第八章输出输入通道接口技术

Kkkjjh课程名称：单片机原理与接口技术第八章输出输入通道接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyKkkjjh第8章输入输出通道接口技术

8.1前向输入通道接口技术8.1.1概述8.1.2A/D转换接口技术8.1.3A/D转换器ADC0809应用实例8.2后向输出通道接口技术

8.2.1概述8.2.2D/A转换接口8.2.3D/A转换接口应用实例BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology引言放大器传感器(温度、压力、流量、应力等）采样/保持器A/D计算机显示器D/A示波器打印机计算机进行各种数字处理（如滤波、计算）、数据保存、打印等显示器显示字符、曲线、图形、图象等BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology引言BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology模拟信号数字信号：

A/D转换器(ADC－AnalogDigitalConverter)数字信号模拟信号：

D/A转换器(DAC－DigitalAnalogConverter)引言BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.1前向输入通道接口技术输入通道是将被控对象上的模拟信号和开关信号变换成数字量的各种电路和设备的总称。常见的输入通道有模拟量输入通道和数字量输入通道。BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.1.1概述1．数字量输入数字量包括N位并行数字量、开关量和频率信号。图8-2开关量信号检测电路BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.1.1概述放大整形光电隔离MCS-51P1.0频率信号图8-3频率信号输入通道BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.1.2A/D转换接口技术(1)A/D功能:将模拟电压成正比地转换成数字量A/DUI输入模拟电压D7~D0输出数字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位1.A/D功能及分类BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology(2)A/D转换器分类①并联比较型

特点:转换速度快,转换时间10ns~1s②逐次逼近型

特点:转换速度中,转换时间几s~100s③双积分型

特点:转换速度慢,转换时间几百s~几ms根据内部电路不同,分为以下三类:8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology逐次逼近式A/D组成：N位寄存器、N位D/A转换器、比较器和控制电路N位D/A转换N位寄存器逻辑控制比较器模拟量输入VX参考电压VREF数字量VC时钟启动转换结束DONE+-BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology并行A/DVXVREFC7C6C5C4C3C2C1VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF0.5RRRRRRR0.5RQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1++++++1245673+++A3A2eijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyA/D转换器的性能指标分辨率转换精度工作环境转换速度8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyADC0809内部资源8路模拟开关、地址锁存与译码器比较器逐次逼近寄存器（SAR)256电阻阶梯树状开关控制电路与三态输出锁存器8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology八路模拟开关地址锁存与译码器256电阻阶梯树状开关SAR控制电路三态输出锁存器比较器IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADDAADDBADDCALEACCGNDVREF（+）VREF（-）2-12-22-32-42-52-62-72-8OEEOCCLOCKSTARTVINVSTBeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyADC0809功能分析CLK：时钟信号，可由单片机ALE信号分频得到。转换有以下几步：ALE信号上升沿有效，锁存地址并选中相应通道。ST信号有效，开始转换。A/D转换期间ST为低电平。EOC信号输出高电平，表示转换结束。OE信号有效，允许输出转换结果。BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyMCS-51与A/D的接口要给START线送一个100ns宽的启动正脉冲；获取EOC线上的状态信息，它是A/D转换的结束标志；要给“三态输出锁存器”分配一个断口地址即给OE线上送一个地址译码器输出信号；接口方式：查询方式：中断方式：8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyADC0809和单片机的连接写信号、P2.0有效时，启动AD转换。转换结束后，输出高电平，向CPU发出中断请求读信号、P2.0有效时，允许输出AD转换结果。转换时钟由ALE分频得到。803174LS373ADC0809÷2CLKD0-D7≥1≥1111GEOCSTALEOERDP2.0WRINT1ALEP0A0-A7A0A1A2ABCVR(+)VR(-)+5VGNDIN0IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1转换结果由此输出BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology通道选择表

选择的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7CBA8031A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00809×××××××ST×××××CBA

