煤矿监测系统A_D.ppt

2,一、任务描述二、任务分析三、相关知识四、任务布置,3,一、任务描述,（一）A/D转换器大致有三类一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢;二是逐次逼近法A/D转换器，精度，速度，价格适中；三是并行A/D转换器，速度快，价格也昂贵。（二）四矿用的ADC0809属第二类，是八位A/D转换器。每采集一次一般需100us。中断方式下，A/D转换结束后会自动产生EOC信号，将其与8051的INT0相接。,返回,4,瓦斯传感器输出的模拟电信号经放大后，必须由A／D转换器将其转换为数字信号，才能由单片机进行数据处理。尤其是在煤矿监控系统中，使用单片机构成的测控分站，对模拟量输入、开关量输入进行控制，不仅提高采集速度，还可对数据进行预处理，可实现就地报警、断电控制输出功能；使用单片机提供的串行接口，很容易组成分布式监控系统。,二、任务分析,返回,5,（一）A/D转换器接口,1、典型A/D转换器芯片ADC0809ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺。ADC0809的内部逻辑结构如图图8-1所示,图8-1ADC0809内部逻辑结构,三、相关知识,返回,6,图8-1中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，如表8-1所示。八位A/D转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及256R电阻阶梯网络等组成。输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。,7,,1A/D转换器概述A/D转换器用于实现模拟量→数字量的转换，按转换原理可分为四种，即计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。目前最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜；但转换速度较慢。因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合。另一种常用的A/D转换器是逐次逼近式的，逐次逼近式A/D转换器是一种速度较快精度较高的转换器。其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。通常使用的逐次逼近式典型A/D转换器芯片有,8,,ADC0801-ADC0805型8位MOS型A/D转换器，美国国家半导体公司产品。它是目前最流行的中速廉价型产品。片内有三态数据输出锁存器，单通道输入，转换时间约100微秒左右。ADC0808/0809型8位MOS型A/D转换器。可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100微秒左右。在本书附录的实训电路板中采用了ADC0809芯片，实现模拟信号到数字信号的转换。下面将重点介绍该芯片的结构及使用。ADC0816/0817。这类产品除输入通道数增加至16个以外，其它性能与ADC0808/0809型基本相同。,9,（2）信号引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列见图8-2,图8-2ADC0809引脚图,10,对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下IN7〜IN0模拟量输入通道ADC0809对输入模拟量的要求主要有信号单极性，电压范围0〜5V若信号过小还需进行放大。另外，模拟量输入在A/D转换过程中其值不应变化太快，因此对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。A、B、C地址线A为低位地址，C为高位地址，用于对模拟通道进行选择，引脚图8-2中为ADDA、ADDB和ADDC，其地址状态与通道相对应关系见表8-1ALE地址锁存允许信号对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号START上跳沿时，所有内部寄存器清0；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。,11,D7-D0数据输出线为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。OE输出允许信号用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE0，输出数据线呈高电阻；OE1，输出转换得到的数据。CLK时钟信号ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500kHz的时钟信号。EOC转换结束状态信号EOC0，正在进行转换；EOC1，转换结束。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。Vcc5V电源Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为5V（Vref5V,Vref-0V）。,12,1、典型D/A转换器芯片DAC0832DAC0832是一个8位D/A转换器。单电源供电，从5V～15V均可正常工作。基准电压的范围为10V；电流建立时间为1μS；CMOS工艺，低功耗20mW。DAC0832转换器芯片为20引脚，双列直插式封装，其引脚排列如图8-3所示。