軟件。當屏幕上顯示出連接成功時，就可以編譯程序了。當程序編譯、鏈接并傳下位機后按全速運行，再觀察四位LED數(shù)碼管的顯示和L1指示燈的閃爍情況。

5 設計結(jié)果分析

本設計經(jīng)過調(diào)試、驗證，得出符合要求的結(jié)果。即在8位二進制邏輯開關上分四次輸入4位二進制數(shù)值后，作為8253A的分頻系數(shù)并且要在4位LED數(shù)碼顯示器上顯示出來。當8位二進制開關1～8中的第8位為1時，允許輸入當?shù)?和第6為分別為00、01、10、11時各代表16位二進制數(shù)的低8位的低4位、低8位的高4位、高8位的低4位、高8位的高4位，這將當?shù)?位為0第5為置1，就使得剛才輸入數(shù)據(jù)打入8253，成為分頻系數(shù)。此時，LED數(shù)碼顯示器低4位分別顯示輸入的相應數(shù)據(jù)，而L1指示燈閃燈頻率應該是頻率發(fā)生器輸出的原始頻率和輸入的分頻系數(shù)通過8253分頻后得到的頻率。

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