课件：数据采集系统与微机的接口.ppt

第三章 数据采集系统 数据采集系统与微机的接口,数据采集系统主要实现从现场采集数据，由微处理器分析处理或显示打印，为现场操作者提供操作指导等功能。,数据采集系统组成（1）,多路开关MUX、测量放大器、采样-保持、模数转换、微机接口、应用软件,数据采集系统组成（2）,数据采集系统与微机之间的接口（interface)：实现微机（微处理器）与多路开关、采样保持电路、ADC等部件之间信息的传输。,硬件接口：为两个设备提供物理连接，利用硬件技术来完成接口的设备称为接口电路。微处理器（微机）的接口电路，在于解决微机系统与外部世界的连接。 数据线、缓冲、锁存、地址译码、片选、读/写、中断,软件接口：为两个程序之间提供通信。 协议、驱动程序、应用程序,一 数据采集系统对微机接口的要求,一个基本的外设接口,“外设接口”是“CPU”与“外设”之间传递信息的控制电路。 是“CPU”与“外设”之间传送信息的一个“界面”、一个连接部件。 外设接口一边通过CPU的三总线（或微机总线）同CPU连接，一边通过三种信息数据信息、控制信息和状态信息同外设连接。,外设接口的功能 （1）转换信息的格式 （2）提供联络信号 （3）协调定时差异 （4）进行译码选址 （5）实现电平转换 （6）具备时序控制 （7）最好可编程序,数据采集系统对微机接口的要求：,（1）具有能与系统总线相连接的数据缓冲器和多根数据线。由于接口电路是挂在系统总线上的，只有接口电路为三态输出时才不会对数据产生影响。传输数据在接口电路被激活之前先保存在数据缓冲器内。 （2）应有地址译码和片选功能，以便微机能通过寻址对其进行访问。 （3）应有地址或数据锁存功能。因为外部设备送到接口电路的信息，微机不一定有空读取，此时接口应把信息暂时锁存，以待微机空闲时读取。 （4）具有中断请求和处理的功能，以便微机能通过中断来读取或输出信息。,二 常用接口芯片,在外设接口电路中，常用缓冲器、数据收发器和锁存器等器件对传输过程中的信息进行放大、隔离以及锁存。,（1）8位3态D锁存器 74LS373 8D锁存器，具有三态驱动输出，由8个D门组成，8个输入端1D8D、8个输出端1Q8Q，2个控制端OC和C。,8D型锁存器74LS373功能表,举例：在许多设备中常需要显示计数器的计数值，计数值通常以8421BCD码计数，并以七段数码显示器显示。 问题：如果计数器的计数速度高，人眼则无法辨认显示的字符。 措施：在计数器和译码器之间加入锁存器，就可控制数据显示的时间。,若锁存信号C0时，数据被锁存，译码显示电路稳定显示锁存的数据。,三态输出的八缓冲器和线驱动器； 8个输入端，分为两路1A11A4，2A12A4； 8个输出端，分为两路1Y11Y4，2Y12Y4； 分别由2个门控信号 和 控制； 和 为低，芯片工作，Y = A； 74LS244缓冲器主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等。74LS244缓冲后，输入信号被驱动，输出信号的驱动能力加大了。 常用的缓冲器还有74LS240和74LS241等。,（2）8位三态单向驱动器74LS244,74LS244缓冲器逻辑电路和引脚图,74LS244的端口地址由P2.7决定，故端口地址可取7FFFH，通过下列指令可从该端口输入数据。 MOV DPTR，#7FFFH ；DPTR指向74LS244端口 MOVX A，DPTR ；输入数据,74LS245是一种三态输出的8总线收发器。 该收发器有16个双向传送的数据端，即A1A8，B1B8，另有二个控制端使能端 ，方向控制端 DIR 。 该芯片的功能如表所示。 74LS245通常用于数据的双向传送、缓冲和驱动。常用的数据收发器还有74LS243，Intel 8286、8287等。,（3）8D三态双向缓冲器74LS245,74LS245八总线收发器逻辑电路和引脚图,74LS245的真值表,应用举例 （1） 74LS373、245、244在PC/XT机中的应用,8088发出的地址总线、数据总线和控制总线要经过一些总线接口器件变成系统总线中的对应信号； 8288总线控制器是控制总线的接口器件； 地址总线和数据总线的接口部件为： 1. 地址锁存器74LS373； 2. 地址缓冲器74LS244； 3. 数据收发器74LS245。