DAC0832内部结构框图如图8-4所示。该转换器由输入寄存器和DAC寄存器构成两级数据输入锁存。使用时数据输入可以采用两级锁存（双锁存）形式，或单级锁存（一级锁存，一级直通）形式，或直接输入（两级直通）形式。,二D/A转换器及接口,13,图8-3DAC0832引脚图,图8-4DAC0832内部结构框图,14,此外，由三个与门电路组成寄存器输出控制逻辑电路，该逻辑电路的功能是进行数据锁存控制，当0时，输入数据被锁存；当1时，锁存器的输出跟随输入的数据。D/A转换电路是一个R-2RT型电阻网络，实现8位数据的转换。对各引脚信号说明如下1、DI7～DI0转换数据输入2、片选信号（输入），低电平有效3、ILE数据锁存允许信号（输入），高电平有效4、第1写信号（输入），低电平有效上述两个信号控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；当ILE1和0时，为输入寄存器直通方式；当ILE1和1时，为输入寄存器锁存方式。,15,5、第2写信号（输入），低电平有效6、数据传送控制信号（输入），低电平有效上述两个信号控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；当0和0时，为DAC寄存器直通方式；当1和0时，为DAC寄存器锁存方式。7、Iout1电流输出18、Iout2电流输出2DAC转换器的特性之一是Iout1Iout2常数。9、Rfb反馈电阻端0832是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算放大器，Rfb即为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图8-5所示。10、Vref基准电压，其电压可正可负,范围-10V～10V。11、DGND数字地12、AGND模拟地,16,所谓单缓冲方式就是使0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模拟量但并不要求同步输出的情况，就可采用单缓冲方式。单缓冲方式的两种连接如图8-6和图8-7所示。图8-7为两个输入寄存器同时受控的连接方法，和一起接8051的，和共同连接在P2.7，因此两个寄存器的地址相同。图8-7中,0和0，因此DAC寄存器处于直通方式。而输入寄存器处于受控锁存方式，接8051的，ILE接高电平，此外还应把接高位地址或译码输出，以便为输入寄存器确定地址。其它如数据线连接及地址锁存等问题不再赘述。,（三）单缓冲方式的接口与应用,1、单缓冲方式连接,17,图8-6DAC0832单缓冲方式接口,图8-7用DAC产生锯齿波,18,在许多控制应用中，要求有一个线性增长的电压（锯齿波）来控制检测过程，移动记录笔或移动电子束等。对此可通过在DAC0832的输出端接运算放大器，由运算放大器产生锯齿波来实现，电路连接如图8-8所示。图中的DAC8032工作于单缓冲方式，其中输入寄存器受控，而DAC寄存器直通。假定输入寄存器地址为7FFFH，产生锯齿波的源程序清单如下ORG0200HDASAWMOVDPTR，7FFFH；输入寄存器地址,假定P2.7接MOVA，00H；转换初值WWMOVXDPTR，A；D/A转换INCANOP；延时NOPNOPJMPWW执行上述程序，在运算放大器的输出端就能得到如图7.34所示的锯齿波,2、单缓冲方式应用举例产生锯齿波,19,对锯齿波的产生作如下几点说明A程序每循环一次，A加1，因此实际上锯齿波的上升边是由256个小阶梯构成的。但由于阶梯很小，所以宏观上看就如图8-8中所表示的线性增长锯齿波。B可通过循环程序段的机器周期数，计算出锯齿波的周期。并可根据需要，通过延时的办法来改变波形周期。当延迟时间较短时，可用NOP指令来实现（本程序就是如此）；当需要延迟时间较长时，可以使用一个延时子程序。延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。3、通过A加1，可得到正向的锯齿波；如要得到负向的锯齿波，改为减1指令即可实现。,图8-8D/A转换产生的锯齿波,4、程序中A的变化范围是从0到255，因此得到的锯齿波是满幅度的。如要求得到非满幅锯齿波，可通过计算求得数字量的初值和终值，然后在程序中通过置初值判终值的办法即可实现。用同样的方法也可以产生三角波、矩形波、梯形波，请读者自行编写程序。,20,1、双缓冲方式连接所谓双缓冲方式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。双缓冲DAC0832的连接如图8-9所示。,图8-9DAC0832的双缓冲方式连接,（3）双缓冲方式的接口与应用,21,为了实现寄存器的可控，应当给寄存器分配一个地址，以便能按地址进行操作。图7.35采用地址译码输出分别接和而实现的，然后再给和提供写选通信号。这样就完成了两个锁存器都可控的双缓冲接口方式。由于两个锁存器分别占据两个地址，因此在程序中需要使用两条传送指令，才能完成一个数字量的模拟转换。假定输入寄存器地址为FEH，DAC寄存器地址为FFH。则完成一次数/模转换的程序段如下MOVR0，0FEH；装入输入寄存器地址MOVXR0，A；转换数据送输入寄存器INCR0；产生DAC寄存器地址MOVXR0,A；数据通过DAC寄存器最后一条指令，表面上看来是把A中数据送DAC寄存器，实际上这种数据转送并不真正进行，该指令只是起到打开DAC寄存器使输入寄存器中数据通过的作用，数据通过后就去进行D/A转换。,22,双缓冲方式用于多路数/模转换系统，以实现多路模拟信号同步输出的目的。