《数据采集与总线技术》实验讲义.docx
《《数据采集与总线技术》实验讲义.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《数据采集与总线技术》实验讲义.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
《数据采集与总线技术》实验讲义
《数据采集与总线技术》
课程实验指导书
机电工程学院
实验一基于ADC0804的数据采集
实验目的与要求：
掌握ADC0804的使用方法，了解其基本的电路结构和应用方法。
实验过程要点：
查阅相关ADC0804相关资料，设计电路使用单片机控制ADC0804进行数据采集与现实，并熟悉Proteus的相关使用方法。
1、ADC0804引脚功能:
：
芯片片选信号，低电平有效。
即=0时,该芯片才能正常工作，高电平时芯片不工作。
在外接多个ADC0804芯片时，该信号可以作为选择地址使用，通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片，从而可以实现多个ADC通道的分时复用。
：
启动ADC0804进行ADC采样，该信号低电平有效，即信号由低电平变成高电平时，触发一次ADC转换。
：
低电平有效，即=0时，DAC0804把转换完成的数据加载到DB口，可以通过数据端口DB0～DB7读出本次的采样结果。
VIN（+）和VIN（-）：
模拟电压输入端，单边输入时模拟电压输入接VIN（+）端，VIN（-）端接地。
双边输入时VIN（+）、VIN（-）分别接模拟电压信号的正端和负端。
当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时，可在VIN（-）接一等值的零点补偿电压，变换时将自动从VIN（+）中减去这一电压。
VREF/2：
参考电压接入引脚，该引脚可外接电压也可悬空，若外接电压，则ADC的参考电压为该外界电压的两倍，如不外接，则VREF与Vcc共用电源电压，此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。
CLKIN和CLKR：
外接RC振荡电路产生模数转换器所需的时钟信号，时钟频率CLK=1/1.1RC，一般要求频率范围100KHz～1460KHz。
AGND和DGND：
分别接模拟地和数字地。
：
转换结束输出信号，低电平有效，当一次A/D转换完成后，将引起=0，实际应用时，该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连（如51单片机的，脚），当产生信号有效时，还需等待=0才能正确读出A/D转换结果，若ADC0804单独使用，则可以将引脚悬空。
DB0~DB7：
输出A/D转换后的8位二进制结果。
补充说明：
ADC0804片内有时钟电路，只要在外部“CLKIN（引脚4）”和“CLKR（引脚19）”两端外接一对电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟，其振荡频率为fCLK≈1/1.1RC。
其典型应用参数为：
R=10KΩ，C=150PF，fCLK≈640KHz，转换速度为100μｓ。
若采用外部时钟，则外部fCLK可从CLKIN端送入，此时不接R、C。
允许的时钟频率范围为100KHz～1460KHz。
2、ADC0804工作过程
如下图所示，ADC0804的工作时序图（TimingDiagrams）：
（欲详细了解工作过程，可以结合ADC0804使用手册）
图6给出的其实就是使ADC0804正确工作的软件编程模型。
由图可见，实现一次ADC转换主要包含下面三个过程：
1.启动转换：
由图6中的上部“FIGURE10A”可知，在信号为低电平的情况下，将引脚先由高电平变成低电平，经过至少tW（WR）I延时后，再将引脚拉成高电平，即启动了一次AD转换。
注：
ADC0804使用手册中给出了要正常启动AD转换的低电平保持时间tW（WR）I的最小值为100ns,即拉低后延时大于100ns即可以，具体做法可通过插入NOP指令或者调用delay（）延时函数实现，不用太精确，只要估计插入的延时大于100ns即可。
2．延时等待转换结束：
依然由图6中的上部“FIGURE10A”可知，由拉低信号启动AD采样后，经过1到8个Tclk+INTERNALTc延时后，AD转换结束，因此，启动转换后必须加入一个延时以等待AD采样结束。
注：
手册中给出了内部转换时间“INTERNALTc”的时间范围为62～73个始终周期，因此延时等待时间应该至少为8+73=81个时钟周期。
