《單片機原理、接口技術(shù)及應(yīng)用》課件第9章

9.1接口技術(shù)概述

9.2并行I/O接口技術(shù)與應(yīng)用

9.3可編程并行I/O接口芯片8155

9.4數(shù)碼顯示器及鍵盤接口

9.5D/A轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換器

9.6A/D轉(zhuǎn)換與A/D轉(zhuǎn)換器

習(xí)題與思考題

第9章MCS-51單片機的接口技術(shù)及應(yīng)用9.1接口技術(shù)概述單片機為什么需要I/O接口電路呢？這是由于存儲器是半導(dǎo)體電路，與CPU具有相同的電路形式，數(shù)據(jù)信號也是相同的(電平信號)，能相互兼容直接使用，因此存儲器與CPU之間采用同步定時工作方式。它們之間只要在時序關(guān)系上能相互滿足就可以正常工作。存儲器與CPU之間的連接相當(dāng)簡單，除地址線、數(shù)據(jù)線之外，就是讀或?qū)戇x通信號，實現(xiàn)起來非常方便。而CPU和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送卻十分復(fù)雜，它們之間存在著下述幾個要解決的問題。

1．接口的作用

◆高速CPU與工作速度快慢差異很大的外部設(shè)備的矛盾。

◆外部設(shè)備的數(shù)據(jù)信號是多種多樣的。

◆外部設(shè)備種類繁多。

◆外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送有近距離的，也有遠距離的。單片機系統(tǒng)必須在CPU和外設(shè)之間有一個接口電路，通過接口電路對CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送進行協(xié)調(diào)。在數(shù)據(jù)的I/O傳送中，接口電路主要有如下幾項功能：

(1)速度協(xié)調(diào)。由于速度上的差異，使得數(shù)據(jù)的I/O傳送只能以異步方式進行，即只能在確認外設(shè)已為數(shù)據(jù)傳送做好準(zhǔn)備的前提下才能進行I/O操作。

(2)三態(tài)緩沖。數(shù)據(jù)輸入時，輸入設(shè)備向CPU傳送的數(shù)據(jù)也要通過數(shù)據(jù)總線，為了維護數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)傳送的秩序，只允許當(dāng)前時刻正在進行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)源使用數(shù)據(jù)總線，其他數(shù)據(jù)源都必須與數(shù)據(jù)總線處于隔離狀態(tài)。為此，要求接口電路具備三態(tài)緩沖功能。

(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。有些外部設(shè)備需要使用接口電路進行數(shù)據(jù)信號的轉(zhuǎn)換。其中包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、串/并轉(zhuǎn)換和并/串轉(zhuǎn)換等。

由于外設(shè)之間在數(shù)據(jù)傳送時，其功能主要是通過接口電路實現(xiàn)的。接口電路中一般包含三部分：①數(shù)據(jù)寄存器，用來保存輸入、輸出數(shù)據(jù)；②狀態(tài)寄存器，用來保存外設(shè)的狀態(tài)信息；③命令寄存器，用以保存來自CPU的有關(guān)數(shù)據(jù)傳送的控制命令。由于在數(shù)據(jù)的傳送中，CPU需要對這些寄存器的狀態(tài)口和保存命令的命令口尋址等，我們通常把接口電路中這些已編址并能進行讀或?qū)懖僮鞯募拇嫫鞣Q為端口(port)，或簡稱口。因此，一個接口電路就對應(yīng)著多個端口地址。輸入、輸出的數(shù)據(jù)都要通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線進行傳送，為了正確地進行數(shù)據(jù)的傳送，就必須解決數(shù)據(jù)總線的隔離問題。對于輸出設(shè)備的接口電路，要提供鎖存器，當(dāng)允許接收輸出數(shù)據(jù)時鎖存器打開，否則關(guān)閉。而對于輸入設(shè)備的接口電路，要使用三態(tài)緩沖電路或集電極開路門。

2．接口編址方式

一個接口電路中有多個端口，這些端口都占用地址空間，系統(tǒng)要對這些端口編址才能訪問。對端口編址是為I/O操作而進行的，因此也稱為I/O編址。常用的I/O編址有獨立編址方式和統(tǒng)一編址方式。

獨立編址方式的優(yōu)點是I/O地址空間和存儲器地址空間相互獨立，但需要專門設(shè)置一套I/O指令和控制信號，從而增加了系統(tǒng)的開銷。統(tǒng)一編址方式就是把系統(tǒng)中的I/O和存儲器統(tǒng)一進行編址。在這種編址方式中，把接口中的寄存器(端口)與存儲器中的存儲單元同等對待。為此也把這種編址稱之為存儲器映像(Memorymapped)編址。80C51使用統(tǒng)一編址方式，因此在接口電路中的I/O編址也采用16位地址，和存儲單元的地址長度一樣。

