微机原理与接口技术-第10章人机交互设备交口技术26

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1、最简单的线性结构键盘 每一个引脚连接一个键 输入0/1反映健是否高低,第10章 人机交互设备接口技术,10.1 键盘及其接口,常用的矩阵结构键盘 每行连接一个引脚 每列连接一个引脚 利用控制线为低、 读取检测线来识别闭合键,10.1 键盘及其接口,1. 扫描法,先使第0行接低电平，其余行为高电平，然后看第0行是否有键闭合（通过检查列线电位实现） 此后，再将第1行接地，然后检测列线是否有变为低电位的线。如此往下一行一行地扫描，直到最后一行 在扫描过程中，当发现某一行有键闭合时，便在扫描中途退出 通过组合行线和列线可识别此刻按下的是哪一键,10.1 键盘及其接口,2. 抖动和重健问题,机械按键存在

2、抖动现象 当按下或释放一个键时，往往会出现按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态 抖动的持续时间通常不大于10ms 采用硬件消抖电路或软件延时方法解决 重键指两个或多个键同时闭合 出现重键时，读取的键值必然出现有一个以上的0 是否给予识别和识别哪一个键,重健问题的处理,简单情况：不予识别，认为是错误的按键 通常情况：只承认先识别出来的键 正常的组合键：都识别出来,PC机键盘的工作原理,PC机键盘的工作过程,键盘电路正常工作时不断地扫描键盘矩阵 有按键，则确定按键位置之后以串行数据形式发送给系统板键盘接口电路 键按下时，发送该键的接通扫描码 键松开时，发送该键的断开扫描码 若一直按住

3、某键，则以拍发速率（每秒230次）连续发送该键的接通扫描码,接通扫描码反映该键在键盘上的位置 断开扫描码（接通扫描码最高位置1） =接通扫描码80H,模拟量,D/A,传感器,执行元件,A/D,数字量,数字量,模拟量,模拟量输入 (数据采集),模拟量输出 (过程控制),计算机,10.2 D/A 转换器,模拟量I/O通道的组成,模拟接口电路的任务,模拟电路的任务,00101101,10101100,工 业 生 产 过 程,传感器,放大 滤波,多路转换 & 采样保持,A/D 转换,放大 驱动,D/A 转换,输出 接口,微 型 计 算 机,执行机构,输入 接口,物理量 变换,信号 处理,信号 变换,I

4、/O 接口,输入通道,输出通道,10.2.1 D/A转换器概述,D/A变换器的基本工作原理 组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络 基本结构如图：,Vref,Rf,模拟开关 电阻网络,VO,数字量,D/A变换原理,运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输入电压Vin的关系为：,式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻,Vin,Rf,Vo,R,若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：,Vin,Rf,VO,R1,式中：Ri 为第i支路的输入电阻,Rn,令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref，则有 如果每个支

5、路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为,若Si=1,该项对VO有贡献 若Si=0,该项对VO无贡献,2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R,Vref,Rf,VO,S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8,与上式相对应的电路如下(图中n=8),图中的电阻网络就称为权电阻网络,R-2R梯形电阻网络,10.2.2 典型D/A转换器,DAC0832 特性： 8位电流输出型D/A转换器 T型电阻网络 差动输出,DAC0832内部结构,引脚功能,D7D0：输入数据线 ILE：输入锁存允许 CS#：片选信号 用于把数据写入到输入锁存器 WR

6、1#：写输入锁存器 WR2#：写DAC寄存器 XFER#：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器 上述二个信号用于启动转换 VREF：参考电压，-10V+10V，一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 AGND、DGND：模拟地和数字地,工作时序,D/A转换可分为两个阶段： CS#=0、WR1#=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器 WR2#=0、XFER#=0，数据送到DAC寄存器，并开始转换,写输入寄存器,写DAC寄存器,工作模式,单缓冲模式 双缓冲模式,DAC0832的接口设计-单缓冲方式,1. 使

7、数据输入寄存器工作在锁存状态，DAC寄存器工作在不锁存状态（LE2始终有效，DAC寄存器直通）。只使用一级缓冲。适用于大多数情况.,单缓冲模式,使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通，即芯片只占用一个端口地址。 CPU只需一次写入即开始转换。写入数据的程序为： MOV DX，PORT MOV AL，DATA OUT DX，AL,双缓冲模式（标准模式）,对输入寄存器和DAC寄存器均需控制； 当输入寄存器控制信号有效时，数据写入输入寄存器中；再在DAC寄存器控制信号有效时，数据才写入DAC寄存器，并启动变换； 此时芯片占用两个端口地址； 优点：数据接收与D/A转换可异步进行； 可实现多个DAC

