第8章输入输出接口.ppt

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1、1,第8章 输入输出接口,2,主要内容,基本输入输出接口的特点 简单接口芯片的应用 两种可编程数字接口芯片的应用 工业闭环控制系统概述 模拟量输入输出接口芯片的功能及应用,3,8.1 简单数字接口电路,掌握： 接口电路的分类及特点； 两类简单接口芯片的应用,4,一、接口电路的基本构成,CPU,数据,状态,控制,外设,I/O接口：,5,接口的基本构成,数据线,控制线,状态线,DB,CB,AB,数据输入寄存器 (or 三态门),数据输出寄存器 (锁存器),状态寄存器 (or 三态门),命令寄存器,译码 电路,控制 逻辑,6,接口的基本构成,数据输入/输出寄存器 暂存输入/输出的数据 命令寄存器 存

2、放控制命令，用来设定接口功能、工作参数和工作方式。 状态寄存器 保存外设当前状态，以供CPU读取。,7,外设接口,输入接口 输出接口,并行接口 串行接口,数字接口 模拟接口,8,输入输出接口的特点,输入接口： 要求对数据具有控制能力（常用三态门实现） 输出接口： 要求对数据具有锁存能力（常用锁存器实现）,9,二、基本输入接口,三态门接口：高电平、低电平、高阻态,10,三态门的工作波形：,A0A15,IOR,译码输出,D0D7,开关状态,地址有效,11,74LS244接口,含8个三态门的集成电路芯片 不具备数据的保存能力 在外设具有数据保持能力时用来输入接口,P341图,12,三态门接口应用例,

3、利用三态门作为输入接口（接口地址380H）接到地址范围为70000H-71FFFH的EEPROM芯片的READY/BUSY端，当三态门输出高电平时，可向98C64A写入一个字节数据，输出低电平时则不能写入。试画芯片与系统的连接图,13,三态门接口应用例,D0D7,A0,A12,WE,OE,READY/BUSY,A0,A12,MEMW,MEMR,高位地址信号,D0D7,D0,380H,CE,译码,IOR,A0 A12,译码,14,锁存器接口,通常由D触发器构成； 特点： 具有对数据的锁存能力； 不具备对数据的控制能力,15,常用锁存器芯片,74LS273 8D触发器，不具备数据的控制能力 74L

4、S374 含有8个带有三态输出的8D触发器，具有对数据的控制能力,P343图,例,16,锁存器芯片74LS374,D0D7,Q0,Q7,. . .,OE,CP,译码器,D0D7,Q0,Q7,. . .,OE,CP,译码器,做输出口:,做输入口:,外设,自外设,17,简单I/O接口综合应用例,根据开关状态在7段数码管上显示数字或符号 设输出接口的地址为F0H 设输入接口地址为F1H 当开关的状态分别为00001111时，在7段数码管上对应显示0F,18,O1 I1 O2 I2 O3 I3 O4 I4 E1,K0K3,+5V,G G2A G2B C B A,1,74LS244,D0 Q0 | Q1

5、 D7 Q2 Q3 Q4 CP Q5 Q6 Q7,a b c d e f g DP,7406,反相器,74LS273,Rx8,1,74LS138,D0D7,IOW#,IOR#,Y0,Y1,F0H = 0000 0000 1111 0000 F1H = 0000 0000 1111 0001,&,1,A7A4,A15A8,A3,A2,A1,A0,D0,D1,D2,D3,译码器,19,20,简单I/O接口综合应用例, Seg7 DB 3FH,06H, 5BH,4FH,66H,6DH, 7DH,07H,7FH,67H,77H, 7CH,39H,5EH,79H,71H LEA BX, Seg7 MOV

6、 AH, 0,GO: IN AL, 0F1H AND AL, 0FH MOV SI, AX MOV AL, BX+SI OUT 0F0H, AL JMP GO,21,8.2 可编程数字接口芯片,掌握: 芯片的引线及内部结构 工作方式及工作时序 芯片的应用: 芯片与系统的连接 芯片的初始化编程,22,一、可编程定时器8253,16位硬件减法计数器 含三个独立定时/计数器 最大计数初值为0,内部结构框图,23,主要引线功能,连接系统端的主要引线： D0-D7 CS RD WR A0，A1,A1 A0 0 0 CNT0 0 1 CNT1 1 0 CNT2 1 1 控制寄存器,24,主要引线功能,连接