3．CPU與外部設(shè)備交換信息的方式

在計算機的操作中，最基本和最頻繁的操作是數(shù)據(jù)傳送，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)主要在CPU、內(nèi)存和I/O接口之間傳送。它們之間所采用的傳送方式主要有：無條件傳送方式、查詢傳送方式、中斷傳送方式和DMA方式。9.2并行I/O接口技術(shù)與應(yīng)用計算機的I/O接口技術(shù)主要分為兩種：并行I/O接口和串行I/O接口。在數(shù)據(jù)傳輸時，如果一個數(shù)據(jù)編碼字符的每一位不是同時發(fā)送，而是按一定順序，一位接著一位在信道中被發(fā)送和接收，則將這種傳送方式稱為串行傳送方式。串行傳送方式的物理信道為串行I/O接口。串行I/O接口的特點是成本低，但速度慢。在數(shù)據(jù)傳輸時，如果一個數(shù)據(jù)編碼字符的每一位都同時發(fā)送、并排傳輸，又同時被接收，則將這種傳送方式稱為并行傳送方式。并行傳送方式要求物理信道為并行I/O接口。并行I/O接口的特點是傳送速度快、效率高，但由于需要的傳送數(shù)據(jù)線多，因而傳輸成本高。并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x通常小于30cm。計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)都是按并行傳送的方式傳送的。本章主要討論并行I/O接口技術(shù)。

MCS-51系列單片機具有四個8位雙向口，都具有數(shù)據(jù)I/O操作功能(由于80C51采用統(tǒng)一編址方式，因此沒有專門的I/O指令)。四個I/O口均屬于內(nèi)部的SFR，訪問I/O接口如同訪問存儲器單元一樣。

使用單片微機本身的I/O口，能完成一些簡單的數(shù)據(jù)I/O應(yīng)用，例如執(zhí)行指令：

MOV P1，#7FH

執(zhí)行結(jié)果為：P1.7引腳輸出低電平，其余7個引腳都輸出高電平。圖9-1簡單的I/O擴展電路9.2.2可編程I/O接口擴展

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機本身的資源如I/O口、定時器/計數(shù)器、串行口等往往不能滿足要求，因此需要在單片機上擴展其他外圍接口芯片。

為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高微機系統(tǒng)的可靠性，近年來，外圍接口電路已向組合化方向發(fā)展，發(fā)展為接口電路芯片組。由于MCS-51系列單片機的外部RAM和I/O口是統(tǒng)一編址的，用戶可以把單片機64?KB的RAM空間的一部分作為擴展I/O口的地址空間。這樣，單片機就可以像訪問外部RAM那樣訪問外部接口芯片，對其進行讀/寫操作。Intel公司為配合該公司的處理器芯片，開發(fā)了大量外圍接口芯片。其中有一些可以與MCS-51單片機直接連接，常用的接口芯片有8255(可編程并行接口)、8259(可編程中斷控制器)、8279(可編程鍵盤/顯示器接口)、8155/8156(帶有I/O口、定時器和靜態(tài)RAM的可編程并行接口)、8253(可編程通用定時器/計數(shù)器)、8251(通用可編程通信接口)、8243(輸入/輸出擴展器)等。9.3可編程并行I/O接口芯片8155

8155芯片內(nèi)具有256?B的RAM，兩個8位、一個6位的可編程并行I/O接口和一個14位的計數(shù)器，與MCS-51單片機接口簡單，是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。9.3.18155的結(jié)構(gòu)圖9-2(a)為8155的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，按照器件的功能，8155可由下列三部分組成：

(1)隨機存儲器部分：容量為256?×?8位的靜態(tài)RAM。圖9-28155的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳9.3.48155的I/O端口工作原理

8155的三組I/O端口電路的工作方式均由可編程的命令寄存器的內(nèi)容所規(guī)定，而其狀態(tài)可由讀出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容而獲得。上面已經(jīng)敘述，8155的命令寄存器和狀態(tài)寄存器分別為各自獨立的8位寄存器。在8155的器件內(nèi)部，從邏輯上來說，是只允許寫入命令寄存器和讀出狀態(tài)寄存器內(nèi)容的。而實際上，讀命令寄存器內(nèi)容及寫入狀態(tài)寄存器的操作是既不允許也不可能實現(xiàn)的。因此完全可將命令寄存器和狀態(tài)寄存器的地址合用一個通道地址，以減少器件占用的通道地址，同時將兩個寄存器簡稱為命令/狀態(tài)寄存器。

1)?8155的命令字格式

8155命令寄存器的定義如下：①TM1，TM2：定時器/計數(shù)器工作方式。00—方式1；01—方式2；10—方式3；11—方式4。見表9-2。

2)?8155的狀態(tài)字格式

狀態(tài)寄存器為8位，各位均可鎖存，其中最高位為任意位，低6位用于指定接口的狀態(tài)，另一位用來指示定時器/計數(shù)器的狀態(tài)。

通過讀命令/狀態(tài)寄存器的操作(即用指令系統(tǒng)的輸入指令)，可讀出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。8155的狀態(tài)字格式如下：

3)?8155的端口電路

8155器件的I/O部件由五個寄存器組成：

(1)兩個命令/狀態(tài)寄存器(C/S)：其地址為xxxxx000。如前所述，當(dāng)寫操作期間選中命令/狀態(tài)寄存器時，就把一個命令按命令字格式寫入命令寄存器中，并且命令寄存器的狀態(tài)信息不能通過其引腳來讀??；當(dāng)讀操作期間選中命令/狀態(tài)寄存器時，將I/O端口和定時器的狀態(tài)信息讀出。

(2)兩個寄存器為PA和PB：根據(jù)命令/狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，分別對PA0～PA7和PB0～PB7編程，使相應(yīng)的I/O電路處于基本的輸入或輸出方式，或選通方式。

(3)PC：該寄存器僅6位，可以對I/O端口電路PC0～PC5進行編程，或?qū)γ罴拇嫫髅钭值牡?，3位(PCⅠ和PCⅡ)作適當(dāng)編程，使其生成PA和PB的控制信號，詳見表9-3。

