第三章 數據采集系統1—數據采集系統與微機的接口—數據采集系統主要實現從現場采集數據，2由微處理器分析處理或顯示打印，為現場操作者提供操作指導等功能。數據采集系統組成（1）多路開關MUX、測量放大器、采樣-保持、模數轉換、微機接口、應用軟件3數據采集系統組成（2）4數據采集系統與微機之間的接口（interface)：實現微機（微處理器）與多路開關、采樣保持電路、ADC等部件之間信息的傳輸。硬件接口：為兩個設備提供物理連接，利用硬件技術來完成接口的設備稱為接口電路。微處理器（微機）的接口電路，在于解決微機系統與外部世界的連接。數據線、緩沖、鎖存、地址譯碼、片選、讀/寫、中斷…軟件接口：為兩個程序之間提供通信。協議、驅動程序、應用程序…5—

數據采集系統對微機接口的要求一個基本的外設接口6“外設接口”是“CPU”與“外設”之間傳遞信息的控制電路。是“CPU”與“外設”之間傳送信息的一個“界面”、一個連接部件。外設接口一邊通過CPU的三總線（或微機總線）同CPU連接，一邊通過三種信息—數據信息、控制信息和狀態信息—同外設連接。7外設接口的功能8轉換信息的格式提供聯絡信號協調定時差異進行譯碼選址實現電平轉換具備時序控制最好可編程序數據采集系統對微機接口的要求：具有能與系統總線相連接的數據緩沖器和多根數據線。由于接口電路是掛在系統總線上的，只有接口電路為三態輸出時才不會對數據產生影響。傳輸數據在接口電路被激活之前先保存在數據緩沖器內。應有地址譯碼和片選功能，以便微機能通過尋址對其進行訪問。應有地址或數據鎖存功能。因為外部設備送到接口電路的信息，微機不一定有空讀取，此時接口應把信息暫時鎖存，以待微機空閑時讀取。具有中斷請求和處理的功能，以便微機能通過中斷來讀取或輸出信息。9二

常用接口芯片10在外設接口電路中，常用緩沖器、數據收發

器和鎖存器等器件對傳輸過程中的信息進行放大、隔離以及鎖存。。。。。。（1）8位3態D鎖存器

74LS3738D鎖存器，具有三態驅動輸出，由8個D門組成，8個輸入端1D～8D、8個輸出端1Q～8Q，2個控制端OC和C。118D型鎖存器74LS373功能表12舉例：在許多設備中常需要顯示計數器的計數值，計數值通常以8421BCD碼計數，并以七段數碼顯示器顯示。問題：如果計數器的計數速度高，人眼則無法辨認顯示的字符。措施：在計數器和譯碼器之間加入鎖存器，就可控制數據顯示的時間。若鎖存信號C＝0時，數據被鎖存，譯碼顯示電路穩定顯示鎖存的數據。13三態輸出的八緩沖器和線驅動器；8個輸入端，分為兩路—1A1～1A4，2A1～2A4；8個輸出端，分為兩路—1Y1～1Y4，2Y1～2Y4；分別由2個門控信號

和 控制；

和 為低，芯片工作，Y

=

A；74LS244緩沖器主要用于三態輸出的存儲地址驅動器、時鐘驅動器和總線定向接收器和定向發送器等。74LS244緩沖后，輸入信號被驅動，輸出信號的驅動能力加大了。

常用的緩沖器還有74LS240和74LS241等。（2）8位三態單向驅動器74LS2441474LS244緩沖器邏輯電路和引腳圖1574LS244的端?地址由P2.7決定，故端?地址可取7FFFH，通過下列指令可從該端?輸入數據。16MOV

DPTR，#7FFFHMOVX

A，@DPTR；DPTR指向74LS244端?；輸入數據74LS245是一種三態輸出的8總線收發器。該收發器有16個雙向傳送的數據端，即A1—A8，B1—B8，另有二個控制端——使能端 ，方向控制端

DIR

。該芯片的功能如表所示。74LS245通常用于數據的雙向傳送、緩沖和驅動。常用的數據收發器還有74LS243，Intel 8286、8287等。（3）8D三態雙向緩沖器74LS2451774LS245八總線收發器邏輯電路和引腳圖18使能方向控制DIR傳送方向00B→A01A→B1×隔開74LS245的真值表19應用舉例（1）