,（2） 用于一般的总线驱动电路 8086系统中，存储器和I/O接口较多，须在CPU总线和系统总线之间加接总线驱动电路，要求在加接驱动电路后CPU仍能进行常规的存储器读写、I/O读写、中断响应、总线请求响应以及在RESET有效时的相应操作。,二 典型数据采集系统的微机接口电路,微机与多路模拟开关MUX接口电路 微机与ADC接口电路 地址译码器接口电路 微机与DAC接口电路。,片选信号,1微机与多路模拟开关MUX接口电路,多路模拟转换开关常采用8路模拟转换开关CD4051。CD4051是由地址译码器和多路双向模拟开关组成的8路模拟转换开关，引脚功能如下：,X0X7：输入； X： 输出，可以通过外部地址（C，B，A引脚）选择8路输入中的某1路与输出X接通; VDD和VEE ：提供工作电源，其幅值不得低于模拟信号； INH：禁止控制输入，输入高电平时，多路开关中各开关均不通，输出呈高阻态。,实现D/A转换器和微型计算机接口技术的关键是数据锁存问题。有些D/A转换器芯片本身带有锁存器，但也有些D/A从转换器芯片本身不带锁存器。此时一些并口芯片如8212，74LS273及可编程的并行I/O接口芯片8255A均可作为D/A转换的锁存器。 A/D和D/A与微机的接口有串行接口和并行接口之分。本章主要介绍并行D/A和A/D转换的并行接口。目前大多数A/D转换器（高速）都内含采样保持器，所以，此处不考虑采样保持器。,2微机与DAC的接口,（1）D/A转换器及其连接特性,1）DAC的主要参数,分辨率:DAC能转换的二进制数的位数。位数越多,分辨率越高。 转换时间:从输入数字量到转换结束,输出达到最终值并稳定所需的时间。电流型:几百ns几s;电压型:运算放大器的响应时间。 精度:DAC实际输出电压与理论值之间的误差。单位:LSB 线性度:当数字量变化时,输出模拟量按比例变化的程度。 线性误差:模拟输出偏离理想输出的最大值。,2）DAC的连接特性,输入缓冲能力:是否外加数据锁存器 输入数据的宽度(分辨率):与系统数据总线宽度比较数据几次输入 输入数据码制:二进制、BCD码或补码、偏移二进制码 输出模拟量的类型:电压型、电流型 输出模拟量的极性:单极性、双极性,（2）D/A转换器与微处理器的接口方法,1）接口的任务 数据缓冲,无条件传送,2）接口的结构形式,直接与CPU相连有输入锁存能力 采用中小规模逻辑芯片与CPU相连 利用通用并行接口芯片与CPU相连 采用GAL器件,（3）D/A转换器接口电路设计以DAC0832为例,DAC08328位DAC,内部有两级三态缓冲器。 ILE=1,CS=WR1=0,写入第1级缓冲器。 XFER=WR2=0,写入第2级缓冲器,并开始转换。,DAC0832的主要特性,DAC0832的工作方式,1)直通方式,用8255A作接口,转换N MOV AL,N OUT Port, AL,2）单缓冲方式：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。,DAC0832的数字量输入锁存和DA转换输出分两步完成。首先，将数字量输入到各路DA转换器的输入寄存器，然后，控制各路DA转换器，使各路DA转换器输入寄存器中的数据，同时进入DAC寄存器，并转换输出。所以，在这种工作方式下，DAC0832占用两个IO地址，输入寄存器和DAC寄存器各占一个IO地址。,3）双缓冲方式,转换N MOV AL,N OUT P1,AL OUT P2,AL,应用：多个模拟通道要求同时更新数据,将所有0832的ILE接高电平,WR1、WR2与IOW相连,CS和XFER的连接如图。设要求同时更新的数据依次为N1、N2Nn，则程序段：,单片机与DAC0832的接口,DAC0832具有数字量的输入锁存功能，可以和单片机的P0口直接相连。单片机与DAC0832的接口，可根据需要按双缓冲器方式、单级缓冲器方式和直通方式联接。,1）单缓冲器连接方式,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P2.7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DAC0832 MOV A, #DATA ; 待转换的数字量DATA 送累加器A MOVX DPTR, A ; 数字量送P2.7指向的地址， 有效时完成一次D/A输入,WAVE：MOV DPTR，#addr；输入寄存器和 DAC寄存器地址 MOV A，DATA0 ；数字量初值 LOOP： MOVX DPTR，A CJNE A，DATAEND，MORE SJMP WAVE MORE：INC A SJMP LOOP,利用上图所示电路，产生锯齿波信号。