LUẬN VĂN:ỨNG DỤNG KIT 8051 DÙNG ĐỂ CHUYỂN ĐỔI A/D & D/A

Chia sẻ: Nguyen Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

150
lượt xem 34
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vào đầu những năm thập niên 60, kỹ thuật số đã đưa vào ứng dụng trong thực tế nhưng ở phạm vi nhỏ. Cho đến ngày hôm nay kỹ thuật số đã được phát triển một cách mạnh mẽ và được ứng dụng vào mọi lãnh vực của cuộc sống. Từ những chiếc máy vi tính (computer), máy CD, máy VDC, truyền hình số … cho đến các băng diã CD đã dần dần thay thế các máy và băng từ tín hiệu tương tự (analog) bởi bộ phân giải rộng, độ chính xác cao và dễ dàng trong quá...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN:ỨNG DỤNG KIT 8051 DÙNG ĐỂ CHUYỂN ĐỔI A/D & D/A

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN Đề tài : ỨNG DỤNG KIT 8051 DÙNG ĐỂ CHUYỂN ĐỔI A/D & D/A Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VŨ ANH DUY Lớp : 95 KĐĐ Giáo viên hướng dẫn : LÊ THANH ĐẠO TPHCM, tháng 2-20
PHẦN DẪN NHẬP I – ĐẶT VẤN ĐỀ: Vào đầu những năm thập niên 60, kỹ thuật số đã đưa vào ứng dụng trong thực tế nhưng ở phạm vi nhỏ. Cho đến ngày hôm nay kỹ thuật số đã được phát triển một cách mạnh mẽ và được ứng dụng vào mọi lãnh vực của cuộc sống. Từ những chiếc máy vi tính (computer), máy CD, máy VDC, truyền hình số … cho đến các băng diã CD đã dần dần thay thế các máy và băng từ tín hiệu tương tự (analog) bởi bộ phân giải rộng, độ chính xác cao và dễ dàng trong quá trình xử lý tín hiệu. Tuy nhiên trong cuộc sống hằng ngày chúng ta lại thường tiếp xúc với những tín hiệu tương tự nhiều hơn. vd: Điện thoại, sóng đài truyền hình, dòng điện sinh hoạt, âm thanh … vì thế phải cần có một sự chuyển đổi từ tín hiệu tương tự (Analog) – số (Digital) để xử lý dữ liệu, sau đó lại chuyển đổi ngược lại từ số (Digital) – tương tự (Analog) để đưa vào điều khiển, khống chế thiết bị. Đó là những lý do để em thực hiện đề tài này. II – MỤC ĐÍCH YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI Có rất nhiều phương pháp để thực thi việc chuyển đổi A/D và D/A  Sử dụng vi mạch số  Sử dụng vi xử lý  Sử dụng vi điều khiển Với đề tài này em sử dụng vi điều khiển để thực hiện việc chuyển đổi A/D và D/A Mục đích: Chuyển đổi tín hiệu Analog – Digital để xử lý, sau đó chuyển đổi ngược lại từ Digital – Analog để điều khiển, khống chế thiết bị Yêu cầu: Hiểu rõ về kỹ thuật số, các quá trình chuyển đổi A/D và D/A bên trong những vi mạch chuyên dụng (IC ADC 0809 và DAC 0808), nắm vững cách sử dụng kết nối phần cứng và phần mềm của KIT 8051. III – GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Do sự chuyển đổi A/D và D/A để điều khiển và xử lý bằng KIT 8051 rất phong phú và đa dạng mà kiến thức của em thì còn rất nhiều hạn chế đặt biệt đối với vi điều khiển 8051 là phần không có trong chương trình giảng dạy của nhà trường, chủ yếu là em tự tìm tòi học hỏi, nghiên cứu là chính. Bên cạnh đó chỉ với thời gian 6 tuần để tìm hiểu, viết luận văn và thi công thì đề tài này em xin được trình bày và thực hiện một quá trình chuyển đổi A/D và D/A cơ bản nhất. Ngày 25 Tháng 02 Năm 2000 Sinh viên thực hiện Nguyễn Vũ Anh Duy
Chương I BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ – SỐ VÀ SỐ – TƯƠNG TỰ A – BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ (ADC): Biến đổi tương tự – số (analog – digital) là thành phần cần thiết trong việc xử lý thông tin và các cách điều khiển sử dụng phương pháp số. Tín hiệu thực ở Analog. Một hệ thống tiếp nhận dữ liệu phải có các bộ phận giao tiếp Analog – Digital (A/D). Các bộ chuyển đổi tương tự số, viết tắt là ADC thực hiện hai chức năng cơ bản là lượng tử hóa và mã hóa. Lượng tử hóa là gán cho những mã nhị phân cho từng giá trị rời rạc sinh ra trong quá trình lượng