测控接口技术概要

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单片机系统中主要的应用领域是在实时测控、智能化仪表以及自动控制等方面，而在这些应用系统除数字量之外还会遇到另一种物理量，即模拟量。例如：温度、速度、电压、电流、压力等，它们都是连续变化的物理量。由于单片机只能处理数字量，因此在单片机系统中检测的信号为模拟量的就需要将模拟量转换为数字量输入，这样单片机才能对其进行处理。然后再将处理结果的数字量转换为模拟量输出，实现对被控对象（过程或仪器仪表机电设备、装置）的控制。因此就出现了单片机的数,/,模（,D/A,）和模,/,数（,A/D,）转换的接口问题。,第,4,章 测控接口技术,第,4,章 测控接口技术,A/D,转换接口与应用,D/A,转换接口与应用,A/D,转换接口与应用,A/D,转换器概述,A/D,转换器的选择,常用,A/D,转换器接口芯片,ADC0809,实践与思考,实现模拟量变换为数字量的器件称为模数转换器（,ADC,）简称,A/D,转换器。,A/D,转换器在单片机控制系统中主要用于数据采集，向单片机提供被控对象的各种实时参数 。,A/D,转换器概述,A/D,转换器分类,A/D,转换器的基本原理,A/D,转换器的主要技术指标,A/D,转换器分类,双积分式,A/D,转换器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜；但转换速度较慢，因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合。逐次逼近式,A/D,转换器，转换速度较快、精度较高，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。压频变换式（,V/F,）,A/D,转换器的电路简单，对外围器件要求不高，适应环境能力强，转换速度可与双积分式,A/D,相比，且价格低。,双积分式,A/D,转换器,逐次逼近式,A/D,转换器,压频变换式,A/D,转换器,A/D,转换器的基本原理,双积分式,A/D,转换器的工作原理,逐次逼近式,A/D,转换器的工作原理,压频（,V/F,）变换式,A/D,转换器原理,工作原理框图如下：,开始,积,分,输,出,固定积分时间,T,1,t,T,2,斜率固定,B,A,B,U,IN,控制逻辑,A,计数器,标准,电压,时钟,开关,模拟输,积分器,比较器,入电压,双积分式,A/D,转换器原理,双积分式,A/D,转换器原理,在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压,VIN,在固定时间,T,内对积分器上的电容,C,充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与,VIN,极性相反的基准电源上，此时电容,C,开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容,C,放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。由图所示的积分器波形可以看出：反向积分的斜率是固定的，,V,IN,越大，积分器的输出电压就越大，反向积分时间就越长。计数器在反向积分时间内的计数值就是输入电压,V,IN,在时间,T,内的平均值对应的数字量。由于这种,A/D,要经历正、反两次积分，故转换速度较慢。常用的双积分,A/D,转换集成电路有,MC14433,、,ICL7135,等。,逐位逼近式,A/D,转换原理,工作原理框图如下：,逐位逼近式,A/D,转换原理,控制逻辑先置,1,结果寄存器最高位,Dn,1,，然后经,D/A,转换得到一个占整个量程,1/2,的模拟电压,VS,，比较器将,VS,和模拟输入量,VX,比较，若,VX,VS,则保留,Dn,1,（为,1,），否则,Dn-1,清零位。然后控制逻辑置,1,结果寄存器次高位,Dn,2,，连同,Dn,1,一起送,D/A,转换，得到的,VS,再和,VX,比较，以决定,Dn,2,位保留为,1,还是清零，依次类推。最后,D0,连同前面的,Dn,1,，,Dn,2,，,D1,一起送,D/A,转换，转换得到的结果,VS,和,VX,比较，决定,D0,保留为,1,还是清零。至此，结果寄存器的状态便是与输入的模拟量,VX,对应的数字量。常用逐次逼近式,A/D,器件有,ADC0809,、,ADC0816,、,ADC1210,、,AD574,等。