Подключение АЦП и ЦАП

Министерство образования Российской Федерации Рязанская Государственная Радиотехническая Академия Кафедра АИТУ Курсовой проект по теме Подключение АЦП и ЦАП к микроконтроллеру Выполнила ст. гр. 130 Галынская О.О. Проверил Муравьев С.И. Рязань 2005 Содержание Введение3 Задание 4 Структурная схема системы управления5

Аппаратная реализация микроконтроллера МК-516 Аппаратная реализация АЦП 9 Аппаратная реализация ЦАП.16 Описание принципиальной схемы.20 Программная реализация взаимодействия АЦП и ЦАП с МК-21 Заключение 26 Литература27 Введение Системы автоматического управления производственными процессами, информационно-измерительные и контрольно-диагностические системы, а также автоматизация научных исследований

не могут быть реализованы без устройств, выполняющих функции управления. При построении системы управления каким-либо объектом встает ряд задач делать измерения возможно в большом количестве и от нескольких объектов, проводить их обработку, обеспечивать хранение информации, вырабатывать управляющие сигналы. Все это будет занимать у оператора много времени и может приводить к грубым ошибкам. Поэтому встает вопрос об автоматизации измерений, что увеличивает скорость снятия

отсчетов, а, следовательно, и объм получаемой информации, ведет к повышению точности и достоверности результатов измерений и освобождает человека от занятия монотонной и трудомкой работой. В связи с этим в последнее время в качестве устройств управления растет применение микроконтроллеров. Современные микроконтроллеры обладают такими вычислительными ресурсами и возможностями управления в режиме реального времени, для получения которых раньше необходимы были более дорогие многокристальные

компоновки. Задание Рассмотреть подключение АЦП и ЦАП к микроконтроллеру. Исходные данные 1.Тип МКMCS-512.Число аналоговых входов43.Разрядность АЦП84.Частота дискретизации10 кГц5.Число аналоговых выходов46.Разрядность ЦАП87.Число дискретных входов48.Число дискретных выходов49.Тип ЖК - монитора16х110.Скорость передачи по UART16 кГц11.Программный модульПрограмма управления

АЦП, ЦАПСтруктурная схема системы управления Общий вид структурной схемы системы управления представлен на рисунке 1. Рис.1. Структурная схема системы Информация о состоянии объекта управления первоначально представлена аналоговыми сигналами, которые поступают на специальные измерительные устройства датчики. Информация с датчиков подвергается оцифровыванию на аналого-цифровом преобразователе, а затем уже идет на микроконтроллер. Микроконтроллер вырабатывает цифровой управляющий сигнал, который преобразовывается

с помощью цифро-аналогового преобразователя в электрический управляющий сигнал и воздействует на объект управления. При этом существует возможность вывода интересующей нас информации на экран, в данном случае для этого используется жидкокристаллический монитор. По последовательному порту передается информация на другой микроконтроллер. Аппаратная реализация микроконтроллера МК-51 Использование микроконтроллера однокристальной

ЭВМ в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей технической эффективности при низких материальных затратах. В настоящее время среди всех 8-разрядных микроконтроллеров, семейство MCS-51 является несомненным чемпионом по количеству разновидностей и компаний, выпускающих его модификации. В данном курсовом проекте будет использован 8-разрядный КМОП микроконтроллер с Flash ПЗУ фирмы Atmel AT89C51.

Его основные характеристики совместимость с приборами семейства MCS-51 адресное пространство памяти программ 64 Кбайт адресное пространство памяти данных 64 Кбайт емкость перепрограммируемой Flash памяти внутренняя память программ 4 Кбайт, возможность внутрисистемного перепрограммирования, 100 циклов стираниезапись 128 байт встроенного ОЗУ внутренняя память данных 32 программируемых портa

вводавывода два 16-разрядных таймерасчетчика векторная система прерываний с двумя уровнями приоритета и шестью источниками событий программируемый последовательный порт UART напряжение питания 20 В низкое потребление в режиме ожидания и энергосберегающий режим Power Down. Основу структурной схемы МК51 рис.2 образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой все основные узлы и устройства.

