應(yīng)用系統(tǒng)配置及接口技術(shù).ppt

《應(yīng)用系統(tǒng)配置及接口技術(shù).ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《應(yīng)用系統(tǒng)配置及接口技術(shù).ppt（45頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

,,,第10章單片機(jī)A/D及D/A轉(zhuǎn)換接口,10.1單片機(jī)測控系統(tǒng)與模擬輸入通道10.2A/D轉(zhuǎn)換器及接口10.3D/A轉(zhuǎn)換器及接口10.4A/D與D/A轉(zhuǎn)換器芯片的串行接口,10.1單片機(jī)測控系統(tǒng)與模擬輸入通道,現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)是信息技術(shù)，信息技術(shù)的三大支柱是：計算機(jī)技術(shù)、測控技術(shù)、通信技術(shù)單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用在這個三個領(lǐng)域都有涉足，特別是測控技術(shù),10.1.1單片機(jī)測控系統(tǒng)概述,測控技術(shù)包括“測”與“控”。測：實時采集被控對象的物理參量，如溫度、壓力、流量、速度等，這些參量通常是模擬量，即連續(xù)變化的物理量連續(xù)指的是：一是時間意義上的連續(xù)，即量值隨時間變化連續(xù)變化；二是數(shù)值意義上的連續(xù)，即量值本身連續(xù)變化。模擬量不能直接送給計算機(jī)，必須通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換。,控：把采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計算機(jī)計算、比較等處理后，得出結(jié)論，以對被控對象實施校正控制。經(jīng)計算機(jī)處理后得到的數(shù)字量結(jié)果，必須經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后才能被控制執(zhí)行部件所接受。A/D（analog/data）及D/A轉(zhuǎn)換在測控系統(tǒng)中為模擬輸入通道及模擬輸出通道,10.1.2模擬輸入通道,,1傳感器主要功能是采集信號，也有轉(zhuǎn)換功能，即把采集到的非電信號轉(zhuǎn)換為電信號（電壓即電流）。主要有：溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器，流量傳感器，壓力傳感器，機(jī)械量傳感器，成份分析傳感器、PH值傳感器。,傳感器采集信號和轉(zhuǎn)換信號的能力與質(zhì)量，將直接影響測控系統(tǒng)的性能。高質(zhì)量的傳感器的輸入與輸出信號間應(yīng)具有穩(wěn)定且重復(fù)性好的函數(shù)關(guān)系、較好的靈敏度和精確度以及較強(qiáng)的抗干擾能力。傳感器的發(fā)展方向是新原理、集成化和功能器件化。,2放大器,傳感器得到的電信號一般幅度較小，難以直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所以需要放大器對模擬信號進(jìn)行放大處理。放大器的種類很多，但在模擬輸入通道中使用的是一種高放大倍數(shù)并帶有負(fù)反饋的直接耦合放大器，并對輸入信號進(jìn)行多種數(shù)學(xué)運(yùn)算，也為運(yùn)算放大器。,3采樣/保持,采樣是為了跟蹤輸入信號的變化，其實質(zhì)是將一個連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間上離散的采樣信號，所以信號采樣要按一定時間間隔進(jìn)行，并且采樣頻率遠(yuǎn)高于信號中的最高頻率（一般是2。5倍），所以得到的采樣脈沖是一個寬度很窄的脈沖序列。而保持是把采樣信號保持一段時間，因為其后的A/D轉(zhuǎn)換需要一個時間過程。在保持期間要維持信號的穩(wěn)定，所以盡量保持信號不變。在模擬輸入通道中，采樣電路和保持電路是合在一起的，稱為采樣/保持電路。,4濾波器,測控系統(tǒng)工作時可能會受到環(huán)境干擾，如溫度、電場、磁場等，從而造成模擬信號中混有多種頻率的噪聲信號。甚至干擾信號大于有用信號，為了抑制干擾信號，提高信噪比，在模擬輸入通道中應(yīng)使用濾波器。分為模擬濾波和數(shù)字濾波。,模擬濾波器由電子元器件構(gòu)建的濾波電路，有LC諧振電路，及RC諧振電路。數(shù)字濾波是通過程序?qū)Σ蓸有盘栠M(jìn)行平滑加工，以提高有用信號，消除抑制干擾信號。