【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電壓，取代傳統(tǒng)電流源中的電位器。采用這種方案，使得電流源在使用壽命和輸出精度等方面都得到了大幅度地提升。 另外，數(shù)控直流電流源 的控制核心是單片機(jī)，其具有可編程性。 所以，可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)出先進(jìn)的控制算法，對(duì)電流源進(jìn)行更為復(fù)雜的控制，抑制外界干擾因素，提高電流源輸出電流的穩(wěn)定性、精確度等。這些都是傳統(tǒng)電流源做不到的。 數(shù)控直流電流源的原理如 圖 22 所示： 圖 22 數(shù)控直流電流源原理圖 D/A 轉(zhuǎn)換 恒流源電路 放大電路 MCU A/D 轉(zhuǎn)換 人機(jī)對(duì)話界面 基準(zhǔn)電壓源 電 位 器 電壓 /電流 轉(zhuǎn)換 放大 電路 電流源 4 數(shù)控直流電流源的方案論證與比較 方案一： 采用 各類數(shù)字電路來(lái)組成鍵盤控制系統(tǒng)，進(jìn)行信號(hào)處理，如選用 CPLD 等可編程邏輯器件。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，擴(kuò)展性差，效率低，不利于對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。 方案二：根據(jù)傳統(tǒng)線性恒流源的原理，以集成穩(wěn)壓芯片與數(shù)字電位器構(gòu)成電流源的主體部分，通過(guò)單片機(jī)改變數(shù)字電位器的阻值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源輸出值的調(diào)整，并使用數(shù)碼管顯示其數(shù)值。該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但由于目 前數(shù)字電位器分度有限，市場(chǎng)上能找到的最高分度只有 10 位，如 MAXIM 公司的MAX5484，難以實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分的功能。此外，由于流過(guò)的電流較大，需要并聯(lián)多個(gè)數(shù)字電位器才能滿足輸出的電流要求，且系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)控制，穩(wěn)定性差，精度較低。 方案三 ：采用以 P89V51 控制核心的單片機(jī)小系統(tǒng)，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832，將電流步進(jìn)值或設(shè)定值經(jīng) DA 轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)恒流源電路。電流步進(jìn)值和設(shè)定值可以通過(guò)單片機(jī)小系統(tǒng)的鍵盤來(lái)完成，輸出電流值由數(shù)碼管顯示出來(lái)。輸出電流經(jīng)過(guò)采樣電阻后完成 I/V 轉(zhuǎn)換，再由運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)隔離放大。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯 片TLC0832 對(duì)處理后的采樣電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)反饋至單片機(jī)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低、精度高、電路簡(jiǎn)單，可升級(jí)性強(qiáng)。 方案三 系統(tǒng)框圖如圖 23 所示： 圖 23 方案三 系統(tǒng)框圖 數(shù)碼管顯示 鍵盤輸入 P89V51RD2 A/D D/A 電流采樣 恒流源 負(fù)載 穩(wěn) 壓 源 5 第三章 模塊硬件電路的設(shè)計(jì)與比較 單片機(jī) P89V51 芯片的介紹 根據(jù)控制系統(tǒng)所要求的控制精度，響應(yīng)速度，開(kāi)發(fā)環(huán)境， I/O 點(diǎn)數(shù)，輸入 /輸出通道數(shù)等情況， 在這里 選擇了 飛利浦公司的 51 系列 8 位單片機(jī) P89V51,它完全可以滿足對(duì)數(shù)據(jù)的采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要。 P89V51單片機(jī) 的性能 介紹 P89V51 是飛利浦公司生產(chǎn)的 一款低功耗、 高性能 8 位單片機(jī)。片內(nèi)含 64KB 的 Flash 存儲(chǔ)器 和 1KB 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 飛利浦 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU） 和 FLASH 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大， 其芯片引腳如圖 31 所示。 P89V52RD2 最重要的一個(gè)特點(diǎn)就是 具有 X2 模式選擇。工程師 操作單片機(jī)的時(shí)候，可以選擇 80C51 的通用 時(shí)鐘模式（ 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期 ） ，或者選擇 X2 模式（ 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期）以獲得在同一時(shí)鐘頻率 具有雙倍吞吐量的效果。 這個(gè)特點(diǎn)的另外一個(gè)好處就是 將時(shí)鐘頻率降至一半，可以取得相同的性能，這樣可以有效地降低 電磁干擾。 圖 31 P89V51 引腳圖 主要性能參數(shù)： ? 64KB 片上 Flash 編程存儲(chǔ)器，具有 ISP 和 IAP 兩種 編程模式 ? 1000 次擦寫周期 ? 全靜態(tài)操作： 0Hz40MHz ? 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ? 1KB 字節(jié)內(nèi)部 RAM ? 32 個(gè)可編程 I/O 口線 ? 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ? 5 個(gè)中斷源 ? 可編程串行 UART 通道 功能引腳說(shuō)明 Vcc： 電源電壓 GND： 地 P0 口 P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫 “ 1” 可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組 6 口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址 (低 8位 )和數(shù)據(jù)總線復(fù)用， 在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時(shí)， P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1 口 P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流 )4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫 “ 1” 通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉 到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí) ，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P1 接收低 8位地址。 此外， ～ 引腳還具有第二功能，其具體功能如表 所示： 表 ～ 引腳第二功能 端口引腳 第二功能 MOSI（用于 ISP 編程） MISO(用于 ISP 編程） SCK(用于 ISP 編程） P2 口 P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流 )4 個(gè) TTL 邏輯門電路。 對(duì)端口寫 “ 1” 通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。 在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)， P2 口線上的內(nèi)容 在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí) ， P2 亦接收高位地址和其它控制信號(hào) 。 P3 口 P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流 )4 個(gè) TTL邏輯門電路。