×××××××0×××××000

…

…

×××××××0×××××1111.首先分析各个通道的地址。(IN0到IN7的地址为0000H到0007H）BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology编程：可采用中断、查询两种方式。中断方式：

ORG0000H ；主程序入口地址AJMPMAIN ；跳转主程序ORGOO13H ；中断入口地址AJMPINT1 ；跳转中断服务程序MAIN：SETBIT1 ；边沿触发 SETBEA ；开中断SETBEX1 ；允许中断MOVDPTR，#0007H；指向0809IN7通道地址ADC0809和单片机的连接BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyMOVX@DPTR,A ；启动A/D转换SJMP$ ；等待中断INT1:MOVXA,@DPTR ；读A/D转换结果MOVB,A ；存数RETI ；返回ADC0809和单片机的连接BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology查询方式：

ORG0000H ；主程序入口地址AJMPMAIN ；跳转主程序ORG1000H ；中断入口地址MAIN：MOVDPTR，#0007H；指向0809IN7通道地址MOVX@DPTR,A ；启动A/D转换L1:JBP3.3L1 ;查询 MOVXA,@DPTR ；读A/D转换结果MOVB,A ；存数SJMP$ADC0809和单片机的连接BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyMCS-51和ADC接口采用定时、查询和中断三种方式总结。（1）定时传送方式对于每种A/D转换器，转换时间作为一项技术指标，是已知的和固定的。如ADC0809的转换时间为128us，相当于MCS-51单片机（f=6MHz）64个机器周期，可以设计一延时子程序，当启动转换后，CPU调用该延时子程序或用定时器定时，延时时间或定时时间稍大于A/D转换所需时间。等时间一到，转换已经完成，就可以从“三态输出锁存器”读取数据。这种方法电路连接简单，但CPU费时较多。8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology（2）查询方式采用查询法就是将转换结束信号接到I/O口的某一位，或经过三态门接到单片机数据总线上。A/D转换开始之后，CPU就查询转换结束信号，即对EOC引脚查询它的状态：若它为低电平，表示A/D转换正在进行，则MCS-51应当继续查询；若查询到EOC变为高电平，则就给OE线送一个高电平，以便从线上提取A/D转换后的数字量。采用查询方法占用CPU时间，但设计程序比较简打单，故也常用这种方法。8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology（3）中断方式采用中断方式传送数据时，将转换结束信号接到单片机的中断中请端，当转换结束时申请中断，CPU响应中断后，通过执行中断服务程序，使OE引脚变高电平，以提取A/D转换后的数字量来。采用中断方法的优点是在A/D转换过程中不占用CPU的时间，且实时性强。8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology++Q1ADDAADDBADDCCLOCKSTART2-1EOC2-8OEALEIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ALEINT1P0.0P0.7RDWREA8031ADC0809P0.0P0.1P0.2F0HM1M2地址锁存器译码器ACCVREF（+）VREF（-）GND8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyA/D转换程序：

MOVDPTR，#0FE00H；ADC口地址 MOVA，#00 ；转换IN0 MOVX@DPTR，A ；启动A/D转换 LCALLDELAY ；等待转换结束 MOVXA，@DPTR ；取转换结果AD0～7ALEINTWRP2.0RDD0～7ADDABC