比如，若R为150K,C为150pF，则时钟频率为Fclk=1/1.1RC=606KHz,因此时钟周期约为Tclk=1/Fclk=1.65us。
所以该步骤至少应延时81*Tclk=133.65us.具体做法可通过插入NOP指令或者调用delay（）延时函数实现，不用太精确，只要估计插入的延时大于133.65us即可。
3.读取转换结果：
由图6的下部“FIGURE10B”可知，采样转换完毕后，在信号为低的前提下，将脚由高电平拉成低电平后，经过tACC的延时即可从DB脚读出有效的采样结果。
注：
手册中给出了tACC的典型值和最大值分别为135ns和200ns，因此将引脚拉低后，等待大于200ns后即可从DB读出有效的转换结果。
具体做法可通过插入NOP指令或者调用delay（）延时函数实现，不用太精确，只要估计插入的延时大于200ns即可。
图6：
ADC0804手册给出的ADC转换时序图
图7：
ADC0804手册给出的电器特性表
对采样值进行运算变换，换算出实际的滑动变阻器输入电压值。
对于任何一个A/D采样器而言，其转换公式如下：
其中:
:
输入ADC的模拟电压值。
：
ADC转换后的二进制值。
本试验的ADC0804为八位。
：
ADC能够表示的刻度总数。
ADC0804为八位ADC,因此
：
ADC参考电压值，本试验ADC0804的
被设置为5V
因此，对于本试验，转换公式为
3、ADC0804在单片机中的简单应用举例
如下图所示，本例ADC0804中的VCC=5V，VREF/2引脚悬空（悬空则相当于与VCC共接5V电源），因此ADC转换的参考电压为VCC的值，即5V。
VIN-接地，而VIN+连接滑动变阻器RV1的输出，因此VIN+的电压输入范围为0V～5V，正好处于参考电压范围内。
引脚接地,和分别连接单片机的P3^6和P3^7引脚，而DB0~DB7连接单片机的P1口.
P0口接数码管的段选线，P2口低四位接数码管的位选线。
程序主要实现以下功能：
（1）控制ADC0804芯片对VIN（+）引脚输入的电压值进行正确采样，读取采样结果。
（2）对采样值进行模数变换，将转换后数字量后显示在4段数码管上。
C程序如下：
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
sbitwr=P3^6;
sbitrd=P3^7;
ucharcodedis[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//共阳显示代码
voiddelay（uintx）//延时函数delay
（1）延时0.992ms,大约为1ms
{
uchari;
while（x--）
for（i=0;i<120;i++）;
}
voiddisplay（uchardb）//数码管显示函数，用于显示模数转换后得到的数字量
{
ucharbw,sw,gw;//bw,sw,gw分别等于db百位，十位，个位上的数
bw=db/100;
sw=db%100/10;
gw=db%10;
P2=0x01;//点亮第一只数码管
P0=dis[bw]&0x7f;//最高位置0，点亮第一只数码管的小数点，
delay（5）;
P2=0x02;//点亮第二只数码管
P0=dis[sw];
delay（5）;
P2=0x04;//点亮第三只数码管
P0=dis[gw];
delay（5）;
P2=0x08;//点亮第四只数码管
P0=dis[0];//第四只数码管一直显示0
delay（5）;
}
voidmain（）
{
uchari;
while
（1）
{
wr=0;//在片选信号CS为低电平情况下（由于CS接地，所以始终为低电平），
_nop_（）;//WR由低电平到高电平时，即上升沿时，AD开始采样转换
wr=1;
delay
（1）;//延时1ms,等待采样转换结束
P1=0xff;//这条语句不能少，我也还不知道为什么
rd=0;//将RD脚置低电平后，再延时大于135ns左右（这里延时1us），
_nop_（）;//即可从DB脚读出有效的采样结果,传送到P1口
for（i=0;i<10;i++）//刷新显示一段时间
display（P1）;//显示从DB得到的数字量
}
}
Proteus仿真运行结果如下：
实验二在51单片机上模拟I2C总线时序
实验目的与要求：
掌握I2C总线的协议内容，了解其基本的电路结构和应用方法。
实验过程要点：
参照教材关于I2C总线的相关知识，在51单片机的I/O接口上利用软件模拟I2C总线时序，实现对相关器件的访问和控制。
