第15章-ADA轉(zhuǎn)換器接口

第15章A/D與D/A轉(zhuǎn)換器接口在計算機應用系統(tǒng)中，采集對象往往是連續(xù)變化的物理量，因此需要對連接變化的物理量進行采樣、保持，再把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量交給計算機處理。計算機輸出的數(shù)字量有時需要轉(zhuǎn)換為模擬量去控制某些執(zhí)行元件。

A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量→數(shù)字量的轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字量→模擬量的轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量→數(shù)字量的轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字量→模擬量的轉(zhuǎn)換下圖是一個實時控制系統(tǒng)：控制對象微機系統(tǒng)傳感器執(zhí)行部件ADCDAC功放運放模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量下圖是一個分時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：模擬輸入模擬輸出ADCDAC驅(qū)動器接收器多路掃描器多路掃描器傳輸線15.1A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程。數(shù)字量便于計算機的處理，是自動控制過程的重要步驟。A/D轉(zhuǎn)換的原理很多,常見的有雙積分式、逐次逼近式、計數(shù)式等。輸出碼制有二進制、BCD碼等；輸出數(shù)據(jù)寬度（二進制）有8位、12位、16位、20位等。15.1.1A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術指標1、分辨率

指A/D轉(zhuǎn)換器能夠把模擬量轉(zhuǎn)換成二進制的位數(shù)。例：用1個10位ADC轉(zhuǎn)換一個滿量程為5V的電壓,則可能分辨的最小電壓率為5000mV/1024=5mV。若模擬輸入值小于5mV，則ADC無反映，輸出保持不變?？梢?，ADC的數(shù)字量輸出位數(shù)越多，其分辨率就越高。當分辯率大于微機系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度時，每次轉(zhuǎn)換都需要兩次數(shù)據(jù)的傳輸。2、轉(zhuǎn)換時間

從轉(zhuǎn)換啟動開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束，得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出所需要的時間。轉(zhuǎn)換時間的快慢將會影響ADC接口與CPU交換數(shù)據(jù)的方式。對于低中速的ADC一般采用查詢或中斷方式，對于高速的ADC應采用DMA方式。15.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的外部特性任何一種A/D轉(zhuǎn)換器一般具有以下信號線：1、模擬信號輸入線，有單通道與多通道之分。2、數(shù)字量輸出線，線的數(shù)目決定了分辨率。3、轉(zhuǎn)換啟動線（輸入），每次啟動只能轉(zhuǎn)換一次數(shù)據(jù)。4、轉(zhuǎn)換結(jié)束線（輸出），表示ADC作一次轉(zhuǎn)換結(jié)束的狀態(tài)。15.2

A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口15.1.1A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的連接1、ADC的啟動信號有脈沖啟動和電平啟動兩種。2、ADC的輸入信號

有單通道和多通道之分。3、ADC的輸出信號

ADC輸出是否有鎖存；

ADC的分辨率是否與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線一致。4、ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號

作為查詢和中斷的依據(jù)。15.2.2ADC接口電路的結(jié)構形式1、采用普通的IC2、采用可編程并行接口3、采用GAL器件或CPLD器件15.2.3

A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的傳送可采用查詢、中斷和DMA方式。不同的方式的電路組成和編程方法不同。A/D采集的速度取決于：A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間T；將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存所需要的數(shù)據(jù)傳輸時間。

則采集數(shù)據(jù)的頻率上限為：f0=1/(T+)上述幾種方法采集數(shù)據(jù)的速度是：查詢中斷DMA方式高低15.2.4A/D轉(zhuǎn)換器接口控制程序1、查詢方式的數(shù)據(jù)采集程序框架（模塊）

①接口芯片初始化（當采用可編程并行接口芯片時）；②選擇數(shù)據(jù)采集通道號（當采用多通道A/D轉(zhuǎn)換芯片時）；③啟動A/D轉(zhuǎn)換；④查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)；⑤讀取采集數(shù)據(jù)；⑥將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ?；⑦在線進行數(shù)據(jù)處理（顯示、打印、存盤等）；⑧采集未完，繼續(xù)啟動下一次轉(zhuǎn)換；⑨轉(zhuǎn)換完成，退出。2、中斷方式數(shù)據(jù)采集程序框架（模塊）