,）双缓冲器连接方式,从X、Y同步输出不同电压的程序： MOV DPTR，#addr1 ；1#输入寄存器地址 MOV A，DATA1 ；数字量送A MOV DPTR，A ；数字量送1输入寄存器 MOV DPTR，#addr2 ；2#输入寄存器地址 MOV A，DATA2 ；数字量送A MOV DPTR，A ；数字量送输入寄存器 MOV DPTR，#addr3 ；1#、2#DAC寄存器地址 MOV DPTR，A ；1#、2#输入寄存器的数字量、分别同时送1#、2#DAC寄存器，并同时转换，同步输出,利用此电路输出一对同步信号，如从X、Y输出一组同步的锯齿波和正弦波信号,D/A转换器接口电路设计12位DAC,1)无三态输入缓冲器、12位DAC,数据分两次写入, 外加两级输入缓冲器,左对齐:,右对齐:,转换数据123H MOV AX,0123H OUT P0,AL MOV AL,AH OUT P1,AL,2)有三态输入缓冲器12位DAC DAC1210,内部有两级缓冲器,左对齐方式输入。数据内部结构与DAC0832类似。,应用举例将数据123H送给DAC1210进行转换,A/D转换器(ADC):将模拟量转换成数字量的线性电路器件,按分辨率分:4位、8位、10位、12位,3微机与ADC的接口电路,1）ADC的主要参数,分辨率:ADC能转换成的二进制数的位数。位数越多,分辨率越高 转换时间:从输入启动信号到转换结束,得到稳定的数字量所需的时间 精度、线性度：同DAC,2）ADC的外部特性,3)ADC与微处理器的接口方法, ADC与CPU的连接,分辨率:是否高于系统数据总线的宽度 数据输出结构:是否有三态缓冲功能 启功方式:脉冲启动(读写脉冲)/电平启动(经锁存) 数据传送方式:查询、中断、DMA、板上RAM方式, ADC接口的主要操作, ADC接口电路的结构形式,直接与CPU相连有三态缓冲能力 采用中小规模逻辑芯片与CPU相连 利用通用并行接口芯片与CPU相连 采用GAL器件, ADC数据的传送,查询方式 中断方式 DMA方式:高速ADC 板上RAM方式:超高速ADC,4)查询方式A/D转换器接口电路设计,有三态输出锁存器、12位ADCAD574A,AD574A的主要特性分辨率可选(8位/12位),单通道,逐次逼近型,负脉冲启动,转换时间25s。,硬件连接,软件编程,12位转换,数据分两次读出,查询方式,采集64个数据左对齐存入BUF为首址的内存。,无三态输出锁存器、12位ADCADC1210,外加输出锁存器,WAIT:,多通道、8位ADCADC0809,8个模拟通道、逐次逼近型,正脉冲启动,有三态输出锁存器,IN0IN7:通道07的模拟量输入 D07:数字量输出 ADDC、ADDB、ADDA:通道(07)选择 ALE:通道地址锁存,正脉冲有效 START:启动信号,正脉冲有效,上升沿所有寄存器清0,下降沿开始转换 EOC:转换结束,高有效 OE:允许输出,高有效,通常，通道选择由数据信号完成。START与ALE相连:选择通道的同时启动。,硬 件 连 接,软件编程： 依次对8个通道采样,共采集256个数据,存于BUF区中,本章首页,5）中断方式ADC接口电路设计,单板机系统中断方式的数据采集系统设计,要 求,以TP86为控制器,对单通道模拟信号采集512个8位数据,中断方式存BUF,并送入DAC.,硬件分析与设计,ADC0804;DAC0832;8259A,ADC0804的工作特性,ADC0804:8位,内部有三态锁存器,负脉冲启动 INTR:转换结束信号,低有效 CS=WR=0,启动;CS=RD=0,结果输出,硬件连接,中断控制分析,ADC0804的INTR反相后 向8259A的IR0申请中断,软件编程,ADC0804的地址:FFD4H;DAC0832的地址FFD6H 8259A的地址:FFDCH、FFDEH,MCS-51与ADC0809的中断方式接口 ADC0809与805l之间的接口电路如图所示。ADC0809时钟信号由单片机的ALE信号分频获得。ADC0809通道地址由P0 口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。