单片机原理及其接口技术第5章

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1、第5章 MCS-51单片机的输入/输出通道接口,主要内容：输入/输出通道的组成与配置，A/D、D/A转换器及其接口技术。通过本章的学习，使读者了解输入/输出通道设计的基本原理和方法，掌握常用A/D、D/A芯片及其与MCS-51单片机的接口电路与程序设计。重点和难点在于不同方式的A/D、D/A芯片与MCS-51的接口及其程序设计。,输入通道（前向通道）：被测对象与单片机联系的信号通道。包括传感器或敏感元件、通道结构、信号调节、A/D转换、电源的配置、抗干扰等。输出通道（后向通道）：单片机与被控对象联系的信号通道。包括功率驱动、干扰的抑制、D/A转换等。5.1.1 传感器传感器：传感器是测量系统中

2、的一种前端部件，它将各种输入变量转换成可供测量的信号。 传感器的分类：（1）按传感器的用途可以将传感器分为：压敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器等。（2）按传感器输出信号标准可将传感器分为： 模拟传感器、数字传感器、开关传感器等。,5.1 输入/输出通道概述,传感器的发展方向：传感器已经成为现代信息技术系统三大支柱之一，在工业、农业、航空航天、军事国防等领域得到了日益广泛的应用。其发展方向主要有以下几个方面： （1）利用新的物理现象、化学反应、生物效应

3、设计传感器。 （2）引入数据融合技术。 （3）使用新型材料，向微功耗、集成化及无源化发展。 （4）采用新的加工技术。 （5）向微型化发展。 （6）向高可靠性、宽温度范围发展等。,5.1.2 单片机应用系统的输入/输出通道,过程I/O通道：单片机系统和被控对象之间信息的交互通道（输入通道、输出通道）称为过程I/O通道，过程I/O通道的一般结构如下图所示。,特点：（1）要靠近拾取对象采集信息；（2）传感器、变送器的性能和工作环境因素严重影响通道的方案设计；（3）一般是模拟、数字等混杂电路；（4）常需要放大电路；（5）抗干扰设计非常重要。 输入通道的结构类型：输入通道结构形式取决于被测对象的环境、输

4、出信号的类型、数量、大小等。其结构如下页图所示。,1输入通道,2输出通道,特点: （1）小信号输出，大功率控制； （2）输出伺服驱动控制信号； （3）电磁和机械干扰较为严重。 通道结构：在输出通道中，单片机完成控制处理后的输出，总是以数字信号或模拟信号的形式，通过I/O口或者数据总线传送给被控对象。输出通道的结构如下页图所示。,3信号处理电路输入通道中，信号处理的任务是可由硬件实现能够完成小信号放大，信号变换，滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等任务。可由硬件实现，有些也可由软件实现。,（1）开关量输入被控对象的一些开关状态可以经开关量输入通道输入到单片机系统，这些开关信

5、号根据实际情况需要经过电平匹配、电气隔离或互感器后才能够通过单片机接口，接入到单片机系统。 （2）小信号放大技术输入通道中，对小信号需要经过测量放大器、可编程增益放大器及带有放大器的小信号双线发送器等电路进行放大调节。 （3）隔离放大技术在某些要求输入和输出电路彼此隔离的情况下，必须使用隔离放大器。常用隔离放大器有变压器耦合隔离放大器和光耦合隔离放大器两种。,5.2 D/A转换器及接口技术,D/A转换器（Digit to Analog Converter）：将数字量转换成模拟量的器件称为D/A转换器，通常用DAC表示。D/A转换接口器设计中主要考虑的问题：D/A转换芯片的选择、数字量的码输入、

6、精度、输出模拟量的类型与范围、转换时间、与CPU的接口方式等。 5.2.1 D/A转换器的性能指标 （1）分辨率：指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，即相邻两个二进制码对应的输出电压之差称为D/A转换器的分辨率。可用最低位（LSB）表示。如，n位D/A转换器的分辨率为1/2n。,（2）精度：精度是指D/A转换器的实际输出与理论值之间的误差，它是以满量程VFS的百分数或最低有效位（LSB）的分数形式表示。 （3）线性误差：D/A的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线）与理想的转换特性（始、终点连线）之间是有偏差的，这个偏差就是D/A的线性误差。即两个相邻的数字码所对应的模

7、拟输出值（之差）与一个LSB所对应的模拟值之差。常以LSB的分数形式表示。 （4）转换时间TS（建立时间）：从D/A转换器输入的数字量发生变化开始，到其输出模拟量达到相应的稳定值所需要的时间称为转换时间。 （5）偏移量误差：偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。,5.2.2 D/A转换器的分类,按输出形式分类：电压输出型和电流输出型。按是否含有锁存器分类：内部无锁存器和内部有锁存器。按能否作乘法运算分类：乘算型和非乘算型。按输入数字量方式分类：并行总线D/A转换器和串行总线D/A转换器。按转换时间分类：超高速D/A（TS100ns）、高速D/A（TS为100ns 10s）、中

8、速D/A（TS为10s100s）、低速D/A（TS100s）等。,5.2.3 D/A转换器的接口,1DAC0832的特点与引脚 （1）DAC0832的特点DAC0832是NS公司生产的DAC0830系列（DAC0830/32）产品中的一种， 8位CMOS数模转换芯片，其特点如下： 8位并行D/A转换； 片内二级数据锁存，提供数据输入双缓冲、单缓冲、直通三种工作方式； 电流输出型芯片(需外接运放) ； DIP20封装，CMOS低功耗器件，单电源（+5 V+15 V，典型值+5 V）供电； 具有双缓冲控制输出； 参考电压为-10+10V 与MCS-51连接方便。,表2-5 工作寄存器组选择控制表,

