第8章 MCS51與DA、AD的接口

第8章

MCS-51與D/A、A/D的接口

——數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口（1）數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的基本原理及多種數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的轉(zhuǎn)換原理。（2）數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的主要性能。（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的基本原理及多種模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的主要性能指標(biāo)。（4）常用集成DAC、ADC芯片及其使用方法

輸入通道（前向通道）：被測(cè)對(duì)象與單片機(jī)聯(lián)系的信號(hào)通道。包括傳感器或敏感元件、通道結(jié)構(gòu)、信號(hào)調(diào)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換、電源的配置、抗干擾等。輸出通道（后向通道）：?jiǎn)纹瑱C(jī)與被控對(duì)象聯(lián)系的信號(hào)通道。包括功率驅(qū)動(dòng)、干擾的抑制、D/A轉(zhuǎn)換等。輸入/輸出通道概述

過(guò)程I/O通道：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)和被控對(duì)象之間信息的交互通道（輸入通道、輸出通道）稱為過(guò)程I/O通道，過(guò)程I/O通道的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。

特點(diǎn)：（1）要靠近拾取對(duì)象采集信息；（2）傳感器、變送器的性能和工作環(huán)境因素嚴(yán)重影響通道的方案設(shè)計(jì)；（3）一般是模擬、數(shù)字等混和電路；（4）常需要放大電路；（5）抗干擾設(shè)計(jì)非常重要。輸入通道的結(jié)構(gòu)類型：輸入通道結(jié)構(gòu)形式取決于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境、輸出信號(hào)的類型、數(shù)量、大小等。1．輸入通道2．輸出通道

特點(diǎn):（1）小信號(hào)輸出，大功率控制；（2）輸出伺服驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；（3）電磁和機(jī)械干擾較為嚴(yán)重。通道結(jié)構(gòu)：

在輸出通道中，單片機(jī)完成控制處理后的輸出，總是以數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)的形式，通過(guò)I/O口或者數(shù)據(jù)總線傳送給被控對(duì)象。

8.2MCS-51單片機(jī)與DAC的接口

R-2RT型解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過(guò)程是先將各位數(shù)碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬分量，然后用疊加方法把各模擬分量相加，和為D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果。帶電流開(kāi)關(guān)和T型解碼網(wǎng)絡(luò)的8位D/A原理圖8.2.1D/A轉(zhuǎn)換器概述流入求和運(yùn)算放大器的電流為：這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。求和運(yùn)算放大器的輸出電壓倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)由于流過(guò)各支路的電流恒定不變，故在開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，不需電流建立時(shí)間，所以該電路轉(zhuǎn)換速度高，在數(shù)模轉(zhuǎn)換器中被廣泛采用。1.D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)（1）分辨率——指產(chǎn)生的最小輸出電壓與最大輸出電壓（滿刻度輸出電壓）的比值

（位數(shù)越多，能分辨的最小輸出電壓變化量就?。? 8位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為滿量程信號(hào)的1/256。（2）轉(zhuǎn)換精度——指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差。通常要求誤差小于ULSB/2。（3）輸出建立時(shí)間——從輸入數(shù)字信號(hào)起至輸出達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所需要的時(shí)間。它反映D/A轉(zhuǎn)換器的工作速度。一般不超過(guò)1μs。（4）線性度——實(shí)際轉(zhuǎn)換特性與理想轉(zhuǎn)換特性之間的誤差。應(yīng)小于±1/2LSB.8.2.2MCS-51與8位DAC0832的接口注意輸出形式和鎖存器的存在與否1.電壓與電流輸出形式電壓輸出形式－輸入是二進(jìn)制數(shù)或BCD碼的數(shù)字量輸出是電壓量電流輸出形式－輸出是電流量，經(jīng)運(yùn)放轉(zhuǎn)換成電壓2.帶/不帶鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器（1）內(nèi)部無(wú)鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器：與P0口接口時(shí)必須加鎖存器（2）內(nèi)部有鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器用P0口直接接口一．DAC0832芯片DAC0832是一種電流型D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)字輸入端具有雙重緩沖功能，可以雙緩沖、單緩沖或直通方式輸入，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖。ILE:數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)（輸入）/WR1（/WR2）:第一（二）寫信號(hào)，與ILE（/XFER）一起共同控制輸入寄存器（DAC寄存器）是數(shù)據(jù)直通方式/數(shù)據(jù)鎖存方式ILE＝1，/CS=0，/WR1=0時(shí)/LE1=1直通方式ILE＝1，/CS=0，/WR1=1時(shí)/LE1＝0鎖存方式DAC0832的特點(diǎn)DAC0832是NS公司生產(chǎn)的DAC0830系列（DAC0830/32）產(chǎn)品中的一種，8位CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其特點(diǎn)如下：①8位并行D/A轉(zhuǎn)換；②片內(nèi)二級(jí)數(shù)據(jù)鎖存，提供數(shù)據(jù)輸入雙緩沖、單緩沖、直通三種工作方式；③電流輸出型芯片(需外接運(yùn)放)；④DIP20封裝，CMOS低功耗器件，單電源（+5V～+15V，典型值+5V）供電；