有多種軟件可以作數(shù)字濾波。如MATLAB軟件包等。,5多路開關(guān),一個測控系統(tǒng)可以有多路系統(tǒng)，以便進(jìn)行多路采集，在多路系統(tǒng)中，只經(jīng)速度允許，就可以采用多通道共用一個A/D轉(zhuǎn)換器的方案，以簡化結(jié)構(gòu)降低成本。因此需要在模擬輸入通道中設(shè)置一個多路開關(guān)以進(jìn)行切換通道，以實現(xiàn)各個通道被分時、各個地被輪流接通。,10.2Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù),模／數(shù)（Ａ／Ｄ）轉(zhuǎn)換電路的種類有：計數(shù)比較型、逐次逼近型、雙積分型等等。逐次逼近型Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價格上都適中，是最常用的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器件。雙積分Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好、價格低廉等優(yōu)點，但轉(zhuǎn)換速度低。串行輸出的A/D芯片由于節(jié)省單片機(jī)的I/O口線，越來越多地被采用。如具有SPI三線接口的TLC1549、TLC1543、TLC2543、MAX187等，具有2線I2C接口的MAX127、PCF8591（4路8位A/D，還含1路8位D/A)等。,,10.2.1逐次逼近型并行輸出Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器及接口,ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器芯片由8路模擬開關(guān)、8位A／Ｄ轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器以及地址鎖存譯碼器等組成。,圖10-2ADC0809結(jié)構(gòu),㈠．芯片功能與結(jié)構(gòu)A／D分辨力：8位內(nèi)置多路開關(guān)，允許對8路模擬量分時轉(zhuǎn)換；自帶微機(jī)總線接口；最高轉(zhuǎn)換速度100μS／次；內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。,㈡．引腳功能：IN0－IN7：8通道模擬信號輸入D0－D7：8位數(shù)字量輸出ADDC、ADDB、ADDC：通道選擇，000－111對應(yīng)于IN0－IN7ALE：通道地址鎖存，正脈沖輸入START：啟動信號，正脈沖輸入EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換開始后EOC＝0，轉(zhuǎn)換結(jié)束時EOC＝1OE：輸出允許控制CLK：轉(zhuǎn)換時鐘信號，典型值640KVREF（＋）、VREF㈠：A／D參考電壓VIN=VREF（D7—D0）/256；（D7—D0）=00H—FFHVCC、GND：電源電壓+5－+15V,㈢．工作時序：ALE＝1：ADDA－ADDC進(jìn)入ALE＝0；ADDA－ADDC鎖存START：上升沿使A／D內(nèi)部復(fù)位，下降沿啟動A/D（一般START可兼作ALE信號使用）EOC：轉(zhuǎn)換開始后為0，結(jié)束時為1OE：高電平使片內(nèi)數(shù)據(jù)輸出，低電平數(shù)據(jù)線為高阻,,圖9-28ADC0809的時序圖,2、ADC0809與89C51接口,ADC0809與89C51連接可采用查詢方式，也可采用中斷方式。圖9-29為中斷方式連接電路圖。由于ADC0809片內(nèi)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可直接與89C51接口。,圖10-3ADC0809與89C51的連接,0809與8031接口（總線型）ADDA－ADDC：連至A0－A2DO－D7：接數(shù)據(jù)總線START、ALE：由P2.7、WR“或非”產(chǎn)生例：啟動通道0轉(zhuǎn)換MOVDPTR，＃7FF8HMOVX@DPTR，AP2.7＝0，WR＝0，ALE＝STATR＝1，通道地址進(jìn)入，A／D復(fù)位。P2.7＝0，WR＝1，ALE＝START＝0，通道地址鎖存，A／D啟動。EOC：通過非門接INT1，轉(zhuǎn)換結(jié)束時產(chǎn)生中斷，OE：由P2.7和RD通過“或非”門產(chǎn)生，“讀”A／D例：MOVXA，@DPTR（DPTR＝7FF8H）P2.7=0，RD＝0，OE＝1，D0－D7→數(shù)據(jù)總線，被CPU讀取。