74LS373、245、244在PC/XT機中的應用208088發出的地址總線、數據總線和控制總線要經過一些總線接口器件變成系統總線中的對應信號；8288總線控制器是控制總線的接口器件；地址總線和數據總線的接口部件為：地址鎖存器74LS373；地址緩沖器74LS244；數據收發器74LS245。21（2）

用于一般的總線驅動電路228086系統中，存儲器和I/O接口較多，須在CPU總線和系統總線之間加接總線驅動電路，要求在加接驅動電路后CPU仍能進行常規的存儲器讀寫、I/O讀寫、中斷響應、總線請求響應以及在

RESET有效時的相應操作。23二 典型數據采集系統的微機接口電路24微機與多路模擬開關MUX接口電路微機與ADC接口電路地址譯碼器接口電路微機與DAC接口電路。。。。。。片選信號251．微機與多路模擬開關MUX接口電路多路模擬轉換開關常采用8

路模擬轉換開關CD4051

。CD4051是由地址譯碼器和多路雙向模擬開關組成的8路模擬轉換開關，引腳功能如下：X0～X7：輸入；X：輸出，可以通過外部地址（C，B，A引腳）選擇8路輸入中的某1路與輸出X接通;VDD和VEE

：提供工作電源，其幅值不得低于模擬信號；INH：禁止控制輸入，輸入高電平時，多路開關中各開關均不通，輸出呈高阻態。264D型觸發器74LS175用作通道譯碼控制器：RD=1,CP=0時，輸出處于保持狀態，MUX與微機總線隔離。RD=1,CP由0

—>1，Q=D，數據總線的通道選擇碼被加至多路開關八選一譯碼器輸入端。27實現D/A轉換器和微型計算機接口技術的關鍵是數據鎖存問題。有些D/A轉換器芯片本身帶有鎖存器，但也有些

D/A從轉換器芯片本身不帶鎖存器。此時一些并口芯片如

8212，74LS273及可編程的并行I/O接口芯片8255A均可作為D/A轉換的鎖存器。A/D和D/A與微機的接口有串行接口和并行接口之分。本章主要介紹并行D/A和A/D轉換的并行接口。目前大多數

A/D轉換器（高速）都內含采樣保持器，所以，此處不考慮采樣保持器。282．微機與DAC的接口（1）D/A轉換器及其連接特性1）DAC的主要參數分辨率:DAC能轉換的二進制數的位數。位數越多,分辨率越高。轉換時間:從輸入數字量到轉換結束,輸出達到最終值并穩定所需的時間。電流型:幾百ns～幾μs;電壓型:運算放大器的響應時間。精度:DAC實際輸出電壓與理論值之間的誤差。單位:LSB線性度:當數字量變化時,輸出模擬量按比例變化的程度。線性誤差:模擬輸出偏離理想輸出的最大值。29VFS模擬量數字量2n理想曲線實際曲線1實際曲線2線性誤差最大302）DAC的連接特性輸入緩沖能力:是否外加數據鎖存器輸入數據的寬度(分辨率):與系統數據總線寬度比較——數據幾次輸入輸入數據碼制:二進制、BCD碼或補碼、偏移二進制碼輸出模擬量的類型:電壓型、電流型輸出模擬量的極性:單極性、雙極性31（2）D/A轉換器與微處理器的接口方法接口的任務

— 數據緩沖,無條件傳送接口的結構形式直接與CPU相連——有輸入鎖存能力采用中小規模邏輯芯片與CPU相連

利用通用并行接口芯片與CPU相連

采用GAL器件32（3）D/A轉換器接口電路設計－以DAC0832為例DAC寄存器輸入寄存器D/A轉換器D0～7&&Io1Io2&LE1ILE2LEi=LE21:相應緩沖器打開0:相應緩沖器關閉CSWR1XFERWRDAC0832的內部結構DAC0832——8位DAC,內部有兩級三態緩沖器。ILE=1,CS=WR1=0,寫入第1級緩沖器。XFER=WR2=0,寫入第2級緩沖器,并開始轉換。DAC0832的主要特性33DAC0832的工作方式DAC0832D0～7ILECS