tử hóa. I – TỔNG QUÁT 1 – Quan hệ In – Out: Biến đổi AD có tính chất tỉ lệ. Tín hiệu vào Analog được biến đổi thành một phân số X bằng cách so sánh với tín hiệu tham chiếu Vref. Đầu ra của bộ ADC là mã của phân số này. Bất kỳ một sai số tín hiệu Vref nào cũng sẽ dẫn đến sai số mức ra, vì vậy người ta cố gắn giữ cho Vref càng ổn định càng tốt. Vref ADC Vin Digital output Hình 2.1 Quan hệ vào ra các khối ADC Nếu bộ ADC xuất mã ra gồm n bit thì số mức ra rời rạc là 2n. Đối quan hệ tuyến tính, tần vào được lượng tử hóa theo đúng mức này. Mỗi mức như vậy là một tín hiệu Analog được phân biệt với hai mã kế tiếp nhau, nó chính là kích thước của LSB (Least Significant Bit). FS Q=LSB= 2N Trong đó : Q : Lượng tử LSB : bit có trọng số thấp nhất FS : giá trị toàn thang
Tất cả các giá trị Analog của lượng tử Q được biểu diễn bởi mã số, mà mã này tương ứng với giá trị trung bình của lượng tử (có thể hiểu là giữa khoảng LSB) gọi là mức ngưỡng. Các giá trị Analog nằm trong khoảng từ mức ngưỡng sai biệt đi ± ½ LSB vẫn được thể hiện bằng cùng một mã, đó là sai số lượng tử hóa. Sai số này có thể sẽ giảm đi bằng cách tăng số bit trong mã ra bộ ADC. 2 – Độ phân giải: Là giá trị biến đổi nhỏ nhất của tín hiệu vào ra được yêu cầu để thay đổi mã lên một mức. Độ phân giải được đưa ra với giả thiết lý tưởng. 3 – Độ chính xác: Sự sai biệt giữa các giá trị điện áp tín hiệu vào so với giá trị FS tương đương với mã xuất ra. Thường có ghi trong đặc tính của các bộ ADC thương mại. 4 – ADC: Tùy theo công nghệ chế tạo mà bộ ADC có đầu vào đơn cực hay lưỡng cực, đa số nằm trong khoảng 0…5V hoặc 0…10V đối với đơn cực và -5…+5V hoặc – 10V…+10V đối với ADC lưỡng cực. Tín hiệu vào cần phù hợp với tầm vào xác định cho từng bộ ADC. Nếu đầu vào không hết thang sẽ tạo mã vô dụng ở đầu ra. Vấn đề này được giải quyết bằng cách chọn tầm đầu vào bộ ADC sau đó chỉnh độ lợi thích hợp cho đầu vào của nguồn Analog. Khi sử dụng bộ ADC đơn cực mà có tín hiệu vào là lưỡng cực trong khoảng ±Vpp thì ta cần phải cộng điện áp vào Vi với một điện áp nền bằng +Vpp, khi đó ta sẽ có Vi nằm trong khoảng 0..+2Vpp; tín hiệu này sẽ được đưa tới đầu vào bộ ADC. Nếu sử dụng ADC lưỡng cực thì không cần cộng tín hiệu và đầu ra ta sẽ nhận được mã lưỡng cực.
5 – Đầu ra bộ ADC: Đa số các ADC có đầu ra 8 Bits, 16 Bits … dù vậy cũng có loại 3½ Digit, mã BCD, 10 Bits, 14 Bits. Đầu các bộ ADC thường là mã nhị phân tự nhiên hoặc có dấu. ADC dùng cho máy đo chỉ thị số đa dụng thường là mã BCD. 5 – Tín hiệu tham chiếu Vr: Vi+ (EOC) End of Convertion Vi - OE (Output Enable) Vr Start ADC Digital Output Clock Hình 2.3 Các ngõ vào, ra chính của bộ ADC Hình vẽ cho thấy đầu vào và đầu ra của bộ ADC. Mọi ADC đều yêu cầu có tín hiệu Vr. Bất kỳ một sai số nào trên Vr đều gây ra lỗi độ lợi ở đặc tính của AD. Vì vậy Vr là tín hiệu đảm bảo độ chính xác và ổn định của bộ AD. Dùng IC ổn áp có thể thỏa mãn điều này. 7 – Tín hiệu điều khiển: Mọi bộ ADC đều có tính xung Clock và tín hiệu điều khiển để hoạt động. Thiết bị ngoài giao tiếp với ADC sẽ khởi động quá trình AD bằng cách phát một xung Start vào đầu vào Start của ADC, ADC sẽ nhận biết cạnh lên của xung Start và ngay sau đó nó sẽ kéo đường EOC (End of Conversion) xuống thấp (không tích cực). Lúc này ADC đang thực hiện quá trình biến đổi, tương ứng với mỗi xung Clock đưa vào ADC sẽ thực hiện được một bước biến đổi, sau một bước nhất định tùy theo bộ ADC, thì quá trình biến đổi hoàn thành. Khi biến đổi xong, AD sẽ nâng đường EOC lên mức cao, tín hiệu này có thể dùng để kích một ngắt cứng của máy tính (nếu dùng giao tiếp với máy tính). Để đọc được dữ liệu đầu ra của bộ ADC thì phải nâng đường OE (Output Enable) của ADC lên mức cao, sau khi đọc xong thì lại trả đường này về mức thấp.