4)?8155的定時器

8155的定時器是一個14位的減法計數(shù)器，它能對輸入定時器的脈沖進行計數(shù)，在達到最后計數(shù)值時，有一個矩形波或脈沖輸出。

為了對定時器進行程序控制，首先裝入計數(shù)長度。由于計數(shù)長度為14位(第0～13位)，而每次裝入的長度只能是8位，所以必須分兩次裝入。裝入計數(shù)長度寄存器的值為2H～3FFFH，第14～15位用來規(guī)定定時器的輸出方式。定時器格式如下：最高兩位(M2，M1)定義的定時器方式如表9-4所示。

應(yīng)該注意，當(dāng)8155復(fù)位時，8155計數(shù)器停止計數(shù)。圖9-38051與8155接口電路圖

PA口定義為基本輸入方式，PB口定義為基本輸出方式，定時器作為方波發(fā)生器，對8051的晶振頻率進行24分頻(但需注意，8155的最高計數(shù)頻率約4?MHz)，則8155I/O口初始化程序如下：在同時需要擴展RAM和I/O口及計數(shù)器的MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)中，選用8155是特別經(jīng)濟的。8155的RAM可以作為數(shù)據(jù)緩沖器，I/O口可以外接打印機、A/D、D/A、鍵盤等控制信號的輸入/輸出，定時器可以作為分頻器或定時器。9.4數(shù)碼顯示器及鍵盤接口顯示器是最常用的輸出設(shè)備，特別是發(fā)光二極管顯示器(LED)和液晶顯示器(LCD)，由于結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉和接口容易，在單片機系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。下面主要介紹發(fā)光二極管顯示器(LED)與8051的接口設(shè)計和相應(yīng)的程序設(shè)計。9.4.1LED顯示器結(jié)構(gòu)與原理

發(fā)光二極管顯示器是單片機應(yīng)用產(chǎn)品中常用的輸出設(shè)備。它是由若干個發(fā)光二極管組成顯示的字段，當(dāng)二極管導(dǎo)通時相應(yīng)的一個點或一個筆劃發(fā)光，就能顯示出各種字符。常用的七段LED顯示器的結(jié)構(gòu)如圖9-4所示。LED數(shù)碼顯示器有兩種結(jié)構(gòu)：將所有發(fā)光二極管的陽極連在一起，稱為共陽接法，公共端COM接高電平，當(dāng)某個字段的陰極接低電平時，對應(yīng)的字段就點亮；將所有發(fā)光二極管的陰極連在一起，稱為共陰接法，公共端COM接低電平，當(dāng)某個字段的陽極接高電平時，對應(yīng)的字段就點亮。每段所需電流一般為5～15?mA，實際電流視具體的LED數(shù)碼顯示器而定。下面介紹使用譯碼器或軟件譯碼的一些接口電路。圖9-4七段LED數(shù)碼顯示器的引腳符號和結(jié)構(gòu)點亮LED顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮?xí)r有恒定的電流流過，這種方法，每一顯示位都需要一個8位的輸出口控制，占用的硬件較多，一般僅用于顯示位數(shù)較少的場合。動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器，對每一位顯示器而言，每隔一段時間點亮一次。動態(tài)顯示器因其硬件成本較低而得到廣泛的應(yīng)用。

為了顯示字符和數(shù)字，要為LED顯示器提供顯示段碼(或稱字形代碼)，組成一個“8”字形的7段，再加上一個小數(shù)點位，共計8段，因此提供LED顯示器的顯示段碼為1個字節(jié)。各段碼的對應(yīng)關(guān)系如表9-5所示。用LED顯示器顯示十六進制數(shù)和空白及P的顯示段碼如表9-6所示。從LED顯示器的顯示原理可知，為了顯示字母和數(shù)字，最終必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)段碼。這種轉(zhuǎn)換可以通過硬件譯碼器或軟件進行譯碼實現(xiàn)。

1．動態(tài)LED顯示器接口電路

動態(tài)顯示接口電路把每一個顯示器的8個筆畫字段(a～g和dp)的同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極(COM)各自獨立接受I/O線控制。CPU向字段輸出端口輸出字型碼時，所有顯示器接受相同的字型碼，但究竟是哪一位則由I/O線決定。動態(tài)掃描用分時的方法輪流控制每個顯示器的COM端，使每個顯示器輪流點亮。在輪流點亮過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。顯示器的亮度跟導(dǎo)通的電流有關(guān)，也和點亮的時間與間隔的比例有關(guān)。圖9-5為6位共陰顯示器和8155的接口電路。8155的A口作為位掃描口，B口作為段數(shù)據(jù)口。考慮驅(qū)動LED顯示器所需電流，位掃描口需加反相驅(qū)動器75452，以提供足夠的驅(qū)動電流，然后接各數(shù)碼顯示器的公共端。同理，段數(shù)據(jù)口也需加同相驅(qū)動器7407再接到數(shù)碼顯示器的各段。圖9-56位動態(tài)顯示器接口

【例9-2】在8051的內(nèi)部RAM中設(shè)置6個顯示緩沖單元79H～7EH，分別存放6位顯示器(見圖9-5)的顯示數(shù)據(jù)。8155的A口掃描輸出1位高電平，反相后為低電平輸出到數(shù)碼顯示器的公共端(共陰極)，8155的B口輸出相應(yīng)位的顯示數(shù)據(jù)的段碼，使某一位顯示出一個欲顯示的字符，其他位由于公共端接高電平而不能點亮，依次地改變A口輸出的高電平位，B口輸出對應(yīng)位的段碼，6位顯示器就能顯示出緩沖器中顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。顯示程序流程圖如圖9-6所示。圖9-6動態(tài)顯示子程序流程圖