Рис.2. Структурная схема MCS-51 В состав микроконтроллера входят 8-разрядный центральный процессор ЦП два 16-разрядных таймерасчетчика система двухуровневого прерывания последовательный порт вводавывода четыре 8-разрядных параллельных порта, у которых каждую из 32 линий можно настроить на ввод или вывод, а 24 линии могут выполнять альтернативные функции. Внутренние ПЗУ программ IROM и ОЗУ данных IRAM имеют минимальный объем 4

Кбайта и 128 байт соответственно. Базовая конфигурация содержит встроенные средства расширения своих ресурсов, позволяющие реализовать вне кристалла память программ EROM и память данных ERAM до 64 Кбайт каждая. Все расположенные на кристалле устройства подключены к внутренней мультиплексированной шине данных ШД. В любой момент к шине может быть подключен только один источник данных. Для этого выходы всех источников должны иметь третье состояние.

Число подключаемых приемников ограничено нагрузочной способностью шины. Для сокращения ширины физического интерфейса числа контактов ИС линии параллельного порта выполняют альтернативные функции. При обращении к внешней памяти порт P0 выполняет функции совмещенной шины адресаданных AD, а P2 шины старшего байта адреса A. Все линии порта

P3 выполняют альтернативные функции управления и специального вводавывода AF. Рис.3. Условное графическое обозначение MCS-51 Табл.1. Назначение выводов MCS-51 Аппаратная реализация АЦП В качестве аналого-цифрового преобразователя будем использовать устройство фирмы Analog Device AD7825. Табл.2.Основные параметры AD7825

Разрядность8Число аналоговых входов4Частота дискретизации2 МГцФормат выходных данныхпараллельныйНапряжение питания В, ном.3 5 ВПотребляемая мощность мВт макс.36Опорное напряжение внутр.внешн.внутр.внешн.Тактовый сигнал внутр.внешн.NA а б Рис.4. а Функциональная схема AD7825, б Расположение выводов AD7825 Табл.3. Назначение выводов

AD7825 Номер выводаОбозна-чениеНазначение1-3, 20-24DB0-DB7Выводы данных. Данные поступают с этих выводов на шину данных, когда и низкого уровня Логический входной сигнал. По срезу этого сигнала начинается аналого-цифровое преобразование. Срез переключает устройство выборки и хранения в режим хранения. Обратно в режим выборки УВХ переключается спустя 120 нс после начала преобразования.

Состояние проверяется в конце преобразования и если он имеет низкий уровень, то питание АЦП отключается Логический вход. Сигнал выбора кристалла, используется, когда АЦП имеет общую шину данных с другими устройствами Логический входной сигнал. Сигнал чтения используется для перемещения данных из выходного буфера АЦП на шину данных. При этом необходимо, чтобы сигнал также был низкого потенциала.

Таким образом, для активации шины данных сигналы и должны быть низкого уровня7DGNDВывод цифрового заземления Логический выход. Опрокидывание этого сигнала в нулевой потенциал означает, что преобразование завершилось. Сигнал может быть использован для прерывания микроконтроллера9,10A0, A1Адресные входы, задающие номер опрашиваемого входного канала Логический вход. Используется для отключения питания.

Когда сигнал низкого уровня, АЦП работает в режиме отключения питания. Питание АЦП будет включено, если высокого потенциала12-15Vin1-Vin4Аналоговые входы. Ширина диапазона входных величин может составлять 2 В или 2.5 В и зависит от питающего напряжения Vdd. Центр этого диапазона можно задавать как любое число из диапазона напряжений от

AGND до Vdd с помощью вывода Vmid. Если Vmid не использовать, то входной диапазон от AGND до 2 В VDD 3 В 10 или от AGND до 2.5 В VDD 5 В 1016VMIDЦентр диапазона входных напряжений. Использование не обязательно17VREFАналоговый входвыход. Внешнее опорное напряжение подключается к этой ножке. Внутреннее опорное напряжение можно снимать с этого вывода18VDDВывод питания 3

В 10 и 5 В 1019AGNDВывод аналогового заземления Табл.4. Логика работы АЦП AD7825 A1A0Активный аналоговый вход00VIN 101VIN 210VIN 311VIN 4Табл.5. Временные характеристики AD7825 Параметр5 В 103 В 10Единицы измеренияХарактеристика параметраt1420420нс maxВремя преобразованияt22020нс minДлительность импульса t33030нс minВремя между фронтом импульса высокого потенциала сигнала и срезом t4110 70110 70нс max нс minДлительность импульса t51010нс maxВремя между