7、外设端的主要引线： CLK - 时钟脉冲输入 GATE - 门控信号输入 OUT - 定时输出,25,结构特点,计数器 控制寄存器 控制逻辑,16位初值寄存器 16位计数寄存器,存放8位控制命令字,26,计数启动方式,软件启动 硬件启动,GATE端为高电平 置入计数初值后的第2个CLK脉冲的下降沿启动,GATE端有一个上升沿 对应CLK脉冲的下降沿启动,27,工作方式,方式0 方式1,软件启动，不自动重复计数。 装入初值后输出端变低电平， 计数结束输出高电平,硬件启动，不自动重复计数 装入初值后输出端变高电平， 计数开始输出低电平，结束后又变高,28,工作方式,方式2 方式3,软、硬件启动，自

8、动重复计数 装入初值后输出端变高电平， 计数到最后一个脉冲时输出低电平,软、硬件启动，自动重复计数 装入初值后输出端变高电平， 输出对称方波,29,工作方式,方式4 方式5,软件启动，不自动重复计数。 装入初值后输出端变高电平， 计数结束输出一个CLK宽度的低电平,硬件启动，不自动重复计数 波形与方式4相同,30,控制字,用于确定各计数器的工作方式,格 式,31,8253的应用,与系统的连接 芯片初始化 置计数初值,编程,32,与系统的连接示意,CLK,GATE,OUT,D0D7,WR,RD,A1,A0,CS,DB,IOW,IOR,A1,A0,译码器,高位地址,外部电路,8253,33,初始化

9、程序流程,写控制字,写计数值低8位,写计数值高8位,写入顺序： 可以计数器为单位，也可先写所有计数器控制字，再写入初值,34,8253应用例,采用8253作定时/计数器，其接口地址为0120H0123H。 要求计数器0每10ms输出一个CLK脉冲宽的负脉冲；用计数器1产生10KHz的连续方波信号，计数器2在定时5ms后产生输出高电平。输入8253的时钟频率为2MH。 画线路连接图，并编写初始化程序。,35,8253应用例,计算计数初值： CNT0：10ms/0.5us=20000 CNT1：2 MHz/10KHz=200 CNT2： 5ms/0.5us=10000 确定控制字： CNT0：方式

10、2，16位计数值 CNT1：方式3，低8位计数值 CNT2：方式0， 16位计数值,36,8253应用例,CLK0,GATE0,OUT1,D0D7,WR,RD,A1,A0,CS,DB,IOW,IOR,A1,A0,译码器,8253,CLK2,GATE1,GATE2,+5V,CLK1,2MHz,OUT0,OUT2,？,37,8253应用例 初始化程序,CNT0： MOV DX，0123H MOV AL，34H OUT DX，AL MOV DX，0120H MOV AX，20000 OUT DX，AL,MOV AL，AH OUT DX，AL CNT1： CNT2： ,38,二、并行接口8255,特点

11、： 含3个独立的8位并行输入/输出端口，各端口均具有数据的控制和锁存能力 可通过编程，设置各端口工作在某一确定状态下。,39,引线,连接系统端的主要引线： D0-D7 CS RD WR A0，A1 REAST,A1 A0 0 0 A端口 0 1 B端口 1 0 C端口 1 1 控制寄存器,40,引线,连接外设端的引脚： PA0 PA7 PB0 PB7 PC0 PC7,分别对应A、B、C三个端口,41,结构,A组 B组,端口A 端口C的高4位,端口B 端口C的低4位,42,8255与系统的连接示意图,D0D7,WR,RD,A1,A0,CS,DB,IOW,IOR,A1,A0,译码器,8255,A口

12、,B口,C口,D0D7,外 设,43,工作方式,基本输入/输出方式（方式0） 选通工作方式（方式1） 双向传送方式（方式2）,44,方式0：,相当于三个独立的8位简单接口 各端口既可设置为输入口，也可设置为输出口，但不能同时实现输入及输出 C端口可以是一个8位的简单接口，也可以分为两个独立的4位端口 常用于连接简单外设（适于无条件或查询方式）,45,方式0的应用：,常使A端口和B端口作为8位数据的输入或输出口，使C口的某些位作状态输入,46,方式1,利用一组选通控制信号控制A端口和B端口的数据输入输出 A口、B口作输入或输出口，C口的部分位用作选通控制信号 A口、B口在作为输入和输出时的选通信