II – CÁC KỸ THUẬT AD: 1 – ADC có Vr dạng nấc thang: Analog Vht Vref input Vi Reference DAC Comparateur Digital output Clock Control Counte Hình 2.4 Sơ đồ khối AD có Vr dạng nấc thang Counter: Bộ đếm tạo đầu ra cho bộ ADC bằng hoặc lớn hơn giá trị vào Vi. Nó được reset tại mọi thời điểm bắt đầu thực hiện AD và đếm dần lên sau mỗi xung Clock. Cứ mỗi lần đếm bộ DAC lại nâng lên mỗi nấc thang (1 LSB). Bộ so sánh sẽ dùng bộ đếm lại khi điện áp DAC (áp hồi tiếp) đạt tới giá trị vào Vi. Nhược điểm của phương pháp này là Tc (thời gian chuyển đổi) theo mức tín hiệu vào và đôi khi rất lâu. Tc=2ⁿ x Tclock đối với bộ DAC n bit khi biến đổi một tín hiệu vào ở mức FS (Full Scale). Một cải tiến của phương này là “tracking” hay “servo” sử dụng bộ đếm thuận nghịch cho phép DAC đưa tín hiệu vào liên tục. Bằng sự khống chế bộ đếm từ bên ngoài tại một điểm nhất định ta dùng bộ DAC kiểu tracking như một bộ S & H (Sample and Hold). 2 – ADC thăng bằng liên tục: Sơ đồ khối giống như phương pháp trước, nhưng bộ đếm là bộ đếm thuận nghịch. Về cơ bản cũng giống như phương pháp trên nhưng bộ đếm hoạt động được ở chế độ thuận nghịch. Khi tín hiệu Vht < Vi thì bộ đếm sẽ đếm lên, ngược lại thì bộ đếm sẽ đếm xuống. Quá trình xác lập ghi nhận được khi giá trị Vht dao động xung quanh giá trị Vi. Tc cũng phụ thuộc vào Vi và nhược điểm sai số cũng giống phương pháp trên: sai số động phụ thuộc vào thời gian biến đổi và sai số tĩnh chủ yếu ở bộ biến đổi DA và bộ so sánh.
3 – Phương pháp biến đổi AD hàm dốc tuyến tính: (Phuơng pháp tích phân một độ dốc) Về bản chất thực hiện biến đổi trung gian từ điện áp ra khoảng thời gian sau đó đo khoảng thời gian theo phương pháp số. Quá trình biến đổi sẽ xảy ra như sau: Comparator Vi V1 Gate Clock Vs V2 Scan Coute Start Result Hình 2.6 Sơ đồ khối phương pháp ADC hàm dốc tuyến tính Sau thời gian kích khởi, bộ đếm sẽ bắt đầu đếm lên và mạch quét sẽ bắt đầu tạo ra tín hiệu tuyến tính thời gian. Tín hiệu quét và tín hiệu vào Vi được so sánh với nhau, khi hai tín hiệu này bằng nhau thì mạch so sánh sẽ đóng cổng không cho xung tới bộ đếm nữa. Như vậy nội dung của bộ đếm sẽ tỉ lệ với thời gian to, mà to lại tỉ lệ thuận với giá trị Vi nên nội dung bộ đếm tỉ lệ với Vi.
Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào độ tuyến tính của tín hiệu quét (sai số độ dốc càng nhỏ, độ chính xác càng cao), tín hiệu phụ thuộc vào tần số của từng xung. Phương pháp này có tốc độ hoạt động cao hơn các phương pháp ban đầu, và độ chính xác cũng cao hơn do không cần sử dụng bộ biến đổi DA. 4 – ADC xấp xỉ liên tiếp: Analog Input Vi Comparateur Vref Reference Clock SAR DAC Digital output Hình 2.8 ADC xấp xỉ liên tiếp Phương pháp này được dùng trong kỹ thuật biến đổi AD tốc độ cao – trung bình. Nó cũng dùng một bộ DAC bên trong để tạo ra một điện áp bằng mức vào và của tín hiệu sau đúng bằng n chu kỳ xung Clock cho trường hợp ADC n bit. Phương pháp này cho phép rút ngắn Tc rất nhiều và không phụ thuộc vào tín hiệu vào Vi. Kỹ thuật này phụ thuộc vào sự xấp xỉ tín hiệu vào với mã nhị phân, sau đó thay đổi các bit trong mã này một cách liên tiếp cho đến khi đạt được mã gần đúng nhất. Tại mỗi bước của quá trình này, giá trị xấp xỉ của mã nhị phân thu được sẽ được lưu vào SAR (Successive Approximate Register). Việc biến đổi luôn được bắt đầu tại MSB (Most Significant Bit) của SAR khi đó được bật lên. Bộ so sánh sẽ so sánh đầu
ra của ADC với Vi và ra lệnh cho bộ điều khiển ngắt MSB nếu như giá trị ban đầu này vượt quá đầu vào AD. Trong chu kỳ xung Clock kế tiếp, MSB lại được phát trở lại. Một lần nữa bộ so sánh sẽ quyết định lấy hay bỏ MSB này. Sự biến đổi này sẽ tiến dần đến sự đúng nhất so với tín hiệu vào xuất dữ liệu này ra. DAC output 100 MSB LSB 1 1 0 SAR output Hình 2.9 Đồ thị dạng sóng của mạch 111 111 110 110 101 101 100 100 010 011 011 010 011 001 000 Hình 2.10 Sơ đồ thay đổi mức logic 5 – ADC tích phân hai độ dốc: Kỹ thuật này thấy rõ trên sơ đồ khối. Ta thấy điện áp vào được tích phân trong khoảng thời gian t1, đúng bằng lúc bộ đếm đếm hết. Tại cuối t1, bộ đếm sẽ reset và bộ tích phân chuyển qua mức tham chiếu âm, đầu ra của bộ tích phân sẽ giảm tuyến tính về zero tại đó bộ đếm ngưng đếm và được reset. Điện tích nạp tụ trong khoảng thời gian t gần bằng điện tích xả trong khoảng thời gian t2 : t1 x V1 = t2 x V2  t2 = V1 = x t1 V2 Tỉ số x cũng chính là tỉ số mà mã nhị phân của bộ đếm lớn nhất  giá trị đếm được vào cuối t2 cũng là giá trị xuất ra. Kỹ thuật này có một số ưu điểm, nhất là chất lượng khử ồn. Tín hiệu vào được tích phân qua một chu kỳ, do đó bất kỳ mức ồn nào cũng có tần số là bội số của 1/t1 đều bị loại. Analog reference
+ Vr - - + Vi Digital Output Hình 2.11 Sơ đồ khối ADC tích phân hai độ dốc Chú ý rằng, tần số xung Clock không ảnh hưởng gì đến độ phân giải. Độ phân giải của kỹ thuật này chỉ bị giới hạn bởi chất lượng mạch và không phụ thuộc vào độ phi tuyến của bộ AD: Do đó đầu ra của bộ tích phân có thể nhảy cấp tự do mà không sợ phát sinh mã lỗi ở đầu ra. Vì vậy mà độ phân giải tốt rất dễ đạt được và có thể thay đổi bằng cách chỉnh kích thước của vòng đếm và tần số xung Clock. Tần số thấp là nhược điểm duy nhất của phương pháp. Phương pháp này thường được dùng cho các đồng hồ hiện số, máy đo đa năng chỉ thị số, cảm biến nhiệt độ và những ứng dụng có yêu cầu không cao về tần số lấy mẫu. 6 – ADC dùng biến đổi V – F (điện áp – tần số): VFC Bộ phát Bộ thu
Định thời Đếm Digital output Hình 2.13 Sơ đồ khối bộ biến đổi AD dạng VF Hình trên cho thấy kỹ thuật này trong bộ biến đổi AD. Áp vào Analog được một bộ VF chính xác biến thành một dãy xung có tần số tỉ lệ với áp vào. Một bộ đếm sẽ đếm số xung này trong một khoãng thời gian nhất định rồi xuất số đếm cho bộ AD. Giống kỹ thuật tích phân độ dốc kép, kỹ thuật này có tần số thấp nhưng khử nhiễu tốt. Nếu thời gian T c thấp ở mức có thể chấp nhận được thì phương pháp VF cho phép đạt được độ phân giải cao với tín hiệu thay đổi chậm với giá thành hạ. Ưu điểm của phương pháp này là có khả năng điều khiển từ xa trong môi trường ồn. Có thể làm một bộ VF như một hàm truyền dữ liệu từ xa dưới dạng số đến trạm kiểm soát, tại đây có bộ xử lý (tiếp nhận + bộ đếm + xuất dữ liệu). Điều này tránh được việc truyền tín hiệu Analog qua môi trường nhiễu có khả năng làm xấu tín hiệu. Việc truyền bằng tín hiệu VF cũng có khả năng triệt nhiễu bằng cách tạo sự cách ly giữa bộ biến đổi với thiết bị cảm biến, một yêu cầu quan trọng trong các trạm kiểm soát và điều khiển các hệ thống điện cao áp. Thực tế, kỹ thuật này phụ thuộc vào các vi mạch VFC thông dụng, rẻ tiền, có chất lượng tốt (tuyến tính và ổn định).
