【教学课件】第3章微机接口技术.ppt

1,第3章 微机接口技术引言：微机接口是微机与外部设备联系的关键和纽带，从功能上说，主要分为四类：前向通道、后向通道、人机通道和相互通道。一、前向通道 广义上说，反映外界状态的信号输入通道。（一）接口特点 1.主要完成对象状态、量值的检测，因此总要靠近对象拾取信号；2.环境无主观选择余地；3.电路设计的难易繁简除环境因素外，还取决于传感器、变送器件的选择；4.是模拟、数字等的混杂电路；5.靠近现场，易受干扰，故抗干扰设计是一重要内容。,2,（二）设计中应考虑的问题 1.信号的拾取：敏感元件、传感器、检测仪表；2.信号调节；3.A/D转换方式的选择（是否需要A/D及如何选择A/D）；4.电源配置及干扰防治：电源特点：（1）小功率；（2）高稳定度、高纯净度；（3）有干扰隔离和抑制措施。干扰的隔离可通过三个环节解决：（1）电源隔离：通过DC/DC变换器实现；（2）模拟通道隔离：通过隔离放大器实现；（3）数字通道隔离：通过光电耦合器实现。,3,（三）前向通道的组成：1.模拟多路转换器与信号调节器：将模拟量转换为满足A/D变换所需要的信号电平及输入方式；2.采样/保持放大器：对快速动态信号；3.A/D转换器；4.通道控制电路：如多路开关。二、后向通道 对控制对象实现控制操作的输出通道。（一）接口特点 1.小功率输出，大功率控制；2.是一个输出通道；3.接近控制对象，环境恶劣。,4,（二）解决的问题 根据单片机输出信号的形态及控制对象的要求来看，主要有：1.功率驱动：满足伺服驱动的功率要求；2.干扰防治：信号隔离、电源隔离及对大功率开关实现零切换等；3.数模转换：D/A、F/V等。三、人机通道 是应用系统与人之间的信息传递渠道，包括人对应用系统的状态干预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与结果。接口特点：1.专用性：人机通道的外部设备配置水平完全根据系统功能要求而定；2.小型廉价：系统本身特点是低成本、中小规模、环境适应性强、配置灵活，故相应的外部设备配置以小型、微型、廉价型为原则；3.在MCS-51单片机应用系统中，外部设备与外部存储器统一编址，与外部设备的数据通信使用MOVX指令；,5,4.人机接口中一般都是数字逻辑控制电路，很多外部设备都有标准的接口控制与通信要求。四、相互通道 指单片机应用系统之间或单片机和微型机、微处理器实现通信、控制的通道接口。（一）接口特点：1.是CPU之间的信号传送通道，传送控制指令或数据，信号传送要遵循一定的通信规程和编码要求；2.是一个数字通道，在提到中都是以一定形式的电流、电压量表示一些开关量0或1，具有较好的抗干扰能力；3.连接的两个应用系统通常都相隔一定的距离，因此大多数相互通道都包含有串行通信接口；4.软、硬件配置都应符合外总线的标准，以便实现接口的通用性，如信号电平、总线配置等。,6,（二）设计应解决的问题根据相互通道的要求不同，一般而言有以下内容：1.通道接口形式选择：根据信号传递的远近，双机或多机，应用系统中的口特性选择；2.总线接口标准选择：尽可能选择标准接口，使其通用性强，芯片选择容易，软件编制方便；3.通道接口的控制权力分配:确定双机系统中的主从关系或公共通道的控制模式，在多机系统中分层方式、呼应关系以及紧急中断控制方式等；4.长线驱动与匹配。,7,3.1 A/D转换器接口技术一、A/D转换器芯片类型（一）从转换方式上分：1.计数器式A/D转换器：也称量化反馈式，转换线路比较简单，转换速度较慢；2.逐次逼近型A/D转换器：既照顾了转换速度，又具有一定的精度，在过程控制自动化和智能仪表中得到广泛应用，如AD7574；3.双积分式A/D转换器：转换精度高，多用于数据采集系统及精度要求较高的场合；4.并行A/D转换器：5.串-并行A/D转换器：（二）从位数上分：有8位、10位、12位和16位等。,转换速度快，多用于雷达及图象处理等要求快速转换的系统,8,（三）从结构上分：单独的A/D转换器；集多路开关、数据放大器、采样/保持器及A/D转换器于一体的A/D转换器。