《输入输出接口》PPT课件.ppt

第8章 输入输出接口 1 主要内容 n基本输入输出接口的特点 n简单接口芯片的应用 n两种可编程数字接口芯片的应用 n工业闭环控制系统概述 n模拟量输入输出接口芯片的功能及应用 2 8.1 简单数字接口电路 掌握： n接口电路的分类及特点； n两类简单接口芯片的应用 3 一、接口电路的基本构成 CPU 数据 状态 控制 外设 I/O接口： 4 接口的基本构成 数据线 控制线 状态线 DB CB AB 数据输入寄存器 (or 三态门) 数据输出寄存器 (锁存器) 状态寄存器 (or 三态门) 命令寄存器 译码 电路 控制 逻辑 5 接口的基本构成 n数据输入/输出寄存器 暂存输入/输出 的数据 n命令寄存器 存放控制命令，用来设定 接口功能、工作参数和工作方式。 n状态寄存器 保存外设当前状态，以供 CPU读取。 6 外设接口 输入接口 输出接口 并行接口 串行接口 数字接口 模拟接口 7 输入输出接口的特点 输入接口： n要求对数据具有控制能力（常用三态门实现） 输出接口： n要求对数据具有锁存能力（常用锁存器实现） 8 二、基本输入接口 三态门接口：高电平、低电平、高阻态 9 三态门的工作波形： A0A15 IOR 译码输出 D0D7开关状态 地址有效 10 74LS244接口 n含8个三态门的集成电路芯片 n不具备数据的保存能力 n在外设具有数据保持能力时用来输入接口 P341图 11 三态门接口应用例 n利用三态门作为输入接口（接口地址380H） 接到地址范围为70000H-71FFFH的 EEPROM芯片的READY/BUSY端，当三态门 输出高电平时，可向98C64A写入一个字节数 据，输出低电平时则不能写入。试画芯片与系 统的连接图 12 三态门接口应用例 D0D7 A0 A12 WE OE READY/BUSY A0 A12 MEMW MEMR 高位地 址信号 D0D7 D0 380H CE 译码 IOR A0 A12 译码 13 锁存器接口 n通常由D触发器构成； n特点： 具有对数据的锁存能力； 不具备对数据的控制能力 14 常用锁存器芯片 n74LS273 8D触发器，不具备数据的控制能力 n74LS374 含有8个带有三态输出的8D触发器，具有 对数据的控制能力 P343图 例 15 锁存器芯片74LS374 D0D7 Q0 Q7 . . . OE CP译码器 D0D7 Q0 Q7 . . . OE CP 译码器 做输出口:做输入口: 外 设 自外设 16 简单I/O接口综合应用例 n根据开关状态在7段数码管上显示数字或 符号 n设输出接口的地址为F0H n设输入接口地址为F1H n当开关的状态分别为00001111时，在 7段数码管上对应显示0F 17 O1 I1 O2 I2 O3 I3 O4 I4 E1 K0K3 +5V G G2A G2B C B A 1 74LS244 D0 Q0 | Q1 D7 Q2 Q3 Q4 CP Q5 Q6 Q7 a b c d e f g DP 7406 反相器 74LS273Rx8 1 74LS138 D0D7 IOW# IOR# Y0 Y1 F0H = 0000 0000 1111 0000 F1H = 0000 0000 1111 0001 1 0000 010 OUT DX，AL XOR AL，AL ; 所有继电器均断电 MOV DX，384H OUT DX，AL 56 8253的初始化程序 初始化命令字： MOV DX，38BH MOV AL，36H OUT DX，AL MOV AL，56H OUT DX，AL 置计数初值： MOV DX，388H MOV AX，2000 OUT DX，AL MOV AL，AH OUT DX，AL MOV DX，389H MOV AL，200 OUT DX，AL 57 8255的中断服务程序 (主程序及中断初始化部分略) MOV DX，385H ; PB口输入开关状态 WAIT0：IN AL，DX AND AL，1 ; K闭合否？ JNZ WAIT0 MOV DX，384H ; PA口控制继电器 MOV AL，0FFH ; 所有继电器动作 OUT DX，AL 58 数字接口电路部分作业： n8.1 n8.3 n8.5 n8.7 n8.10 n8.11 * 59 8.3 模拟量输入输出接口 主要内容： n模拟量输入输出通道的组成 nD/A转换器的工作原理、连接及编程 nA/D转换器的工作原理、连接及编程 60 一、模拟量输入输出通道 n模拟量的输入通道： 将工业现场的模拟信号或非电的物理信号转换为 计算机的标准输入信号 数据采集 n模拟量的输出通道 将计算机输出的数字信号转换为模拟量以驱动生 产现场的执行器件 过程控制 61 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/O 接口 输入通道 输出通道 62 模拟量I/O接口 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 63 二、数/模（D/A）变换器 掌握： nD/A变换器的工作原理 nD/A变换器的主要技术指标 nDAC0832的三种工作模式 nDAC0832的应用 64 1. D/A变换器的基本构成 模拟开关 电阻网络 运算放大器 权电阻网络 R-2R梯形电阻网络 Vref Rf 模拟开关 电阻网络 VO 数字量 65 2. 