Kkkjjh課程名稱：單片機原理與接口技術第八章輸出輸入通道接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyKkkjjh第8章輸入輸出通道接口技術

8.1前向輸入通道接口技術8.1.1概述8.1.2A/D轉換接口技術8.1.3A/D轉換器ADC0809應用實例8.2后向輸出通道接口技術

8.2.1概述8.2.2D/A轉換接口8.2.3D/A轉換接口應用實例BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology引言放大器傳感器(溫度、壓力、流量、應力等）采樣/保持器A/D計算機顯示器D/A示波器打印機計算機進行各種數(shù)字處理（如濾波、計算）、數(shù)據(jù)保存、打印等顯示器顯示字符、曲線、圖形、圖象等BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology引言BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology模擬信號數(shù)字信號：

A/D轉換器(ADC－AnalogDigitalConverter)數(shù)字信號模擬信號：

D/A轉換器(DAC－DigitalAnalogConverter)引言BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.1前向輸入通道接口技術輸入通道是將被控對象上的模擬信號和開關信號變換成數(shù)字量的各種電路和設備的總稱。常見的輸入通道有模擬量輸入通道和數(shù)字量輸入通道。BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.1.1概述1．數(shù)字量輸入數(shù)字量包括N位并行數(shù)字量、開關量和頻率信號。圖8-2開關量信號檢測電路BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.1.1概述放大整形光電隔離MCS-51P1.0頻率信號圖8-3頻率信號輸入通道BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.1.2A/D轉換接口技術(1)A/D功能:將模擬電壓成正比地轉換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1個最低有效位1.A/D功能及分類BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology(2)A/D轉換器分類①并聯(lián)比較型

特點:轉換速度快,轉換時間10ns~1s②逐次逼近型

特點:轉換速度中,轉換時間幾s~100s③雙積分型

特點:轉換速度慢,轉換時間幾百s~幾ms根據(jù)內部電路不同,分為以下三類:8.1.2A/D轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology逐次逼近式A/D組成：N位寄存器、N位D/A轉換器、比較器和控制電路N位D/A轉換N位寄存器邏輯控制比較器模擬量輸入VX參考電壓VREF數(shù)字量VC時鐘啟動轉換結束DONE+-BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology并行A/DVXVREFC7C6C5C4C3C2C1VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF0.5RRRRRRR0.5RQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1++++++1245673+++A3A2eijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyA/D轉換器的性能指標分辨率轉換精度工作環(huán)境轉換速度8.1.2A/D轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyADC0809內部資源8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器比較器逐次逼近寄存器（SAR)256電阻階梯樹狀開關控制電路與三態(tài)輸出鎖存器8.1.2A/D轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology八路模擬開關地址鎖存與譯碼器256電阻階梯樹狀開關SAR控制電路三態(tài)輸出鎖存器比較器IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADDAADDBADDCALEACCGNDVREF（+）VREF（-）2-12-22-32-42-52-62-72-8OEEOCCLOCKSTARTVINVSTBeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyADC0809功能分析CLK：時鐘信號，可由單片機ALE信號分頻得到。轉換有以下幾步：ALE信號上升沿有效，鎖存地址并選中相應通道。ST信號有效，開始轉換。A/D轉換期間ST為低電平。EOC信號輸出高電平，表示轉換結束。OE信號有效，允許輸出轉換結果。BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyMCS-51與A/D的接口要給START線送一個100ns寬的啟動正脈沖；獲取EOC線上的狀態(tài)信息，它是A/D轉換的結束標志；要給“三態(tài)輸出鎖存器”分配一個斷口地址即給OE線上送一個地址譯碼器輸出信號；接口方式：查詢方式：中斷方式：8.1.2A/D轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyADC0809和單片機的連接寫信號、P2.0有效時，啟動AD轉換。轉換結束后，輸出高電平，向CPU發(fā)出中斷請求讀信號、P2.0有效時，允許輸出AD轉換結果。轉換時鐘由ALE分頻得到。803174LS373ADC0809÷2CLKD0-D7≥1≥1111GEOCSTALEOERDP2.0WRINT1ALEP0A0-A7A0A1A2ABCVR(+)VR(-)+5VGNDIN0IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1轉換結果由此輸出BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology通道選擇表

選擇的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7CBA8031A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00809×××××××ST×××××CBA