,压频（,V/F,）变换式,A/D,转换器原理,工作原理框图如下：,同时启动计数器与定时器，计数器将,V/F,输出的频率信号作为计数脉冲，定时器用基准频率作为定时脉冲，当定时结束时，定时器输出信号使计数器停止计数，这样计数器的计数值与频率之间的关系为,f,=,D,/,T,式中：,D,是计数值，,T,是计数时间，只要知道计数值,D,及计数时间,T,就能算出频率,f,，并根据频率计算出模拟电压。,A/D,转换器的主要技术指标,（,1,）分辨率：即输出的数字量变化一个,LSB,（数字量的最低有效位）值的输入模拟量的变化值。,（,2,）量程误差：即输出全为,1,时输入的电压与理想输入量之差。,（,3,）转换速率：完成一次,A/D,采样的时间。,（,4,）转换精度：实际,A/D,结果与理想值之差。,（,5,）与,CPU,之间的接口方式：有并行接口方式和串行接口方式。,A/D,转换器的选择,1. A/D,转换器转换位数的确定,A/D,转换器转换位数的确定与整个测量系统所要测量控制的范围和精度有关，但又不能唯一确定系统的精度。,2. A/D,转换器转换速率的确定,通常积分型、电荷平衡型和跟踪比较型,A/D,转换器转换速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，只能构成低速,A/D,转换器，一般用于对缓慢变化参量的检测和控制。逐次逼近式,A/D,转换器的转换时间可以从几,s,到,100,s,左右，属于中速,A/D,转换器，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数字转换系统等。双极型或,CMOS,工艺制造的全并行、串并行型和电压转移函数型的,A/D,转换器属于高速,A/D,转换器，转换时间仅为,20,100ns,之间，适用于雷达、数字通信、实时光谱分析等系统。,A/D,转换器的选择,3.,采样保持器的确定,原则上直流和变化非常缓慢的信号可以不采样保持器，其他情况都要采样保持器。分辨率、转换时间、信号带宽可作为是否要采用保持器的参考。,4.,基准电压,提供给,A/D,转换器在转换时所需的参考电压，是保证转换精度的基本条件。,5. A/D,转换器量程引脚,A/D,转换器的模拟量输入有时需要的是双极性的，有时是单极性的。输入信号最小值有从零开始的，也有从非零开始的。有的,A/D,转换器提供了不同量程的引脚，只有正确使用，才能保证转换精度。,常用,A/D,转换器接口芯片,ADC0809,ADC0809,是典型的,8,位,8,通道逐次逼近式,A/D,转换器，,CMOS,工艺。可实现,8,路模拟信号的分时采集，片内有,8,路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为,100,s,左右。,ADC0809,的内部逻辑结构,信号引脚,MCS-51,单片机与,ADC0809,接口,应用程序,ADC0809,的内部逻辑结构,信号引脚,各引脚功能如下：,C,B,A,选中通道,0,0,0,IN0,0,0,1,IN1,0,1,0,IN2,0,1,1,IN3,1,0,0,IN4,1,0,1,IN5,1,1,0,IN6,1,1,1,IN7,IN0,IN7,：,8,路模拟量输入端。允许,8,路模拟量分时输入，共用一个,A/D,转换器。,A,、,B,、,C,：,3,位地址线即模拟量通道选择线。,ALE,为高电平时，地址译码与对应通道选择见上表所示。,信号引脚,ALE,：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存,3,位通道选择信号。,START,：启动,A/D,转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动,A/D,转换。,EOC,：转换结束信号，输出，高电平有效。,OE,：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将,A/D,转换得到的,8,位数字量送到数据总线上。,D0,D7,：,8,位数字量输出。,D0,为最低位，,D7,为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。,CLOCK,：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为,640kHz,时，,A/D,转换时间为,100,s,。