фронтом импульса высокого потенциала и высоким уровнем t600нс minВремя, в течение которого опрокидывается в низкий уровень, когда низкийt700нс minЗадержка между и t83030нс minДлительность импульса t91020нс maxВремя между опрокидыванием в низкий потенциал и непосредственной выдачей данных на шину данныхt105 205 20нс min нс maxВремя между принятием высокого уровня и выдачей на шину данных последнего битаt111010нс minВремя между началом установления адреса следующего коммутируемого канала и срезом t121515нс minВремя, в течение

которого еще продолжает формироваться адрес следующего коммутируемого канала, когда опрокидывается в низкий потенциалt13200200нс maxВремя между срезом и началом нового преобразованияtPOWER UP2525мs typДлительность импульса высокого потенциала при использовании встроенного источника опорного напряженияtPOWER UP11мs maxДлительность импульса высокого потенциала при использовании внешнего 2.5V источника опорного напряжения АЦП AD7825 может работать в двух режимах.

Использование того или иного режима зависит от состояния сигнала по прошествии приблизительно 100 нс после окончания преобразования. Режим 1 режим высокоскоростной работы АЦП Рис.5. Временная диаграмма работы в режиме 1 Когда АЦП работает в данном режиме, не происходит отключения питания в период между преобразованиями. Таким образом, этот режим позволяет увеличивать показатели производительности. должен принимать высокий

потенциал до окончания преобразования, т.е. до опрокидывания в низкий уровень. Новое преобразование не может начаться, пока не пройдет 30 нс после окончания чтения время t3 на диаграмме. Режим 2 режим автоматического отключения питания При работе АЦП в этом режиме питание автоматически отключается по окончании преобразования. Сигнал на протяжении всего преобразования и по его окончании имеет низкий потенциал и продолжает таким

оставаться даже, когда стал высоким, т.е. приблизительно через 100 нс после окончания преобразования. Отключение питания происходит максимум через 530 нс после принятия сигналом низкого уровня, когда принимает высокий потенциал. Включение питания происходит Рис.6. Временная диаграмма работы в режиме 2 по переднему фронту импульса сигнала . Параллельный интерфейс работает и при отключенном питании.

Чтение может происходить и в то время, пока сигнал низкого уровня, как показано на рисунке, и когда происходит отключение питания. Параллельный интерфейс Параллельный интерфейс АЦП AD7825 8-разрядный. На рисунке 7 приведена диаграмма синхронизации работы параллельного интерфейса. Рис.7. Временная диаграмма синхронизации работы параллельного интерфейса До опрокидывания в низкий потенциал на адресных входах уже должен начать формироваться адрес следующего

коммутируемого канала. Срез импульса переводит устройство в режим хранения, тем самым начиная преобразование. Когда преобразование завершено, сигнал окончания преобразования опрокидывается в низкий уровень, сообщая о том, что новые преобразованные данные помещены в выходной регистр АЦП. имеет низкий потенциал максимум в течение 110 нс. переводится в высокий уровень фронтом импульса высокого потенциала сигнала . Сигналы и должны иметь низкий потенциал, чтобы преобразованные данные

могли передаться на шину данных. Можно оставить в низком состоянии, а данные считывать, используя сигнал . Cхема подключения АЦП Рис.8. Типовая схема подключения АЦП к МП или МК AGND и DGND соединяются вместе для хорошего подавления шума. Параллельный интерфейс осуществлен, используя 8-битную шину данных. Опрокидывание в низкий уровень разрешает начало преобразования, при этом сигнал высокого уровня.

По окончании преобразования сигнал становится низким, что используется для начала программы обработки прерываний в микропроцессоре или микроконтроллере. Vref и Vmid подключены к блоку питания AD780 2.5 В, а Vdd подключен к источнику напряжения от 4,5 В до 5,5 В. АЦП может работать в режиме пониженного энергопотребления низким уровнем потенциала на выводе , при

этом при поступлении фронта высокого потенциала на или , АЦП включает сво питание смотри описание работы. Если энергопотребление является важной проблемой, то отключение питания должно быть предусмотрено сразу после окончания преобразования. Параллельный порт позволяет подключать данный АЦП к микроконтроллерам различных серий. На рисунке 9 показано подключение АЦП к MCS-51. Рис.9.

