Подключение АЦП и ЦАП

28 Министерство образования Российской Федерации Рязанская Государственная Радиотехническая Академия Кафедра АИТУ Курсовой проект по теме: «Подключение АЦП и ЦАП к микроконтроллеру» Выполнила: с т. гр. 130 Галынская О.О. Проверил: Муравьев С.И. Рязань 2005 Содержание Введение …………………………………………………………………3 Задание ……………………………………………………………….......4 Структурная схема системы управления ………………………………5 Аппаратная реализация микроконтроллера (МК-51) …………………6 Аппаратная реализация АЦП ……………………………………….......9 Аппаратная реализация ЦАП ………………………………………….16 Описание принципиальной схемы …………………………………….20 Программная реализация взаимодействия АЦП и ЦАП с МК-51 …..21 Заключение ……………………………………………………………...26 Литература ………………………………………………………………27 Введение С истемы автоматического управления производственными процессами , информационно-измерительные и контрольно-диагностические системы, а также автоматизация научных исследований не могут быть реализованы без устройств, выполняющих функции управления. П ри построении системы управления каким-либо объектом встает р яд задач : д елать 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 объём получаемой информации, ведет к повышению точности и достоверности результатов измерений и освобождает человека от занятия монотонн ой и трудоёмк ой 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 МК MCS -51 2. Число аналоговых входов 4 3. Разрядность АЦП 8 4. Частота дискретизации 10 кГц 5. Число аналоговых выходов 4 6. Разрядность ЦАП 8 7. Число дискретных входов 4 8. Число дискретных выходов 4 9. Тип ЖК - монитора 16х1 10. Скорость передачи по UART 16 кГц 11. Программный модуль Программа управления АЦП, ЦАП Структурная схема системы управления Общий вид структурной схемы системы управления представлен на рисунке 1. 28 Р ис.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 материальны х 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 использова н 8-разрядный КМОП микроконтроллер с Flash ПЗУ фирмы Atmel AT 89 C 51 . Его о сновные характеристики : · совместимость с приборами семейства MCS -51 ; · адресное пространство памяти программ – 64 Кбайт; · адресное пространство памяти данных – 64 Кбайт; · е мкость перепрограммируемой Flash памяти (внутренняя память программ) – 4 Кбайт, возможность внутрисистемного перепрограммирования, 100 циклов стирание/запись; · 128 байт встроенного ОЗУ (внутренняя память данных); · 32 программируемых портa ввода/ вывода ; · два 16-разрядных таймера/счетчика; · векторная система прерываний с двумя уровнями приоритета и шестью источниками событий ; · программируемый последовательный порт UART ; · напряжение питания 5 ± 20 % В; · н изкое 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 таймера/счетчика; система двухуровневого прерывания; последовательный порт ввода/вывода; 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 адреса/данных (AD), а P2 – шины старшего байта адреса (A). Все линии порта P3 выполняют альтернативные функции управления и специального ввода/вывода (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 – AD 7825. Табл.2.Основные параметры AD7825 Разрядность 8 Число аналоговых входов 4 Частота дискретизации 2 МГц Формат выходных данных параллельный Напряжение питания (В, ном.) (+3... +5) В Потребляемая мощность (мВт макс.) 36 Опорное напряжение (внутр./внешн.) внутр./внешн . Тактовый сигнал (внутр./внешн.) N/A а) б) Рис.4. а) Функциональная схема AD 7825 , б) Расположение выводов AD 7825 Табл.3. Назначение выводов AD7825 Номер вывода Обозна-чение Назначение 1-3, 20-24 DB0-DB7 Выводы данных. Данные поступают с этих выводов на шину данных, когда и низкого уровня 4 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 5 Логический вход. Сигнал выбора кристалла, используется, когда АЦП имеет общую шину данных с другими устройствами 6 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 уровня 7 DGND Вывод