一、51单片机对AT24Cxx系列E2PROM的访问
步骤：
1）参考下图，在proteus仿真软件中绘制电路图。
2）在Keil中建立工程，编写对两个E2PROM的访问程序，实现：
a）向U2的首地址为0x00开始的16个存储单元中，写入’0’~’f’的共阳极段码。
在proteus仿真过程中，可按下暂停键，然后通过菜单“调试”来查看U2内当前所存有的数据。
b）将这16个字节的数据从U2中读出，然后存入U3中以首地址0x10开始的16个存储单元中。
在proteus仿真过程中，可按下暂停键，然后通过菜单“调试”来查看U2、U3内当前所存有的数据。
二、51单片机对ADC器件PCF8591的访问
1）参考下图，在proteus仿真软件中绘制电路图，实现简单的电压测试功能。
其中，4位LED为共阴极数码管，也可以采用共阳极。
2）在Keil中建立工程，编写对PCF8591的访问程序，读入AD转换后的电压值，然后显示在LED上。
a）从PCF8591读入一个数据的函数（伪代码）：
voidRd_PCF8591（ucharCMD）{
起始信号；
发送一个字节（写地址）；
等待响应；
发送一个字节（CMD）；//控制字
等待响应；
起始信号；
发送一个字节（读地址）；
等待响应；
接收一个字节；
发送非应答；
停止信号；
}
b）主函数编写思路（伪代码）：
voidmain（）{
while
（1）{
Rd_PCF8591（0x00）;//控制字为00000000B
将读取的数据换算为数字电压v
Display（v）;//将v显示在LED上
}
}
三、参考代码：
基本I2C操作
/************BasicI2COperation***********/
voidStart（）{//起始信号
SDA=1;
SCL=1;
NOP4（）;
SDA=0;
NOP4（）;
SCL=0;
}
voidStop（）{//终止信号
SDA=0;
SCL=1;
NOP4（）;
SDA=1;
NOP4（）;
SCL=0;
}
voidSendAck（bitck）{//根据数据接收情况发送应答
if（ck）SDA=0;
elseSDA=1;
NOP4（）;//SCL低电平保持时间大于4.7us
SCL=1;
NOP4（）;//SCL高电平保持时间大于4us
SCL=0;
SDA=1;//ACK后要对总线进行释放
NOP4（）;
}
bitWaitAck（）{
SDA=1;
NOP4（）;
SCL=1;
NOP4（）;
if（SDA）{//SDA为1收到非应答
SCL=0;
Stop（）;
return0;
}
else{//SDA为0收到应答
SCL=0;
return1;
}
}
/**********EndofBasicI2COperation***********/
共阴极LED显示
voidDisplay（uintx）{
P3=0xf7;//选中千位
P1=DSY_CODE[x/1000];//DSY_CODE[i]为共阴极段码
DelayMS
（1）;
P1=0x00;//消除显示残影
P3=0xfb;//选中百位
P1=DSY_CODE[x/100%10];
DelayMS
（1）;
P1=0x00;
P3=0xfd;//选中十位
P1=DSY_CODE[x%100/10];
DelayMS
（1）;
P1=0x00;
P3=0xfe;//选中个位
P1=DSY_CODE[x%10];
DelayMS
（1）;
P1=0x00;
}
实验三在51单片机上模拟SPI总线时序
实验目的与要求：
掌握SPI总线的协议内容，了解其基本的电路结构和应用方法。
实验过程要点：
在51单片机的I/O接口上利用软件模拟SPI总线时序，实现对相关器件的访问和控制。
一、SPI总线简介
SPI总线的基本信号线为3根传输线，即SI、SO、SCK。
传输的速率由时钟信号SCK决定，MOSI为数据输入、MISO为数据输出。
采用SPI总线的系统如图4-1所示，它包含了一个主片和多个从片，主片通过发出片选信号CS来控制对哪个从片进行通信，当某个从片的CS信号有效时，能通过SI接收指令、数据，并通过SO发回数据。
而未被选中的从片的SO端处于高阻状态。
图4-1SPI总线结构
SPI是一个环形总线结构，其时序是在SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
SCK提供时钟脉冲，SDI、SDO基于此脉冲完成数据传输。
数据输出通过SDO线，数据在时钟上沿或下沿时改变，在紧接着的下沿或上升沿沿被读取，完成一位数据传输。