CLK：由ALE通過分頻產(chǎn)生，亦可單獨提供時鐘。VREF（＋）、VREF㈠：參考電壓(一般為+5V),,,,,3、程序?qū)嵗?路巡回檢測設(shè)對8點溫度巡回檢測，溫度范圍－30℃－＋50℃，檢測精度1℃。數(shù)據(jù)存放于外RAMA0H－A7H單元。主程序：MAIN：MOVR0，＃0A0H；數(shù)據(jù)暫存區(qū)首址MOVR2，＃08H；8路數(shù)初值SETBIT1；脈沖觸發(fā)方式SETBEA；開中斷SETBEX1MOVDPTR，＃7FF8H；指向0809首地址(IN0)MOVX@DPTR，A；啟動A／D轉(zhuǎn)換HERE：SJMPHERE；等待中斷中斷服務(wù)程序：MOVXA，@DPTR；讀A/DMOVX@R0，A；存數(shù)INCDPTR；更新通道INCR0；更新暫存單元DJNZR2，DONERET1DONE：MOVX@DPTR，A；啟動A／D轉(zhuǎn)換RETI,A/D轉(zhuǎn)換芯片說明,原理劃分：積分型：精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但速度不高。逐次逼近型：原理簡單，中等速度，分辨率較高。閃爍型：速度快，功耗大，且電路復(fù)雜。，分辨率高，價格便宜，抗干擾能力強(qiáng)。,,2輸入電壓信號形式,分為單極、雙極和差分三種單極：允許電壓0~+5V，0~+10V，和0~+20V，線路簡單，一條輸入線，一條地線。雙極：電壓可正可負(fù)，一條引線輸入，但芯片上需要一對極性相反的工作電源與之配合。差分：是不共地電壓信號，需要兩條線輸入。,3輸出二進(jìn)制代碼形式,有二進(jìn)制代碼和BCD代碼兩種形式。二進(jìn)制代碼有8、10、12、14、16、20、24位等。BCD碼主要用在數(shù)字電壓表中，輸出的BCD碼可直接在LED或LCD中進(jìn)行顯示。常見的有3位半、4位半、5位半。3位半是4組BCD碼，分別為千位、百位、十位、個位，但其中對應(yīng)百、十、個位的BCD碼都用來表示數(shù)字，即0~9共10個數(shù)字，對應(yīng)千位的BCD碼只用其0或1，其它的3個高位用于表示數(shù)值的正負(fù)或被測量的欠量程和過量程等標(biāo)志，所以稱為“半”位。所以最大值為1999。,4分辨率,分辨率是轉(zhuǎn)換器對被轉(zhuǎn)換量變化敏感程度的描述?；蛘哒f轉(zhuǎn)換器對被轉(zhuǎn)換量變化的分辨能力，也可以說是輸入量有多大的變化量轉(zhuǎn)換器輸出端才有反應(yīng)。對于A/D轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換量是電壓，所以分辨率是對輸入電壓信號變化的分辨能力，即輸入電壓有多大的量才能使輸出量改變一個二進(jìn)制單位，因此，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是電壓值。,對于N位的A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率為滿量程輸入電壓與2N之比，或滿量程電壓的1/2N。如滿量程為10V的12位A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率為10/212=2.4mV.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，分辨率越小，分辨能力越強(qiáng)，,5控制信號,時鐘信號：轉(zhuǎn)換啟動信號：脈沖信號，ADC0809等，可通過執(zhí)行一條指令來作為啟動信號，有的是電平信號，并且在整個轉(zhuǎn)換過程中電平要一直保持，為此，可使用一個D觸發(fā)器產(chǎn)生啟動信號。,6轉(zhuǎn)換結(jié)束和數(shù)據(jù)讀取,3種數(shù)據(jù)讀取方式（1）定時等待（2）查詢方式（3）中斷方式,10.3D/A轉(zhuǎn)換器接口,后向通道是計算機(jī)實現(xiàn)控制運(yùn)算處理后，對被控對象的輸出通道接口。系統(tǒng)的后向通道是一個輸出通道，其特點是弱電控制強(qiáng)電，即小信號輸出實現(xiàn)大功率控制。常見的被控對象有電機(jī)、電磁開關(guān)等。單片機(jī)實現(xiàn)控制是以數(shù)字信號或模擬信號的形式通過Ｉ／Ｏ口送給被控對象的。其中，數(shù)字信號形態(tài)的開關(guān)量、二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量可直接用于開關(guān)量、數(shù)字量系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)的控制；但對于一些模擬量控制系統(tǒng)，則應(yīng)通過Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量控制信號后，才能實現(xiàn)控制。