7 – ADC song song: Vr Vi R Digital output R Encode r R 2 2 n-1 Comparator Hình 2.14 Sơ đồ khối AD song song Được dùng trong kỹ thuật cần biến đổi AD tốc độ cao, như kỹ thuật Video, kỹ thuật Radar, dao động ký số. Trong kỹ thuật này tín hiệu vào được so sánh ngay lập tức với tất cả các mức ngưỡng bằng cách dùng nhiều bộ so sánh. Việc lượng tử hóa do vậy thực hiện hoàn tất trong cùng một lúc. Bộ giải mã nhanh lập tức đổi các tín hiệu so sánh được tới đầu ra. ADC dùng phương pháp này có tần số lấy nẫu phụ thuộc vào tốc độ (thời gian trễ) của các bộ so sánh. Thông thuờng vi mạch so sánh có thời gian trễ trong khoảng 10-12ns, vì vậy trên lý thuyết, tần số lấy mẫu của ADC có độ phân giải 8 Bits cần tới 2 8 – 1=255 bộ so sánh, do vậy kích thước vi mạch sẽ rất lớn.
III – GIAO TIẾP PHẦN MỀM: Dữ liệu truyền giữa ADC và vi xử lý có thể tổ chức trong phần mềm theo 3 cách: 1 – Memory – Mapped – Transfers (Truyền theo bản đồ nhớ): Trong bản đồ bộ nhớ, ADC được chỉ định trong một vùng bộ nhớ thực sự chưa sử dụng. Bên cạnh việc sử dụng tối đa bộ nhớ, ta có dùng phần cứng giải mã địa chỉ từ tối thiểu đến tối đa để không lãng phí không gian trong bộ nhớ. 2 – Input / Output Mapped Tranfers (Truyền theo bản đồ I/O): Một vài hệ thống tạo ra vùng I/O có địa chỉ rất riêng biệt, mà ở đó địa chỉ có thể giống địa chỉ bộ nhớ, có thể phân biệt chúng với nhau bằng cách dùng tín hiệu điều khiển đặc biệt IOR, IOW trên hệ thống Bus của IBM – PC. Sự phân biệt giữa I/O và 2 vùng bộ nhớ làm cho thiết kế hệ thống trở nên tốt hơn. Nó cho phép giải mã địa chỉ sử dụng phần cứng là tối thiểu, giải mã từ vùng IO đơn giản và tốt hơn bộ nhớ có giá trị chưa sử dụng. 3 – DMA (Direct Memory Access : truy mất trực tiếp bộ nhớ): Khi chỉ có truyền dữ liệu đơn giản giữa bộ nhớ và ngoại vi được dùng tích lũy trong quá trình chuyền làm chậm quá trình một cách không cần thiết. Bằng việc sử dụng kết hợp trong phần cứng trong dạng thiết bị phục vụ gọi là “điều khiển DMA”. Việc truyền trực tiếp có tác động nhanh hơn nhiều, hầu hết các bộ vi xử lý cho phép DMA thực hiện đầy đủ bằng cách cấp điều khiển của Bus hệ thống cho khoảng định trước. Điều khiển DMA lấy địa chỉ yêu cầu và tín hiệu điều khiển. Tại cuối khoảng, điều khiển Bus quay lại vi xử lý. Truyền dữ liệu hoàn toàn có thể lấy nhiều chu kỳ DMA để thi hành. IV – GIAO TIẾP PHẦN CỨNG: Thiết kế phần cứng theo mô hình dữ liệu song song hay nối tiếp. 1 – Dữ liệu truyền song song: Phần cứng cho giao tiếp dữ liệu song song hầu hết bao gồm ngõ ra đệm ba trạng thái mà ADC nối với Bus dữ liệu của vi xử lý. Địa chỉ giải mã và tín hiệu điều khiển ghi đọc của cho phép đệm truyền dữ liệu ADC vào P. Giải mã tương ứng và tín hiệu điều khiển của P tạo thành lệnh bắt đầu cho bộ biến đổi. Nó không cần dùng điều khiển R/W riêng biệt, dù sao việc làm này cho phép địa chỉ giống nhau cho việc gởi lệnh đến ADC và để đọc ngõ ra ADC. Các ADC mới hơn có bộ đệm ba trạng thái với mạch điều khiển của chúng. Những ADC này có thể nối trực tiếp với Bus dữ liệu của vi xử lý. Giao tiếp nhiều thiết bị, thì ta phải cung cấp giải mã và đôi khi phải một vài cổng quản lý tín hiệu điều khiển. Giao tiếp với hệ thống P thì đơn giản bởi vì P cung cấp địa chỉ Port trực tiếp và việc giải mã địa chỉ là không cần thiết. 