×××××××0×××××000

…

…

×××××××0×××××1111.首先分析各個通道的地址。(IN0到IN7的地址為0000H到0007H）BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology編程：可采用中斷、查詢兩種方式。中斷方式：

ORG0000H ；主程序入口地址AJMPMAIN ；跳轉主程序ORGOO13H ；中斷入口地址AJMPINT1 ；跳轉中斷服務程序MAIN：SETBIT1 ；邊沿觸發(fā) SETBEA ；開中斷SETBEX1 ；允許中斷MOVDPTR，#0007H；指向0809IN7通道地址ADC0809和單片機的連接BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyMOVX@DPTR,A ；啟動A/D轉換SJMP$ ；等待中斷INT1:MOVXA,@DPTR ；讀A/D轉換結果MOVB,A ；存數(shù)RETI ；返回ADC0809和單片機的連接BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology查詢方式：

ORG0000H ；主程序入口地址AJMPMAIN ；跳轉主程序ORG1000H ；中斷入口地址MAIN：MOVDPTR，#0007H；指向0809IN7通道地址MOVX@DPTR,A ；啟動A/D轉換L1:JBP3.3L1 ;查詢 MOVXA,@DPTR ；讀A/D轉換結果MOVB,A ；存數(shù)SJMP$ADC0809和單片機的連接BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyMCS-51和ADC接口采用定時、查詢和中斷三種方式總結。（1）定時傳送方式對于每種A/D轉換器，轉換時間作為一項技術指標，是已知的和固定的。如ADC0809的轉換時間為128us，相當于MCS-51單片機（f=6MHz）64個機器周期，可以設計一延時子程序，當啟動轉換后，CPU調用該延時子程序或用定時器定時，延時時間或定時時間稍大于A/D轉換所需時間。等時間一到，轉換已經完成，就可以從“三態(tài)輸出鎖存器”讀取數(shù)據(jù)。這種方法電路連接簡單，但CPU費時較多。8.1.2A/D轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology（2）查詢方式采用查詢法就是將轉換結束信號接到I/O口的某一位，或經過三態(tài)門接到單片機數(shù)據(jù)總線上。A/D轉換開始之后，CPU就查詢轉換結束信號，即對EOC引腳查詢它的狀態(tài)：若它為低電平，表示A/D轉換正在進行，則MCS-51應當繼續(xù)查詢；若查詢到EOC變?yōu)楦唠娖?，則就給OE線送一個高電平，以便從線上提取A/D轉換后的數(shù)字量。采用查詢方法占用CPU時間，但設計程序比較簡打單，故也常用這種方法。8.1.2A/D轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology（3）中斷方式采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)時，將轉換結束信號接到單片機的中斷中請端，當轉換結束時申請中斷，CPU響應中斷后，通過執(zhí)行中斷服務程序，使OE引腳變高電平，以提取A/D轉換后的數(shù)字量來。采用中斷方法的優(yōu)點是在A/D轉換過程中不占用CPU的時間，且實時性強。8.1.2A/D轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology++Q1ADDAADDBADDCCLOCKSTART2-1EOC2-8OEALEIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ALEINT1P0.0P0.7RDWREA8031ADC0809P0.0P0.1P0.2F0HM1M2地址鎖存器譯碼器ACCVREF（+）VREF（-）GND8.1.2A/D轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyA/D轉換程序：

MOVDPTR，#0FE00H；ADC口地址 MOVA，#00 ；轉換IN0 MOVX@DPTR，A ；啟動A/D轉換 LCALLDELAY ；等待轉換結束 MOVXA，@DPTR ；取轉換結果AD0～7ALEINTWRP2.0RDD0～7ADDABC