2．靜態(tài)LED顯示器接口電路

靜態(tài)LED顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時再傳送一次新的數(shù)據(jù)。只要當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)沒有變化，就無須理睬數(shù)碼顯示管。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時間少。靜態(tài)顯示中，每一個顯示器都要占用單獨具有鎖存功能的I/O口，該接口用于筆畫段字型段碼。這樣，單片機只要把顯示的字型數(shù)據(jù)段碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示要發(fā)送的字型。要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機再發(fā)送新的段碼。

由于靜態(tài)LED顯示每一位LED都有8位段碼，需8位I/O口，占用口線太多，在此就不再介紹了。9.4.2鍵盤接口

鍵盤是由若干個按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是一種廉價的輸入設(shè)備。一個鍵盤通常包括有數(shù)字鍵(0～9)、字母鍵(A～Z)以及一些功能鍵。操作人員可以通過鍵盤向計算機輸入數(shù)據(jù)，地址、指令或其他控制命令，實現(xiàn)人—機對話。

用于計算機系統(tǒng)的鍵盤按其結(jié)構(gòu)形式可分為兩類：一類是編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件來實現(xiàn)；另一類是非編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由軟件來識別。單片機系統(tǒng)中普遍使用非編碼鍵盤，鍵盤接口應(yīng)具備以下功能：

◆鍵掃描功能，即檢測是否有鍵按下；

◆產(chǎn)生相應(yīng)的鍵代碼(鍵值)；

◆消除按鍵抖動及多鍵按下。圖9-8鍵閉合時列線電壓波形非編碼鍵盤識別按鍵的方法有兩種：一是行掃描法，二是線反轉(zhuǎn)法。

(1)行掃描法。該方法是通過行線發(fā)出低電平信號，如果該行線所連接的鍵沒有按下，則列線所接的端口得到的全是“1”信號；如果有鍵按下，則得到非全“1”信號。為防止雙鍵或多鍵同時按下，再從第0行一直掃描到最一行，若發(fā)現(xiàn)僅有一個“1”，則為有效鍵；否則全部作廢。找到有效的閉合鍵后，讀入相應(yīng)的鍵值轉(zhuǎn)到對應(yīng)的處理程序。

(2)線反轉(zhuǎn)法。該方法也是識別閉合鍵的一種常用方法，它比行掃描法速度快，但在硬件上要求行線與列線外接上拉電阻。該法先將行線作為輸出線，列線作為輸入線，行線輸出全“0”，讀入列線的值，然后將行線和列線的輸入、輸出關(guān)系互換，并且將剛才讀到的列線值從列線所接的端口輸出，再讀取行線的輸入值。因此，閉合鍵所在行線上的值必為0。這樣，當(dāng)一個鍵被按下時，必定可讀到一對唯一的行列值。圖9-98051經(jīng)8155A擴展鍵盤顯示器接口

(4)使CPU對鍵的一次閉合僅做一次處理。采用的方法為等待閉合鍵釋放以后再做處理。LED顯示程序的流程如圖9-6所示，主程序流程圖如圖9-10所示。圖9-10主程序流程圖這里采用顯示子程序作為延時子程序，其優(yōu)點是在進入鍵輸入程序后，顯示器始終是亮的。在鍵輸入程序中，調(diào)用顯示程序DISUP一次需用6?ms。DIGL為8001H，即A口的地址，DISM為顯示器占有數(shù)據(jù)存儲單元首地址。9.4.4其他常用可編程接口芯片

8279是Intel公司生產(chǎn)的通用可編程鍵盤和顯示器I/O接口器件。由于它本身可提供掃描信號，因而可代替微處理器完成鍵盤和顯示器的控制，從而減輕了主機的負擔(dān)。

1．8279主要特性

8279接口的主要特性如下：

(1)與MCS-85、MCS-48、MCS-51等微處理器連接方便。

(2)能同時執(zhí)行鍵盤與顯示器操作。

(3)掃描式鍵盤工作方式。

(4)有8個鍵盤FIFO(先入先出)存儲器。

(5)帶觸點去抖動的二鍵鎖定或N鍵巡回功能。

(6)兩個8位或16位的數(shù)字顯示器。

(7)可左/右輸入的16?B顯示用RAM。

(8)由鍵盤輸入產(chǎn)生中斷信號。

(9)掃描式傳感器工作方式。

(10)用選通方式送入輸入信號。

(11)單個16字符顯示器。

(12)工作方式可由CPU編程。

(13)可編程掃描定時。圖9-118031與8279的接口框圖9.5D/A轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器(DigittoAnalogConverter)是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件，通常用DAC表示，它可將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量，因此被廣泛應(yīng)用于過程控制中。9.5.1D/A轉(zhuǎn)換原理

D/A轉(zhuǎn)換的基本原理是把數(shù)字量的每一位代碼按權(quán)大小轉(zhuǎn)換成模擬分量，然后根據(jù)疊加原理將各代碼對應(yīng)的模擬輸出分量相加。實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，常用權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和T形電阻網(wǎng)絡(luò)兩種方法。圖9-12權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換原理圖圖9-13T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖

(3)線性誤差。D/A的實際轉(zhuǎn)換特性(各數(shù)字輸入值所對應(yīng)的各模擬輸出值之間的連線)與理想的轉(zhuǎn)換特性(始、終點連線)之間是有偏差的，這個偏差就是D/A的線性誤差，即兩個相鄰的數(shù)字碼所對應(yīng)的模擬輸出值(之差)與一個LSB所對應(yīng)的模擬值之差，常以LSB的分數(shù)形式表示。

4．D/A轉(zhuǎn)換器的分類

(1)按輸出形式分類。按輸出形式可將D/A轉(zhuǎn)換器分為電壓輸出型和電流輸出型兩種。電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器可以直接從電阻陣列輸出電壓，直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負載，由于無輸出放大器部分的延遲，常作為高速D/A轉(zhuǎn)換器使用。電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電流很少被直接利用，一般經(jīng)電流—電壓轉(zhuǎn)換電路將電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓輸出，常用的轉(zhuǎn)換方法有兩種：一種是直接連接負載電阻實現(xiàn)，另一種是通過運算放大器實現(xiàn)，其中后者較常用。

(2)按是否含有鎖存器分類。D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換需要一定的時間，在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的數(shù)字量應(yīng)保持穩(wěn)定，為此應(yīng)當(dāng)在D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入端的前面設(shè)置鎖存器，以提供數(shù)據(jù)鎖存功能。根據(jù)轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)是否帶有鎖存器，可將D/A轉(zhuǎn)換器分為內(nèi)部無鎖存器和內(nèi)部有鎖存器兩類。

(3)按輸入數(shù)字量方式分類。根據(jù)與處理器相連的總線類型，可將D/A轉(zhuǎn)換器分為并行總線D/A轉(zhuǎn)換器和串行總線D/A轉(zhuǎn)換器兩種。串行D/A轉(zhuǎn)換器可以通過I2C總線、SPI總線等串行總線接收來自于處理器的數(shù)據(jù)，并行D/A轉(zhuǎn)換器則通過并行總線接收來自于處理器的數(shù)據(jù)。9.5.2并行D/A轉(zhuǎn)換器的接口與應(yīng)用

由于使用的情況不同，DAC的位數(shù)、精度及價格要求也不相同。美國AD公司、Motorola公司、半導(dǎo)體公司、無線電公司等均生產(chǎn)D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有8位、10位、12位、16位等。下面以典型的8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832為例，介紹D/A轉(zhuǎn)換器的接口。

1．DAC0832的特點及結(jié)構(gòu)

1)?DAC0832的特點

DAC0832是NS公司生產(chǎn)的DAC0830系列(DAC0830/32)產(chǎn)品中的一種，該系列芯片具有以下特點：

(1)?8位并行D/A轉(zhuǎn)換。

(2)片內(nèi)二級數(shù)據(jù)鎖存，提供數(shù)據(jù)輸入雙緩沖、單緩沖和直通三種工作方式。

(3)電流輸出型芯片，通過外接一個運算放大器，可以很方便地提供電壓輸出。

(4)?DIP20封裝，單電源(+5～+15?V，典型值為?+5?V)，與MCS-51連接方便。

2)?DAC0832結(jié)構(gòu)與引腳

DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖9-14所示。由圖可見，DAC0832主要由兩個8位寄存器與一個D/A轉(zhuǎn)換器組成。這種結(jié)構(gòu)使輸入的數(shù)據(jù)能夠有兩次緩沖，因而在操作上十分方便、靈活。DAC0832的引腳功能如表9-7所示。圖9-14DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖9-15DAC0832單極性輸出圖9-16DAC0832雙極性輸出這一對應(yīng)關(guān)系如表9-8所示。

3)轉(zhuǎn)換控制方式

(1)單緩沖方式接口。

單緩沖方式是指DAC0832內(nèi)部的兩個數(shù)據(jù)緩沖器有一個處于直通方式，另一個處于受單片機控制的方式。在應(yīng)用系統(tǒng)中，如果只有一路D/A轉(zhuǎn)換，或者有多路D/A轉(zhuǎn)換，但不要求同步輸出時，可以采用單緩沖器方式接口，如圖9-17所示。圖9-17DAC0832單緩沖方式下的接口電路執(zhí)行下列幾條指令就可以完成一次D/A轉(zhuǎn)換：

MOVDPTR，#7FFFH

；?#7FFFH為DAC0832端口地址

MOVA，#DATA

；待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量DATA送累加器A

MOVX@DPTR，A

；數(shù)字量送DAC0832，當(dāng)有效時完成D/A輸入和轉(zhuǎn)換

【例9-5】利用如圖9-17所示電路，使用DAC0832作波形發(fā)生器分別產(chǎn)生三角波和矩形波。解：在圖9-17中，放大器LM358的輸出端VOUT直接反饋到RFB，所以該電路只能產(chǎn)生單極性的模擬電壓。產(chǎn)生三角波的子程序如下：數(shù)字量從0開始逐次加1，模擬量與之成正比，當(dāng)(A)?=?00H時，則逐次減1，減至(A)?=?0后，再從0開始加1，如此循環(huán)重復(fù)上述過程，輸出就是一個三角波，每個三角波的輸出周期點數(shù)為512，其中，上升邊256點，下降邊256點。如果需要延長三角波的周期，可以在每條MOVX指令之后插入NOP指令來實現(xiàn)。三角波程序運行結(jié)果如圖9-18(a)所示。圖9-18D/A轉(zhuǎn)換的兩種波形當(dāng)DAC0832輸入數(shù)字量DATA1時，輸出模擬量上限；當(dāng)DAC0832輸入數(shù)字量DATA2時，輸出模擬量下限。DELYH與DELYL之和為矩形波的周期。矩形波程序運行結(jié)果如圖9-18(b)所示。讀者可以在上述程序的基礎(chǔ)上修改實現(xiàn)鋸齒波、方波等波形的輸出。