CLKEOCALESCOE≥1≥1111MCS-51ADC080983IN0～7BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology例1分别采用不同方式对8路模拟信号轮流采样一边，并依次把转换后的数据存放到数据存储区。8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.1.2A/D转换接口技术①定时传送方式MAIN： MOVR1，#data MOVDPTR，#7FF8H ；P2.7=0，且指向通道O MOVR7，#08H ；置通道数LOOP： MOVX@DPTR，A ；启动A/D转换 MOVR6，#OAHDLAY：NOP NOP NOP NOP DJNZR6，DLAY MOVXA，@DPTR ；读取转换结果 MOV@R1，A INCDPTR ；指向下一个通道 INCR1 ；修改数据区指针 DJNZR7，LOOP ；8个通道全采样完了吗?BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology②查询方式MAIN:MOVR1，#data MOVDPTR，#7FF8H ；P2.7=0，且指向通道O MOVR7，#08H ；置通道数LOOP：MOVX@DPTR，A ；启动A/D转换 SETBP1.0WAIT：JNBP1.0，WAIT ；查询P1.0状态 MOVXA，@DPTR ；读取转换结果 MOV@R1，A INCDPTR ；指向下一个通道 INCR1 ；修改数据区指针 DJNZR7，LOOP ；8个通道全采样完了吗? REI8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology③中断方式 SETBIT1 SETBEX1 SETBEA MOVDPTR，#7FF8H MOVA，#0 MOVX@DPTR，A … EINT1： MOVDPTR，#7FF8H MOVXA，@DPTR MOV30H，A MOVA，#00 MOVX@DPTR，A RETI8.1.2A/D转换接口技术BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology计算机数据采集原理简介A/D转换器转换完成信号采样/保持器模拟输入读取数据命令计算机接口A/D板A/D转换命令模拟输入电压在A/D转换期间应保持不变，否则A/D的输出数据总随输入电压而变，所以需要采样/保持器。BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology采样/保持器A/D转换器u1u2模拟输入数字输出A/D转换命令采样/保持器的功能：在A/D转换期间，使A/D的输入电压u2保持不变。计算机数据采集原理简介BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyt计算机数据采集原理简介

采样/保持器输入输出波形图A/D转换命令高电平期间u2跟随u1低电平期间u2保持不变，同时A/D进行转换u1输入模拟信号u2采样/保持器输出信号BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology计算机数据采集原理简介

采样周期采样频率A/D转换命令TT：采样周期，相邻两次采样之间的时间间隔单位s，ms，sf=1/T：采样频率，每秒采样的数据个数单位HzBeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyA/D转换器将脉冲下降沿时的模拟电压转换为数字量计算机数据采集原理简介

在计算机屏幕上波形的恢复显示tt1t2t3t4t5t6t7模拟信号信号幅度时间数字信号t1t2t3t4t5t6t7A/D转换命令计算机屏幕BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology计算机数据采集原理简介

在计算机屏幕上波形的恢复显示结论：因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点组成，所以，若将被采样波形恢复显示，必须有足够大的采样率。t1ms1kHz12kHz28kHz816kHz16频率为1kHz的正弦波4kHz4采样率每周期采样点数BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.2后向输出通道接口技术隔离功率驱动开关量开关量控制装置n隔离输出控制D/A转换功率驱动数字量控制装置模拟量控制装置数字量nn微机隔离输出控制频率控制装置频率信号BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.2.2D/A转换器(1)D/A功能:将数字量成正比地转换成模拟量D/An=4位8位10位12位16位n位数字量模拟量0~5V或0~10V1.D/A转换器原理BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology4位数据:00000V11115V分辨率:5V/15=0.333V/每1个最低有效位8位数据:000000000V111111115V分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位8.2.2D/A转换器BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology由三部分电路组成电阻网络模拟电子开关求和运算放大器8.2.2D/A转换器BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology输入4位二进制数输出模拟电压S0~S3:模拟电子开关D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF电阻网络求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参考电压D0D1D2D3++-3R3R/2UOBeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO当D3D2D1D0=0000时,S3S2S1S0都倒向地UO=0V(3)D/A转换原理当D3D2D1D0=0000时UO3R2R++-3R/2R等效电路3R0000AV=-1BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A转换原理(续)当D3D2D1D0=1000时,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R++-3R/2等效电路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2当D3D2D1D0=1000时0001AV=-13RBeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A转换原理(续)当D3D2D1D0=0100时,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF当D3D2D1D0=0100时UO=-VREF/4UO3R++-3R/2等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-1BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyD/A转换原理(续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO同理可推导，当D3D2D1D0=0010时，UO=–VREF/8当D3D2D1D0=0001时，UO=–VREF/16BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyD/A转换原理(续)D3D2D1D0=1000时，UO=–VREF/2=–D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，UO=–VREF/4=–D2VREF/22D3D2D1D0=0010时，UO=–VREF/8=–D1VREF/23D3D2D1D0=0001时，UO=–VREF/16=–D0VREF/24根据叠加原理:UO=–(D3VREF/21+