9、DAC0830系列均为DIP20封装，且管脚完全兼容，DAC0832的引脚如下图所示。引脚功能如下： D0D7：8位数字量输入端： 片选端，低有效 ILE ： 数据锁存允许： 写控制信号1： 写控制信号2： 数据传送控制信号 Iout1： 电流输出端1 Iout2： 电流输出端2 RFB ： 内置反馈电阻端 VREF : 参考电压源（-10 V+10 V） DGND： 数字量地 AGND： 模拟量地 Vcc： +5 +15V单电源供电端,2电压输出方法DAC0832需要电压输出时，可以简单地使用一个运算放大器连接成单极性输出形式。如右图所示。输出电压VOUT= （-VREF）,3单缓冲方式接口

10、单缓冲方式是指DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于受单片机控制的方式。如下页图所示。ILE接+5V，片选信号及数据传输信号都与地址选择线P2.7相连，地址为7FFFH，两级寄存器的写信号都由CPU的端控制。数字量可以直接从MCS-51的P0口送入DAC0832。当地址选择线选择好DAC0832后，只要输出控制信号，DAC0832就能一次完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。,执行下列几条指令就可以完成一次D/A转换：MOV DPTR, #7FFFH ; 地址指向DAC0832MOV A, #DATA ; 待转换的数字量DATA送累加器AMOVX DPTR, A ;

11、数字量送P2.7指向的地址，有效时完成一次D/A输入,例题 利用上图所示电路，使用DAC0832作波形发生器产生三角波。,解：在上页图中，放大器LM324的输出端VOUT直接反馈到RFB，所以该电路只能产生单极性的模拟电压。产生三角波的程序如下： ORG 0100H START: MOV DPTR, #7FFFH ; 地址指向DAC0832MOV A, #00H ; 三角波起始电压为0UP: MOVX DPTR, A ; 数字量送DAC0832转换INC A ; 三角波上升边JNZ UP ; 未到最高点0FFH，返回UP继续DOWN: DEC A ; 到三角波最高值，开始下降边MOVX DPT

12、R, A ; 数字量送DAC0832转换JNZ DOWN ; 未到最低点0，返回DOWN继续SJMP UP ; 返回上升边END 数字量从0开始逐次加1，模拟量与之成正比，当（A）=0FFH时，则逐次减1，减至（A）=0后，再从0开始加1，如此循环重复上述过程，输出就是一个三角波。,对于多路D/A转换，若要求同步进行D/A转换输出时，则必须采用双缓冲方式。 例题 假设某一分时控制系统，由一台单片机控制并行的两台设备，连接电路如下图所示，两台设备的模拟控制信号分别由两片DAC0832输出，要求两片DAC0832同步输出。,4双缓冲方式,解：如上页图所示，利用DAC0832双缓冲的原理，对不同端口

13、地址的访问具有不同的操作功能，具体功能如下表所示。,实现同步输出的操作步骤为： 将1#待转换数据由数据总线 1#DAC0832的第一级锁存（写7FFFH口）； 将0#待转换数据由数据总线 0#DAC0832的第一级锁存（写0DFFFH口）； 将1#、0#DAC0832的第一级锁存器中的数据 各自的第二级锁存，同时开始D/A转换（写0BFFFH），周而复始。,程序如下：ORG 0100H START: MOV DPTR, #7FFFH ; 数据指针指向1#的第一级锁存器MOV A, #DATA1 ; 取第一个待转换数据DATA1MOVX DPTR, A ; 送入第一级缓冲器MOV DPTR, #

14、0DFFFH ; 数据指针指向0#的第一级锁存器MOV A, #DATA0 ; 取第二个待转换数据DATA0MOVX DPTR, A ; 送入第一级缓冲器MOV DPTR, #0BFFFH ; 数据指针指向两个转换器的第二级缓冲地址MOVX DPTR, A ; 1#和0#数据同时由第一级向第二级锁存传送，并开始转换RET END,5.3 A/D转换器及接口技术,A/D转换器（Analog To Digit Converter）：将模拟量转换为与之成比例的数字量的器件称为A/D转换器，常用ADC表示。 5.3.1 A/D转换器的性能指标（1）分辨率：分辨率是指输出数字量变化一个相邻数码所需输入模

15、拟电压的变化量。A/D转换器的分辨率定义为满刻度电压与2n之比值，其中n为ADC的位数。例如：具有12位分辨率的ADC能分辨出满刻度的（1/2）12或满刻度的0.0245%。一个10V满刻度的12位ADC能够分辨输入电压变化的最小值为2.4mV。而 位的A/D转换器（满字为1999），其分辨率为满刻度的1/1999100%=0.05%。,（2）转换速率与转换时间：转换速率是指A/D转换器每秒钟转换的次数。转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间）。转换时间是转换速率的倒数。 （3）量化误差：有限分辨率A/D的阶梯状转移特性曲线与理想无限分辨率A/D的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差称为量化误差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB，1/2LSB。 （4）线性度：实际A/D转换器的转移函数与理想直线的最大偏差。不包括量化误差、偏移误差（输入信号为零时，输出信号不为零的值）和满刻度误差（满度输出时，对应的输入信号与理想输入信号值之差）三种误差。 （5）量程：量程是指A/D能够转换的电压范围，如05V，-10+10V等。 （6） 其他指标：内部/外部电压基准、失调（零点）温度系数、增益温度系数，以及电源电压变化抑制比等性能指标。,