二、A/D转换器常用的技术指标（一）精度A/D转换器的精度可分为绝对精度和相对精度两种。1.绝对精度是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对精度（绝对误差）一般包括增益误差、零点误差、非线性误差和微分非线性等。,9,（1）增益误差 也叫满量程误差，是指满量程输出数码对应的实际输入电压和理想输入电压之差，可由用户进行调整；（2）零点（零位）误差：是引起第1位数字量变化所需要的输入电压与理想A/D转换器输出的数字码发生第一次跳跃的输入电压的差值，也叫失调误差或偏移误差；（3）非线性误差：也叫线性度或非线性度，是由实际输出特性曲线偏离理想的直线程度来度量的；（4）微分非线性：描述在整个数字输出范围内相邻数字变化所对应的模拟值的变化量与理想电压变化量之差。,10,2.相对精度（相对误差）是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数表示或用LSB表示。1LSB=满刻度值/2N（二）转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间，叫转换时间，用TCONV表示。（三）分辨率 是指A/D转换器对微小输入信号的敏感程度，称二进制数末尾变化为1所需的最小输入电压对满量程之比为分辨率，通常用数字量的位来表示：分辨率=满刻度值/2N,11,（四）电源灵敏度 通常A/D转换器对电源变化的灵敏度用相当于同样变化的模拟量的输入值的百分比来表示。如灵敏度为0.05%/%Vs，即表示电源电压Vs变化1%时，相当于引入0.05%的模拟量输入值的变化。三、A/D转换器的选取原则 1.根据前向通道的总误差选择A/D转换器的精度及分辨率；2.根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定A/D的转换速度，保证实时性要求；3.根据环境条件选择A/D芯片的一些环境参数要求，如工作温度、功耗、可靠性等；4.根据计算机的接口特性考虑A/D转换器的输出状态，如并行或串行、二进制或BCD码、内部时钟或外部时钟、不用时钟、有无转换结束信号、电路兼容性、与微机接口是否易连等（由于单片机接口的灵活性及强大的控制功能，不一定在接口特性方面提出苛刻要求）；,12,5.考虑成本资源，是否流行芯片等。四、A/D转换器与单片机接口技术实例（一）8位A/D转换器ADC0809与单片机接口技术实例 1.ADC0809的引脚功能,图3.1 ADC0809 引脚图,13,IN0IN7：8个模拟量输入端；START：启动A/D转换信号。当START为高电平时，A/D开始转换；EOC：转换结束信号。当A/D转换完成之后，发出一个正脉冲，表示A/D转换结束，此信号可做A/D转换是否结束的检测信号或中断请求信号；OE：输出允许端。当此信号被选中时，允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量，次信号即为ADC0809的片选信号，高电平有效；CLK：实时时钟输入端。可通过外接RC电路改变时钟频率；ALE：地址锁存允许端，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C、B、A所表示的通道被选中，并把该通道的模拟量接入A/D转换器中；C、B、A：通道号端口选择输入端，C为最高位，A为最低位；D0D7：是数字量输出端口；REF（+）、REF（-）：参考电压输入端。用来提供A/D转换器权电阻的标准电平，一般REF（+）=5V、REF（-）=0V；VCC：电源电压，+5V；GND：接地端。