虛實結合的串行A/D轉換實驗教學方法探索與實踐

寧志剛，尹軍利，李圣，夏云芝

(南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽)

一 引言

單片機原理及應用是理論性和實踐性都較強的一門課程。通過該課程的學習，讓學生熟悉單片機的內部結構和工作原理，掌握單片機軟、硬件設計方法和技巧，提高學生的實踐動手能力，為單片機系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎。為了達到這門課程的培養(yǎng)目標，必須重視實踐教學環(huán)節(jié)，構建適合該課程實踐培養(yǎng)需求的實驗教學模式[1]。單片機實驗通常采用實驗箱教學方式。實驗箱教學模式采用模塊連線方式，學生做完實驗后往往弄不清楚電路實際接線圖[2]。一個實驗通常在2個課時內完成。在有限的實驗時間內，學生要弄清楚實驗工作原理、編寫程序代碼、調試程序和完成系統(tǒng)調試，相當一部分同學不能按時保質保量完成。虛實結合的實驗模式能克服這種實驗模式的弊端。虛擬實驗不受時間、空間和實驗設備的限制，學生可以充分利用課余時間隨時隨地搭建虛擬的實驗電路圖、編寫和調試程序、完成軟硬件聯(lián)調。虛擬實驗是理想化的實驗模式，實物實驗往往跟這一模式不完全一致[3]。通過實物實驗，能夠提高學生的調試能力和排除實際故障能力[4]。虛實結合的實驗模式能夠結合虛擬實驗和實物實驗的優(yōu)勢，提高實驗的教學效果[6]。本文以虛實結合的串行A/D轉換實驗為例，對虛實結合的實驗模式進行探索和實踐。

二 TLC549串行A/D轉換工作原理

TLC549時序圖如圖1所示。TLC549具有I/O CLOCK時鐘信號和片選兩個控制輸入端。tsu是下降沿到I/O CLOCK上升沿的最小間隔時間，大約為1.4μs。ten是下降沿到DATA OUT輸出數(shù)據(jù)的最小間隔時間，大約為1.2μs。

圖1 TLC549時序圖

TLC549是8位逐次逼近式串行A/D轉換器。內部包含系統(tǒng)時鐘、采樣、保持、A/D轉換器、數(shù)據(jù)寄存器及控制邏輯電路。TLC549每25us重復一次“輸入—轉換—輸出”。當片選信號為高電平時，DATA OUT處于高阻態(tài)，此時I/O時鐘被禁止。當片選信號從高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，前次A/D轉換結果的最高有效位MSB(A7)從DATA OUT端輸出。在接下來的7個I/O CLOCK周期的下降沿依次輸出前次A/D轉換結果的后7位(A6～A0)，前7個I/O CLOCK周期結束后8位數(shù)據(jù)已經(jīng)全部輸出。從第4個I/O CLOCK周期的下降沿開始進行本次A/D轉換采樣，采樣持續(xù)到第8個I/O CLOCK周期的下降沿。從第8個I/O CLOCK周期的下降沿開始進入保持狀態(tài)，開始進行本次A/D轉換。這時，片選信號必須變?yōu)楦唠娖健Ｔ摳唠娖街辽俦３?7us，直到A/D轉換結束。否則，片選信號從高電平跳變?yōu)榈碗娖剑鹣到y(tǒng)復位。

三 TLC549串行A/D轉換虛擬實驗

TLC549串行A/D轉換虛擬實驗主要包括搭建虛擬實驗平臺、編寫程序代碼、程序代碼分析、程序調試、軟硬件聯(lián)調等步驟。這部分工作在課前預習實驗時完成。

（一） 利用Proteus搭建虛擬實驗平臺

搭建的串行A/D轉換虛擬實驗平臺如圖2所示。實驗平臺主要包括主控模塊、TLC549串行A/D轉換模塊和顯示模塊。主控模塊控制器選用AT89C51單片機。AT89C51的引腳P20、P21和P22分別接TLC549串行A/D轉換器的數(shù)據(jù)輸出端SDO、時鐘信號SCLK和片選信號。A/D轉換器的VREF+接+5V電壓，VREF-接地；AIN為模擬信號輸入端，外接電壓變化范圍為0～5V。顯示模塊由6位數(shù)碼管、LED驅動芯片74LS245和緩沖器7407組成。6位數(shù)碼管采用動態(tài)顯示，由AT89C51的P1口提供段碼，P3口提供位選信號。