Подключение АЦП к МCS-51 Сигнал обеспечивает запрос прерывания на МК-51, когда заканчивается преобразование и данные готовы. Port 0 может быть использован как в качестве входного, так и в качестве выходного порта, а может использоваться в качестве двунаправленного. В последнем случае он используется как входной для данных и как выходной для выдачи младшего байта адреса. Регистр-защелка используется для хранения младшего байта адреса, а

старший байт адреса поступает с порта 2 микроконтроллера. На выводах порта 2 остатся постоянное значение при адресации АЦП, так как они не используются для ввода данных как в случае порта 0. Аппаратная реализация ЦАП В качестве цифро-аналогового преобразователя будем использовать устройство фирмы Analog Device AD7305. Табл.6. Основные параметры

AD7305 Разрядность, бит8Кол-во ЦАП на корпус4Интерфейс входных данныхпараллельныйТип выхода токнапряжениенапряжениеВремя установкиs2Напряжение питания В, ном.3.0, 5, 5, -5Опорное напряжение внутр.внешн.внешн.Потребляемая мощность мВт макс.15 Общие сведения AD7305 счетверенный 8-разрядный ЦАП, питающее напряжение 3 В, 5 В или 5 В. Имеет параллельный интерфейс. Диапазон выходных напряжений определяется напряжением питания.

Vref, подключенный ко входу каждого DAC вместе с VOUT, позволяет устанавливать выходной масштаб напряжений, равный значению VDD, VSS, либо любому значению от VSS до VDD. Параллельный интерфейс AD7305 использует стандартный декодер адреса и вход разрешения записи во входные регистры . Архитектура данного ЦАП использует 4 входных регистра, в которые помещаются вновь пришедшие данные. Управляющий строб позволяет помещать эти данные в

DAC регистры для дальнейшего получения новых аналоговых выходных величин. а б Рис.10. а Функциональная схема AD7305, б Расположение выводов AD7305 Табл.7. Назначение выводов Номер выводаОбозначениеНазначение1, 2, 19, 20VOUTA, VOUTB, VOUTC, VOUTDАналоговые выходы3VSSВход отрицательного питающего напряжения от 0 до -5.5 В4VREFВход, определяющий диапазон выходных напряжений для выходов

VOUT. VSS VREF VDD. Внешнее опорное напряжение5GNDВывод для заземления Логический вход. Загружает данные в DAC регистры. Способствует передаче данных из 4-х входных регистров в DAC регистры. Асинхронный вход, активен при низком потенциале7-14DB0-DB7Входные биты данных Логический вход. Сигнал записи данных во входной регистр, активен при низком уровне16, 17A0SHDN, A1Логические входы. Бит адреса 0 управляющий сигнал аппаратного выключения, бит адреса 1.18VDDВход

положительного питающего напряжения от 2.7 В до 5.5 В Табл.8. Пояснение логики управления ЦАП Функция входного регистраФункция выходного регистраLLLHЗагрузка в REG A данных с DB0-DB7.Сохраняется предыдущее состояние без изменений.LLHREG A заперт для данных с DB0-DB7.Сохраняется предыдущее состояние без изменений.LLHHЗагрузка в REG B данных с DB0-DB7.Сохраняется предыдущее состояние без изменений.

LHHREG B заперт для данных с DB0-DB7.Сохраняется предыдущее состояние без изменений.LHLHЗагрузка в REG C данных с DB0-DB7.Сохраняется предыдущее состояние без изменений.HLHREG C заперт для данных с DB0-DB7.Сохраняется предыдущее состояние без изменений.LHHHЗагрузка в REG D данных с DB0-DB7.Сохраняется предыдущее состояние без изменений.HHHREG D заперт для данных с DB0-DB7.Сохраняется предыдущее состояние без изменений.