,14,2.ADC0809与8031单片机的接口电路及程序（1）接口电路：如图所示；,图3.2 ADC0809与8031接口电路,15,（2）通道地址：如图，ADC0809的片选线为P2.7，容量为8个字节（即8个通道地址），低位地址由C、B、A三个输入端决定：由此可以得出通道地址为：7FF0H-7FF7H，,16,（3）程序 ADC0809与8031的连接如上图所示，其程序可有两种，即中断方式和查询方式：中断方式A/D转换程序清单：MOV DPTR，#7FFNH；N为通道号N=0-7MOVX DPTR，A；启动A/D转换NOPNOPNOPSETB IT1；选外部中断1MOV IE，#84H；开中断HERE：AJMP HERE；等待中断中断服务程序ORG 0013；外部中断1的中断入口地址MOVX A，DPTR；读入A/D转换的数据MOV 51H，A；转存数据RET1；程序结束,17,查询方式程序流程如下：,图3.3 ADC0809查询方式程序流程图,18,查询方式A/D转换程序清单：MOV DPTR，#7FFNH；N为通道号N=0-7 MOVX DPTR，A；启动A/D转换 MOV R2，#20H；延时DLY：DJNZ R2，DLY HERE：JB P3.3，HERE；等待转换结束 MOVX A，DPTR；读入A/D转换的数据 MOV 51H，A；转存数据 LJMP MON；跳转到监控程序（二）12位A/D转换器AD574与单片机接口技术实例 1.AD574的引脚功能；D0D11：是数字量输出端口；STS：转换结束信号，高电平有效。此信号可做A/D转换是否结束的检测信号或中断请求信号；,19,REFOUT、REFIN、BTPOFF：用于构建形成AD574双级性输入或单级性输入的外部电路；VCC、VEE：参考电压输入端。VCC为+15V，VEE为-15V；VL：电源电压+5V；DC：数字公共端；AC：模拟公共端；10VIN：模拟量输入端。单级性输入时10VIN的输入范围为0-10V，双级性输入时10VIN的输入范围为V；20VIN：模拟量输入端。单级性输入时20VIN的输入范围为0-20V；双级性输入时20VIN的输入范围为V；：片选信号端，低电平有效；CE：片使能允许端，高电平有效；：数据读/启动转换信号端。此信号为低电平时，启动A/D转换，为高电平时，允许从A/D转换器中读取数字量；,20,A0：用于控制数据的转换长度（位数）及数据格式。在进行数据转换时，A0为低电平，进行12位转换；为高电平时进行8位转换。在输出数据时，A0为低电平，输出转换结果的高8位，高电平时，输出转换结果的低4位。：用于控制数据的输出格式格式。接+5V时 4，输出数据格式为并行12位；接地时按高8位和低4位两次输出转换结果。其引脚组合控制功能如下表：,21,2.AD574与8031单片机的接口电路及程序（1）接口电路：如图所示；,图3.4 AD574与8031接口电路,22,（2）通道地址：如图，AD574的片选线为P1.7，容量为1个字节，由控制功能表可得，当 确定的启动AD574进行12位转换，端口地址为FF7CH；当 确定的读转换结果高8位数据入8031内存，端口地址为FF7EH；当 确定的读转换结果低4位数据入8031内存，端口地址为FF7FH。（3）程序清单如下：A/D转换的结果分别存放在指定的RAM内存单元30H和31H。MOV R0，30H MOV DPTR，#FF7CH；使 MOVX DPTR，A；启动A/D,23,HERE：JB P1.0，HERE；STS=1？转换未完循环MOV DPTR，#FF7EH；使MOVX A，DPTR；读转换结果高8位MOVX R0，A；存高8位INC DPTR；使MOVX A，DPTR；读转换结果低4位ANL A，#0FH；屏蔽高4位随机数INC R0；指向下一个存储单元MOVX R0，A；存低4位 LJMP MON；跳转到监控,24,3.2 D/A转换器接口技术一、D/A转换器芯片类型（一）按位数上分：有8位的DAC0832、10位的AD7522、12位的DAC1208、16位的DAC1136、18位的DAC1138等。（二）按输出形式分：有电流输出型和电压输出型，电压输出型又分为单级性输出和双级性输出两种。二、D/A转换器常用的技术指标（一）静态误差 一般包括增益误差、零点误差、非线性误差和微分非线性误差等。,25,1.增益误差 也叫满刻度误差，是指输入数字为满刻度时实际输出电压和理想输出电压之差；2.零点（零位）误差：输入数字量为零时所产生的非零输出电压值；3.