⑤具有雙緩沖控制輸出；⑥參考電壓為-10～+10V⑦與MCS-51連接方便。二．DAC0832的引腳DAC0832有20引腳，采用雙列直插式封裝?？刂频谝患?jí)鎖存控制第二級(jí)鎖存數(shù)字量輸入端參考電壓輸入DAC電流輸出片內(nèi)反饋電阻引出線、、、直接接地，ILE接電源，DAC0832工作于直通方式，此時(shí)，8位輸入寄存器和8位DAC寄存器都直接處于導(dǎo)通狀態(tài)，8位數(shù)字量到達(dá)DI0~DI7，就立即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，從輸出端得到轉(zhuǎn)換的模擬量。

2．單緩沖方式：、、、，使得兩個(gè)鎖存器的一個(gè)（多為DAC寄存器）處于直通狀態(tài)，另一個(gè)處于受控制狀態(tài)，或者兩個(gè)被控制同時(shí)導(dǎo)通，DAC0832就工作于單緩沖方式。適用于只有一路模擬量輸出，或多路輸出但不同步情況。當(dāng)連接引腳三．DAC0832的工作方式DAC0832有三種方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。1．直通方式：例：產(chǎn)生鋸齒波。通過(guò)在DAC0832的輸出端接運(yùn)算放大器，由運(yùn)放產(chǎn)生鋸齒波實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明：DAC0832工作于單緩沖方式，其中輸入寄存器受控，DAC寄存器直通。假設(shè)輸入寄存器地址5000H ORG 8000H AJMP DASAW ORG 8200HDASAW:MOV DPTR,#5000H MOV R0,#00HWW: MOV A,R0 MOVX@DPTR,A INC R0

NOPNOPAJMPWW3．雙緩沖方式：當(dāng)8位輸入鎖存器和8位DAC寄存器分開(kāi)控制導(dǎo)通時(shí)，DAC0832工作于雙緩沖方式，雙緩沖方式時(shí)單片機(jī)對(duì)DAC0832的操作分兩步，第一步，使8位輸入鎖存器導(dǎo)通，將8位數(shù)字量寫入8位輸入鎖存器中；第二步，使8位DAC寄存器導(dǎo)通，8位數(shù)字量從8位輸入鎖存器送入8位DAC寄存器。第二步只使DAC寄存器導(dǎo)通，在數(shù)據(jù)輸入端寫入的數(shù)據(jù)無(wú)意義。給兩個(gè)寄存器各分配一個(gè)地址，使用不同地址線分別接/CS和/XFER，由單片機(jī)的/WR為/WR1和/WR2提供寫選通信號(hào)。設(shè)輸入寄存器地址0EH,DAC寄存器地址0FH，完成一次D/A轉(zhuǎn)換：MOV R0,#0EHMOVX@R0,AINCR0MOVX@R0,A四．DAC0832的應(yīng)用D/A轉(zhuǎn)換器在實(shí)際中經(jīng)常作為波形發(fā)生器使用，通過(guò)它可以產(chǎn)生各種各樣的波形。它的基本原理：利用D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比這一特點(diǎn)，通過(guò)程序控制CPU向D/A轉(zhuǎn)換器送出隨時(shí)間呈一定規(guī)律變化的數(shù)字，則D/A轉(zhuǎn)換器輸出端就可以輸出隨時(shí)間按一定規(guī)律變化的波形。例1：?jiǎn)螛O性輸出接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在外部RAM區(qū)6000H－607FH單元中存放一個(gè)控制模型（128個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)），要求按順序取出這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓輸出。地址空間：27256:0000H－7FFFH6264:0000H－1FFFH2000H－3FFFH4000H－5FFFH6000H－7FFFHDAC0832:0000H－3FFFH8000H－BFFFHDAC0832單極性輸出接口例2：電壓波形發(fā)生器1．輸出鋸齒波電壓信號(hào)MOVDPTR，#8000H；指向0832地址。MOVA，#00H；初值置零。LOOP：MOVX@DPTR，A；數(shù)字信號(hào)送0832。INCA ；數(shù)字信號(hào)加1。LCALLDELAY ；延時(shí)。AJMPLOOP ；循環(huán)輸出。2．輸出方波電壓信號(hào)MOVDPTR，#8000H ；指向0832地址。LOOP：MOVA，#0FFH ；建立高電平輸出數(shù)據(jù)。MOVX＠DPTR，A ；數(shù)字信號(hào)送0832。LCALLDELAY1 ；高電平延時(shí)。MOVA，#00H ；建立低電平輸出數(shù)據(jù)。MOV@DPTR，A ；送0832。LCALLDELAY2 ；低電平延時(shí)。AJMPLOOP；循環(huán)輸出對(duì)于多路D/A轉(zhuǎn)換，若要求同步進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換輸出時(shí)，則必須采用雙緩沖方式。[例3]