HxxLНет эффекта.Данные на входы регитров загружены. Регистры прозрачны.LxxLВходной регистр х прозрачен для данных с DB0-DB7.Регистры прозрачны.HxxНет эффекта.Все входы данных у регистров заперты.HxxHНет эффекта. Устройство не выбрано.Нет эффекта. Устройство не выбрано передний фронт импульса х значение не важно

Н высокий L низкий. Рис.10. Временная диаграмма работы AD7305 ПИТАНИЕ ПЕРЕЗАГРУЗКА POWER RESET При включенном питании Vdd внутренний RESET импульсом высокого потенциала обнуляет входные регистры и регистры ЦАП. VSS не влияет на включение питания и сброс значений регистров reset. Когда во входные регистры загружены данные, загрузка этих данных в

DAC регистры может произойти только при появлении строба . Параллельный интерфейс AD7305 имеет 8-битный параллельный интерфейс DB7 - DB0. Два адресных бита декодируются, когда на выводе WR установлен строб записи низкого потенциала. Вход чувствителен к сигналу на нем, поэтому выборка и хранение данных должна происходить строго в соответствии с инструкцией о временных характеристиках.

обеспечивает своевременную передачу новых данных из входных регистров в DAC регистры. Затем эти данные будут преобразованы в аналоговые величины. Когда низкого уровня, DAC регистры становятся прозрачными и при этом именно входные данные определяют выход ЦАП. Вход A0SHDN может использоваться для отключения питания. Для этого он должен быть в состоянии высокого импеданса, а именно принимать значение из промежутка

от 26 до 36 от VDD. Таким образом, никакой другой сигнал на этом выводе присутствовать не должен. При этом DAC регистры становятся высоко импедансными. Подключение ЦАП к микроконтроллеру аналогично подключению АЦП. Описание принципиальной схемы На принципиальной схеме представлены следующие элементы XL1 разъем ГРПМ10 DD1 логическое НЕ K555ЛН1 DD2 микроконтроллер

AT89C51 DD3 интерфейс RS-485 MAX3480B DD4 регистр-защелка КР1533ИР22 DD5 логическое НЕ K555ЛН1 DD6 логическое И-НЕ К555ЛА1 DD7 логическое И К555ЛИ1 DD8 ЖК-монитор HDM16116H-2 DD9 АЦП AD7825 DD10 ЦАП AD7305 К1 переключатель ZQ1 кварцевый резонатор на 12 МГц конденсаторы С1 0,1 мкФ,

С2 С3 33 пФ, С4 С6 С9 С11 С13 0,1 мкФ, С5 22 мкФ, С7 С10 С12 С14 10 мкФ, С8 0,01 мкФ резисторы R1 20 кОм, R2 330 Ом, R3 2 кОм, R4 130 Ом, R5 22 кОм подстроечный резистор, R6 200 Ом, R7 470 Ом, R8 2,2 кОм, R9 3 кОм, R10 100 Ом VD1, VD2 диоды 1N914. Программная реализация взаимодействия

АЦП и ЦАП с МК-51 Ниже представленная программа предназначена для организации взаимодействия МК-51 с АЦП и ЦАП. В ней происходит опрос четырех входных каналов АЦП, управление аналого-цифровым преобразованием, перенос оцифрованных данных в массив в отведенное место в памяти перенос данных, подлежащих цифро-аналоговому преобразованию из массива в каналы ЦАП и управление ЦАП. Программа содержит подпрограммы, которые возможно использовать как подключаемые

драйверы АЦП и ЦАП в других программах. Блок-схема программного алгоритма представлена на рисунке 11. Рис.11. Блок-схема программного алгоритма Программа управления АЦП и ЦАП A0 equ B.0 Адресный бит 0 A1 equ B.1 Адресный бит 1 A6 equ B.6 Адресный бит 6 A7 equ B.7 Адресный бит 7 iWR equ P3.6 Сигнал чтения iRD equ P3.7 Сигнал записи iConvst equ

P2.1 Сигнал начала преобразования в АЦП iPD equ P2.2 Сигнал включения питания АЦП iLDAC equ P2.1 Сигнал записи в DAC регистры ЦАП Counter equ R0 Регистр для хранения текущего адреса массива данных NC equ R3 Регистр для хранения номера канала org 0000h Стартовый адрес reset sjmp TOP org 0003h Внешнее прерывание 0 sjmp