WR1

XFERWR2+5VA直通方式(需外加鎖存器)DAC0832D0～7ILECSXFERWR1WR2A8255APA0～7PB4PB3PB2PB1PB0CPU341)直通方式用8255A作接口2DAC0832D0～7ILECSXFERWR1WRA單緩沖方式(2)+5VYIOW單緩沖方式(1)DAC0832D0～7ILECSWR1XFERWR2A+5VYIOW轉換NMOV

AL,NOUT

Port,

AL2）單緩沖方式：單緩沖方式是指

DAC0832內部的兩個數據緩沖器有一個處于直通方式，另一個處于受單片機控制的方式。DX,PORTAL,0DX,ALALJMP

NEXTMOV

MOVNEXT:

OUTINC單緩沖方式輸出正向鋸齒波MOV

DX,PORTMOV

AL,0DX,AL

INCDOWN:

OUTUP:

OUTALJNZ

UPMOV

AL,0FEHDX,AL

DECALJNZ

DOWN

JMP

UP輸出三角波35DAC0832

的數字量輸入鎖存和D／A轉換輸出分兩步完成。首先，將數字量輸入到各路D／A轉換器的輸入寄存器，然后，控制各路D／A轉換器，使各路D／A轉換器輸入寄

存器中的數據，同時進入DAC寄存器，并轉換輸出。所以，在這種工作方式下，DAC0832占用兩個I／O地址，輸入寄存器和DAC寄存器各占一個I／O地址。3）雙緩沖方式WR1WR2DAC0832ILECSXFERD0～7+5VA雙緩沖方式Y0IOWY1轉換NMOV

AL,NOUT

P1,ALOUT

P2,AL36應用：多個模擬通道要求同時更新數據CSXFER0832(1)AY1CSXFER0832(2)AY2CSXFERAYnY…0832(n)MOV

AL,N1OUT

P1,ALMOV

AL,N2OUT

P2,AL…MOV

OUTAL,NnPn,ALOUT

P,AL將所有0832的ILE接高電平,WR1、WR2與IOW相連,CS和XFER的連接如圖。設要求同時更新的數據依次為N1、N2…Nn，則程序段：37單片機與DAC0832的接口38DAC0832具有數字量的輸入鎖存功能，可以和單片機的P0口直接相連。單片機與

DAC0832的接口，可根據需要按雙緩沖器

方式、單級緩沖器方式和直通方式聯接。1）單緩沖器連接方式39ILE?+5V，片選信號及數據傳輸信號都與地址選擇線P2.7相連，地址為7FFFH，兩級寄存器

的寫信號都由CPU的P2.7端控制。數字量可以直?從MCS-51的P0口送入DAC0832。當地址

選擇線選擇好DAC0832后，只要輸出控制信號，

DAC0832就能一次完成數字量的輸入鎖存和D/A轉換輸出。40執行下列幾條指令就可以完成一次D/A轉換：41MOV DPTR,

#7FFFH ;

地址指向DAC0832MOV A,

#DATAMOVX @DPTR,

A;待轉換的數字量DATA送累加器A;數字量送P2.7指向的地址，有效時完成一次D/A輸入WAVE：MOV

DPTR，#addr；輸入寄存器和DAC寄存器地址MOV

A，DATA0

；數字量初值LOOP：

MOVX

@DPTR，ACJNE

A，DATAEND，MORESJMP

WAVEMORE：INC

ASJMP

LOOP42利用上圖所示電路，產生鋸齒波信號。２）雙緩沖器連接方式43從X、Y同步輸出不同電壓的程序：44MOVDPTR，#addr1；1#輸入寄存器地址MOVA，DATA1；數字量１送AMOV@DPTR，A；數字量１送1＃輸入寄存器MOVDPTR，#addr2；2#輸入寄存器地址MOVA，DATA2；數字量２送AMOV@DPTR，A；數字量２送２＃輸入寄存器MOVDPTR，#addr3；1#、2#DAC寄存器地址MOV@DPTR

，

A；1#、2#輸入寄存器的數字量１、２分別同時送1#、2#DAC寄存器，并同時轉換，同步輸出利用此電路輸出一對同步信號，如從X、Y輸出一組同步的鋸齒波和正弦波信號D/A轉換器接口電路設計－12位DAC1)無三態輸入緩沖器、12位DAC數據分兩次寫入,外加兩級輸入緩沖器左對齊:D15……D8D7…D4D3…D012位有效數據D15…D12D11…D8D7……D012位有效數據右對齊:AENIOWA0～9PC插槽D0～7譯碼電路D0～7