①接口芯片初始化（當采用可編程并行口芯片作ADC接口時）；②可屏蔽中斷初始化，包括中斷向量修改、中斷申請的屏蔽等；③選擇數(shù)據(jù)采集通道號（當采用多通道A/D轉(zhuǎn)換芯片時）；④啟動A/D轉(zhuǎn)換；⑤開中斷，并等待中斷；⑥轉(zhuǎn)換結(jié)束信號申請中斷；⑦進入中斷服務程序，在服務程序中讀取數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ饕约斑M行在線數(shù)據(jù)處理；⑧采集數(shù)據(jù)未完，繼續(xù)啟動下一次轉(zhuǎn)換；⑨采集完成，返回。3、DMA方式的數(shù)據(jù)采集程序框架（模塊）

①DMA傳輸初始化；②選擇采集數(shù)據(jù)通道號（當采用多通道A/D轉(zhuǎn)換芯片時）；③啟動A/D轉(zhuǎn)換；④轉(zhuǎn)換結(jié)束信號申請DMA傳輸；⑤進入DMA周期，DMA控制器接管總線控制權；⑥在DMA控制器控制下，讀取采集數(shù)據(jù)，并直接將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ骼?；⑦采集?shù)據(jù)沒有完成，繼續(xù)啟動下一次A/D轉(zhuǎn)換；⑧采集數(shù)據(jù)完成，返回。15.3A/D轉(zhuǎn)換器接口設計15.3.1分析與設計A/D轉(zhuǎn)換器接口的方法①ADC的模擬量輸入是否是多通道？②ADC的分辨率是否大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度？③ADC芯片內(nèi)部是否有三態(tài)輸出鎖存器？④ADC的啟動方式是脈沖觸發(fā)還是電平觸發(fā)？⑤A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采用哪種傳輸方式？⑥A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行什么樣的處理？⑦ADC接口電路采用什么元器件組成？15.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的接口設計例15.1查詢方式的ADC接口電路設計1、要求利用ADC0804采集100個數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)以查詢方式傳輸?shù)絻?nèi)存BUFR區(qū)。接口電路采用普通IC芯片組成。2、分析ADC0804是單個模擬量輸入；ADC0804的分辨率為8位，并具有三態(tài)輸出鎖存器；ADC0804的啟動方式為脈沖啟動；數(shù)據(jù)傳輸方式為查詢方式。硬件電路：軟件流程圖：STARTPEQU310H ;轉(zhuǎn)換啟動端口STATEPEQU311H ;狀態(tài)端口DATAPEQU310H ;數(shù)據(jù)端口DATASEGMENT BUFRDB100（0）DATAENDSCODESEGMENT ASSUMECS:CODE,DS:DATABEGIN:MOVSI,OFFSETBUFR ;緩沖區(qū)指針 MOVCX,100 ;采樣次數(shù)START:MOVDX,STARTP ;啟動轉(zhuǎn)換 MOVAL,00H ;（可以是其它值） OUTDX,AL ；使CS和WR同時有效

WAIT1:MOVDX,STATEP ;查轉(zhuǎn)換結(jié)束 INAL,DX ANDAL,80H ;查D7=0（INTR=0？） JNZWAIT1 ;未結(jié)束，等待

MOVDX,DATAP ;已結(jié)束，讀數(shù)據(jù) INAL,DX MOV［SI］,AL ;數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹UFR區(qū)

INCSI ；緩沖區(qū)地址加1 DECCX ;采樣次數(shù)減1 JNZSTART ;未完，繼續(xù)啟動 MOVAX,4C00H ;已完，退出 INT21HCODEENDSENDBEGIN例15.2中斷方式的ADC接口設計1、要求采用ADC0809，從通道7采集100個數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)以中斷方式傳輸?shù)絻?nèi)存緩沖區(qū)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC連到IRQ4上，請求中斷。2、分析要實現(xiàn)上述設計要求，至少有3個方面的問題需要考慮：被控對象ADC0809的特性；接口電路結(jié)構形式；中斷處理。①ADC0809外部特性ADC0809內(nèi)部邏輯原理圖CLOCK

START通道選擇開關通道地址鎖存和譯碼定時和控制逐次逼近寄存器輸出三態(tài)鎖存器開關樹組比較器IN0IN1

IN7ADDAADDBADDCALEVR（+）VR（-）D0D1D7EOCOE

模擬輸入

數(shù)字輸出A/D

轉(zhuǎn)換結(jié)束

啟動轉(zhuǎn)換

輸出允許

通道選擇地址

通道地址鎖存ADC0809的時序圖②接口電路結(jié)構形式采用可編程接口芯片82C55A③中斷處理本例題是利用微機系統(tǒng)的中斷資源，故不需做中斷系統(tǒng)的硬件連接和82C59A的初始化。只需做兩件事：

