输入和输出设备及接口技术概论(PPT 72页).ppt

第十章输入/输出设备及接口技术技术,10.3打印机接口技术,1TPP-40A的主要技术性能（1）采用单片机控制，具有2KB监控程序及标准的Centronic并行接口。（2）具有较丰富的打印命令，命令代码均为单字节，格式简单。（3）可产生全部标准的ASCII代码字符，以及128个非标准字符和图符。,2接口要求TPP-40A微型打印机与计算机应用系统通过20芯扁平电缆及插件相连引脚信号如下图所示DB0DB7：数据线，单向，由计算机到打印机STROBE：数据选通信号BUSY：打印机“忙”状态信号ACKNOWLEGE：打印机的应答信号ERROR：出错信号,信号时序图,TPP-40A/16A与8031数据总线接口电路图,TPP-40A/16A与8031扩展I/O口连接的接口电路图,TPP-40A/16A与MCS-51单片机接口电路图,字符代码串实例：打印字符串“$3265.37”输送代码串为：24，33，32，36，35，2E，33，37，0D打印“ThisisMicro-Printer”输送代码串为：54，68，69，73，20，69，73，20，4D，69，63，72，6F，2D，70，72，69，6E，74，65，72，2E，0D打印“32.8cm”输送代码串为：33，32，2E，38，63，6D，0D,LP:MOVDPTR,#7FFFHMOVR4,#ADREL1;表PRTAB的表首偏移量LP1:MOVXA,DPTRJBACC.7,LP1;查询打印机忙？MOVA,R4MOVCA,A+PCJZLP2MOVXDPTR,AINCR4SJMPLP1LP2:RETPRTAB:DB33H,32H,2EH,38HDB63H,6DH,0DH,00H；打印的字符打印出：32.8cm,10.4D/A、A/D接口技术,一、D/A转换器及接口技术D/A转换即是将数字量转换成对应的模拟量常用于控制系统中。如单片机输出不同的数字量经D/A转换后控制直流电机的转速,D/A转换的一般工作原理:D/A转换器将数字信息转换成与数值成正比的电压/电流常用电阻分压/分流来实现D/A转换有权电阻解码网络与T型解码网络两种构建方法,以T型解码网络最为常用,权电阻解码网络,+,I,Vout,R0,R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,若：R0=256RR1=128RR2=64RR3=32RR7=2R从而:I0=D0*Vref/256RI1=D1*Vref/128RI2=D2*Vref/64RI3=D3*Vref/32RI7=D7*Vref/2R,开关控制电路,开关控制电路的作用：将“0”值对应的开关打到地，将“1”值对应的开关接通Vref,加法器电路,简单,权电阻值跨度大，在集成电路中实现不便,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,Vref,RF,I=Vref*（D7/R7+D6/R6+D0/R0）=Vref*（D7/2R+D6/4R+D0/256R）Vout=-I*RF=-Vref*RF/R（D7/2+D6/4+D0/256）如果D7D0全“1”，则Vout=-Vref*RF/R*255/256,+,Vout,2R,2R,2R,2R,2R,2R,2R,2R,每个2R支路的电流均为上一支路的1/2：I7=(Vref/2R)I6=(Vref/2R)/2I5=(Vref/2R)/4I0=(Vref/2R)/128,开关控制电路,开关控制电路:“0”值将开关打到地；“1”值将开关接通Vref,加法器电路,T型解码网络,2R,R,R,R,R,R,R,R,开环增益极大,输入端之间电压差约为“0”因输入阻抗极大,输入电流约为“0”从而:由节点向下看，阻值均为2R由节点向下、右看，阻值均为R,Vref,“1”,“0”,I7,I6,I5,I4,I3,I2,I0,I1,电阻数量增大一倍,但阻值归一，容易制造，精度高,D7,D0,RF,I,Vout=-I*RF=-Vref*RF/R*（D7/2+D6/4+D0/256）如果D7D0全“1”，则Vout=-Vref*RF/R*（1/2+1/4+1/8+1/16+1/256）=-Vref*RF/R*255/256如果D7D0不全“1”，如D7=1，其余全“0”，则Vout=-Vref*RF/R*/2,权电阻解码网络简单。但随着D/A转换的位数增加，权电阻值跨度增大，在集成电路中不便实现T型解码网络电阻数量多一倍。但电阻值归一化程度高,容易集成，精度高。目前应用普遍,D/A电路一般是制成集成电路芯片使用时要注意2个问题：一是转换精度二是转换时间另外注意转换得到的模拟量是电流量还是电压量。,分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n，则D/A转换器的分辨率为2n。意味着数/模转换器能对满刻度的2n输入量做出反应。例如8位数的分辨率为1/256，10位数的分辨率为1/1024等。因此数字量位数越多，分辨率也就越高，应根据分辨率的需要来选定转换器的位数。