8、同步转换输出 特点：分时写入、同步转换,双缓冲方式同步转换举例,A10-A0,译码器,0832-1,0832-2,port1,port2,port3,双缓冲模式的数据写入程序,MOV AL，data MOV DX，port1 0832-1的输入寄存器地址 OUT DX，AL MOV DX，port2 0832-2的输入寄存器地址 OUT DX，AL MOV DX，port3 DAC寄存器地址 OUT DX，AL HLT,D/A转换器的应用,函数发生器 只要往D/A转换器写入按规律变化的数据，即可在输出端获得正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶梯波、梯形波等函数波形。 直流电机的转速控制 用不同的数

9、值产生不同的电压，控制电机的转速 其他需要用电压/电流来进行控制的场合,10.3 模/数（A/D）转换器,用途 将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。 常用于数据采集系统或数字化声音。,采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。,A /D 转换的一般步骤,1) 采样和保持,采样 将一个时间上连续变化的模拟量转为时间上断续变化的（离散的）模拟量。 或：把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个脉冲串，脉冲的幅度取决于输入模拟量

10、。 保持 将采样得到的模拟量值保持下来，使之等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值。 目的： A/D转换期间保持采样值恒定不变。 对于慢速变化的信号，可省略采样保持电路,采样保持电路（S/H）,由MOS管采样开关T、保持电容Ch和运放构成的跟随器三部分组成。,采样控制信号S(t)=1时，T导通，Vin向Ch充电，Vc和Vout跟 踪Vin变化，即对Vin采样。S(t)=0时，T截止，Vout将保持前一 瞬间采样的数值不变。,采样保持电路的波形,Vin,S(t),Vout,进行A/D转换时所用的输入电压，就是对保持下来的采样电压（每次采样结束时的输入电压）进行转换。,采样周期的确定,采样通常采用

11、等时间间隔采样。 采样频率fs不能低于2fimax（fimax为输入信号Vin的最高次谐波分量的频率）； fs的上限受计算机的速度、存储容量、器件速度的限制。 实际中一般取fs为fimax的4-5倍。,2) 量化和编码,量化就是用基本的量化电平的个数来表示采样到模拟电压值。即把时间上离散而数值上连续的模拟量以一定的准确度变换为时间上、数值上都离散的具有标准量化级的等效数字值。（量化电平的大小取决于A/D变换器的字长） 编码是把已经量化的模拟数值(它一定是量化电平的整数倍)用二进制码、BCD码或其它码来表示。,10.3.1 工作原理及技术指标,逐次逼近型A/D转换器,原理：类似天平称重量时的尝试

12、法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物,主要技术指标,精度 量化间隔(分辨率) = Vmax/电平数(即满量程值) 例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为 5V/255=19.6mV 量化误差: 用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高) 绝对量化误差 = 量化间隔/2 = (满量程电压/(2n-1)/2 相对量化误差 = 1/2 * 1/量化电平数目 * 100% 例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则 绝对量化误差 10/211 = 4.88mV 相对量化误差 1/211 *100% = 0.049%,主

13、要技术指标（续）,转换时间 转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。 输入动态范围 允许转换的电压的范围。如05V、-5V+5V、 010V等。,典型的A/D转换器简介,ADC0809 8通道（8路）输入 8位字长 逐位逼近型 转换时间100s 内置三态输出缓冲器,引脚功能,D7D0：输出数据线（三态） IN0IN7：8通道（路）模拟输入 ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择） ALE：通道地址锁存 START：启动转换 EOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请 OE：输出允许（打开输出三态门） CLK：时钟输入（10KHz1.2MHz） VREF(+)、VREF

14、(-)：基准参考电压,ADC0809内部结构,START EOC CLK,OE,D7 D0,VREF(+) VREF(-),ADDC ADDB ADDA ALE,IN0,IN7,比较器,8路模拟开关,树状开关,电阻网络,三态输出锁存器,时序与控制,地址锁存及 译码,D/A,8 个模拟输入通道,8选1,逐位逼近寄存器SAR,工作时序,ADC0809的工作过程,送通道地址，以选择要转换的模拟输入； 锁存通道地址到内部地址锁存器； 启动A/D变换； 判断转换是否结束； 读转换结果,ADC0809与系统的连接,模拟输入端INi 单路输入 模拟信号可连接到任何一个输入端； 地址线可根据输入固定连接；也可

15、以由CPU给一个固定地址。 多路输入 模拟信号按顺序分别连接到输入端； 要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上(动态选择)。,单路输入时,ADDC ADDB ADDA,IN4,ADC0809,输入,多路输入时,ADDC ADDB ADDA,IN0 IN1 IN2 IN3 IN4,ADC0809,输入0 输入1 输入2 输入3 输入4,CPU指定 通道号,+5V,地址线ADDA-ADDC,多路输入时，地址线不能固定连接到5V或地线，而是要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用： 锁存器74LS273，74LS373等（要占用一个I/O地址） 可编程并行接口8255（要占用四个I/O地址） CPU用一条OUT指令把通道地址通过接口芯片送给ADC0809,用锁存器作为ADC0809的接口,用8255作为ADC0809的接口,分别连接：用两个信号分别进行控制需占用两个I/O端口或两个I/O线(用825