,VR+,，,VR-,：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常,VR+ =,5V DC,，,VR- = 0V DC,。,Vcc,：工作电源，,5VDC,。,GND,：电源地。,MCS-51,单片机与,ADC0809,接口,电路连接主要涉及两个问题：,1. 8,路模拟信号通道选择；,2. A/D,转换完成后转换数据的传送。,8,路模拟信号通道选择,A,、,B,、,C,分别接地址锁存器提供的低三位地址，只要把,3,位地址写入,ADC 0809,的地址锁存器中，就实现了模拟信号通道选择。对系统来说，地址锁存器是一个输出口，为了把,3,位地址写入，还要提供端口地址。图中使用的是线选法，口地址由,P2.0,确定，,ADC0809,的通道地址确定如下：,若无关位都取,0,，则,8,路通道,IN0,IN7,的地址分别为,0000H,0007H,。,启动图中的,ADC0809,进行转换只需要下面的指令（以通道,0,为例）：,MOV DPTR,，,#0000H,；选中通道,0,MOVX DPTR,，,A,；信号有效，启动转换,转换数据的传送,1.,定时传送方式。对于一种,A/D,转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知且固定的。例如,ADC0809,转换时间为,128,s,，相当于,6MHz,的,MCS-51,单片机共,64,个机器周期。可据此设计一个延时子程序，,A/D,转换启动后即调用这个延时子程序，延迟时间一到，转换已经完成了，接着就可进行数据传送。,2.,查询方式。,A/D,转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如,ADC0809,的,EOC,端。因此可以用查询方式，软件测试,EOC,的状态，即可确知转换是否完成，然后进行数据传送。,3.,中断方式。把表明转换完成的状态信号（,EOC,）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。,可采用下述,3,种方式 ：,图中，,EOC,信号经过反相器后送到单片机的，因此可以采用查询该引脚或中断的方式进行转换后数据的传送。,MOV DPTR,，,#0000H,；选中通道,0,MOVX A,，,DPTR,， ；信号有效，输出转换后的数据到,A,累加器,应用程序,1.,程序功能,根据图中的电路图，设计一个,8,路模拟量输入的巡回检测系统，采样数据依次存放在片内,RAM 78H,7FH,单元中。,2.,程序清单,实践与思考,采用软件延时等待方式采集图中的模拟信号，并将转换结果存入,8051,片内,RAM,的,40H,单元中，设定单片机的晶振频率为,6MHz,。,D/A,转换接口与应用,D/A,转换器分类,D/A,转换器的基本原理,D/A,转换器的主要性能指标,D/A,转换器的选择,常用,D/A,转换器接口芯片,DAC0832,实践与思考,实现数字量变换为模拟量的器件称为数模转换器（,DAC,），简称,D/A,转换器。,D/A,转换器用于模拟控制，通过机械或电气手段对被控对象进行调整和控制。,D/A,转换器分类,按照工作原理，,D/A,转换器可分成两大类：,1.,直接,D/A,转换器,直接将输入的数字量转换为输出的模拟量；通常由一组权电阻网络或是梯形电阻网络与一组控制开关组成。,2.,间接,D/A,转换器,将输入的数字量转换为某种中间量，然后再把这种中间量转换为输出的模拟量。很少使用。,按输入端的结构可以分为两种：,1.,输入端带有数据锁存器，这种,D/A,转换器的数据线可以直接和单片机的数据总线相接；,2.,端不带数据锁存器，这时需要另配数据寄存器。,D/A,转换器的基本原理,现以,4,位,D/A,转换器为例说明其工作原理，如图所示。,D/A,转换器的基本原理,假设,D3,、,D2,、,D1,、,D0,全为,1,，则,BS3,、,BS2,、,BS1,、,BS0,全部与“,1”,端相连。根据电流定律，有：,由于开关,BS3 BS0,的状态是受要转换的二进制数,D3,、,D2,、,D1,、,D0,控制的，并不一定全是“,1”,。因此，可以得到通式：,D/A,转换器的基本原理,考虑到放大器反相端为虚地，故：,选取,Rfb = R,，可以得到：,对于,n,位,D/A,转换器，它的输出电压,VOUT,与输入二进制数,B( Dn-1 D0),的关系式可写成：,结论：,D/A,转换过程主要由解码网络实现，而且是并行工作的。这种转换方式的速度快，一般为微秒级，有的可达几十纳秒。