【文章內(nèi)容簡介】 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，其具有可編程性。 所以，可以為系統(tǒng)設計出先進的控制算法，對電流源進行更為復雜的控制，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 轉換 恒流源電路 放大電路 MCU A/D 轉換 人機對話界面 基準電壓源 電 位 器 電壓 /電流 轉換 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)字電路來組成鍵盤控制系統(tǒng)，進行信號處理，如選用 CPLD 等可編程邏輯器件。本方案電路復雜，靈活性不高，擴展性差，效率低，不利于對信號進行處理。 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)字電位器構成電流源的主體部分，通過單片機改變數(shù)字電位器的阻值，以實現(xiàn)對恒流源輸出值的調整，并使用數(shù)碼管顯示其數(shù)值。該方案電路結構簡單，容易實現(xiàn)，但由于目 前數(shù)字電位器分度有限，市場上能找到的最高分度只有 10 位，如 MAXIM 公司的MAX5484，難以實現(xiàn)發(fā)揮部分的功能。此外，由于流過的電流較大，需要并聯(lián)多個數(shù)字電位器才能滿足輸出的電流要求，且系統(tǒng)為開環(huán)控制，穩(wěn)定性差，精度較低。 方案三 ：采用以 P89V51 控制核心的單片機小系統(tǒng)，控制數(shù)模轉換芯片 DAC0832，將電流步進值或設定值經(jīng) DA 轉換后驅動恒流源電路。電流步進值和設定值可以通過單片機小系統(tǒng)的鍵盤來完成，輸出電流值由數(shù)碼管顯示出來。輸出電流經(jīng)過采樣電阻后完成 I/V 轉換，再由運算放大器實現(xiàn)隔離放大。模數(shù)轉換芯 片TLC0832 對處理后的采樣電壓進行模數(shù)轉換，將轉換后的數(shù)據(jù)反饋至單片機。此方案的優(yōu)點是成本低、精度高、電路簡單，可升級性強。 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 負載 穩(wěn) 壓 源 5 第三章 模塊硬件電路的設計與比較 單片機 P89V51 芯片的介紹 根據(jù)控制系統(tǒng)所要求的控制精度，響應速度，開發(fā)環(huán)境， I/O 點數(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 P89V51,它完全可以滿足對數(shù)據(jù)的采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要。 P89V51單片機 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。片內(nèi)含 64KB 的 Flash 存儲器 和 1KB 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 飛利浦 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU） 和 FLASH 存儲單元，功能強大， 其芯片引腳如圖 31 所示。 P89V52RD2 最重要的一個特點就是 具有 X2 模式選擇。工程師 操作單片機的時候，可以選擇 80C51 的通用 時鐘模式（ 12 時鐘 /機器周期 ） ，或者選擇 X2 模式（ 6 時鐘 /機器周期）以獲得在同一時鐘頻率 具有雙倍吞吐量的效果。 這個特點的另外一個好處就是 將時鐘頻率降至一半，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 ? 三級加密程序存儲器 ? 1KB 字節(jié)內(nèi)部 RAM ? 32 個可編程 I/O 口線 ? 3 個 16 位定時 /計數(shù)器 ? 5 個中斷源 ? 可編程串行 UART 通道 功能引腳說明 Vcc： 電源電壓 GND： 地 P0 口 P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅動 8個 TTL 邏輯門電路，對端口寫 “ 1” 可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組 6 口線分時轉換地址 (低 8位 )和數(shù)據(jù)總線復用， 在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時， P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口 P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 “ 1” 通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉 到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時 ，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 Flash 編程和程序校驗期間， 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 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。 對端口寫 “ 1” 通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器 時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。 在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器 時， P2 口線上的內(nèi)容 在整個訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗時 ， P2 亦接收高位地址和其它控制信號 。 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 口輸出緩沖級可驅動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL邏輯門電路。對 P3 口寫入 “ 1” 時 ，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， 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 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號 。 ALE/PROG 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。 要注意的是 ： 每當訪問外部數(shù) 據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖 （ PROG)。如有必要， 可通過對特殊功能寄存器（ 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 才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時， 應設置 ALE 無效 。 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（定時器 /計數(shù)器 0） T1（定時器 /計數(shù)器 1） /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) PSEN 程序儲存允許 PSEN 輸出是外部程序存儲器的讀選通信號， 當 P89V51 向 外部程序存儲器取指令 (或數(shù)據(jù) )時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器， 沒有兩次有效的 PSEN 信號 。 EA/VPP 外部訪問允許 7 欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器 (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， 復位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平 (接 Vcc 端 )， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 Flash 存儲器編程時， 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)模轉換模塊 自動控制領域是單片機應用的一個重要的領域，而在自動控制的應用中，被控對象有些事需要模擬量進行控制和調整的，這樣單片機就要將處理后的數(shù)字量轉換為模擬量，用變換后的模擬量對被控系統(tǒng)進行的控制和調整，數(shù)模轉換器主要是 應用在這一領域的器件。 DAC0832概述 數(shù)模轉換器輸入的是數(shù)字量，經(jīng)轉換后輸出的是模擬量。 D/A 轉換器的原理可以歸納為 “ 按權展開，然后相加 ” 。因此， D/A 轉換器內(nèi)部必須要有一個解碼網(wǎng)絡，已進行按權值分別進行 D/A 轉換。解碼網(wǎng)絡通常有兩種：二進制加權電阻網(wǎng)絡和 T 型電阻網(wǎng)絡。 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 轉換集成芯片，轉換電路是一個 R2R 的 T 型電阻網(wǎng)絡，與微處理器完全兼容。這個 DA 芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A 轉換器由 8 位輸入鎖存器 、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 轉換電路及轉換控制電路構成，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)部結構如 圖 33 所示。 DAC0832 中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號為 ILE；第二級鎖存器稱為 DAC 寄存器，它的鎖存信號為傳輸控制信號。因為有兩級鎖存器，DAC0832 可以 工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號的同時采集下一個數(shù)字量，這樣能有效地提高轉換速度。此外，兩級鎖存器還可以在多個 D/A 轉換器同時工作時，利用第二級鎖存信號來實現(xiàn)多個轉換器同步輸出。 8 此外，由三個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行數(shù)據(jù)鎖存控制，當 LE =0時，輸入數(shù)據(jù)被鎖存；當 LE =1 時，鎖存器的輸出跟隨輸入的數(shù)據(jù)，對各引腳信號說明如表 所示。 圖 33 DAC0832 內(nèi)部結構圖 表 DAC0832 各管腳功能 管腳號 管腳名稱 管腳描述 4~7,13~16 DI7~DI0 轉換數(shù)據(jù)輸入 1 CS 片選信號（輸入），低電平有效 19 ILE 數(shù)據(jù)鎖存允許信號（輸入），高電平有效 2 1WR 第 1 寫信號（輸入），低電平有效 18 2WR 第 2 寫信號（輸入），低電平有效 17 XFER 數(shù)據(jù)傳送控制信號（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 基準電壓，范圍為 — 10V~+10V 10 DGND 數(shù)字地 3 AGND 模擬地 DAC0832 與 51 單片機的接口設計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