DAC常有8位、10位、12位等,建立时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出达到终值误差（1/2）LSB（最低有效位）时所需的时间。通常以建立时间来表示转换速度。转换器的输出形式为电流时建立时间较短；而输出形式为电压时，由于建立时间还要加上运算放大器的延迟时间，因此建立时间要长一点。D/A转换速度远高于A/D转换速度，例如快速的D/A转换器的建立时间可达1s,D/A转换器与单片机接口方便与否，主要决定于转换器本身是否带数据锁存器。两类D/A转换器，一类是不带锁存器的，另一类是带锁存器的。不带锁存器的D/A转换器，为了保存来自单片机的转换数据，接口时要另加锁存器，因此这类转换器必须在口线上；带锁存器的D/A转换器，可以把它看做是一个输出口，因此可直接在数据总线上，而不需另加锁存器,8位CMOS数模转换芯片DAC0832,DAC0832,20PINDIP封装,8位D/A，分辨率=Vref/256CMOS低功耗器件，+5+15V单电源供电电流输出型器件(需外接运放)具有双缓冲控制输出采用T型电阻解码网络结构参考电压源，-10+10V电流建立时间为1s，CMOS工艺，低功耗20mW,DAC0832引脚定义,DAC0832,20PINDIP封装,D0D7：8位数字量输入端CS：片选端，低有效ILE：数据锁存允许,高有效WR1：写控制信号1,低有效WR2：写控制信号2,低有效XFER：数据传送控制信号Iout1：电流输出端1Iout2：电流输出端2Rfb：内置反馈电阻端Vref:参考电压源,-10+10VDGND：数字量地AGND：模拟量地Vcc:+5+15V单电源供电端,输入寄存器,DAC寄存器,D/A转换器,ILE,CS,WR1,WR2,XFER,IOUT1,IOUT2,DI7DI0,RFR,VREF,DAC0832的内部结构框图,DAC0832的工作方式直通方式单缓冲方式双缓冲方式,DAC0832与单片机的连接,单缓冲方式,DAC0832的编程应用举例,产生矩形波,产生锯齿波,LL:MOVA，#00H;低电平MOVDPTR,#7FFFHMOVXDPTR,A;送转换LCALLDMS1;低宽度MOVA，#0FFH;高电平MOVXDPTR,A;送转换LCALLDMS2;高宽度SJMPLL,MOVA，#00H;起始值MOVDPTR,#7FFFHMM：MOVXDPTR,A;送转换INCANOPNOPNOP;决定坡度SJMPMM,DAC0832编程应用举例：,MOVA，#00HMOVDPTR,#7FFFHSS1:MOVXDPTR,A;送转换NOPNOPNOPSS2:INCA;等速上升JNZSS1SS3:DECAMOVXDPTR，ANOPNOPNOP;等速下降JNZSS3SJMPSS2,同样的编程思路，若要产生如下的梯形波也很容易：,三角波,梯形波,双缓冲方式1、程序功能实现X、Y两个方向坐标量的同步输出2、程序地址定义假定X方向0832输入寄存器地址为F0HY方向0832输入寄存器地址为F1H两个DAC寄存器公用地址为F2HX坐标数据存于DATA单元中Y坐标数据存于DATA+1单元中,控制X-Y绘图仪的双片DAC0832接口,MOVR1，#DATA；X坐标数据单元地址MOVR0，#0F0H；X向输入寄存器地址MOVA，R1；X坐标数据送AMOVXR0，A；X坐标数据送输入寄存器INCR1；指向Y坐标数据单元地址INCR0；指向Y向输入寄存器地址MOVA，R1；Y坐标数据送AMOVXR0，A；Y坐标数据送输入寄存器INCR0；指向两个DAC寄存器地址MOVXR0，A；X、Y转换数据同步输出RET,双缓冲方式应用举例程序清单,二、A/D转换器及接口技术,实现模拟量变换为数字量的器件称为模数转换器（ADC）简称A/D转换器。A/D转换器在单片机控制系统中主要用于数据采集，向单片机提供被控对象的各种实时参数1、A/D转换器概述2、A/D转换器的选择3、A/D转换器接口芯片ADC0809,1、A/D转换器概述1）A/D转换器分类2）A/D转换器的基本原理3）A/D转换器的主要技术指标,1）A/D转换器分类逐次逼近式双积分式压频变换式A/D转换器其中逐次逼近式和双积分式最为常见,2）A/D转换器的基本原理逐次逼近式A/D转换器的工作原理双积分式A/D转换器的工作原理压频（V/F）变换式A/D转换器原理,控制逻辑与时序,D/A转换器,SAR,Vin,比较器,输出锁存器,START,CLK,EOC,D0D7,+Vref,-Vref,OE,Vst,逐次逼近式A/D转换器原理,+,-,转换过程：模拟量Vin送到比较器后，启动A/D转换，先设N位寄存器SAR的最高位为1，其余位全为0，进行D/A转换，得到的模拟量Vst与输入Vin比较：若VstVin，最高位1保留，再设次高位为1，继续若VstVin，最高位清零，再设次高位为1，继续如此反复，经过N次比较后，最后一位D0得到确定，此时，N位寄存器的内容就是转换好的数字量，而EOC输出转换结束信号，在输出允许OE（高电平）有效时，数字量经输出缓冲器读出,转换速度较快（比较次数等于A/D的位数）通常在几S至几百S数量级。