假設(shè)某一分時(shí)控制系統(tǒng)，由一臺(tái)單片機(jī)控制并行的兩臺(tái)設(shè)備，連接電路如下圖所示，兩臺(tái)設(shè)備的模擬控制信號(hào)分別由兩片DAC0832輸出，要求兩片DAC0832同步輸出。解：如上頁(yè)圖所示，利用DAC0832雙緩沖的原理，對(duì)不同端口地址的訪問(wèn)具有不同的操作功能，具體功能如下表所示。實(shí)現(xiàn)同步輸出的操作步驟為：①將1#待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線1#DAC0832的第一級(jí)鎖存（寫7FFFH口）；②將0#待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線0#DAC0832的第一級(jí)鎖存（寫0DFFFH口）；③將1#、0#DAC0832的第一級(jí)鎖存器中的數(shù)據(jù)各自的第二級(jí)鎖存，同時(shí)開(kāi)始D/A轉(zhuǎn)換（寫0BFFFH），周而復(fù)始。程序如下：

ORG0100H START: MOVDPTR,#7FFFH ;數(shù)據(jù)指針指向1#的第一級(jí)鎖存器 MOVA,#DATA1 ;取第一個(gè)待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)DATA1 MOVX@DPTR,A ;送入第一級(jí)緩沖器 MOVDPTR,#0DFFFH ;數(shù)據(jù)指針指向0#的第一級(jí)鎖存器 MOVA,#DATA0 ;取第二個(gè)待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)DATA0 MOVX@DPTR,A ;送入第一級(jí)緩沖器 MOVDPTR,#0BFFFH ;數(shù)據(jù)指針指向兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的第二級(jí)緩沖地址 MOVX@DPTR,A ;1#和0#數(shù)據(jù)同時(shí)由第一級(jí)向第二級(jí)鎖存?zhèn)魉?，并開(kāi)始轉(zhuǎn)換 RET END

8.1MCS-51與A/D的接口

A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogToDigitConverter）：將模擬量轉(zhuǎn)換為與之成比例的數(shù)字量的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器，常用ADC表示8.1.1A/D轉(zhuǎn)換器概述。

1．逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器（SAR）

組成：由結(jié)果寄存器、比較器和控制邏輯等部件組成。

原理：采用對(duì)分搜索逐位比較的方法逐步逼近，利用數(shù)字量試探地進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換、再比較判斷，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。將D/A轉(zhuǎn)換器的輸出從二進(jìn)制數(shù)據(jù)的最高位起，依次逐位置1，與待轉(zhuǎn)換的模擬量比較,若前者小于后者，該位置1并保留下來(lái)，若前者大于后者，該位清0;然后再照此比較下一位,……直至比完最低位。最后得到的結(jié)果，即A/D轉(zhuǎn)換的值。