2 – Mô hình dữ liệu nối tiếp : Dùng trong việc truyền dữ liệu đi xa. Truyền đồng bộ nối tiếp dùng cho tuyến phục vụ hay tuyến điện thoại. Thiết bị gọi là UART (truyền nhận không hoàn toàn đồng bộ). UART nhận và truyền dữ liệu dạng tuần tự nhưng giao tiếp với P dạng song song.
B – BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ (DAC) : Biến đổi DA thường là giai đoạn cuối của một hệ thống xử lý số: Sau khi tín hiệu tương tự ở đầu vào được mạch ADC biến đổi sang dạng số, nó được xử lý, lưu trữ dưới dạng số bởi hệ xử lý trung tâm rồi kết quả xử lý sẽ được đưa đến mạch DAC để xuất ra dữ liệu dạng tương tự. Mạch DAC nhận ở đầu vào một giá trị số nhị phân tự nhiên và xuất ra ở ngõ ra một điện áp dạng tương tự có giá trị tỉ lệ với giá trị ngõ vào. I – TỔNG QUÁT: 1 – Quan hệ vào ra: Vref V0 (I0) DAC Digital input Hình 2.15 Quan hệ vào ra bộ DAC Biến đổi DA có tính chất tỉ lệ. Tín hiệu vào Digital N được biến đổi thành một điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị Q (phụ thuộc vào tín hiệu tham chiếu Vref) bằng cách so sánh giá trị ở đầu vào với giá trị đầy thang của đầu vào. Bất kỳ một sai số tín hiệu Vref nào cũng sẽ dẫn tới sai số mức ra, vì vậy người ta cố gắng cho Vref càng ổn định càng tốt. Thông thường, ở các bộ biến đổi DAC thương mại, ngõ ra sẽ xuất hiện dòng điện, vì vậy ta phải mắc thêm một biến đổi dòng thành áp có thể nhận được điện áp ra. 2 – Đầu vào bộ DAC: Đa số các bộ DAC có đầu vào 8 Bits, 10 Bits, 12 Bits, 16 Bits … Đầu vào các bộ DAC thường là các mã nhị phân tự nhiên hoặc có dấu. Nếu mã đầu vào đầu vào có dấu thì tín hiệu tham chiếu Vref phải là tín hiệu lưỡng cực. Bộ DAC sẽ liên tục biến đổi số ở ngõ vào thành giá trị tương tự ở ngõ ra, thời gian cho một lần biến đổi như vậy tùy theo bộ DAC. Vì vậy để đảm bảo chính xác, người ta mắc thêm ở ngõ vào bộ DAC một mạch chốt dữ liệu để tránh hiện tượng bộ DAC xuất ra tín hiệu không xác định trong khoảng thời gian tự do giữa hai lần cập nhật dữ liệu ở ngõ vào. 3 – Đầu ra bộ DAC Tùy theo công nghệ chế tạo mà đầu ra của bộ DAC có thể là dòng hoặc áp. 4 – Tín hiệu điều khiển: Hầu hết các bộ DAC đều không cần tín hiệu điều khiển. II – GIAO TIẾP DAC VỚI VI XỬ LÝ: 1 – Xuất dữ liệu tuần tự: Khi có yêu cầu xuất một chuỗi dữ liệu ra cổng, phần mềm xử lý sẽ tuần tự xuất từng Byte dữ liệu trong bộ đệm ra cổng. Để tạo được tần số xuất theo mong muốn, đầu tiên chương trình phải tính được tốc độ của CPU có thể xuất ra cổng giao tiếp trong một dịch vụ thời gian (1 giây). Từ thông tin đó, phần mềm có thể tính được thời gian trễ (Delay) giưã hai lần xuất dữ liệu để tạo ra tần số xuất theo yêu cầu.