基本变换原理 n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： Vi Rf VO R 66 基本变换原理 n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： Vi Rf VO R1 Rn 67 基本变换原理 n令每个支路的输入电阻为2iR，并令基准电压 Vref =（Rf/Ri）Vi，则有 68 基本变换原理 n如果每个支路由一个开关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 69 权电阻网络： 2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R Vref Rf VO S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 这里，上式中的n=8 70 基本变换原理 n如果用8位二进制代码来控制图中的S1 S8 (Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，则不同的二进制 代码就对应不同输出电压VO； n当代码在0FFH之间变化时，VO相应地在0 -(255/256)Vref之间变化； n为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的 D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两 种阻值的电阻(R和2R)。 71 3. 主要技术指标 n分辨率（Resolution） 输入的二进制数每1个最低有效位 (LSB) 使输出变化的程度。 n可用输入数字量的位数来表示，如8位、10 位等；也可用一个LSB 使输出变化的程度来 表示。 nLSB Least Significant Bit 72 分辩率 n一个满量程为5V的10位D/A变换器，1 LSB 的变化将使输出变化 5/(210-1) = 5/1023 = 0.04888V = 48.88mV 73 转换精度（误差） 实际输出值与理论值之间的最大偏差 n可用最小量化阶来度量： =1/2 LSB n也可用满量程的百分比来度量： 如0.05% FSR (FSR-Full Scale Range) 74 转换时间 n从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB所对应 的模拟量所需要的时间。 t V 1/2 LSB tC VFULL 75 4. DAC0832 特点： n8位电流输出型D/A转换器 nT型电阻网络 n差动输出 76 DAC0832的内部结构： 77 主要引线功能 输入寄存器控制信号： nD7D0：输入数据线 nILE：输入锁存允许 nCS：片选信号 nWR1：写输入锁存器 78 主要引线功能 用于DAC寄存器的控制信号： nWR2：写DAC寄存器 nXFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC 寄存器 79 主要引线功能 其它引线： nVREF：参考电压。 -10V+10V，一般为+5V或+10V nIOUT1、IOUT2： D/A转换差动电流输出。 用于连接运算放大器的输入 nRfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 nAGND、DGND：模拟地和数字地 80 工作时序 写输入 寄存器 写DAC 寄存器 81 工作模式 n单缓冲模式 n双缓冲模式 n无缓冲模式 82 单缓冲模式 n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。 nCPU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 83 双缓冲模式（标准模式） n对输入寄存器和DAC寄存器均需控制； n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； n此时芯片占用两个端口地址； n优点：数据接收与D/A转换可异步进行； 可实现多个DAC同步转换输出 n特点：分时写入、同步转换 84 双缓冲模式同步转换例 85 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 86 无缓冲器模式 n使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟 输出始终跟随输入变化。 n不能直接与数据总线连接，需外加并行接口 (如74LS373、8255等)。 87 5. D/A转换器的应用 信号发生器 用于闭环控制系统 向D/A转换器写入某种按规 律变化的数据，即可在输出 端获得相应的各种波形 88 三、模/数（A/D）转换器 主要内容： nA/D转换器的一般工作原理； nA/D转换器的主要技术指标； nA/D转换器的应用 与系统的连接 数据采集程序的编写 89 1. A/D转换器用途 n用于将连续变化的模拟信号转换为数字信 号的装置，简称ADC，是模拟系统与计算 机之间的接口部件。 90 2. A/D转换器类型 n计数型A/D转换器 速度慢、价格低，适用于慢速系统 n双积分型A/D转换器 分辩率高、抗干扰性好、转换速度慢，适用于中速系统 n逐位反馈型A/D转换器 转换精度高、速度快、抗干扰性差 91 逐位反馈型A/D转换器 原理：类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物 92 3. 