输入原理相同。
这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿计为1次），就可以完成8位数据的传输。
假设8位寄存器内装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
那么第一个上升沿来的时候数据将会是高位数据SDO=1。
下降沿到来的时候，SDI上升沿的电平将被存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010SDI，这样在8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。
这样就完成里一个SPI时序。
图4-2SPI总线主机、从机收发模块
不带SPI接口的单片机编程思路：
对于不带SPI接口的MCS51系列单片机来说，可用软件模拟SPI操作，用三个普通I/O口模拟SPI器件的SCK、MISO、MOSI。
对于不同的外围芯片，它们的时钟时序是不同的。
对于在SCK的上升沿接收数据/下降沿发送数据的从机器件，一般应将MCU的串行时钟输出口SCK的初始状态设为1，而在从机使能端有效（CS=0）后再置为0。
这样，MCU在输出1位SCK时钟（出现的是下降沿）的同时，将使从机SPI接口的移位寄存器串行左移，从而输出1位数据至MISO线。
此后再置SCK为1，使MCU从MOSI线输出1位数据（最高位）至从机的SPI接口的移位寄存器。
至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。
此后再置SCK为0，模拟下1位数据的输入输出……循环8次，即可完成1字节数据的传输。
对于在SCK的下降沿接收数据/上升沿发送数据的从机器件，则应取SCK的初始状态为0，即在从机使能端有效（CS=0）后，先置SCK为1，以便从机输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使从机接收1位数据（MCU发送1位数据），从而完成1位数据传送。
二、25AA系列E2PROM简介
1）25AA系列E2PROM器件的控制指令
指令名称
指令码
描述
READ
0x03
“读”数据指令
WRITE
0x02
“写”数据指令
WRDI
0x04
禁止“写”操作
WREN
0x06
允许“写”操作
RDSR
0x05
读状态寄存器
WRSR
0x01
写状态寄存器
2）总线读写时序
（1）在CLK上升沿SI采样数据。
对于CPU写入25xx来说，应该在CLK时钟的上升沿之前准备好待写数据，CLK上升沿产生后，25xx将对SI端线采样。
（2）在CLK下降沿SO输出数据。
在读取数据周期内，在CLK时钟的下降沿将数据送出到SO引脚锁存。
对于CPU从25xx读数据，应该在CLK时钟下降沿产生之后马上读取SO端口数据。
（3）串行数据发送顺序：
先发送高字节，再发送低字节。
（4）在对25xx的访问过程中CS必须保持低电平。
HOLD保持高电平。
如果不用存取等待，在设计电路时把HOLD引脚接高电平。
（5）当CS引脚由高电平变为低电平之后的第一个上升沿结束后，25xx就会马上对SI引脚采样。
先发送的第一帧都是指令码。
3）25AA系列的状态寄存器（StateRegister）
控制指令0x05为读状态寄存器指令。
25AA器件的状态寄存器可以在任何时刻被读取，其格式为：
7
6
5
4
3
2
1
0
X
X
X
X
BP1
BP0
WEL
WIP
Write-In-Process（WIP）位为只读位，指示器件当前是否正在进行写操作。
'1'为是，'0'为否。
WriteEnableLatch（WEL）位为只读位，指示写使能锁存器状态。
当置'1'时允许向存储单元写数据，当置'0'时禁止向存储单元写数据。
该位可通过WREN和WRDI指令来刷新。
BlockProtection（BP1andBP0）位为写保护标识位。
4）存储器的“分页”管理
几乎所有的存储设备都是分页式管理的，批量写入数据的动作被称为“页写”，即批量写入数据被限制在一页的范围内。
以25AA256为例，内部存储单元共分512个页，每页64字节，地址分布：
0000H-7FFFH，可以按地址单字节存取数据，也可以页内批量存取数据。
页地址分布为：
Page0:
0000H–003FH
Page1:
0040H–007FH
…………
Page511:
7FC0H–7FFFH