13、号不同,输入,输出,47,方式1的应用,方式1主要用于中断控制方式下的输入输出 C口的8位除用作选通信号外，其余位可工作于方式0下，作为输入或输出口,48,方式2,双向输入输出方式-可以既作为输入口，又作为输出口 只有A端口可工作在方式2下,49,方式2的应用,可使A端口作为双向端口所有 用于中断控制方式 当A口工作于方式2时，B口可工作于方式1（此时C口的所有位都用作选通控制信号的输入输出），也可工作于方式0（此时C口的剩余位也可工作于方式0）,50,方式控制字及状态字,利用软件编程确定3个端口工作于何种方式下； C端口可以按位操作。当其工作于方式0下且作为输出口时，需要对输出线设置初始状态

14、（即初始化）。,51,方式控制字与状态字格式,控制字-确定3个端口的工作方式 状态字-确定C口某一位的初始状态,52,8255芯片的应用,芯片与系统的连接 芯片的初始化 相应的控制程序,例7-3,53,8255应用例2：,利用8255实现开关检测和继电器控制电路； 当开关K闭合时，使8个继电器通电动作； 系统每隔100ms检测一次开关状态，实现相应的控制； 初始状态下继电器都不动作。,54,题目分析,采用中断控制方式（每100ms中断一次） 使8255的A端口和B端口均工作于方式0 8253计数器0和计数器1均工作于方式3，利用OUT0的输出作为计数器1的时钟信号，使OUT0输出频率为2KHz

15、，OUT1输出频率为10Hz。用OUT1信号作为中断源。 8253两个计数器的计数初值分别为： CNT0：2MHz/2KHz =1000 CNT1：100ms/0.5ms=200,55,CS,A0,A1,WR,RD,DB,PA0,PA7,PB0,PB7,+5V,Vcc,K,继电器8,384H387H,388H38BH,CS,A0,A1,OUT1,CLK1,2MHz时钟脉冲,CLK0,OUT0,INTR(每秒10次),8255,8253,D0-D7,IOR#,IOW#,A1,A0,R,Q,R,56,8255的初始化程序,MOV DX，387H MOV AL，82H ; 1 0000 010 OU

16、T DX，AL XOR AL，AL ; 所有继电器均断电 MOV DX，384H OUT DX，AL,57,8253的初始化程序,初始化命令字： MOV DX，38BH MOV AL，36H OUT DX，AL MOV AL，56H OUT DX，AL,置计数初值： MOV DX，388H MOV AX，2000 OUT DX，AL MOV AL，AH OUT DX，AL MOV DX，389H MOV AL，200 OUT DX，AL,58,8255的中断服务程序,(主程序及中断初始化部分略) MOV DX，385H ; PB口输入开关状态 WAIT0：IN AL，DX AND AL，1 ;

17、 K闭合否？ JNZ WAIT0 MOV DX，384H ; PA口控制继电器 MOV AL，0FFH ; 所有继电器动作 OUT DX，AL ,59,数字接口电路部分作业：,8.1 8.3 8.5 8.7 8.10 8.11 *,60,8.3 模拟量输入输出接口,主要内容： 模拟量输入输出通道的组成 D/A转换器的工作原理、连接及编程 A/D转换器的工作原理、连接及编程,61,一、模拟量输入输出通道,模拟量的输入通道： 将工业现场的模拟信号或非电的物理信号转换为 计算机的标准输入信号 数据采集 模拟量的输出通道 将计算机输出的数字信号转换为模拟量以驱动生 产现场的执行器件 过程控制,62,模

18、拟量I/O通道的组成：,模拟接口电路的任务,模拟电路的任务,00101101,10101100,工 业 生 产 过 程,传感器,放大 滤波,多路转换 & 采样保持,A/D 转换,放大 驱动,D/A 转换,输出 接口,微 型 计 算 机,执行机构,输入 接口,物理量 变换,信号 处理,信号 变换,I/O 接口,输入通道,输出通道,63,模拟量I/O接口,模拟量,D/A,传感器,执行元件,A/D,数字量,数字量,模拟量,模拟量输入 (数据采集),模拟量输出 (过程控制),计算机,64,二、数/模（D/A）变换器,掌握： D/A变换器的工作原理 D/A变换器的主要技术指标 DAC0832的三种工作模