對(duì) P3 口寫入 “ 1” 時(shí) ，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。 作輸入端時(shí)， 被外部拉低的 P3口將用上拉電阻輸出電流。 P3口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能， 其 引腳具體 第二 功能如表 所示。此外， P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào) 。 ALE/PROG 當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。 要注意的是 ： 每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。 對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖 （ PROG)。如有必要， 可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 DO 位置位， 可禁正 ALE 操作。該位置位后， 只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)， 應(yīng)設(shè)置 ALE 無(wú)效 。 表 P3 引腳第二功能 端口引腳 第二功能 RXD(串行輸入口 ) TXD (串行輸出口 ) /INTO（外中斷 0） /INT1（外中斷 1） T0（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0） T1（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1） /WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) /RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ) PSEN 程序儲(chǔ)存允許 PSEN 輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)， 當(dāng) P89V51 向 外部程序存儲(chǔ)器取指令 (或數(shù)據(jù) )時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 沒(méi)有兩次有效的 PSEN 信號(hào) 。 EA/VPP 外部訪問(wèn)允許 7 欲使 CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器 (地址為 0000HFFFFH)， EA 端必須保持低電平 (接地 )。 需注意的是 ：如 果加密位 LB1 被編程， 復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平 (接 Vcc 端 )， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)， 該引腳加上 +12V的編程電壓 Vpp。 XTAL1 振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端 。 XTAL2 振蕩器反相放大器的輸出端。 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 自動(dòng)控制領(lǐng)域是單片機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要的領(lǐng)域，而在自動(dòng)控制的應(yīng)用中，被控對(duì)象有些事需要模擬量進(jìn)行控制和調(diào)整的，這樣單片機(jī)就要將處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，用變換后的模擬量對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行的控制和調(diào)整，數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要是 應(yīng)用在這一領(lǐng)域的器件。 DAC0832概述 數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入的是數(shù)字量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出的是模擬量。 D/A 轉(zhuǎn)換器的原理可以歸納為 “ 按權(quán)展開(kāi)，然后相加 ” 。因此， D/A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部必須要有一個(gè)解碼網(wǎng)絡(luò)，已進(jìn)行按權(quán)值分別進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。解碼網(wǎng)絡(luò)通常有兩種：二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)。 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換集成芯片，轉(zhuǎn)換電路是一個(gè) R2R 的 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)，與微處理器完全兼容。這個(gè) DA 芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A 轉(zhuǎn)換器由 8 位輸入鎖存器 、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，管腳如圖 32所示。 其主要特性參數(shù)如下： ? 分辨率為 8 位； ? 電流穩(wěn)定時(shí)間 1us； ? 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入； ? 只需在滿量程下調(diào)整其線性度； ? 單一電源供電（ +5V～ +15V）； ? 低功耗， 20mW。 圖 32 DAC0832 管腳圖 DAC0832 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如 圖 33 所示。 DAC0832 中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號(hào)為 ILE；第二級(jí)鎖存器稱為 DAC 寄存器，它的鎖存信號(hào)為傳輸控制信號(hào)。因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器，DAC0832 可以 工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)采集下一個(gè)數(shù)字量，這樣能有效地提高轉(zhuǎn)換速度。此外，兩級(jí)鎖存器還可以在多個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，利用第二級(jí)鎖存信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)換器同步輸出。 8 此外，由三個(gè)與門電路組成寄存器輸出控制邏輯電路，該邏輯電路的功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存控制，當(dāng) LE =0時(shí)，輸入數(shù)據(jù)被鎖存；當(dāng) LE =1 時(shí)，鎖存器的輸出跟隨輸入的數(shù)據(jù)，對(duì)各引腳信號(hào)說(shuō)明如表 所示。 圖 33 DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 表 DAC0832 各管腳功能 管腳號(hào) 管腳名稱 管腳描述 4~7,13~16 DI7~DI0 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入 1 CS 片選信號(hào)（輸入），低電平有效 19 ILE 數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)（輸入），高電平有效 2 1WR 第 1 寫信號(hào)（輸入），低電平有效 18 2WR 第 2 寫信號(hào)（輸入），低電平有效 17 XFER 數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)（輸入），低電平有效 11 IOUT1 電流輸出 1 12 IOUT2 電流輸出 2 9 Rfb 反饋電阻端 8 Vref 基準(zhǔn)電壓，范圍為 — 10V~+10V 10 DGND 數(shù)字地 3 AGND 模擬地 DAC0832 與 51 單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)可分為單緩沖方式和雙緩沖方式兩種。單緩沖方式就是使 DAC0