中斷向量的修改（IRQ4）;

開放IRQ4的中斷和CPU中斷。3、硬件設計。本接口電路應能提供如下信號:ADC0809模擬量通道號選擇信號啟動信號讀數(shù)據(jù)允許信號

EOC的中斷請求:直接連到系統(tǒng)總線的IRQ4上。82C55A的4個端口地址是:300H（A口）、301H（B口）、302H（C口）、303H（命令口）。

由82C55A接口芯片實現(xiàn)中斷方式的ADC接口電路原理4、軟件設計通道7的數(shù)據(jù)采集相關程序段： … MOV DX，303H ；82C55初始化,A口輸入 MOV AL，90H OUT DX，AL MOV AL，0EH ；置PC7=0，使START和ALE無效 OUT DX，AL MOV AL，0CH ；置PC6=0，使OE無效 OUT DX，AL MOV AX，350CH ；獲取IRQ4的中斷向量并保存 INT 21H MOV OLD-OFF，BX MOV BX，ES MOV OLD-SEG，BX CLI MOV AX，250CH ；置新中斷向量 MOV DX，SEGA-D MOV DS，DX MOV DX，OFFSETA-D INT 21H MOV AX，DATA ；恢復數(shù)據(jù)段 MOV DS，AX STI IN AL，21H ；開放IRQ4 AND AL，0EFH OUT 21H，AL MOV CX，100 ；設置采集字節(jié)數(shù) MOV DI，OFFSETBUFF ；設置內(nèi)存指針BEGIN： MOV DX，303H ；82C55初始化,A口輸出 MOV AL，80H OUT DX，AL MOV DX，300H ；選擇通道7 MOV AL，07H OUT DX，AL MOV DX，303H ；啟動轉(zhuǎn)換 MOV AL，0FH ；產(chǎn)生START啟動脈沖信號 OUT DX，AL NOP MOV AL，0EH OUT DX，AL STI ；開中斷 HLT ；等待中斷 DEC CX ；采樣次數(shù)減1 JNZ BEGIN ；沒完，繼續(xù) CLI ；已完，關中斷 MOV AX，250CH ；恢復IRQ4的原中斷向量 MOV DX，OLD-SEG MOV DS，DX MOV DX，OLD-OFF INT 21H MOV AX，DATA ；恢復數(shù)據(jù)段 MOV DS，AX STI

IN AL，21H OR AL，10H ；屏蔽IRQ4 OUT 21H，AL MOV AX，4C00H ；返回DOS INT 21HA-D PROC FAR ；中斷服務程序 PUSH AX ；保護現(xiàn)場 PUSH DX CLI ；關中斷

MOV DX，303H ；打開三態(tài)鎖存器 MOV AL，0DH OUT DX，AL ；置PC6=1高 MOV DX，303H ；82C55初始化,A口輸入 MOV AL，90H OUT DX，AL MOV DX，300H IN AL，DX ；從PA口讀數(shù)據(jù) MOV AH，AL

MOV DX，303H MOV AL，0CH OUT DX，AL ；置PC6=0低 MOV [DI]，AH ；存取數(shù)據(jù) INC DI ；內(nèi)存地址指針加1

MOV AL，20H ；發(fā)中斷結(jié)束命令 OUT 20H，AL POP DX ；恢復現(xiàn)場 POP AX STI ；開中斷 IRET ；中斷返回A-D ENDP例15.3電平啟動的ADC接口設計1、要求采用AD570采集1K個字節(jié)數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)以查詢方式傳送到內(nèi)存緩沖區(qū)。2、分析AD570內(nèi)無三態(tài)鎖存，且啟動電平要維持25us，采用82C55進行連接和緩沖。AD570為電平啟動的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為25us。時序關系如下圖：B/CDRD0_7數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間25us轉(zhuǎn)換時間25us開始轉(zhuǎn)換第二次啟動中止轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束結(jié)束1.5us空白空白空白A此處DR不變低即無數(shù)據(jù)輸出<25us2us3、硬件設計設82C55A的端口地址為300H-303H4、軟件設計相關的程序段： … MOV CX，100 ；采樣次數(shù)CX MOV DI，OFFSETBUFF ；緩沖器指針DI