10.3.1后向通道中的功率開關(guān)器件及接口10.3.2串行輸入D/A芯片TLC5615接口技術(shù)10.3.3并行輸入Ｄ／Ａ芯片及接口技術(shù),,1.繼電器及接口1)單片機(jī)與繼電器的接口一個典型的繼電器與單片機(jī)的接口電路如圖所示。,圖10-5繼電器接口,10.3.1后向通道中的功率開關(guān)器件及接口,2.光電耦合器(隔離器)件及驅(qū)動接口,為防止干擾竄入和保證系統(tǒng)的安全，常常采用光電耦合器,用以實現(xiàn)信號的傳輸,同時又可將系統(tǒng)與現(xiàn)場隔離開。晶體管輸出型光電耦合器的受光器是光電晶體管，如圖10-6所示。,圖10-6光電耦合器4N25的接口電路,3.光電耦合驅(qū)動晶閘管(可控硅)功率開關(guān)及接口,圖10-7是4N40和MOC3041的接口驅(qū)動電路。4N40是常用的單向晶閘管輸出型光電耦合器，也稱固態(tài)繼電器。MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器(固態(tài)繼電器)。,圖10-7晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口,,10.3.2并行輸入Ｄ／Ａ芯片及接口技術(shù),1.并行輸入Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換芯片——DAC0832主要由兩個8位寄存器和一個8位Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器組成。,圖10－8DAC0832結(jié)構(gòu),1)DAC0832引腳功能,D0～D7：數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入線。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許信號，高電平有效。CS：輸入寄存器選擇信號，低電平有效。WR1：輸入寄存器的“寫”選通信號，低電平有效。XFER：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移控制信號線，低電平有效。WR2：DAC寄存器的“寫”選通信號。VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線。RFB：反饋信號輸入線，芯片內(nèi)已有反饋電阻。IOUT1和IOUT2：電流輸出線。IOUT1與IOUT2的和為常數(shù)，IOUT1隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化。一般在單極性輸出時，IOUT2接地；在雙極性輸出時，接運(yùn)放。VCC：工作電源。DGND：數(shù)字地。AGND：模擬信號地。,2)DAC0832特性,主要的特性參數(shù)如下：分辨率為8位。只需在滿量程下調(diào)整其線性度?？膳c所有的單片機(jī)或微處理器直接接口，需要時亦可不與微處理器連接而單獨使用。電流穩(wěn)定時間為1μｓ?？呻p緩沖、單緩沖或直通數(shù)據(jù)輸入。功耗低，約為200mW。邏輯電平輸入與TTL兼容。單電源供電（＋５～＋１５Ｖ）。,2.D/A轉(zhuǎn)換器與89C51接口,實際應(yīng)用中常常需要Ｄ／Ａ芯片的輸出還需要有將電流轉(zhuǎn)換為電壓的電路。下面介紹兩種電路供參考：圖9-44(a)是反相電壓輸出電路，輸出電壓ＶＯＵＴ＝－ｉＲ；圖9-44(b)是同相電壓輸出電路，輸出電壓ＶＯＵＴ＝ｉＲ（１＋Ｒ２／Ｒ１)當(dāng)ＶＲＥＦ接＋5Ｖ(或－5Ｖ)時，輸出電壓范圍是０～5Ｖ（或0～－5Ｖ)；當(dāng)ＶＲＥＦ接＋１0Ｖ(或－１０Ｖ）時,輸出電壓是０～１0Ｖ(或０～－１0V),圖10-9D/A轉(zhuǎn)換輸出電路,1)直通式工作方式應(yīng)用,圖所示為直通式工作方式的連接方法。輸入到DAC0832的D0～D7數(shù)據(jù)不經(jīng)控制直達(dá)8位D/A轉(zhuǎn)換器。