精度较高，被转换的模拟量若频率很高（变化较快）则要加S/H电路。注意：被转换的模拟量一般要通过信号调理电路，进行信号放大、滤波。,逐次逼近式A/D转换器特点,采样/保持器在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即AD转换器的孔径时间当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，可能会造成较大的转换误差；要防止这种误差的产生，必须在AD转换开始时将信号电平保持住，而在AD转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态能完成这种功能的器件叫采样/保持器，从上面分析也可知，采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”,当CH=0.01uF时，输出电压的下降率达到10-3mv/s以下,双积分式A/D转换器结构与工作原理,比较器,积分器,+-,+-,标准电压,时钟,控制逻辑,计数器,Vin,T,T,时间固定,斜率固定,Vin,t,输出,先对输入电压进行积分(充电),时间T固定。然后对标准电压进行反向积分(放电)，同时计数，放电到0，停止计数，放电时间T正比于输入电压,在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压VIN在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号特点：反向积分的斜率是固定的，VIN越大，积分器的输出电压就越大，反向积分时间就越长计数器在反向积分时间内的计数值就是输入电压VIN在时间T内的平均值对应的数字量。这种A/D要经历正、反两次积分，故转换速度较慢。常用的双积分A/D转换集成电路有MC14433、ICL7135等。,双积分式A/D转换器特点,转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜；但转换速度较慢，通常在几十mS至几百mS数量级，因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合性价比高，与逐次比较型相比，同样价格条件下转换精度较高，常用于数字多用表等,压频（V/F）变换式A/D转换器原理,同时启动计数器与定时器，计数器将V/F输出的频率信号作为计数脉冲，定时器用基准频率作为定时脉冲，当定时结束时，定时器输出信号使计数器停止计数，这样计数器的计数值与频率之间的关系为:式中：D是计数值，T是计数时间，只要知道计数值D及计数时间T就能算出频率f，并根据频率计算出模拟电压。,压频变换式（V/F）A/D转换器的特点电路简单，对外围器件要求不高，适应环境能力强，转换速度可与双积分式A/D相比，且价格低,3）A/D转换器的主要技术指标分辨率与量化误差A/D转换器的分辨率是指转换器所能感受到的模拟输入量的最小变化值。通常定义为满刻度电压值与2N之比值量化误差是由于A/D转换器的分辨率有限所引起的误差，其大小通常规定为1/2LSB精度A/D的转换精度是反映实际A/D转换器在量化值上与一个理想A/D转换器的差值，可表示成绝对误差和相对误差绝对误差的大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，用百分数（）来表示,转换时间和转换速率A/D转换器完成一次转换所需的时间叫转换时间。而转换速率是转换时间的倒数A/D转换器按转换速度可分为三类：低速、中速和高速。,2、A/D转换器的选择1）位数2）转换时间3）接口时注意的问题模拟量输入信号的连接对A/D转换器的输入极性的不同可通过改变外接线路来改变量程。微机系统的多通道输入可采用两种方法：a.采用单路模拟输入的A/D芯片，在模拟量输入端加接多路开关；b.采用带有多路开关的A/D转换器。输出数字量引脚的连接a.有无锁存器的区别；b.根据位数的不同，A/D转换器与单片机数据总线的连接方法不同。A/D转换器的启动方式电平触发和脉冲触发,判断A/D转换结束及读取数据软件延时方式程序查询方式中断方式参考电源的连接若模拟量信号为单极性时，VREF()端接模拟地，VREF()端接参考电源正端；当模拟量信号为双极性时，则VREF()接参考电源的正端，VREF()接参考电源负端。