(2)雙緩沖方式。

對于多路D/A轉(zhuǎn)換，若要求同步進行D/A轉(zhuǎn)換輸出時，則必須采用雙緩沖方式，在此工作方式下，數(shù)字量的輸入鎖存和D/A轉(zhuǎn)換輸出是分兩步完成的。

【例9-6】假設(shè)某一分時控制系統(tǒng)由一臺單片機控制并行的兩臺設(shè)備，連接電路如圖9-19所示，兩臺設(shè)備的模擬控制信號分別由兩片DAC0832輸出，要求兩片DAC0832同步輸出。圖9-19DAC0832雙緩沖連接電路圖解如圖9-19所示，利用DAC0832雙緩沖的原理，對不同端口地址的訪問具有不同的操作功能，具體功能如表9-9所示。實現(xiàn)同步輸出的操作步驟如下：

(1)將1#?待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線送到DAC0832的第一級鎖存(寫3FFFH口)。

(2)將0#?待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線送到DAC0832的第一級鎖存(寫1FFFH口)。

(3)將1#、0#?DAC0832的第一級鎖存器中的數(shù)據(jù)送到各自的第二級鎖存，同時開始D/A(寫5FFFH)轉(zhuǎn)換，周而復(fù)始。上述步驟可以簡單地理解為：前兩步是在準(zhǔn)備，并未開始轉(zhuǎn)換，等到所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后處理器才發(fā)出統(tǒng)一的指令，“同時”開始各自的8位D/A轉(zhuǎn)換。程序如下：9.5.3串行D/A轉(zhuǎn)換器TLC5617

1．TLC5617簡介

TLC5617是美國TI公司生產(chǎn)的帶有緩沖基準(zhǔn)輸入(高阻抗)的雙路10位電壓輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)。該DAC輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍，且其輸出是單調(diào)變化的。該器件使用簡單，用?+5?V單電源工作，并包含上電復(fù)位功能以確?？芍貜?fù)啟動。

通過CMOS兼容的3線串行總線可對TLC5617實現(xiàn)數(shù)字控制。器件接收用于編程的16位字產(chǎn)生模擬輸出。數(shù)字輸入端的特點是帶有斯密特(Schmitt)觸發(fā)器，它具有高的噪聲抑制能力。數(shù)字通信協(xié)議包括SPI、QSPI和Microwire標(biāo)準(zhǔn)。

TLC5617功耗低(慢速方式為3?mW，快速方式為8

mW)，采用8引腳小型封裝，因此可用于移動電話、測試儀表以及自動測試控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。TLC5617芯片的引腳如表9-10所示。

TLC5617內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-20所示。圖9-20TLC5617內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.?TLC5617的工作原理

TLC5617的輸入數(shù)據(jù)格式如下：其中，器件接收的16位字中前4位用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送模式，中間10位產(chǎn)生模擬輸出，兩個額外的位(次LSB)可以不關(guān)心。

TLC5617具有三種數(shù)據(jù)傳送方式，可由編程位的D15～D12控制選擇，如表9-11所示。圖9-21TLC5617的時序圖

3.TLC5617與MCS-51的硬件連接

圖9-22所示為TLC5617與8051的硬件連接電路。圖中，P1.7接

，作為片選信號控制線；P1.6接SCLK，作為時鐘信號控制線；P1.5接DIN，作為數(shù)據(jù)輸入線。當(dāng)片選信號為低電平時，TLC5617最先接收的是最高位數(shù)據(jù)，而8051單片機最先發(fā)送的是最低位數(shù)據(jù)，因此單片機在發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須將各位數(shù)據(jù)的順序顛倒一下。16位數(shù)據(jù)可分兩次發(fā)送，先發(fā)送高字節(jié)，后發(fā)送低字節(jié)。最先發(fā)送的D12～D15位為可編程控制位，用以確定數(shù)據(jù)的傳送方式。然后在片選信號的上升沿把數(shù)據(jù)送到DAC寄存器以開始D/A轉(zhuǎn)換。因D/A轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行下一次轉(zhuǎn)換前一般需要延時，以確保輸出結(jié)果的正確性。

【例9-7】參照圖9-22編寫利用TLC5617進行D/A轉(zhuǎn)換的程序。在對電路進行軟件編程時，應(yīng)預(yù)先將4個編程位存放于R0寄存器所指的單元，然后將要輸入的10位數(shù)中的高4位存于R1寄存器中，而將其低6位與2個填充位存于R2寄存器中，R3寄存器用于存放循環(huán)次數(shù)，R4寄存器存放時間常數(shù)。圖9-22TLC5617與MCS-51應(yīng)用接口9.6A/D轉(zhuǎn)換與A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitConverter)是一種將模擬量轉(zhuǎn)換為與之成比例的數(shù)字量的器件，常用ADC表示。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器新的設(shè)計思想和制造技術(shù)層出不窮，為滿足各種不同的檢測及控制任務(wù)的需要，各種類型的A/D轉(zhuǎn)換器芯片也應(yīng)運而生。9.6.1A/D轉(zhuǎn)換原理