,ADC0809和8XX51的连接,ALE,273,1,D0,D7,Q0,Q1,Q2,373,G,1,INT1,P0,8XX51,RD,WR,CLK,Q,ALE,D,Q,8,8,P2.7,+5V,1,1,转换结束信号EOC根据不同的方式和单片机的连接方式不同： 采用延时方式 EOC悬空，在启动转换后延时 100 s，再读转换结果； 采用查询方式时，可将EOC接并行口(P1或P3)的某线，检测EOC变高后，再读入转换结果。 采用中断方式可将EOC经非门反相接到单片机的中断请求端，一旦转换完成EOC变为高电平，向8XX51提出中断请求，进入中断服务后读入转换结果。 上图为一个中断方式的接口电路。,采用延时方法，对N(N8)路模拟信号进行AD转换，转换后的N个数据顺序存放到起始地址为data_addr数据存区。 ADST：MOV R1，#data_addr ；置数据区首地址指针 MOV DPTR，#addr_ch1 ；指向第个通道 MOV R2，#0NH ；通道个数 LOOP：MOVX DPTR，A ；启动AD转换 CALL DELAY ；延时 MOVX A，DPTR ；读取转换结果 MOV R1，A ；结果转存到数据区 INC DPTR ；指向下一地址 INC R1 ；修改数据区指针 DJNZ R2，LOOP ；若N路未转换完则继续转换,采用中断方式，对N（N8）路模拟信号进行AD转换。 初始化程序： ADST： MOV R1，#dat_addr ；数据暂存区首地址 MOV R2，#0NH ；共N路 SETB ITl ；INT1下降沿触发 SETB EA ；中断允许 SETB EX1 ；开中断1 MOV DPTR，#addr_ch1；指向第1通道 MOVX DPTR，A ；启动AD转换 MOV A，R2 ；通道数送A LOOP： JNZ LOOP ；N路未转换完等中断,中断服务程序： MOVX A，DPTR ；读取AD转换结果 MOVX R1，A ；存AD转换结果 INC DPTR ；下一个通道 INC R1 ；下一个数据存放单元 MOVX DPTR，A ；启动下一个通道 DEC R2 ；通道数减1 MOV A，R2 RETI ；中断返回,LS244 数据缓冲功能 双向传输功能 1G=2G=1:输出高阻态，ADC0804与数据总线隔离。 1G=0:信号从左到右 1A11A4与1Y11Y4相通 2G0：信号从右到左 2A12A4与2Y12Y4相通,LS245 八总线收发器 G=1:A、B高阻态，接口数据总线与微机数据总线隔离。 G=0,DIR=0: 信号从B到A G=0,DIR=1：信号从A到B,工 作 原 理：,IOR=IOW=1：1G=2G=1，ADC0804输出高阻态，与数据总线隔离。 IOR0，IOW=1： 1G=0,CPU通过读取LS244 1Y1的值查询ADC的INTR状态（是否已完成转换）； DIR=IOR&IOW=0,数据由接口数据总线传向微机数据总线。 IOR1，IOW=0： 2G=0,CPU通过向LS244 2Y3、2Y4写值来启动ADC或读取ADC转换后的数据。 DIR=IOR&IOW=1,数据由微机数据总线传向接口数据总线。,例 设计使用1片A/D转换芯片巡回采集40路模拟量的数据采集系统。 解：采用5片CD4051，每片接8路模拟量输入，5片构成58 = 40路模拟采集通道。40路数据采集局部原理如下图所示。,采用1片74LS377扩展8位并行输出口，其中，高3位用于选通每片4051的8路中的1路，低5位用于5片CD4051的片选。向74LS377写入数据00000001111100001，选通1#4051的07路；写入0000001011100010，则选通2#4051的07路等。74LS377的数据格式如下表所示。,程序如下： ORG 0100H MOV DPTR, #7FFFH ; 指向P2.7口 MOV A, # 00000001B ; 选通第1片CD4051芯片的0路 MOV R7, #5 ; 计数5次（5片CD4051）,LP1: MOVX DPTR, A ; 选通一路 LCALL ADCONV ; 调用A/D子程序 LCALL ADDSP ; 调用转换结束后数字处理； MOV R2, A ; 用R2暂存A ANL A, #E0H ; 屏蔽低5位 CJNE A, #