输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻,Rfb,以及基准电压,VREF,有关。,D/A,转换器的主要性能指标,D/A,转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用,D/A,芯片型号的依据。下面介绍几个与接口有关的技术性能指标。,分辨率,建立时间,接口形式,分辨率,分辨率是,D/A,转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为,n,，则,D/A,转换器的分辨率为,2,n,。这就意味着数,/,模转换器能对满刻度的,2,n,输入量做出反应。例如,8,位数的分辨率为,1/256,，,10,位数的分辨率为,1/1024,等。因此数字量位数越多，分辨率也就越高，亦即转换器对输入量变化的敏感程度也就越高。使用时，应根据分辨率的需要来选定转换器的位数。,DAC,常可分为,8,位、,10,位、,12,位三种。,建立时间,建立时间是描述,D/A,转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出达到终值误差,（,1/2,）,LSB,（最低有效位）时所需的时间。通常以建立时间来表示转换速度。转换器的输出形式为电流时建立时间较短；而输出形式为电压时，由于建立时间还要加上运算放大器的延迟时间，因此建立时间要长一点。但总的来说，,D/A,转换速度远高于,A/D,转换速度，例如快速的,D/A,转换器的建立时间可达,1,s,。,接口形式,D/A,转换器与单片机接口方便与否，主要决定于转换器本身是否带数据锁存器。总的来说有两类,D/A,转换器，一类是不带锁存器的，另一类是带锁存器的。对于不带锁存器的,D/A,转换器，为了保存来自单片机的转换数据，接口时要另加锁存器，因此这类转换器必须在口线上；而带锁存器的,D/A,转换器，可以把它看做是一个输出口，因此可直接在数据总线上，而不需另加锁存器。,D/A,转换器的选择,选择,D/A,转换芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足,D/A,转换的技术要求；在结构和应用特性上应满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。,1. D/A,转换芯片主要性能指标的选择,在,D/A,接口及设计的实际应用中，用户在选择时主要考虑的是用位数（,8,位、,12,位）表示的转换精度和转换时间。,D/A,转换器的选择,2. D/A,转换芯片的主要结构特性和应用特性的选择,（,1,）数字输入特性。数字输入特性包括接收数据的码制、数据格式和逻辑电平。,（,2,）数字输出特性。对于输出特性具有电流源性质的,D/A,转换器，只要输出端的电压小于输出电压允许范围，输出电流和输入数字之间保持正确的转换关系，而与输出端的电压大小无关。对于输出特性为非电流源特性的,D/A,转换器，无输出电压允许范围指标，电流输出端应保持公共端电位或虚地，否则将破坏其转换关系。,（,3,）锁存特性及转换控制。如果,D/A,转换器没有输入锁存器，与,CPU,数据总线连接时必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的,I/O,口输出数字量给,D/A,转换器。,（,4,）参考电压源。对接口电路的工作性能、电路的结构有很大的影响。使用内部带有低漂移精密参考电压源的,D/A,转换器不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。,常用,D/A,转换器接口芯片,DAC0832,DAC0832,是一个,8,位,D/A,转换器，单电源供电，从,+5,+15V,均可正常工作。基准电压的范围为,10V,，电流建立时间为,1,s,，,CMOS,工艺，低功耗,20mW,。,1.,引脚与结构,DAC0832,内部结构框图,DAC0832,引脚图,常用,D/A,转换器接口芯片,DAC0832,1.,引脚与结构,（,1,）,DI7,DI0,：转换数据输入。,（,2,） ：片选信号（输入），低电平有效。,（,3,）,ILE,：数据锁存允许信号（输入），高电平有效。,（,4,） ：第,1,写信号（输入），低电平有效。,（,5,） ：第,2,写信号（输入），低电平有效。,（,6,） ：数据传送控制信号（输入），低电平有效。