例如使用单片机控制X-Y绘图仪。X-Y绘图仪由X、Y两个方向的步进电机驱动，其中一个电机控制绘图笔沿X方向运动，另一个电机控制绘图笔沿Y方向运动，从而绘出图形。因此对X-Y绘图仪的控制有两点基本要求一是需要两路D/A转换器分别给X通道和Y通道提供模拟信号，二是两路模拟量要同步输出。两路模拟量输出是为了使绘图笔能沿X-Y轴作平面运动，而模拟量同步输出则是为了使绘制的曲线光滑。否则绘制出的曲线就是台阶状的，如图8-10所示。,（1）同步输出,（2）先X后Y,（3）先Y后X,图8-10单片机控制X-Y绘图仪,2、双缓冲方式应用举例,23,为此就要使用两片DAC0832，并采用双缓冲方式连接，如图8-11所示。电路中以译码法产生地址，两片DAC0832共占据三个单元地址，其中两个输入寄存器各占一个地址，而两个DAC寄存器则合用一个地址。编程时，先用一条传送指令把X坐标数据送到X向转换器的输入寄存器，再用一条传送指令把Y坐标据送到Y向转换器的输入寄存器。最后再用一条传送指令同时打开两个转换器的DAC寄存器，进数据转换，即可实现X、Y两个方向坐标量的同步输出。假定X方向0832输入寄存器地址为F0H，Y方向0832输入寄存器地址为F1H，两个DAC寄存器公用址为F2H。X坐标数据存于DATA单元中，Y坐标数据存于DATA1单元中。,24,,,图8-11控制X-Y绘图仪的双片DAC0832接口,25,绘图仪的驱动程序为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,26,四MCS-51单片机与ADC0809接口ADC0809与8051单片机的一种连接如图8-12所示。,图8-12ADC0809与8051单片机的连接,27,若无关位都取0，则八路通道IN0～IN7的地址分别为0000H～0007H。当然口地址也可以由单片机其他不用的口线、或者由几根口线经过译码后来提供，这样八路通道的地址也就有所不同。参考附录中的实训电路图，可以看出，口地址是由单片机的P2.7、P2.6、P2.5经过3-8译码器后的输出来提供的，因此，实训电路中ADC0809八路通道的地址确定如下,8051A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00809STCBA00000111,若无关位都取0，则八路通道IN0～IN7的地址分别为6000H～6007H。从图中可以看到，把ADC0809的ALE信号与START信号连接在一起了，这样使得在ALE信号的前沿写入地址信号，紧接着在其后沿就启动转换。因此启动图7.40中的ADC0809进行转换只需要下面的指令（以通道0为例）MOVDPTR，0000H；选中通道0MOVXDPTR，A；信号有效，启动转换,28,电路连接主要涉及两个问题，一是八路模拟信号通道选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。1、八路模拟通道选择A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址，只要把三位地址写入0809中的地址锁存器，就实现了模拟通道选择。对系统来说，地址锁存器是一个输出口，为了把三位地址写入，还要提供口地址。图8-16中使用的是线选法，口地址由P2.0确定，同时和相或取反后作为开始转换的选通信号。因此该ADC0809的通道地址确定如下,8051A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00809STCBA00000111,,29,,2、转换数据的传送A/D转换后得到的是数字量的数据，这些数据应传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换完成，因为只有确认数据转换完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（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的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，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，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。,返回,30,,（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，然后进行数据传送。（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，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确认转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以作选通信号，当信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接收，即MOVDPTR，0000H；选中通道0MOVXA，DPTR；信号有效，输出转换后的数据到A累加器,返回,31,1、四矿煤矿安全监测A/D、D/A系统的组成、安装和调试。2、四矿煤矿安全监测A/D、D/A系统的检测和维护。3、记录A/D转换系统型号与参数。4、记录D/A转换系统型号与参数。5、写出检测系统A/D、D/A转换部分故障调试步骤。6．写出监测系统A/D、D/A转换部分故障检测和排除步骤。,四、任务布置,返回,