A/D轉(zhuǎn)換是把模擬量信號轉(zhuǎn)化成與其大小成正比的數(shù)字量信號。A/D轉(zhuǎn)換電路的種類很多。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，目前常用的A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換方式主要有逐次逼近式和雙積分式。

1．逐次逼近式轉(zhuǎn)換原理

逐次逼近式轉(zhuǎn)換的基本原理是用一個計量單位使連續(xù)量整量化(簡稱量化)，即用計量單位與連續(xù)量比較，把連續(xù)量變?yōu)橛嬃繂挝坏恼麛?shù)倍，略去小于計量單位的連續(xù)量部分，得到的整數(shù)量即數(shù)字量。顯然，計量單位越小，量化的誤差也越小。

可見，逐次逼近式的轉(zhuǎn)換原理即“逐位比較”。圖9-23為一個N位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖。圖9-23逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器在精度、速度和價格上均比較適中，它是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。常用的逐次逼近式A/D器件有ADC0809、AD574A等。

2．雙積分轉(zhuǎn)換原理

雙積分A/D轉(zhuǎn)換采用了間接測量原理，即將被測電壓值UX轉(zhuǎn)換成時間常數(shù)，通過測量時間常數(shù)得到未知電壓值。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器原理圖如圖9-24(a)所示，它由電子開關(guān)、積分器、比較器、計數(shù)器、邏輯控制門等部件組成。圖9-24雙積分A/D轉(zhuǎn)換器原理

2)轉(zhuǎn)換速率與轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換速率是指完成一次從模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需時間的倒數(shù)，即每秒鐘轉(zhuǎn)換的次數(shù)。完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間(包括穩(wěn)定時間)稱為轉(zhuǎn)換時間。

3)量化誤差

量化誤差是由于A/D轉(zhuǎn)換器的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率A/D的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與理想無限分辨率A/D的轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差。量化誤差通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1?LSB或LSB。

4)線性度

線性度指實際A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏差。線性度不包括量化誤差、偏移誤差(輸入信號為零時，輸出信號不為零的值)和滿刻度誤差(滿刻度輸出時，對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差)三種誤差。

5)量程

量程是指A/D能夠轉(zhuǎn)換的電壓范圍，如0～5?V，-10～+10?V等。

6)其他指標(biāo)

除以上性能指標(biāo)外，A/D轉(zhuǎn)換器還有內(nèi)部/外部電壓基準(zhǔn)、失調(diào)(零點)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)。

4.?A/D轉(zhuǎn)換器的分類

1)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理分類

根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分成兩大類：直接型和間接型。直接型A/D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中間變量；在間接型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量(時間、頻率、脈沖寬度等)，然后再把這個中間變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼輸出。

2)根據(jù)輸出數(shù)字量的方式分類

根據(jù)輸出數(shù)字量的方式，A/D轉(zhuǎn)換器可以分為并行輸出轉(zhuǎn)換器和串行輸出轉(zhuǎn)換器兩種。并行ADC的特點是占用較多的數(shù)據(jù)線，但轉(zhuǎn)換速度快，在轉(zhuǎn)換位數(shù)較少時，有較高的性價比。串行ADC的特點是占用的數(shù)據(jù)線少，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)逐位輸出，輸出速度較慢。

3)根據(jù)輸出數(shù)字量表示形式分類

根據(jù)輸出數(shù)字量表示形式，A/D轉(zhuǎn)換器可分為二進制輸出格式和BCD碼輸出格式。BCD碼輸出采用分時輸出萬位、千位、百位、十位、個位的方法，可以很方便地驅(qū)動LCD顯示。二進制輸出格式一般要將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送單片機處理后使用。9.6.2并行A/D轉(zhuǎn)換器的接口與應(yīng)用

1.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器(SAR)

由上節(jié)可知，N位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器最多只需N次D/A轉(zhuǎn)換和比較判斷，就可以完成A/D轉(zhuǎn)換。因此，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的速度很快。本小節(jié)以典型的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809為例進行介紹。

1)?ADC0809的特點

ADC0809是美國國家半導(dǎo)體(NationalSemiconductor，NS)公司生產(chǎn)的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，它具有以下特點：

(1)分辨率為8位。

(2)轉(zhuǎn)換時間為100?μs(當(dāng)外部時鐘輸入頻率fc?=?640?kHz時)。

(3)采用單一電源?+5?V供電，量程為0～5?V。

(4)帶有鎖存控制邏輯的8通道多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，便于選擇8路中的任一路進行轉(zhuǎn)換。

(5)使用5?V或采用經(jīng)調(diào)整模擬間距的電壓基準(zhǔn)工作。

(6)帶鎖存器的三態(tài)數(shù)據(jù)輸出。

A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器輸出，允許直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。OE為輸出允許信號，可與系統(tǒng)讀信號相連。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，表示一次A/D轉(zhuǎn)換已完成，可以作為中斷請求信號，也可被程序查詢以檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。圖9-25ADC0809結(jié)構(gòu)框圖