當(dāng)某一根地線或地址譯碼器的輸出線使DAC0832的ＣＳ腳有效(低電平)或ＣＳ與ＷＲ１直接接地時，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)字節(jié)直通Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換并輸出.,圖10-9DAC0832直通式電壓輸出電路,,,,2)DAC0832單緩沖工作方式應(yīng)用,這種方式下，將二級寄存器的控制信號并接，輸入數(shù)據(jù)在控制信號作用下（一次控制，一次緩沖），直接打入8位DAC寄存器中并進(jìn)入8位D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。當(dāng)執(zhí)行寫指令時，DAC0832相應(yīng)的控制信號時序如圖所示。,圖10－10一路D/A輸出連線圖（單路模擬量輸出）,①產(chǎn)生鋸齒波的程序,程序如下：MOVDPTR，#2FFFH；設(shè)置Ｄ／Ａ口地址MOVA，#00H；輸入數(shù)字量00H到A(初值為00H)LOOP:MOVX@DPTR，A；輸出對應(yīng)于A內(nèi)容的模擬量INCA；修改A的內(nèi)容(原來值加1)AJMPLOOP,圖9－47D/A產(chǎn)生鋸齒波程序框圖,②產(chǎn)生方波的程序,MOVDPTR，#2FFFH；設(shè)置Ｄ／Ａ口地址LOOP:MOVA，#0FFH；給A送最大值MOVX@DPTR，A；Ｄ／Ａ輸出相應(yīng)模擬量ACALL＄2700H；延時MOVA,#00H；給A送最小值MOVX@DPTR,A；D/A輸出相應(yīng)模擬量ACALL＄2700H；延時AJMPLOOP；返回循環(huán),10.4A/D與D/A轉(zhuǎn)換器芯片的串行接口,10.4.1通過I2C總線連接芯片PCF8591PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bitCMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0,A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。功能PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模,PCF8591引腳AIN0～AIN3：模擬信號輸入端。A0～A2：引腳地址端。VDD、VSS：電源端（2.5～6V）SDA、SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線。OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端。EXT：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時EXT接地。AGND：模擬信號地。AOUT：D/A轉(zhuǎn)換輸出端。VREF：基準(zhǔn)電源端。,器件地址為1001A2A1A0，可以擴(kuò)展8片PCF8591。,10.4.2通過軟件模擬的串行接口,芯片MAX187MAX187是美信公司推出的12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部含有采樣/保持電路。單5V操作電源，轉(zhuǎn)換速度為10微秒，SPI總線。,,,當(dāng)CS為高電平時，MAX不被選中。,當(dāng)CS為低電平時，MAX被選中。模擬信號從AIN腳輸入，并由CS的下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換。再通過P1。1輸出正時鐘脈沖序列給SCLK，對應(yīng)每個時鐘脈沖的下降沿，就出現(xiàn)一位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后在下一個輸出正時鐘脈沖的上升沿處該位數(shù)據(jù)穩(wěn)定，由8051的P1。2串行讀入。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是從最高位開始出現(xiàn)的，因此，為了讀出12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，需要13個時鐘脈沖，在第13個時鐘脈沖之后，將CS變?yōu)楦唠娖?，一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。,,MAX187是美信公司推出的12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部含有采樣/保持電路。單5V操作電源，轉(zhuǎn)換速度為8.5s，具有片上4.096V參考電壓，模擬量輸入范圍為0～。三線串行接口，兼容SPI，QSPI.MicroWire總線。1MAX187的引腳功能說明MAX187有8腳DIP封裝和16腳SO封裝2種，圖1給出DIP封裝的引腳排列，SO封裝請查閱文獻(xiàn)[1]。表1是引腳功能說明。2操作時序,