Q0～7CD0～3

Q0～3C12位DACD0～7D8～11A第二級Y0Y1右對齊第一級D0～7

Q0～7CD0～3轉換數據123H45MOV

AX,0123HOUT

P0,ALMOV

AL,AHOUT

P1,AL2)有三態輸入緩沖器12位DAC

—

DAC1210內部有兩級緩沖器,左對齊方式輸入。數據內部結構與

DAC0832類似。Io1Io2DAC1210的內部結構8位輸入寄存器4位輸入寄存器12位DAC寄存器&&&LE1LE22CSWR1XFERWR12位D/A轉換器LE3D4～11D0～3B1/B2必須先寫高8位后寫低4位(寫入時令B1/B2=0)46應用舉例—將數據123H送給DAC1210進行轉換47轉換程序段MOV

BX,1230H48MOVDX,341HMOVAL,BHOUTDX,AL;寫入高8位MOVDX,340HMOVAL,BLOUTDX,AL；寫入低4位MOVDX,342HOUTDX,AL；開始轉換A/D轉換器(ADC):將模擬量轉換成數字量的線性電路器件按速度分:超高速(

330ns)次超高速(330ns～3.3μs)高速(3.3μs～20μs)中速(20μs～300μs)慢速(>300μs)按原理分直接轉換型:逐次逼近(較高分辨率及速度)、并聯比較間接轉換型:積分型(抗干擾、高分辨率、但速度慢)、電壓/頻率、電壓/脈寬按分辨率分:4位、8位、10位、12位…493．微機與ADC的接口電路1）ADC的主要參數分辨率:ADC能轉換成的二進制數的位數。位數越多,分辨率越高轉換時間:從輸入啟動信號到轉換結束,得到穩定的數字量所需的時間精度、線性度：同DAC2）ADC的外部特性模擬信號輸入線:單通道/多通道數字量輸出線:分辨率轉換啟動線:啟動方式轉換結束狀態線:查詢/引發中斷/請求DMA脈沖啟動電平啟動必備信號線ADC必須由外部啟動50芯片型號啟動信號轉換結束狀態ADC0809STARTEOCAD570B/C=0DRADC0804CS.WRINTRADC7570STARTBUSY=1ADC1131JCONVCMDSTATUS下降沿ADC1210SCCCAD574CE.(R/C=0).CSSTS=0513)ADC與微處理器的接口方法①

ADC與CPU的連接分辨率:是否高于系統數據總線的寬度數據輸出結構:是否有三態緩沖功能啟功方式:脈沖啟動(讀寫脈沖)/電平啟動(經鎖存)數據傳送方式:查詢、中斷、DMA、板上RAM方式②

ADC接口的主要操作發啟動轉換信號取回“轉換結束”狀態信號

必須完成讀取轉換結果進行通道選擇:多通道ADC發采樣/保持(S/H)控制信號:高速變化信號52④

ADC接口電路的結構形式直接與CPU相連——有三態緩沖能力采用中小規模邏輯芯片與CPU相連利用通用并行接口芯片與CPU相連采用GAL器件③

ADC數據的傳送查詢方式中斷方式DMA方式:高速ADC板上RAM方式:超高速ADC534)查詢方式A/D轉換器接口電路設計①有三態輸出鎖存器、12位ADC—AD574AAD574A的主要特性——分辨率可選(8位/12位),單通道,逐次逼近型,負脈沖啟動,轉換時間25μs。54硬件連接Y0Y1AENA0～9D0～7PC插槽譯碼電路Y2&D7D4～7D8～11D0～3STSAD574A&IOWIORCS

12/8A0

R/CCEAY0:310H,Y1:311H,Y2:312H軟件編程數據采集程序段AL,DXMOV[DI],ALMOVDX,312HINMOVADD[DI+1],ALDI,2LOOPNEXTCX,64DI,BUFDX,312H;啟動轉換

DX,ALDX,310HAL,DXAL,80HJNZMOVWAIT

;STS=1,等待DX,311HINAL,DX;讀取低4位ANDAL,0FH;讀取高8位MOVLEANEXT:

MOVOUTWAIT:

MOVINAND對312H寫,啟動一次12位轉換對310H讀,取回STS(D7位)對311H讀,讀回低字節(D4～D7)對312H讀,讀回高字節可寫入任意值12位轉換,數據分兩次讀出,查詢方式,采集64個數據左對齊存入BUF為首址的內存。55②無三態輸出鎖存器、12位ADC—ADC1210IORAEN

A0～9D0～7PC插槽Q0～3

D0～3ADC1210D0～7A右對齊D0～3Q7

D7譯碼電路Y0

1Y1Y2

1

1SCIND8～11CCD7GQ0～7

D0～7GLS244設Y0～Y2的地址為330H～332H對332H讀,啟動一次轉換對330H讀,取回CC(D7位)對331H讀,讀低8位對330H讀,讀高4位(D0～D3)SC:啟動信號,負脈沖有效;CC:轉換結束,低有效外加輸出鎖存器56采集一個數據→BXMOV DX,332H;啟動轉換OUT DX,ALMOV

DX,330HIN

AL,DXANDAL,80HJNZWAIT;CC=1,等待MOVDX,331H;讀取低8位INAL,DXMOVBL,ALMOVDX,330H;讀取高4位INAL,DXANDAL,0FHMOVBH,ALWAIT:57③多通道、8位ADC—ADC08098個模擬通道、逐次逼近型,正脈沖啟動,有三態輸出鎖存器ADC0809的內部結構通道選擇開關IN0IN1IN

…7通道地址鎖存及譯碼逐次逼近寄存器(SAR)比較器輸出鎖存器

(三態)ADDAADDBADDCALED0～7EOCOECLK

START定時和控制開關樹組

(256R)VR(+) VR(-)A/D58IN0～IN7:通道0～7的模擬量輸入D0～7:數字量輸出ADDC、ADDB、ADDA:通道(0～7)選擇ALE:通道地址鎖存,正脈沖有效START:啟動信號,正脈沖有

效,上升沿所有寄存器清0,下降沿開始轉換EOC:轉換結束,高有效

OE:允許輸出,高有效通常，通道選擇由數據信號完成。START與ALE相連:選擇通道的同時啟動。硬件連接59軟件編程：依次對8個通道采樣,共采集256個數據,存于BUF區中依次采集通道0～7,只要將通道號+1即(最低三位有效)

將通道號寫入P2,啟動轉換并鎖存通道號對P0讀,讀回EOC(D)7對P1讀,讀取轉換結果BL,0DX,P2AL,BLLOOPNEXT;EOC=0,等待WAITDX,P1AL,DX

;讀取結果[DI],ALBL

;通道號+1DI;通道號初值=0DX,AL

;啟動并鎖存通道號DX,P0AL,DXAL,80H程序段:LEADI,BUFMOVCX,256MOVNEXT:

MOVMOVOUTWAIT:

MOVINANDJZMOVINMOVINCINC本章首頁605）中斷方式ADC接口電路設計單板機系統中斷方式的數據采集系統設計要

求以TP86為控制器,對單通道模擬信號采集512個8位數據,中斷方式存BUF,并送入DAC.硬件分析與設計ADC0804;DAC0832;8259AADC0804的工作特性ADC0804:8位,內部有三態鎖存器,負脈沖啟動

INTR:轉換結束信號,低有效CS=WR=0,啟動;CS=RD=0,結果輸出61硬件連接TP868259AINTAINTRRDWRD0～7A0～9AENINTAINTA0RDWRD0～71IR0ADC0804AININTRRDCSWRD0～7IO1IO2D0～7WR1WR2CSXFERILEDAC0832譯碼電路+5VCS…A1中斷控制分析ADC0804的INTR反相后向8259A的IR0申請中斷62軟件編程主程序主要內容8259A初始化中斷向量裝入啟動ADC0804開中斷等待中斷發生中斷服務程序內容從ADC0804讀數

將數寫入DAC0832存儲數據中斷結束命令中斷服務程序AL,DXDX,0FFD6HMOVDX,0FFD4HINMOVOUTMOVINCDX,AL[DI],ALDI;讀取結果;送給DACA_D