Phương pháp này tạo ra tần số xuất dữ liệu rất cao (lên tới khoảng 40Khz hoặc cao hơn tùy theo kiểu máy tính), nhưng tần số rất khó để có thể tạo ra một cách chính xác. Mặt khác CPU cũng sẽ bị bận trong suốt quá trình xuất dữ liệu. 2 – Cài đặt một ngắt ngoại vi: Phương pháp này sử dụng xung Start để mạch lấy mẫu ADC để kích hoạt một chương trình phục vụ ngắt, chương trình phục vụ này sẽ làm nhiệm vụ xuất một Byte dữ liệu ra cổng. Xung Start ở được lợi dụng để tạo ra một tần số kích ngắt bằng tần số lấy mẫu. 3 – Sử dụng ngắt đồng hồ: Ta biết rằng trong hệ thống của máy tính có ngắt số 8 là một ngắt có kích hoạt định kỳ theo thời gian, gọi là ngắt đồng hồ, chu kỳ kích ngắt có thể có thể thay đổi được bằng cách lập trình cho bộ định thì 8253. Lợi dụng ngắt có sẵn này, ta có cài thêm một chương trình phục vụ ngắt của máy rồi lập trình cho bộ 8253 để tạo ra một tần số kích ngắt theo mong muốn.
Chương II GIAO TIẾP NGOẠI VI 8255A PPI 8255A (PROGRAMABLE PARALLEL INTERFACE) I – TỔNG QUÁT: 1 – Bộ đệm truyền dữ liệu: Bộ đệm 8 Bits, 2 chiều, 3 trạng thái dùng để giao tiếp 8255 với CPU. Dữ kiện được phát hay nhận bởi bộ đệm khi thực hiện lệnh IN, OUT bởi CPU. Các từ điều khiển cũng truyền qua dữ kiện. I/O Nhóm A Điều khiển Cửa A PA0-DA7 Nhóm A Đệm I/O dữ Nhóm A kiện Cửa C PC4-PC7 Phần cao I/O Nhóm B Cửa C PC0-PO3 Phần thấp Kiểm I/O soát PB0-PB7 đọc Điều khiển Nhóm B ghi nhóm B Cửa B Hình 3.1 Cấu trúc khối của 8255 2 – Phần kiểm soát đọc ghi: Chức năng của khối này là kiểm soát tất cả các sự truyền đạt bên trong và bên ngoài của từ điều khiển và dữ kiện. Nó nhận ngõ vào từ tuyến địa chỉ và sự điều khiển của CPU, phát ra các lệnh cần thiết cho cả hai nhóm A và B. CS: ngõ vào = 0 cho phép truyền tin giữa 8255 và CPU. RD: = 0 cho phép 8255 gởi dữ kiện đến CPU trên tuyến dữ kiện chủ yếu là cho phép CPU đọc dữ kiện từ 8255. WR=0 – CPU từ điều khiển hay dữ kiện ra 8255. A0 A1 Chọn cửa 0 0 Cửa A 0 1 Cửa B 1 0 Cửa C
1 1 Cửa điều khiển RESET: =1 xóa các thanh ghi bên trong gồm thanh ghi điều khiển và các cửa A, B, C ở mode nhận. 3 – Điều khiển nhóm A và B: Cấu hình hoạt động của mỗi nhóm được lập trình bởi phần mềm, chủ yếu là CPU xuất phát từ điều khiển đến 8255. Từ điều khiển gồm các thông tin như chế độ (mode), bit set, bit reset, v.v … sẽ khởi động cấu hình hoạt động của 8255. Thanh ghi từ điều khiển chỉ có thể viết vào mà không đọc ra. 4 – Các cửa A, B, C: 8255 gồm 3 cửa A, B và C. Mỗi cửa gồm 8 bits. Các cửa này có thể được lập trình bởi phần mềm để có thể hoạt động ở chế độ thích hợp. Cửa A: gồm bộ đệm, cài ngõ ra 8 bits và cài ngõ vào 8 bits. Cửa B: gồm bộ đệm, cài ngõ ra 8 bits và cài ngõ vào 8 bits. Cửa C: đệm và cài ngõ ra 8 bits và đệm 8 bits ngõ vào (không cài). Cửa C có thể chia làm 2 phần, mỗi phần 4 bits cho điều khiển mode. Mỗi phần được dùng kết hợp với cửa A hay B tạo nên các tín hiệu điều khiển. II – MÔ TẢ CHI TIẾT: 1 – Chọn chế độ (Mode): Có 3 chế độ hoạt động cơ bản thích hợp cho phần mềm: Mode 0 : Vào/ra cơ bản Mode 1 : Vào/ra “bắt tay” (chỉ cho phép 1 trong chiều) Mode 2 : Truyền dữ kiện hai chiều Khi RESET, tất cả các cửa được thiết lập ở chế độ nhập (input), tức là cả 24 đường đều ở 3 trạng thái. Sau khi RESET 8255 có thể duy trì ở chế độ nhập mà không cần khởi động gì thêm. Trong khi thực hiện chương trình hệ thống, có thể chọn bất kỳ mode nào bằng cách xuất đến 8255 từ điều khiển. Điều này cho phép chỉ cần một 8255 mà có thể phục vụ nhiều kiểu thiết bị ngoại vi. Các chế độ cửa A và B có thể định nghĩa riêng biệt. Còn của C được chia làm hai phần cho hai nhóm tùy yêu cầu định nghĩa chế độ cửa A và B. Ta có từ điều khiển cho 8255 như sau: (trang sau). 2 – Đặc tính xóa/thiết lập bit cho cửa C khi nó dùng làm tín hiệu trạng thái/điều khiển cho cửa A/B: Ta dùng lệnh OUT xuất ra từ một điều khiển, trong đó bit D7 = 0.