TOP org 000Bh Прерывание по Timer0 для задания частоты дискретизации sjmp MAIN org 0013h Внешнее прерывание 0 sjmp TOP org 0040H TOP MOV TMOD,02h Режим работы ТС0 8-битный таймерсчетчик с автоперезагрузкой MOV TL0,156 Начальная установка ТС0 по заданной частоте дискретизации 10 кГц MOV TH0,156 Константа перезагрузки TC0 SETB EA Разрешение всех прерываний

SETB ET0 Разрешение прерывания по Timer 0 SETB TR0 Запуск ТС0 на счет TCON.4 CLR PSW.3 Выбор банка регистров CLR PSW.4 Инициализация АЦП SETB iPD Установка сигнала iPD в единицу SETB iConvSt Установка сигнала iConvst в единицу SETB iRD Установка сигнала iRD в единицу Инициализация ЦАП SETB iWR

Установка сигнала iWR в единицу SETB iLDAC Установка сигнала iLDAC в единицу Основная программа MOV Counter,50h Запись в регистр хранения текущего адреса массива данных начального адреса MOV NC,00b Установка начального номера канала для АЦПЦАП MAIN CALL ADC Вызов подпрограммы АЦП MOV Counter,A Запись данных в массив MOV A,Counter Запись адреса массива в аккумулятор

ADD A, 04h Суммирование адреса массива с числом 04р MOV Counter, A Запись в Counter адреса массива данных ЦАП MOV A,Counter Считывание данных из массива в аккумулятор CALL DAC Вызов подпрограммы ЦАП MOV A,Counter SUBB A, 04h MOV Counter, A INC Counter Увеличение числа на единицу

INC NC CJNE Counter,54h,MAINСравнение данных и переход в основную программу, если не равны ADC CLR A6 Выбор АЦП CLR A7 CLR iPD Включение питания АЦП CALL ChSet Вызов подпрограммы выбора канала CLR iRD Разрешение чтения с АЦП MOV Dat,255 Установка порта на прием MOVX A,R1 Установка необходимых адресов в регистр-защелку

CLR iConvSt Начало преобразования SETB iConvSt Возврат iConvst в единицу MOVX A,R1 Пересылка оцифрованных данных в аккумулятор SETB iRD Возврат iRD в единицу SETB iPD Возврат iRD в единицу RET Возврат в основную программу DAC CLR A6 Выбор ЦАП SETB A7 CALL ChSet Вызов подпрограммы выбора канала

CLR iWR Установка сигнала начала записи MOVX R1,A Установка необходимых адресов в регистр-защелку CLR iLDAC Сигнал помещения данных в DAC регистры и начала их преобразования MOVX R1,A Пересылка данных в соответствующий канал SETB iWR Установка сигнала iWR в единицу SETB iLDAC Установка сигнала iLDAC в единицу RET Возврат в основную программу

ChSet Выбор канала MOV A,NC jz Chan1 Переход, если аккумулятор не равен нулю MOV A,NC SUBB A,1d jz Chan2 MOV A,NC SUBB A,2d jz Chan3 MOV A,Nc SUBB A,3d jz Chan4 Chan1 CLR A0 CLR A1 MOV R1,B Пересылка адресных данных в регистр R1 RET Chan2 SETB A0 CLR A1 MOV R1,B RET Chan3 CLR A0 SETB A1 MOV

R1,B RET Chan4 SETB A0 SETB A1 MOV R1,B RET END Заключение При выполнении курсового проекта были изучены аспекты по организации работы системы автоматического управления. Конкретика в изучении была направлена в сторону организации взаимодействия аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей с микроконтроллером. Был разработан необходимый для этого программный продукт и начерчена схема подключения.

Подводя итог, можно сказать, что АЦП и ЦАП являются неотъемлемой частью любой автоматической системы управления. Литература Микропроцессоры в системах управления. Методические указания к лабораторным работам. Муравьев С.И. Рязань, 2002. 28 с. Микроконтроллеры семейства MCS-51 Архитектура, программирование, отладка Учеб. пособие

Ю. П. Соколов, Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 2002. 72 с. Документация на продукты фирмы Analog Device.