D2VREF/22+

D1VREF/23+

D0VREF/24)=–(D3/21+

D2/22+

D1/23+

D0/24)VREF

=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyUO=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)D/A转换原理(续)此式表明:D/A电路输出模拟电压UO与输入的数字量D3D2D1D0成正比BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyD/A转换典型芯片——DAC0832芯片

DAC0832是一个八位D/A转换器，转换时间1微秒，结构如下：输出为模拟电流，可转换为电压。LE1或LE2=1，当前寄存器的输出跟随输入LE1或LE2=0，锁存数据BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器ILECSWR1WR2XFERLE1LE2VREFIOUT1IOUT2RFBACCAGNDDGNDBeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyDAC0832应用特性DI0-DI7：转换数据输入CS：片选信号ILE，WR1：控制输入寄存器ILE=1，WR1=0时：直通ILE=1，WR1=1时：锁存因此，DAC0832可以有三种工作形式：直通、单级锁存、两级锁存。XFER，WR2：控制DAC寄存器XFER=0，WR2=0时：直通XFER=1orWR2=1时：锁存BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology1)DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器芯片，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制，故这种芯片有许多控制引脚，可以和微处理器的控制线相连，接受微处理的控制，2)有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。3)DAC0832内部无参考电压，须外接参考电压电路。4)DAC0832为电流输出型D／A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。图8-16为两级运算放大器组成的模拟电压输出电路。从a端输出为单极性模拟电压，如参考电压Vref=+5V，输出电压为0～-5V；从b端输出为双极性模拟电压，为±5V。D/A转换典型芯片——DAC0832芯片

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology+5V15k15k7.5kabVrefDAC0832RfbIout1Iout2

-+-+VOUTD/A转换典型芯片——DAC0832芯片

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology对于单极性输出电路，输出电压的表达式为：VOUT=-B式中B----输入数字量的十进制数； Vref――参考电压（V）；显然，参考电压Vref=+5V，当B=0--255（输入数字量为00H～0FFH）时，VOUT=-0--4.98V。通过调节运算放大器的调零电位器，可以对D/A芯片进行零点补偿。通过调节外接于反馈回路的电位器，可以调整满量程。D/A转换典型芯片——DAC0832芯片

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology对于双极性输出电路，输出电压的表达式为：VOUT=（B-128）表8-4双极性输出电压与输入数字量的关系输入数字量B输出电压值VOUTVref为正Vref为负11111111Vref-LSBVref+LSB………11000000Vref/2Vref/2………1000000000………01111111-LSB+LSB………00111111-Vref-LSB-Vref+LSB………000000000-Vref-VrefD/A转换典型芯片——DAC0832芯片

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyDAC0832和MCS-51单片机的接口方式直通方式：

输入寄存器和DAC寄存器共用一个地址，同时选通输出。双缓冲器方式：

输入寄存器和DAC寄存器分配有各自的地址，可分别选通用同时输出多路模拟信号。单缓冲器方式:若应用系统中只有一路D/A转换或虽然是多路转换，但并不要求同步输出时，则采用单缓冲器方式接口.

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology单缓冲方式的接口（1）

译码器输出——一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology“同时”做何解释?单缓冲方式的接口（2）

——两个输入寄存器同时受控的方式

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology例：D/A转换程序，用DAC0832输出0～5