MOV DX，303H MOV AL，91H ；82C55初始化 OUT DX，AL MOV AL，0FH ；置PC7=1，啟動無效 OUT DX，AL NOPSTART：MOV DX，303H ；置PC7=0，啟動轉(zhuǎn)換 MOV AL，0EH OUT DX，ALCHECK：MOV DX，302H ；查轉(zhuǎn)換是否結(jié)束 IN AL，DX AND AL，08H ；PC3=0否？ JNZ CHECK ；沒有結(jié)束，繼續(xù)轉(zhuǎn)換 MOV DX，300H ；轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀數(shù)據(jù) IN AL，DX MOV [DI]，AL ；存數(shù)據(jù)到BUFF中

MOV DX，303H ；撤消啟動信號 MOV AL，0FH OUT DX，AL INC DI ；指針加1 DEC CX ；采樣次數(shù)減1 JNZ START ；沒有結(jié)束，繼續(xù)啟動 … 例15.4DMA方式的ADC接口電路設計1、要求

要求8位A/D轉(zhuǎn)換器，共采集4K個字節(jié)數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)用DMA方式，送到從30400H開始的內(nèi)存保存，以待處理，內(nèi)存地址以+1方式修改。使用DMAC8237A的通道1，單一傳送方式。2、電路分析與設計

采用DMA方式，是為了縮短數(shù)據(jù)傳送過程中的時間。根據(jù)上述要求，采用下圖所示的電路。DMA方式的ADC接口電路：3、初始化編程根據(jù)題意只涉及以下幾個寄存器的操作：①選定傳送通道及工作方式（工作方式寄存器）。②設置DMA屏蔽字（屏蔽寄存器），端口=0BH。③設定傳輸?shù)目傋止?jié)數(shù)（字節(jié)數(shù)寄存器），端口=03H（通道1）④設定傳送的存儲器地址（地址寄存器），端口=02H（通道1）⑤寫清除先/后觸發(fā)器，端口=0CH。返回程序清單：

CLI ；關中斷MOVAL，04H ；命令字，禁止82C37A工作OUT08H，ALMOVAL，01000101B ；工作方式：單一傳輸方式， ；地址加1，非自動預置， ；DMA寫，通道1OUT0BH，AL ；送入工作方式寄存器OUT0CH，AL ；清先/后觸發(fā)器（軟命令）MOVAL，03H ；頁面地址（最高4位地址）OUT83H，AL ；寫入DMA頁面地址寄存器MOVAL，00H ；基地址低8位OUT02H，AL ；低8位地址寫入通道1的基與

；當前地址寄存器MOVAL，04H ；基地址高8位OUT02H，AL ；高8位地址寫入通道1的基與 ；當前地址寄存器MOVAL，0FFH ；字節(jié)數(shù)低8位OUT03H，AL ；字節(jié)數(shù)低8位寫入通道1的基與 ；當前字節(jié)計數(shù)器MOVAL，0FH ；字節(jié)數(shù)高8位OUT03H，AL ；字節(jié)數(shù)高8位寫入通道1的基與 ；當前字節(jié)計數(shù)器STI ；CPU開中斷MOVAL，01H ；清通道1的屏蔽位，允許DREQ1OUT0AH，AL ；開通道1，接收DREQ1的到來15.4D/A轉(zhuǎn)換器15.4.1D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標1、分辨率指DAC能夠把多少位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成模擬量。例：DAC0832能夠把8位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成電流，所以DAC0832的分辨率是8位。2、轉(zhuǎn)換時間從數(shù)字量輸入到DAC完成轉(zhuǎn)換所需要的時間。15.4.2D/A轉(zhuǎn)換器的外部特性DAC的外部信號線包括:①數(shù)字信號輸入線；②模擬信號輸出線；③CS信號線和WR（或WR1，WR2）信號線（用于形成DAC的啟動轉(zhuǎn)換信號）；④數(shù)據(jù)輸入鎖存控制線；⑤模擬量輸出通道地址線。15.5D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口15.5.1、D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的連接DAC與CPU的接口包括硬件連接和軟件編程。DAC與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸是無條件傳輸。DAC接口電路的結(jié)構形式也有下列幾種：采用中小規(guī)模邏輯芯片;利用可編程并行I/O接口芯片;采用GAL器件。15.5.2D/A轉(zhuǎn)換器接口的主要任務D/A與A/D有很多不同之處，表現(xiàn)在：DAC一般不需要專門的控制信號去觸發(fā)，只要CPU把數(shù)據(jù)送到它的輸入端，就開始轉(zhuǎn)換。DAC不提供轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。DAC主要解決的是：CPU與DAC之間的數(shù)據(jù)緩沖問題；當D/A轉(zhuǎn)換器的分辯率大于數(shù)據(jù)總線的寬度時，CPU必須分兩次傳送和同時選通。15.5.3分析與設計D/A轉(zhuǎn)換器接口的方法①DAC的模擬量輸出是否是多通道？②DAC的分辨率是否大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的寬度？③DAC芯片內(nèi)部是否有三態(tài)輸入鎖存器？④DAC的啟動方式，只有脈沖觸發(fā)一種。DAC不設專門的轉(zhuǎn)換啟動信號，是利用CS和IOW共同進行假寫操作，來實現(xiàn)脈沖啟動的。