非线性误差：实际输出电压和理想输出电压之间的误差，用%表示；4.微分非线性：描述在整个数字输出范围内相邻数字变化所对应的模拟值的变化量与理想电压变化量之差。（二）温度误差 可用失调、增益和微分线性系数完全描述。（三）动态误差 指D/A转换器电压或电流的稳定时间，即指输入到DAC的数据发生变化时，模拟量输出电流或电压跟随数字量变化达到稳定时所需的时间，通常是指达到DAC所规定的误差范围内的时间。,26,（四）分辨率 指单位数字量所引起的模拟量输出值的变化：分辨率=满刻度电压值/2N三、D/A转换器的选取原则 D/A转换器的选择主要考虑芯片的性能、结构及应用特性：（一）主要性能指标（实际上用户主要考虑的是以位数表示的转换精度和转换时间）：1.在给定条件下的静态指标，包括各项精度指标；2.动态指标：指建立时间及尖峰等参数；3.环境条件指标：主要有反映环境温度影响的增益温度系数及电源电压变化。（二）主要结构特性和应用特性（主要考虑接口方便，外围电路简单，价格低廉）：1.数字输入特性：接收数码制（一般用二进制）、数据格式（并行或串行）以及逻辑电平（TTL、低压COMS等）,27,2.模拟输出特性：多数D/A转换器为电流输出器件；3.锁存特性及转换控制；4.参考源：D/A转换中，参考源是唯一影响输出结果的模拟参量。四、D/A转换器与单片机的接口技术（一）8位D/A转换器DAC0832的管脚功能,图3.5 DAC0832 引脚图,28,D0-D7：数字量输入端；IOUT1：为第一电流输出端；IOUT2：为第二电流输出端，IOUT2为常数减去IOUT1，或者IOUT2+IOUT2=常数，在单级性输出时，IOUT2通常接地；Rfb：反馈电阻连接端，为外部运算放大器提供一个反馈电压。Rfb 可由内部提供，也可由外部提供；VREF：参考电压输入端，要求外边接一个精密的电源；VCC：数字电路电源输入端，一般为+5V-+15V；AGND：模拟地；DGND：数字地；：片选信号引脚，低电平有效；ILE：输入锁存允许信号，高电平有效；,29,图3.6 DAC0832 结构框图,30,：第一写控制信号，低电平有效。当 为低电平时，用来将输入数据传送到输入锁存器；当 为高电平时，输入锁存器中数据被锁存。当ILE为高电平，且 和 同时为低电平时，能将锁存器中的数据更新，以上三个锁存信号构成第一级锁存输入；：第二写控制信号，低电平有效。该信号与 配合，可使锁存器中的数据传送到DAC0832的寄存器中进行转换；：传送控制信号，低电平有效。该信号与 配合使用，构成第二级锁存。（二）DAC0832与8031的接口技术 0832与8031有两种基本的接口方法，即单缓冲器和双缓冲器同步方法。,31,1.单缓冲器方式接口 若应用系统中只有一路D/A转换或虽然是多路转换，但并不要求同步输出时，采用单缓冲器方式接口，如图所示，当地址线选择好0832后，只要输出控制信号，0832就能一步地完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。,图3.7 0832的单缓冲器方式接口电路,32,由于0832具有数字量的锁存功能，故数字量就可以直接从P0口送入，执行以下指令就能完成一次D/A转换：MOV DPTR，#7FFFH；指向0832 MOV A，#data；数字量先进入累加器 MOVX DPTR，A；数字量从P0口送至P2.7所指向的地址，有效时，完成一次D/A输入与转换。2.双缓冲器方式接口 对于多路D/A转换接口，要求同步D/A转换输出时，必须采用双缓冲器方式接法。采用这种接法时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的，即CPU的数据总线分时的向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中，然后CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各个D/A转换器输入寄存器的数据打入DAC寄存器，实现同步转换输出。