3)?ADC0809引腳功能

ADC0809為DIP28封裝，芯片引腳功能如表9-12所示。

4)?ADC0809的操作時序

ADC0809的操作時序如圖9-26所示。圖9-26ADC0809的操作時序從時序圖中可以看出，地址鎖存信號ALE在上升沿將三位通道地址鎖存，相應(yīng)通道的模擬量經(jīng)多路模擬開關(guān)送到A/D轉(zhuǎn)換器。啟動信號START上升沿復(fù)位內(nèi)部電路，START信號的下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換器，此時轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC呈低電平狀態(tài)，由于逐位逼近需要一定過程，所以，在此期間模擬輸入員應(yīng)維持不變，比較器要一次次地進行比較，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC變?yōu)楦唠娖?，若CPU發(fā)出輸出允許信號OE（高電平），則可讀出數(shù)據(jù)。ADC0809具有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，受溫度影響小，且?guī)в?路模擬開關(guān)，因此，用在測控系統(tǒng)中是比較理想的器件。

【例9-8】ADC0809與MCS-51的硬件連接如圖9-27所示。要求進行8路A/D轉(zhuǎn)換，將IN0～IN7轉(zhuǎn)換結(jié)果分別存入片內(nèi)RAM的60H～67H地址單元中。圖9-27ADC0809典型應(yīng)用

2.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度普遍不高(通常每秒轉(zhuǎn)換幾次到幾百次〕，但是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換精度高、廉價、抗干擾能力強等優(yōu)點，在速度要求不很高的實際工程中廣泛使用。常用的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器有MC14433，ICL7106，ICL713，AD7555等芯片。這里以典型的MC14433A/D轉(zhuǎn)換器為例進行介紹。

1)?MC14433特點

(1)?3位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。

(2)外部基準(zhǔn)電壓輸入：200?mV或2?V。

(3)自動調(diào)零。

(4)量程有199.9?mV或1.999?V兩種(由外部基準(zhǔn)電壓UREF決定)。

(5)轉(zhuǎn)換速度為1～10次/秒，速度較慢。

2)?MC14433引腳功能

MC14433為DIP24封裝，芯片引腳功能如表9-13所示。

3)?MC14433選通時序

如圖9-28所示。EOC輸出1/2個CLK周期正脈沖表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，依次為DS1、DS2、DS3，DS4有效。在DS1有效期間，從Q3～Q0端讀出的數(shù)據(jù)是千位數(shù)，在DS2有效期間讀出的數(shù)據(jù)為百位數(shù)，依此類推，周而復(fù)始。圖9-28MC14433選通脈沖時序圖

4)接口與編程

【例9-9】?MC14433與MCS-51的連接如圖9-29所示，采用中斷方式(下降沿觸發(fā))進行8路A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集，第0路通道結(jié)果存儲格式如表9-15所示。圖9-29MC14433與MCS-51連接電路圖9.6.3串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543及應(yīng)用

隨著芯片集成度和工藝水平的提高，串行A/D(尤其是高精度串行A/D)轉(zhuǎn)換芯片正在被廣泛地采用。串行A/D轉(zhuǎn)換芯片以其引腳數(shù)少，集成度高(基本上無須外接其他器件)，價格低，易于數(shù)字隔離，易于芯片升級以及廉價等一系列優(yōu)點，正逐步取代并行A/D轉(zhuǎn)換芯片，其代價僅僅是速度略微降低(主要是數(shù)據(jù)串行逐位傳送的速度，而非轉(zhuǎn)換速度)。

串行A/D轉(zhuǎn)換器的生產(chǎn)廠商很多，著名的廠商有ADI、NS、TI等。由于串行A/D轉(zhuǎn)換器的基本功能相似，本小節(jié)以TI公司的TLC1543為例介紹。

1.?TLC1543芯片引腳及功能

TLC1543是美國TI公司生產(chǎn)的一種串行A/D轉(zhuǎn)換器，它具有輸入通道多、轉(zhuǎn)換精度高、傳輸速度快、使用靈活和價格低廉等優(yōu)點，是一種高性價比的A/D轉(zhuǎn)換器。

1)?TLC1543內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TLC1543內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-30所示。片內(nèi)包括10位A/D轉(zhuǎn)換器、輸入地址寄存器、10選1驅(qū)動器、采樣/保持器、輸出數(shù)據(jù)寄存器和自測參考等。圖9-30TLC1543內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2)?TLC1543芯片引腳

TLC1543芯片引腳功能如表9-16所示。同時，串口也從DATAOUT端接收前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。它以MSB前導(dǎo)方式從DATAOUT輸出，但MSB出現(xiàn)在DATAOUT端的時刻取決于串行接口時序。TLC1543可以用6種基本的串行接口時序方式，這些方式取決于I/OCLOCK的速度與的狀態(tài)。

所用串行時鐘脈沖的數(shù)目也取決于工作的方式，從10個到16個不等，但要開始進行轉(zhuǎn)換，至少需要10個時鐘脈沖。在第10個時鐘的下降沿EOC輸出變低，而當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時回到邏輯高電平。需要說明的是：如果I/OCLOCK的傳送多于10個時鐘，在第10個時鐘的下降沿，內(nèi)部邏輯也將DATAOUT變低，以保持剩下的各位的值是零。

(2)轉(zhuǎn)換周期。

如前所述，轉(zhuǎn)換開始于第4個I/OCLOCK的下降沿之后，片內(nèi)轉(zhuǎn)換器對采樣值進行逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換，其工作由I/OCLOCK同步了的內(nèi)部時鐘控制。轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，等待下一個I/OCLOCK周期的輸出。

2．接口與編程

TLC1543與MCS-51的連接電路如圖9-32所示。TLC1543和微處理器