19、式 DAC0832的应用,65,1. D/A变换器的基本构成,模拟开关 电阻网络 运算放大器,权电阻网络 R-2R梯形电阻网络,Vref,Rf,模拟开关 电阻网络,VO,数字量,66,2. 基本变换原理,运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为：,Vi,Rf,VO,R,67,基本变换原理,若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：,Vi,Rf,VO,R1,Rn,68,基本变换原理,令每个支路的输入电阻为2iR，并令基准电压Vref =（Rf/Ri）Vi，则有,69,基本变换原理,如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则

20、上式变换为,若Si=1,该项对VO有贡献；若Si=0,该项对VO无贡献,70,权电阻网络：,2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R,Vref,Rf,VO,S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8,这里，上式中的n=8,71,基本变换原理,如果用8位二进制代码来控制图中的S1 S8 (Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，则不同的二进制代码就对应不同输出电压VO； 当代码在0FFH之间变化时，VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化； 为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。,72,

21、3. 主要技术指标,分辨率（Resolution） 输入的二进制数每1个最低有效位 (LSB)使输出变化的程度。 可用输入数字量的位数来表示，如8位、10位等；也可用一个LSB 使输出变化的程度来表示。 LSB Least Significant Bit,73,分辩率,一个满量程为5V的10位D/A变换器，1 LSB的变化将使输出变化 5/(210-1) = 5/1023 = 0.04888V = 48.88mV,74,转换精度（误差）,实际输出值与理论值之间的最大偏差 可用最小量化阶来度量： =1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量： 如0.05% FSR (FSR-Full Scale

22、 Range),75,转换时间,从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB所对应的模拟量所需要的时间。,t,V,1/2 LSB,tC,VFULL,76,4. DAC0832,特点： 8位电流输出型D/A转换器 T型电阻网络 差动输出,77,DAC0832的内部结构：,78,主要引线功能,输入寄存器控制信号： D7D0：输入数据线 ILE：输入锁存允许 CS：片选信号 WR1：写输入锁存器,79,主要引线功能,用于DAC寄存器的控制信号： WR2：写DAC寄存器 XFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器,80,主要引线功能,其它引线： VREF：参考电压。 -10V+10V，一般为+5V或

23、+10V IOUT1、IOUT2： D/A转换差动电流输出。 用于连接运算放大器的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 AGND、DGND：模拟地和数字地,81,工作时序,写输入寄存器,写DAC寄存器,82,工作模式,单缓冲模式 双缓冲模式 无缓冲模式,83,单缓冲模式,使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通，即芯片只占用一个端口地址。 CPU只需一次写入即开始转换。写入数据的程序为： MOV DX，PORT MOV AL，DATA OUT DX，AL,84,双缓冲模式（标准模式）,对输入寄存器和DAC寄存器均需控制； 当输入寄存器控制信号有效时，数据写入输入寄存器中；再在DAC寄存

24、器控制信号有效时，数据才写入DAC寄存器，并启动变换； 此时芯片占用两个端口地址； 优点：数据接收与D/A转换可异步进行； 可实现多个DAC同步转换输出 特点：分时写入、同步转换,85,双缓冲模式同步转换例,86,双缓冲模式的数据写入程序,MOV AL，data MOV DX，port1 0832-1的输入寄存器地址 OUT DX，AL MOV DX，port2 0832-2的输入寄存器地址 OUT DX，AL MOV DX，port3 DAC寄存器地址 OUT DX，AL HLT,87,无缓冲器模式,使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。 不能直接与数据总线连接，需外加

25、并行接口(如74LS373、8255等)。,88,5. D/A转换器的应用,信号发生器 用于闭环控制系统,向D/A转换器写入某种按规律变化的数据，即可在输出端获得相应的各种波形,89,三、模/数（A/D）转换器,主要内容： A/D转换器的一般工作原理； A/D转换器的主要技术指标； A/D转换器的应用,与系统的连接 数据采集程序的编写,90,1. A/D转换器用途,用于将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置，简称ADC，是模拟系统与计算机之间的接口部件。,91,2. A/D转换器类型,计数型A/D转换器 速度慢、价格低，适用于慢速系统 双积分型A/D转换器 分辩率高、抗干扰性好、转换速度慢，

26、适用于中速系统 逐位反馈型A/D转换器 转换精度高、速度快、抗干扰性差,92,逐位反馈型A/D转换器,原理：类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物,93,3. 主要技术指标,转换精度 量化误差 非线性误差 其它误差 总误差=各误差的均方根,影响精度的误差,94,量化间隔,一个最低有效位对应的模拟量，即 =Vmax /（2n-1） 例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为： 5V/255=19.6mV,95,量化误差,绝对量化误差=1/2 相对量化误差=（1/2） 1LSB 100%,96,量化误差,例： 设满量程电压=10V， A/D变换器位数=10位，则： 绝对量