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Nhóm B 1:in Mode set flag Cửa C(phần thấp) 0: out 1-active Cửa B 1:in 0:out Chọn chế độ 0:mode 0 1: mode 1 NhómA Cửa C 1:in (phần cao) 0:out Cửa A 1: in 0: out 00: mode 0 Chọn mode 01: mode 1 1X: mode 2 Hình 3.2 Khi chọn mode cho port A, các bit D3, D4, D5 không còn ý nghĩa nữa. Lúc đó cửa A là hai chiều, còn phần cao cửa C sẽ làm tín hiệu điều khiển và trạng thái cho cửa A. (Bitset và reset flag), phần còn lại của điều khiển có ý nghĩa như sau: D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 x x x Bit set / Reset 0: Reset 1:set Bit select Bit set / Reset fleg 0 - active 01010101 00110011 00001111 01234567 Hình 3.3 Mỗi lần xuất ra một từ điều khiển đến 8255 với D7 = 0, chỉ tác động đến 1 bit của cửa C (được chọn bởi Bit select). 3 – Chức năng kiểm soát ngắt quãng: Khi 8255 được lập trình ở mode 1 hay 2, các tín hiệu điều khiển được cung cấp có thể được dùng để yêu cầu ngắt quãng CPU. Tín hiệu yêu cầu ngắt quãng phát ra từ cửa C có thể bị cấm hay cho phép bằng cách set hay reset flip-flop INTE tương ứng, dùng chức năng set/reset bit của cửa C. Chức năng này cho phép CPU cấm hay cho phép các thiết bị I/O đã xác định ngắt quãng CPU mà không làm ảnh hưởng các thiết bị khác trong cấu trúc ngắt quãng.
III – CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG: 1 – Mode 0 (Vào/ra cơ bản) Không có “bắt tay”, dữ kiện được ghi và đọc một cách dơn giản đến phức tạp hay từ 1 cửa đã chỉ ra. Các đặc tính cơ bản ở mode 0:  2 cửa 8 bits và 2 cửa 4 bits  Bất kỳ cửa nào cũng có thể là ra hay vào  Ngõ ra được cài  Ngõ vào không cài  Cho phép 16 dạng vào / ra ở mode Ví dụ : Từ điều khiển 83h xáx định cửa A ra, B vào. Phần cao của C : ra, phần thấp của C : vào. 2 – Mode 1 (Vào/ra có bắt tay): Ở mode 1, cửa A và B dùng những đường ở cửa C để phát hay nhận các tín hiệu bắt tay. Định nghĩa các tín hiệu bắt tay cho phần nhập:  STB (Strobe Input): mức thấp ở ngõ vào này nạp dữ liệu vào 8255.  IBF (Input Buffer Full): ngõ ra =1 để thông báo dữ kiện đã được nạp vào mạch cài nhập Nói cách khác, mức thấp của STB sẽ thiết lập IBF = 1, và IBF bị xóa bởi cạnh lên RD. * INTR (Interput Request): ngõ ra = 1 để yêu cầu ngắt khoảng CPU, INTR được set bởi STB = 1 và IBF = 1, INTR = 1. INTR bị reset bởi cạnh xuống RD INTR A kiểm soát bởi bit set / reset PC 4 INTR B kiểm soát bởi bit set / reset PC 2
Hình 3.4