上述两个信号控制,DAC,寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；,当 和 时，为,DAC,寄存器直通方式；,当 和 时，为,DAC,寄存器锁存方式。,常用,D/A,转换器接口芯片,DAC0832,（,7,）,Iout1,：电流输出,1,。,（,8,）,Iout2,：电流输出,2,。,（,9,）,Rfb,：反馈电阻端。,（,10,）,Vref,：基准电压，其电压可正可负,范围,10,+10V,。,（,11,）,DGND,：数字地。,（,12,）,AGND,：模拟地。,1.,引脚与结构,DAC0832,的工作方式,单缓冲方式的接口与应用,双缓冲方式的接口与应用,单缓冲方式的接口与应用,（,1,）单缓冲方式连接,所谓单缓冲方式就是使,DAC0832,的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。,DAC 0832,单缓冲方式接口,图为两个输入寄存器同时受控的连接方法，两个寄存器的地址相同。,单缓冲方式的接口与应用,DAC 0832,单缓冲方式接口,图中一个寄存器处于直通方式。另一个寄存器处于受控锁存方式。,应用程序,D/A,转换产生的锯齿波,1,、 程序功能。对上图所示电路进行编程，产生锯齿波。图中的,DAC0832,工作于单缓冲方式，其中输入寄存器受控，而,DAC,寄存器直通。,2,、程序清单。假定输入寄存器地址为,7FFFH,，产生锯齿波的源程序清单如下：,ORG 0200H,DASAW: MOV DPTR,，,#7FFFH ;,输入寄存器地址,假定,P2.7,接,MOV A,，,#00H ;,转换初值,WW: MOVX DPTR,，,A ;D/A,转换,INC A,NOP ;,延时,NOP,NOP,AJMP WW,执行上述程序，在运算放大器的输出端就能得到如右图所示的波形图。,双缓冲方式的接口与应用,所谓双缓冲方式，就是把,DAC0832,的两个锁存器都接成受控锁存方式。双缓冲,DAC0832,的连接如图所示。,为了实现寄存器的可控，应当给寄存器分配一个地址，以便能按地址进行操作。,假定输入寄存器地址为,FEH,，,DAC,寄存器地址为,FFH,，则完成一次数,/,模转换的程序段如下：,MOV R0,，,#0FEH,；装入输入寄存器地址,MOVX R0,，,A,；转换数据送输入寄存器,INC R0,；产生,DAC,寄存器地址,MOVX R0,，,A,；数据通过,DAC,寄存器,双缓冲方式应用举例,双缓冲方式用于多路数,/,模转换系统，以实现多路模拟信号同步输出的目的。例如使用单片机控制,X-Y,绘图仪。,X-Y,绘图仪由,X,、,Y,两个方向的步进电机驱动，其中一个电机控制绘图笔沿,X,方向运动，另一个电机控制绘图笔沿,Y,方向运动，从而绘出图形。因此对,X-Y,绘图仪的控制有两点基本要求：一是需要两路,D/A,转换器分别给,X,通道和,Y,通道提供模拟信号；二是两路模拟量要同步输出。,单片机控制,X-Y,绘图仪两路模拟量输出是为了使绘图笔能沿,X-Y,轴做平面运动，而模拟量同步输出则是为了使绘制的曲线光滑。否则绘制出的曲线就是台阶状的，如右图所示。,为此就要使用两片,DAC0832,，并采用双缓冲方式连接，如图下图所示。,双缓冲方式应用举例,控制,X-Y,绘图仪的双片,DAC 0832,接口,1,、 程序功能,实现,X,、,Y,两个方向坐标量的同步输出。,2,、程序地址定义,假定,X,方向,0832,输入寄存器地址为,F0H,，,Y,方向,0832,输入寄存器地址为,F1H,，两个,DAC,寄存器公用地址为,F2H,。,X,坐标数据存于,DATA,单元中，,Y,坐标数据存于,DATA+1,单元中。,双缓冲方式应用举例,MOV R1,，,#DATA,；,X,坐标数据单元地址,MOV R0,，,#0F0H,；,X,向输入寄存器地址,MOV A,，,R1,；,X,坐标数据送,A,MOVX R0,，,A,；,X,坐标数据送输入寄存器,INC R1,；指向,Y,坐标数据单元地址,INC R0,；指向,Y,向输入寄存器地址,MOV A,，,R1,；,Y,坐标数据送,A,MOVX R0,，,A,；,Y,坐标数据送输入寄存器,INC R0,；指向两个,DAC,寄存器地址,MOVX R0,，,A,；,X,、,Y,转换数据同步输出,RET,3,、 程序清单,实践与思考,设计一个可选的波形产生电路。,（,1,）波形的选择由按键完成。,（,2,）可以选择的波形：, 周期为,25ms,的锯齿波。, 周期为,50ms,的三角波。, 周期为,50ms,的方波。,（,3,）输出波形选用,DAC0832,产生。,