CLKEOCALESCOE≥1≥1111MCS-51ADC080983IN0～7BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology例1分別采用不同方式對8路模擬信號輪流采樣一邊，并依次把轉換后的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)存儲區(qū)。8.1.2A/D轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.1.2A/D轉換接口技術①定時傳送方式MAIN： MOVR1，#data MOVDPTR，#7FF8H ；P2.7=0，且指向通道O MOVR7，#08H ；置通道數(shù)LOOP： MOVX@DPTR，A ；啟動A/D轉換 MOVR6，#OAHDLAY：NOP NOP NOP NOP DJNZR6，DLAY MOVXA，@DPTR ；讀取轉換結果 MOV@R1，A INCDPTR ；指向下一個通道 INCR1 ；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針 DJNZR7，LOOP ；8個通道全采樣完了嗎?BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology②查詢方式MAIN:MOVR1，#data MOVDPTR，#7FF8H ；P2.7=0，且指向通道O MOVR7，#08H ；置通道數(shù)LOOP：MOVX@DPTR，A ；啟動A/D轉換 SETBP1.0WAIT：JNBP1.0，WAIT ；查詢P1.0狀態(tài) MOVXA，@DPTR ；讀取轉換結果 MOV@R1，A INCDPTR ；指向下一個通道 INCR1 ；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針 DJNZR7，LOOP ；8個通道全采樣完了嗎? REI8.1.2A/D轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology③中斷方式 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轉換接口技術BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology計算機數(shù)據(jù)采集原理簡介A/D轉換器轉換完成信號采樣/保持器模擬輸入讀取數(shù)據(jù)命令計算機接口A/D板A/D轉換命令模擬輸入電壓在A/D轉換期間應保持不變，否則A/D的輸出數(shù)據(jù)總隨輸入電壓而變，所以需要采樣/保持器。BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology采樣/保持器A/D轉換器u1u2模擬輸入數(shù)字輸出A/D轉換命令采樣/保持器的功能：在A/D轉換期間，使A/D的輸入電壓u2保持不變。計算機數(shù)據(jù)采集原理簡介BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyt計算機數(shù)據(jù)采集原理簡介

采樣/保持器輸入輸出波形圖A/D轉換命令高電平期間u2跟隨u1低電平期間u2保持不變，同時A/D進行轉換u1輸入模擬信號u2采樣/保持器輸出信號BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology計算機數(shù)據(jù)采集原理簡介

采樣周期采樣頻率A/D轉換命令TT：采樣周期，相鄰兩次采樣之間的時間間隔單位s，ms，sf=1/T：采樣頻率，每秒采樣的數(shù)據(jù)個數(shù)單位HzBeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyA/D轉換器將脈沖下降沿時的模擬電壓轉換為數(shù)字量計算機數(shù)據(jù)采集原理簡介

在計算機屏幕上波形的恢復顯示tt1t2t3t4t5t6t7模擬信號信號幅度時間數(shù)字信號t1t2t3t4t5t6t7A/D轉換命令計算機屏幕BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology計算機數(shù)據(jù)采集原理簡介

在計算機屏幕上波形的恢復顯示結論：因為計算機屏幕波形顯示是用不連續(xù)的點組成，所以，若將被采樣波形恢復顯示，必須有足夠大的采樣率。t1ms1kHz12kHz28kHz816kHz16頻率為1kHz的正弦波4kHz4采樣率每周期采樣點數(shù)BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.2后向輸出通道接口技術隔離功率驅動開關量開關量控制裝置n隔離輸出控制D/A轉換功率驅動數(shù)字量控制裝置模擬量控制裝置數(shù)字量nn微機隔離輸出控制頻率控制裝置頻率信號BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8.2.2D/A轉換器(1)D/A功能:將數(shù)字量成正比地轉換成模擬量D/An=4位8位10位12位16位n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10V1.D/A轉換器原理BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology4位數(shù)據(jù):00000V11115V分辨率:5V/15=0.333V/每1個最低有效位8位數(shù)據(jù):000000000V111111115V分辨率:5V/255=0.0196V/每1個最低有效位8.2.2D/A轉換器BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology由三部分電路組成電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器8.2.2D/A轉換器BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology輸入4位二進制數(shù)輸出模擬電壓S0~S3:模擬電子開關D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF電阻網絡求和運算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密參考電壓D0D1D2D3++-3R3R/2UOBeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO當D3D2D1D0=0000時,S3S2S1S0都倒向地UO=0V(3)D/A轉換原理當D3D2D1D0=0000時UO3R2R++-3R/2R等效電路3R0000AV=-1BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A轉換原理(續(xù))當D3D2D1D0=1000時,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R++-3R/2等效電路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2當D3D2D1D0=1000時0001AV=-13RBeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A轉換原理(續(xù))當D3D2D1D0=0100時,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF當D3D2D1D0=0100時UO=-VREF/4UO3R++-3R/2等效電路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-1BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyD/A轉換原理(續(xù))VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO同理可推導，當D3D2D1D0=0010時，UO=–VREF/8當D3D2D1D0=0001時，UO=–VREF/16BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyD/A轉換原理(續(xù))D3D2D1D0=1000時，UO=–VREF/2=–D3VREF/21D3D2D1D0=0100時，UO=–VREF/4=–D2VREF/22D3D2D1D0=0010時，UO=–VREF/8=–D1VREF/23D3D2D1D0=0001時，UO=–VREF/16=–D0VREF/24根據(jù)疊加原理: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轉換原理(續(xù))此式表明:D/A電路輸出模擬電壓UO與輸入的數(shù)字量D3D2D1D0成正比BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyD/A轉換典型芯片——DAC0832芯片