特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較快（比較次數(shù)等于A/D的位數(shù)），通常在幾S至幾百S數(shù)量級(jí)；被轉(zhuǎn)換的模擬量若頻率很高（變化較快）則要加采樣保持電路；被轉(zhuǎn)換的模擬量若幅度過(guò)?。ㄐ盘?hào)微弱）則需要加信號(hào)處理電路。2.A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)（1）分辨率：分辨率是指輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿刻度電壓與2n之比值，其中n為ADC的位數(shù)。例如：具有12位分辨率的ADC能分辨出滿刻度的（1/2）12或滿刻度的0.0245%。一個(gè)10V滿刻度的12位ADC能夠分辨輸入電壓變化的最小值為2.4mV。而31/2位的A/D轉(zhuǎn)換器（滿字為1999），其分辨率為滿刻度的1/1999×100%=0.05%。（2）轉(zhuǎn)換速率與轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換速率是指A/D轉(zhuǎn)換器每秒鐘轉(zhuǎn)換的次數(shù)。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間（包括穩(wěn)定時(shí)間）。轉(zhuǎn)換時(shí)間是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。（3）量化誤差：有限分辨率A/D的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與理想無(wú)限分辨率A/D的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差稱為量化誤差。通常是1個(gè)或半個(gè)最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB，1/2LSB。（4）線性度：實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏差。不包括量化誤差、偏移誤差（輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零的值）和滿刻度誤差（滿度輸出時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差）三種誤差。（5）量程：量程是指A/D能夠轉(zhuǎn)換的電壓范圍，如0～5V，-10～+10V等。（6）其他指標(biāo)：內(nèi)部/外部電壓基準(zhǔn)、失調(diào)（零點(diǎn)）溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)，以及電源電壓變化抑制比等性能指標(biāo)。8.1.2ADC0809與MCS-51的接口一．ADC0809芯片IN0—IN7：8通道模擬量輸入端2-8—2-1：8位數(shù)字量輸出端C、B、A：接地址鎖存器的低三位地址ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，輸入，高電平有效。OE：允許讀A/D結(jié)果,高有效CLK：時(shí)鐘輸入端，范圍為10kHz～1200kHz，典型值640kHzEOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出。當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，該引腳為低電平，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，該線腳輸出高電平。Vcc：+5VVref+：參考電壓，+5VVref-：0V三．ADC0809的工作流程1．輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中，經(jīng)地址譯碼器譯碼從8路模擬通道中選通一路模擬量送到比較器。2．送START一高脈沖，START的上升沿使逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并使EOC信號(hào)為低電平。3．當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到輸出三態(tài)鎖存器，并使EOC信號(hào)回到高電平，通知CPU已轉(zhuǎn)換結(jié)束。4．當(dāng)CPU執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令，使OE為高電平，則從輸出端D0~D1讀出數(shù)據(jù)。四．ADC0809與MCS-51單片機(jī)的接口1．硬件連接ADC0809典型應(yīng)用如下圖所示。由于ADC0809輸出含三態(tài)鎖存，所以其數(shù)據(jù)輸出可以直接連接MCS-51的數(shù)據(jù)總線P0口?？赏ㄟ^(guò)外部中斷或查詢方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。[例]假設(shè)ADC0809與MCS-51的硬件連接如上頁(yè)圖所示，要求采用中斷方法，進(jìn)行8路A/D轉(zhuǎn)換，將IN0～I(xiàn)N7轉(zhuǎn)換結(jié)果分別存入片內(nèi)RAM的30H～37H地址單元中。解：程序如下： ORG0000H LJMPMAIN ;轉(zhuǎn)主程序 ORG0003H ;中斷服務(wù)入口地址 LJMPINT0F ;中斷服務(wù)。ORG0100H MAIN:MOVR0,#30H ;內(nèi)部數(shù)據(jù)指針指向30H單元 MOVDPTR,#7FF8H ;指向P2.7口，且選通IN0（低3位地址為000） SETBIT0 ;設(shè)置下降沿觸發(fā) SETBEX0 ;允許中斷 SETBEA ;開(kāi)總中斷允許 MOVX@DPTR,A ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 LJMP$ ;等待轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷中斷服務(wù)程序如下：INT0F:MOVXA,@DPTR ;取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV@R0,A ;存結(jié)果 INCR0 ;內(nèi)部指針下移 INCDPTR ;外部指針下移，指向下一路 CJNER0，#38H，NEXT;未轉(zhuǎn)換完8路，繼續(xù)轉(zhuǎn)換