⑤DAC的數(shù)據(jù)傳輸方式，只有無條件傳輸一種。⑥D(zhuǎn)AC接口電路采用什么元器件組成？15.6D/A轉(zhuǎn)換器接口電路設計例15.6DAC接口電路設計1、要求通過DAC0832產(chǎn)生三角波、鋸齒波、方波等。2、分析DAC0832是單通道模擬量輸出，不需通道選擇；DAC0832有兩級緩沖鎖存器，它有3種工作方式：

雙緩沖方式、單緩沖方式和直通方式。8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器DI7~DI0ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RFBAGND(模擬地)&&&DGND(數(shù)字地)VCCDAC0832引腳及內(nèi)部結(jié)構：DAC0832有三種工作方式：（1）雙緩沖方式（LE1和LE2分別控制）（2）單緩沖方式（其中LE1和LE2有一個直通）（3）直通方式（LE1和LE2均為直通）注：在DAC實際連接中，要注意區(qū)分“模擬地”和“數(shù)字地”的連接，為了避免信號串擾，數(shù)字量部分只能連接到數(shù)字地，而模擬量部分只能連接到模擬地。1：輸出隨輸入變化0：鎖存3、硬件設計硬件設計的方案很多，本例采用8255做CPU與DAC的接口，并DAC工作在直通方式DAC0832DI0-7ILECSWR1WR2XFER8255APA0-7PB4PB3PB2PB1PB0CPURfbIO1IO2-++至示波器B口輸出做控制信號4、軟件設計以下程序是產(chǎn)生三角波的程序；8255初始化 MOVDX，303H ；8255的命令口

MOVAL，10000000B；8255的方式字 OUTDX，AL ；指定B口控制DAC的轉(zhuǎn)換 MOVDX，301H ；8255A的B口地址

MOVAL，00010000B ；置DAC0832為直通工作方式

OUTDX，AL ；生成三角波的循環(huán) MOVDX，300H ；8255A的A口地址 MOVAL，0H ；輸出數(shù)據(jù)從0開始L1：OUTDX，ALINCAL ；輸出數(shù)據(jù)加1JNZL1 ；AL是否加滿？未滿繼續(xù)MOVAL，0FFH ；已滿，AL置全1L2：OUTDX，ALDECAL ；輸出數(shù)據(jù)減1JNZL2 ；AL是否減到0？不為0繼續(xù)JMPL1 ；為0，AL加1

0FFHDAC0832雙緩沖方式的典型用法：多目標的同時控制CPUDAC0832DAC0832控制點控制點被控對象DAC0832最適合要求多片DAC同時轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，下圖的時序關系表示，兩個數(shù)據(jù)分別用CS1和CS2鎖存到兩個DAC0832的輸入寄存器中，最后用XFER信號的上升沿將它們同時鎖存到各自的DAC寄存器中。數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)1輸入到數(shù)據(jù)2輸入到1#鎖存2#鎖存DAC寄存器鎖存DATABUSCS1CS2WR1WR2XFER用來進行同時多點的控制方法例15.7DAC1210接口電路設計1、要求通過ADC1210產(chǎn)生并輸出50個方波2、分析ADC1210的分辨率是12位，且內(nèi)部有三態(tài)鎖存，數(shù)據(jù)要分兩次傳送。DAC1210的3個端口的地址分別為：316H（y0）：鎖存高8位數(shù)據(jù)端口；317H（y1）：鎖存低4位數(shù)據(jù)端口；318H（y2）：第2級鎖存端口。8位輸入鎖存器4位輸入鎖存器12位DAC存儲器12位相乘型D/A轉(zhuǎn)換器LELELELSBMSBDI1115DI1016DI917DI818DI719DI620DI54DI45DI36DI27DI18DI09BYTE123/BYTE2CS1WR12XFER