,IN3IN2,IN4IN1,IN5IN0,IN6ADDA,IN7ADDB,STARTADDC,EOCALE,D3D7,OED6,CLKD5,VCCD4,Vref+D0,GNDVref-,D1D2,ADC0809,3、典型A/D转换芯片ADC0809,8位A/D,量化间隔=Vin/(256-1)8通道多路开关输入切换电路单电源+5,Vref=+5VVin范围:单极性0+5V逐次逼近式每次转换时间：100Sfmax=640KHz(推荐CLK=500KHz)转换结果读取方式：延时读数查询EOC=1?EOC申请中断,ADC0809结构框图,8通道多路开关,IN0,IN7,地址译码锁存,ADDA,ADDB,ADDC,ALE,控制逻辑与时序,D/A转换器,SAR,Vin,比较器,输出锁存器,START,CLK,EOC,D0D7,+Vref,-Vref,OE,Vst,+,-,IN3IN2,IN4IN1,IN5IN0,IN6ADDA,IN7ADDB,STARTADDC,EOCALE,D3D7,OED6,CLKD5,VCCD4,Vref+D0,GNDVref-,D1D2,ADC0809,IN0IN7：8通道模拟量输入端D0D7：8位数字量输出端ADDC、ADDB、ADDA：接地址锁存器的低三位地址ALE：地址锁存允许控制信号START：清0内寄存器,启动转换OE：输出允许控制,高有效CLK：时钟输入端,应640KHzEOC：转换结束时为高Vcc：+5VVref+：参考电压，+5VVref-：0V,ADC0809引脚定义:,IN0IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器C、B、A：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择见上表所示,ADC0809与单片机的连接(一),89C51单片机,ADC0809,锁存器74LS373,P0.0-P0.7,ALE,P2.7,8D,Q0,ALE,CLK,ADDA,D0-D7,G,EA,OE,START,RD,WR,OE,Q1,Q2,ADDB,ADDC,+5V,INT1,EOC,1,1,6MHz,30Px2,2,CKQ,D/Q,图中2分频电路可用D触发器实现,口地址可为：7F00H7F07H也可为：7FF0H7FF7H,8031,0809,P0,ALE,CLK,ALE,START,OE,RD,P2.7,WR,ABC,P0.0,P0.1,P0.2,VR(+),VR(-),+5V,GND,IN0INT7,D0D7,CPD,QQ,ADC0809与单片机的连接（二）,对上图：启动通道0进行A/D转换MOVDPTR，#7FFFH；选中0809MOVA，#0；选中IN0MOVXDPTR,A；启动A/D转换读入转换好的数据MOVDPTR，#7FFFHMOVXA,DPTR,转换结果的读取，可采用下述3种方式：1、定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知且固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用这个延时子程序，延迟时间一到，转换已经完成了，就可读取2、查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，软件测试EOC的状态，即可确知转换是否完成，就可读取3、中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，允许中断，在中断服务子程序中读取数据,1.延时等待方式,AD09：MOVDPTR，#7FF8H；选中0809IN0MOVXDPTR,A；启动A/D转换MOVR7,#50HDJNZR7,$；延时等待MOVXA,DPTR；读入转换好的数据MOV30H，ASJMP$,程序：,2.查询方式,MAIN：MOVR1,#70H；置数据区首地址MOVDPTR，#7FF8H；选中IN0通道MOVR7，#8H；置通道数LOOP：MOVXDPTR，A；启动A/D转换TEST：JBP3.3，TEST；查询A/D转换结束否MOVXA，DPTR；转换结束，读入转换结果MOVR1，A；存入内部RAM存储区INCDPTR；指向下一个通道INCR1；修改存储指针DJNZR7，LOOP；8个通道是否转换完成RET,8路模拟信号轮流采样一次，并将转换结果分别存入内部RAM以70H为起始地址的连续8个单元中,ORG0000HAJMPMAINORG0013H；外部中断1的入口地址AJMPINTMAIN:MOVR0,#70H；存结果的缓冲区:70H-77HMOVR2,#08H；待采集的通道数为8SETBIT1；选择下降沿触发中断SETBEA；开中断SETBEX1MOVDPTR,#7FF8H；通道0的地址MOVXDPTR,A；启动转换。HERE：SJMPHERE；等待中断,3.中断式:8路巡回数据采集,中断式8路巡回数据采集INT:MOVXA，DPTR；读数据MOVR0,A；数据放进缓存单元INCR0；指向下一缓存INCDPTR；指向下一通道DJNZR2，RTN；8次未完就继续采集,否则关中断、停CLREACLREX1RETIRTN:MOVXDPTR,A；启动采集RETI,补充：外部中断源的扩展51系列单片机有两个外部中断源（INT0、INT1）如果不够用，则可：1.中断源的扩展可采用外接中断控制芯片（如8259）来进行扩展2.也可以利用单片机中的定时器T0、T1来扩展3.还可以外接门电路配合相应的查询软件进行扩展,8031,1,1,1,1,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,INT0,ITS4,ITS3,ITS2,I