DAC0832是一個八位D/A轉換器，轉換時間1微秒，結構如下：輸出為模擬電流，可轉換為電壓。LE1或LE2=1，當前寄存器的輸出跟隨輸入LE1或LE2=0，鎖存數(shù)據(jù)BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉換器ILECSWR1WR2XFERLE1LE2VREFIOUT1IOUT2RFBACCAGNDDGNDBeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyDAC0832應用特性DI0-DI7：轉換數(shù)據(jù)輸入CS：片選信號ILE，WR1：控制輸入寄存器ILE=1，WR1=0時：直通ILE=1，WR1=1時：鎖存因此，DAC0832可以有三種工作形式：直通、單級鎖存、兩級鎖存。XFER，WR2：控制DAC寄存器XFER=0，WR2=0時：直通XFER=1orWR2=1時：鎖存BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology1)DAC0832是微處理器兼容型D/A轉換器芯片，可以充分利用微處理器的控制能力實現(xiàn)對D/A轉換的控制，故這種芯片有許多控制引腳，可以和微處理器的控制線相連，接受微處理的控制，2)有兩級鎖存控制功能，能夠實現(xiàn)多通道D/A的同步轉換輸出。3)DAC0832內部無參考電壓，須外接參考電壓電路。4)DAC0832為電流輸出型D／A轉換器，要獲得模擬電壓輸出時，需要外加轉換電路。圖8-16為兩級運算放大器組成的模擬電壓輸出電路。從a端輸出為單極性模擬電壓，如參考電壓Vref=+5V，輸出電壓為0～-5V；從b端輸出為雙極性模擬電壓，為±5V。D/A轉換典型芯片——DAC0832芯片

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology+5V15k15k7.5kabVrefDAC0832RfbIout1Iout2

-+-+VOUTD/A轉換典型芯片——DAC0832芯片

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology對于單極性輸出電路，輸出電壓的表達式為：VOUT=-B式中B----輸入數(shù)字量的十進制數(shù)； Vref――參考電壓（V）；顯然，參考電壓Vref=+5V，當B=0--255（輸入數(shù)字量為00H～0FFH）時，VOUT=-0--4.98V。通過調節(jié)運算放大器的調零電位器，可以對D/A芯片進行零點補償。通過調節(jié)外接于反饋回路的電位器，可以調整滿量程。D/A轉換典型芯片——DAC0832芯片

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology對于雙極性輸出電路，輸出電壓的表達式為：VOUT=（B-128）表8-4雙極性輸出電壓與輸入數(shù)字量的關系輸入數(shù)字量B輸出電壓值VOUTVref為正Vref為負11111111Vref-LSBVref+LSB………11000000Vref/2Vref/2………1000000000………01111111-LSB+LSB………00111111-Vref-LSB-Vref+LSB………000000000-Vref-VrefD/A轉換典型芯片——DAC0832芯片

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnologyDAC0832和MCS-51單片機的接口方式直通方式：

輸入寄存器和DAC寄存器共用一個地址，同時選通輸出。雙緩沖器方式：

輸入寄存器和DAC寄存器分配有各自的地址，可分別選通用同時輸出多路模擬信號。單緩沖器方式:若應用系統(tǒng)中只有一路D/A轉換或雖然是多路轉換，但并不要求同步輸出時，則采用單緩沖器方式接口.

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology單緩沖方式的接口（1）

譯碼器輸出——一個處于直通方式，另一個處于受控的鎖存方式

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology“同時”做何解釋?單緩沖方式的接口（2）

——兩個輸入寄存器同時受控的方式

BeijingInstituteofPetro-chemicalTechnology例：D/A轉換程序，用DAC0832輸出0～5