,33,图3.8 0832的双缓冲器方式接口电路,34,一个两路同步输出的D/A转换接口如图所示：P2.5和P2.6分别选择两路D/A转换器的输入寄存器，控制输入锁存；P2.7连到两路D/A转换器的 端控制同步转换输出；执行MOVX输出指令时，8031自动输出控制信号。执行下面8条指令就能完成两路D/A的同步转换输出：MOV DPTR，#DFFFH；指向0832（1）MOV A，#data1；#data1送入0832（1）中锁存 MOVX DPTR，A；MOV DPTR，#BFFFH；指向0832（2）MOV A，#data2；#data2送入0832（2）中锁存 MOVX DPTR，A；MOV DPTR，#7FFFH；给0832(1)、0832(2)提供 信号 MOVX DPTR，A；同时完成D/A转换输出,35,3.3 模拟输入通道和输出通道一、模拟量输入通道（一）任务 模拟量输入通道如图所示，其任务是把传感器和变送器输出的模拟信号转换成微机所能接收的数字量。（二）要求 1.能满足生产工艺需要的转换精度，主要体现在A/D转换器的位数和精度上；2.要有较高的抗干扰能力。,图3.9 模拟量输入通道示意图,36,（三）输入电路的三种形式1.电阻式电流/电压转换电路：用在不存在共模干扰的0-10mA直流信号；2.变压器隔离式I/V转换电路：用在存在共模干扰的0-10mA直流信号；3.小信号放大及隔离式转换电路：测量精度要求不高时可用变送器。二、模拟量输出通道（一）任务 模拟量输出通道如图所示，其任务是把中央处理单元计算出的控制量转换为执行机构所能接收的模拟信号。,图3.10 模拟量输出通道示意图,37,2.手动/自动切换 即从微机的自动控制方式到手动操作方式的平衡无扰动切换。三、I/V转换部件的设计 1.主要技术指标 I/V转换电路有两种：即I10/V和I20/V，它们的主要技术指标如下表所示：2.I10/V和I20/V转换电路见书P54页（略）,38,3.4 常用输出驱动电路 一、功率开关接口驱动电路（一）大功率I/O口接口驱动电路 用于驱动继电器、电机、电磁开关等功率开关，主要有：1.功率晶体管驱动,图3.11 简单晶体管驱动器,39,2.达林顿驱动电路,图3.12 达林顿驱动电路器,40,3.闸流晶体管（可控硅整流器SCR）,图3.13 光隔离SCR,41,4.机械继电器,图3.14 簧继电器,42,5.功率场效应管（MOSFET）,图3.15 MOSFET驱动器,43,（二）小功率驱动集成电路 用于将I/O口及数据总线的信号转换成小功率信号，可直接驱动继电器、可控硅、LED显示器等。,图3.16 LED显示器驱动电路,44,（三）固态继电器 是一种无触点通断功率型电子开关，又名固态开关。不仅能实现小信号对大功率负载的开关控制，而且还具有隔离功能。,图3.17 几种基本的SSR输入端驱动电路,45,二、光电隔离与接口驱动电路 光电耦合器件能可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能状态，如信号隔离、隔离驱动、远距离传送等。（一）信号隔离 最简单的信号隔离用光电耦合器件如图所示，以发光二极管为输入端，以光敏三极管为输出端。一般用在100kHz以下的频率信号。,图3.18 信号隔离用光电耦合器件,46,（二）隔离驱动1.达林顿输出：输出部分以光敏三极管和放大三极管构成达林顿输出，可直接用于驱动较低频率的负载，如图3.18（a）；2.可控硅输出：输出部分为光控晶闸管，有单向、双向两种形式，常用在交流大功率的隔离驱动中，如图3.18（b）。,图3.19 隔离驱动用光电耦合器件,达林顿输出,可控硅输出,47,（三）远距离的隔离传送 输入部分为双铰线的20mA电流环远距离传送，输出部分通过TTL门进行电平调整。,图3.20 远距离的隔离传送光电耦合器件,48,三、线性功率驱动接口电路 将单片机通过数/模转换后的模拟电压转换成伺服控制系统所要求的功率输出，主要用于直流伺服控制中。常用器件有功率放大器和集成功率运算放大器。四、常用驱动IC 单片机应用系统中常用的驱动器可分为两类：1.带逻辑门的外部驱动器 2.不带逻辑门的外部驱动器,