批量写最多可一批写入64字节，再写第65个字节数据时其实写入到了第0个字节处（本次批量写最早写入的那个位置），覆盖掉了该位置原来的数，这样在这64个字节的空间内循环覆盖写入。
批量写操作被限制在同一个“页”内，不能跨越页边界往下一页写入数据。
如果到了页末尾，继续写入，数据将被写到本页头的第1个位置处，覆盖掉原来的数据。
5）基本读写时序
读时序：
1）将CS拉低；
2）通过SI传送8位指令到25xx的指令寄存器（读指令：
00000011）
3）紧接着马上传送16位地址。
4）通过DO引脚读取内容，该8位内容就是刚才发送的地址对应的单元的内容。
5）如果CS不拉高，持续提供CLK时钟，则内部地址指针将增加1，指向下一个数据单元，可以继续读取下一个单元的内容。
如果一直这样往下读，这样的读取将会持续，当达到最大的存储单元地址7FFFH时，地址指针重新指回0000H，如此往复以至无穷的循环往下读。
6）当CS拉为高电平后，读取操作终止。
写时序：
1）将CS拉低；
2）设置“写操作”使能寄存器。
输出“写使能指令”（00000110）。
3）将CS拉高。
（这一步很重要，只有在这里把CS拉高，才能更新“写使能”寄存器，才可以写入数据）。
4）将CS拉低。
5）发送“写指令”（00000010,0x02）
6）紧接着发送16位地址单元。
7）通过SI写入8位数据。
这样这8位数据就写入目标地址了。
8）如果写完这个字节的数据之后CS不拉高，CLK继续提供时钟，那么25xx器件内部地址指针将自动增加1，可以继续往下一个存储单元继续写入8位数据。
这就是批量“写”数据操作。
9）写操作必须在字节的最低位锁存到SI端之后才能停止（即CS拉高）。
否则，最后写入的这个字节数据将不会写入。
10）应有相应的步骤对“写操作”是否完成进行判断。
一般通过查询器件的状态寄存器来实现。
三、51单片机对25AA系列E2PROM的访问
步骤：
1）参考下图，在proteus仿真软件中绘制电路图。
2）在Keil中建立工程，编写对E2PROM的访问程序：
a）向U2的首地址为0x0000开始的16个存储单元中，写入’0’~’f’的共阳极段码。
在proteus仿真过程中，可按下暂停键，然后通过菜单“调试”来查看U2内当前所存有的数据。
b）将这16个字节的数据从U2中读出，然后在数码管上循环显示出来。
c）向U2的0x0038开始的16个单元中写入’0’~’f’的共阳极段码，在proteus仿真过程中按下暂停键，通过菜单“调试”观察这16个数据写入的实际位置。
分析解释原因。
四、参考代码
1）基本SPI操作：
/*SPI写一字节（上升沿锁存数据，先发高位，再发低位）*/
voidSPI_MOSI_Byte（ucharwdata）{
uchari;
SCK=0;
for（i=0;i<8;i++）{
if（wdata&0x80）MOSI=1;
elseMOSI=0;
SCK=1;//产生一个上升沿，在其前准备好待发数据
wdata<<=1;
SCK=0;
}
}
/*SPI读一字节（下降沿读取数据，先读高位，再读低位）*/
ucharSPI_MISO_Byte（）{
uchari,rdata=0;
SCK=1;
for（i=0;i<8;i++）{
rdata=rdata<<1;
SCK=0;//产生一个下降沿，数据将被锁存在SO端线上
rdata=rdata|MISO;
NOP4（）;
SCK=1;
}
returnrdata;
}
2）25AA256连续读写函数
voidSPI_WrToRom（ucharwdata[],uintstartAddr,ucharbyteLen）{
uchari,flag;
ucharaddr_H,addr_L;
addr_H=startAddr>>8;
addr_L=startAddr&0x00FF;
CS=0;//CS拉低
SPI_MOSI_Byte（0x06）;//发写使能指令
CS=1;//CS拉高一次，保证"写使能"数据0x06装入芯片的指令寄存器
NOP4（）;
CS=0;//CS重新拉低
SPI_MOSI_Byte（0x02）;//发写数据指令
SPI_MOSI_Byte（addr_H）;
SPI_MOSI_Byte（addr_L）;
for（i=0;iSPI_MOSI_Byte（wdata[i]）;
CS=1;//写操作结束，拉高CS
/*******************验证写存储器操作是否完成**************/
while
（1）{
CS=0;
SPI_MOSI_Byte（0x05）;//获取存储器的状态
flag=SPI_MISO_Byte（）;
升级会员 