主要技术指标 n转换精度 量化误差 非线性误差 其它误差 n总误差=各误差的均方根 影响精度的误差 93 量化间隔 n一个最低有效位对应的模拟量，即 =Vmax /（2n-1） n例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分 辨率为： 5V/255=19.6mV 94 量化误差 n绝对量化误差=1/2 n相对量化误差=（1/2） 1LSB 100% 95 量化误差 n例： 设满量程电压=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% 96 转换时间 n实现一次转换需要的时间 n精度越高（字长越长），转换速度越慢。 97 输入动态范围 n允许转换的电压的范围 如05V、010V等。 98 4. ADC0809 n8通道（8路）输入 n8位字长 n逐位逼近型 n转换时间100s n内置三态输出缓冲器 99 主要引脚功能 nD7D0：输出数据线（三态） nIN0IN7：8通道（路）模拟输入 nADDA、ADDB、ADDC：通道地址 nALE：通道地址锁存 nSTART：启动转换 nEOC：转换结束状态输出 nOE：输出允许（打开输出三态门） nCLK：时钟输入（10KHz1.2MHz） 100 START EOC CLK OE D7 D0 VREF(+) VREF(-) ADDC ADDB ADDA ALE IN0 IN7 比较器 8路模 拟开 关 逐位逼近寄存器 SAR 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 内部结构： 101 工作时序 102 ADC0809工作过程 n送通道地址，以选择要转换的模拟输入； n锁存通道地址到内部地址锁存器； n启动A/D变换； n判断转换是否结束； n读转换结果 103 ADC0809的应用 n芯片与系统的连接 n编写相应的数据采集程序 104 芯片与系统的连接 模拟输入端Ini ： 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 105 通道地址线的连接 n多路输入时，地址线不能接死，要通过一个接口芯 片与数据总线连接。 n接口芯片可以选用： 简单接口芯片74LS273，74LS373等（占用一个I/O地址） 可编程并行接口8255（占用四个I/O地址） 106 通道地址线的连接 ADDC ADDB ADDA IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 ADC0809 输 入 DB 74LS273 Q2 Q1 Q0 CP 来自I/O 译码 D0-D7 ADDC ADDB ADDA IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 ADC0809 DB 8255 PB2 PB1 PB0 CS# 来自I/O 译码 D0-D7 A1 A0 A1 A0 107 数据输出线的连接 n可直接连到DB上，或通过另外一个输入接口与DB 相连； n两种方法均需占用一个I/O地址 D0-D7 ADC0809 DB OE 来自I/O 译码 D0-D7 ADC0809 DB OE 来自I/O 译码 直接连DB通过输入接口连DB 74LS244 +5V DIDO E1# E2# 108 ALE和START端的连接 n独立连接：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； n统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿 实现启动转换，只需占用一个I/O端口或一个I/O线。 ADC0809 ALE START 独立连接 来自I/O 译码器1 来自I/O 译码器2 ADC0809 ALE START 统一连接 来自I/O 译码器 109 判断转换结束的方法 n软件延时等待； n软件查询EOC状态； n把EOC作为中断申请信号接到中断控制器的 中断请求输入端，在中断服务程序中读入转 换结果。 110 软件查询方法判断EOC状态 n将EOC信号通过一个三态门连接到数据总 线； n三态门占用一个I/O端口地址； nCPU通过不断读取该三态门端口的输入数 据，来确定是否转换结束。 111 ADC0809与系统的连接例 D0 IN0 A15 A0 IOR IOW D7 D0D7-D0 EOC OE START ALE ADDC ADDB ADDA 译 码 器 ADC0809 112 初始化 送通道地址 送ALE信号 送START信号 读EOC状态 送读允许OE信号 EOC=1？ 读转换结果 采集结束否？ N Y 结 束 Y 送下一路通道地址 （1） （1） N 113 8.3 作业： n8.14 n8.15 n8.16 n8.17 n8.19 n8.20 114 *x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w- z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x- 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