27、化误差 10/211 = 4.88mV 相对量化误差 1/211 *100% = 0.049%,97,转换时间,实现一次转换需要的时间 精度越高（字长越长），转换速度越慢。,98,输入动态范围,允许转换的电压的范围 如05V、010V等。,99,4. ADC0809,8通道（8路）输入 8位字长 逐位逼近型 转换时间100s 内置三态输出缓冲器,100,主要引脚功能,D7D0：输出数据线（三态） IN0IN7：8通道（路）模拟输入 ADDA、ADDB、ADDC：通道地址 ALE：通道地址锁存 START：启动转换 EOC：转换结束状态输出 OE：输出允许（打开输出三态门） CLK：时钟输入（1

28、0KHz1.2MHz）,101,START EOC CLK,OE,D7 D0,VREF(+) VREF(-),ADDC ADDB ADDA ALE,IN0,IN7,比较器,8路模拟开关,逐位逼近寄存器SAR,树状开关,电阻网络,三态输出锁存器,时序与控制,地址锁存及 译码,D/A,8 个模拟输入通道,8选1,内部结构：,102,工作时序,103,ADC0809工作过程,送通道地址，以选择要转换的模拟输入； 锁存通道地址到内部地址锁存器； 启动A/D变换； 判断转换是否结束； 读转换结果,104,ADC0809的应用,芯片与系统的连接 编写相应的数据采集程序,105,芯片与系统的连接,模拟输入端

29、Ini ：,单路输入时,ADDC ADDB ADDA,IN4,ADC0809,输入,多路输入时,ADDC ADDB ADDA,IN0 IN1 IN2 IN3 IN4,ADC0809,输入0 输入1 输入2 输入3 输入4,CPU指定 通道号,+5V,106,通道地址线的连接,多路输入时，地址线不能接死，要通过一个接口芯片与数据总线连接。 接口芯片可以选用： 简单接口芯片74LS273，74LS373等（占用一个I/O地址） 可编程并行接口8255（占用四个I/O地址）,107,通道地址线的连接,ADDC ADDB ADDA,IN0 IN1 IN2 IN3 IN4,ADC0809,输 入,DB,

30、74LS273,Q2 Q1 Q0,CP,来自I/O译码,D0-D7,ADDC ADDB ADDA,IN0 IN1 IN2 IN3 IN4,ADC0809,DB,8255,PB2 PB1 PB0,CS#,来自I/O译码,D0-D7,A1 A0,A1 A0,108,数据输出线的连接,可直接连到DB上，或通过另外一个输入接口与DB相连； 两种方法均需占用一个I/O地址,D0-D7,ADC0809,DB,OE,来自I/O译码,D0-D7,ADC0809,DB,OE,来自I/O译码,直接连DB,通过输入接口连DB,74LS244,+5V,DI,DO,E1# E2#,109,ALE和START端的连接,独

31、立连接：用两个信号分别进行控制，需占用两个I/O端口 或两个I/O线； 统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿 实现启动转换，只需占用一个I/O端口或一个I/O线。,ADC0809,ALE START,独立连接,来自I/O译码器1,来自I/O译码器2,ADC0809,ALE START,统一连接,来自I/O译码器,110,判断转换结束的方法,软件延时等待； 软件查询EOC状态； 把EOC作为中断申请信号接到中断控制器的中断请求输入端，在中断服务程序中读入转换结果。,111,软件查询方法判断EOC状态,将EOC信号通过一个三态门连接到数据总线； 三态门占用一个I/O端口地址； CPU通过不断读取该三态门端口的输入数据，来确定是否转换结束。,112,ADC0809与系统的连接例,D0,IN0,A15 A0 IOR IOW,D7 D0,D7-D0 EOC OE START ALE ADDC ADDB ADDA,译 码 器,ADC0809,113,初始化,送通道地址,送ALE信号,送START信号,读EOC状态,送读允许OE信号,EOC=1？,读转换结果,采集结束否？,N,Y,结 束,Y,送下一路通道地址,（1）,（1）,N,114,8.3 作业：,8.14 8.15 8.16 8.17 8.19 8.20,谢谢大家！,