PROC;保護現場DX,0FFDCHDX,AL;恢復現場MOV

AL,20HMOVOUTIRETA_D

ENDP;存儲;EOI命令AL,80HDX,ALAL,01HDX,ALAX,0ES,AXBX,4*80HES:[BX],OFFSETA_DES:[BX+2],SEGA_DDI,BUFCX,512DX,0FFDEHAL,DX主程序CLIMOV

DX,0FFDCHMOV

AL,13HOUT

DX,ALMOV

DX,0FFDEHMOVOUTMOVOUTMOVMOVMOVMOVMOVLEAMOVMOVINANDOUTMAL,0FEHDX,ALOV

DX,0FFD4HOUTDX,AL;8259A的ICW1;8259A的IMR2=0;裝入中斷向量NEXT:;8259A的ICW2;8259A的ICW4;啟動轉換STIHLTCLIDECCXJNZ

NEXT;等待轉換結束ADC0804的地址:FFD4H;DAC0832的地址FFD6H

8259A的地址:FFDCH、FFDEH63MCS-51與ADC0809的中斷方式接口64ADC0809

與

805l

之間的接口電路如圖所示。ADC0809時鐘信號由單片機的ALE信號２分頻獲得。

ADC0809

通道地址由

P0

口的低

3直接與ADC0809的A、B、C相連。ADC0809和8XX51的連接ALE~2731~Q0Q1Q23731INT1P08XX51RDALEDCLKQQ~ADDAADDBADDCD0D7EOCIN0IN7VCCVREF+STARTALE

VREF-OE

GNDADC0809CLK8G8

D0D7WRP2.7+5V1165轉換結束信號EOC根據不同的方式和單片機的連接方式不同：采用延時方式

EOC懸空，在啟動轉換后延時 100

μs，再讀轉換結果；采用查詢方式時，可將EOC接并行口(P1或P3)的某線，檢測

EOC變高后，再讀入轉換結果。采用中斷方式可將EOC經非門反相接到單片機的中斷請求端，一旦轉換完成EOC變為高電平，向8XX51提出中斷請求，進入中斷服務后讀入轉換結果。上圖為一個中斷方式的接口電路。66采用延時方法，對N(N≤8)路模擬信號進行A／D轉換，轉換后的N個數據順序存放到起始地址為data_addr數據存區。ADST：MOV

R1，#data_addr

；置數據區首地址指針MOV

DPTR，#addr_ch1

；指向第１個通道67MOV

R2，#0NHLOOP：MOVX

@DPTR，ACALL

DELAYMOVX

A，@DPTRMOV

@R1，AINC

DPTRINC

R1；通道個數；啟動A／D轉換；延時；讀取轉換結果；結果轉存到數據區；指向下一地址；修改數據區指針DJNZ

R2，LOOP；若N路未轉換完則繼續轉換采用中斷方式，對N（N≤8）路模擬信號進行A／D轉換。68初始化程序：ADST：

MOVR1，#dat_addr；數據暫存區首地址MOVR2，#0NH；共N路SETBITl；INT1下降沿觸發SETBEA；中斷允許SETBEX1；開中斷1MOV

DPTR，#addr_ch1；指向第1通道MOVX

@DPTR，AMOV

A，R2LOOP：

JNZ

LOOP；啟動A／D轉換；通道數送A；N路未轉換完等中斷中斷服務程序： MOVX

A，@DPTR MOVX

@R1，A69INC

DPTRINC

R1；讀取A／D轉換結果；存A／D轉換結果；下一個通道；下一個數據存放單元；啟動下一個通道；通道數減1MOVX

@DPTR，ADEC

R2MOV

A，R2RETI；中斷返回LS244－數據緩沖功能雙向傳輸功能1G=2G=1:輸出高阻態，

ADC0804與數據總線隔離。1G=0:信號從左到右1A1~1A4與1Y1~1Y4相通2G＝0：信號從右到左2A1~2A4與2Y1~2Y4相通LS245－八總線收發器G=1:A、B高阻態，接口數據總線與微機數據總線隔離。G=0,DIR=0:

信號從B到AG=0,DIR=1：信號從A到B70工

作

原 理：IOR=IOW=1：1G=2G=1，ADC0804輸出高阻態，與數據總線隔離。

IOR＝0，IOW=1：1G=0,CPU通過讀取LS244 1Y1的值查詢ADC的INTR狀態（是否已完成轉換）；DIR=IOR&IOW=0,數據由接口數據總線傳向微