цифрового заземления 8 Логический выход. Опрокидывание этого сигнала в нулевой потенциал означает, что преобразование завершилось. Сигнал может быть использован для прерывания микроконтроллера 9,10 A0, A1 Адресные входы , задающие номер опрашиваемого входного канала 11 Логический вход. Используется для отключения питания. Когда сигнал низкого уровня, АЦП работает в режиме отключения питания. Питание АЦП будет включено, если высокого потенциала 12-15 Vin1-Vin4 Аналоговые 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 AG ND до 2.5 В (VDD = 5 В ± 10%) 16 V MID Центр диапазона входных напряжений. Использование не обязательно 17 V REF А налоговый вход/выход. Внешнее опорное напряжение подключается к этой ножке. Внутреннее опорное напряжение можно снимать с этого вывода 18 V DD Вывод питания ( 3 В ± 10% и 5 В ± 10%) 19 AGND Вывод аналогового заземления Табл.4. Логика работы АЦП AD7825 A1 A0 Активный аналоговый вход 0 0 V IN 1 0 1 V IN 2 1 0 V IN 3 1 1 V IN 4 Табл.5. Временные характеристики AD7825 Параметр 5 В ± 10% 3 В ± 10% Единицы измерения Характеристика параметра t 1 420 420 нс max Время преобразования t 2 20 20 нс min Длительность импульса t3 30 30 нс min Время между фронтом импульса высокого потенциала сигнала и срезом t4 110 70 110 70 нс max нс min Длительность импульса t5 10 10 нс max Время между фронтом импульса высокого потенциала и высоким уровнем t6 0 0 нс min Время, в течение которого опрокидывается в низкий уровень, когда низкий t7 0 0 нс min Задержка между и t8 30 30 нс min Длительность импульса t9 10 20 нс max Время между опрокидыванием в низкий потенциал и непосредственной выдачей данных на шину данных t10 5 20 5 20 нс min нс max Время между принятием высокого уровня и выдачей на шину данных последнего бита t11 10 10 нс min Время между началом установления адреса следующего коммутируемого канала и срезом t12 15 15 нс min Время, в течение которого еще продолжает формироваться адрес следующего коммутируемого канала, когда опрокидывается в низкий потенциал t13 200 200 нс max Время между срезом и началом нового преобразования t POWER UP 25 25 м s typ Длительность импульса высокого потенциала при использовании встроенного источника опорного напряжения t POWER UP 1 1 м s max Длительность импульса высокого потенциала при использовании внешнего 2.5 V источника опорного напряжения АЦП AD 7825 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 t 3 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 AD 7825 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 . C хема 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. Vre f и Vmid подключены к блоку питания AD 780 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 своё 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 рис унке 9 показано подключение АЦП к MCS -51 . Рис.9. Подключение АЦП к М CS -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 остаётся 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 – AD 7305 . Табл.6. Основные параметры AD7 305 Разрядность , бит 8 Кол-во ЦАП на корпус 4 Интерфейс входных данных параллельный Тип выхода (ток/напряжение) напряжение Время установки(µs) 2 Напряжение питания (В, ном.) (+3.0), (+5), (+5, -5) Опорное напряжение (внутр./внешн.) внешн. Потребляемая мощность (мВт макс.) 15 Общие сведения: AD 7305 – 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 V OUT , позволяет устанавливать выходной масштаб напряжений, равный значению V DD , V SS , либо любому значению от V SS до V DD . Параллельный интерфейс AD 7305 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 AD 7 30 5 , б) Расположение выводов AD 7 30 5 Табл.7. Назначение выводов Номер вывода Обозначение Назначение 1, 2 , 19, 20 V OUT A , V OUT B , V OUT C , V OUT D Аналоговые выходы 3 V SS Вход отрицательного питающего напряжения (от 0 до -5.5 В) 4 V REF Вход, определяющий диапазон выходных напряжений для выходов V OUT . V SS