圖2 TLC549串行A/D轉換虛擬實驗平臺

（二） 編寫程序代碼

根據(jù)TLC549時序圖，參照教材中TLC2543串行A/D轉換程序代碼[6]，編寫TLC549串行A/D轉換程序代碼。這里主要介紹關鍵函數(shù)A/D轉換函數(shù)，其代碼如下：

（三） 程序代碼分析

因為TLC549是8位串行A/D轉換器，所以A/D轉換函數(shù)中的n取8。_nop_()是單周期指令。如果單片機的晶振頻率是12MHz，運行一條_nop_()指令，需要1us。時鐘信號高電平和低電平都采用兩條_nop_()指令進行延時，時鐘周期信號高電平寬度和低電平寬度都是2us。TLC549進行A/D轉換時，高電平至少保持17us。程序中變?yōu)楦唠娖胶螅捎?7條_nop_()指令進行延時。ADC函數(shù)和AD函數(shù)的數(shù)據(jù)類型是unsigned int，它對應的數(shù)據(jù)長度是16位。若A/D轉換結果是166，對應的二進制數(shù)是10100110。下面詳細分析A/D轉換結果串行輸出過程：1)片選信號下降沿，輸出A/D轉換結果最高位第8位A7(1)，再左移1位，輸出二進制串變?yōu)?0。2)第1個時鐘下降沿，輸出A/D轉換結果次高位第7位數(shù)據(jù)(0)。因為輸出數(shù)據(jù)位是0，輸出二進制串不變，還是10。然后左移1位，輸出二進制串變?yōu)?00。3)第2個時鐘下降沿，輸出A/D轉換結果第6位數(shù)據(jù)(1)，即100與0x01進行或運算，輸出二進制串變?yōu)?01。然后左移1位，輸出二進制串變?yōu)?010。4)第3個時鐘下降沿，輸出A/D轉換結果第5位數(shù)據(jù)(0)。輸出二進制串不變，還是1010。然后左移1位，輸出二進制串變?yōu)?0100。5)第4個時鐘下降沿，輸出A/D轉換結果第4位數(shù)據(jù)(0)。輸出二進制不變，還是10100。然后左移1位，輸出二進制串變?yōu)?01000。6)第5個時鐘下降沿，輸出A/D轉換結果第3位數(shù)據(jù)(1)，即101000與0x01進行或運算，二進制串變?yōu)?01001。然后左移1位，輸出二進制串變?yōu)?010010。7)第6個時鐘下降沿，輸出A/D轉換結果第2位數(shù)據(jù)(1)，即1010010與0x01進行或運算，二進制串變?yōu)?010011。然后左移1位，輸出二進制串變?yōu)?0100110。8)第7個時鐘下降沿，輸出A/D轉換結果第1位數(shù)據(jù)(0)。輸出二進制串不變，還是10100110。然后左移1位，輸出二進制串變?yōu)?01001100。這時候，A/D轉換結果已全部輸出，數(shù)據(jù)長度為9位。因為AD函數(shù)的數(shù)據(jù)長度是16位，9位數(shù)據(jù)還處于有效數(shù)據(jù)長度范圍之內。最終輸出數(shù)據(jù)還需要進行一次右移操作，輸出結果變?yōu)?位，對應地輸出二進制串為10100110(166)。

（四） 程序調試和軟硬件聯(lián)調

利用Keil C51軟件對程序代碼進行調試，將生成的.hex文件下載到AT89C51處理器當中，進行軟硬件聯(lián)調，運行的結果如圖2所示。

四 TLC549串行A/D轉換實物實驗

實物實驗采用浙江天煌科技實業(yè)有限公司研制的THGMU-1型多種單片機開發(fā)綜合實驗箱完成。實驗時利用實驗箱上的TLC549 A/D轉換器進行A/D轉換實驗，將THKL-C51單片機仿真器插到模塊的鎖緊插座中。采用USB線連接計算機與仿真器，計算機與單片機實驗系統(tǒng)之間采用串行通信方式。實驗系統(tǒng)的電位器提供模擬量輸入，模擬輸入電壓的取值范圍是0～5V左右。調節(jié)電位器旋鈕，顯示值隨著變化。旋鈕順時針旋轉時，可調電壓值增大。模擬量轉換成數(shù)字量后，采用LED數(shù)碼管顯示數(shù)字量。采用8P排線將單片機系統(tǒng)的P1和P3口分別連接8位數(shù)碼管段選端口JD1和位選端口JD2，8位數(shù)碼管采用動態(tài)顯示方式。單片機系統(tǒng)的P20、P21和P22引腳分別連接A/D轉換器的DATA、CLK和CS-549，A/D轉換器的模擬信號輸入端AIN連接電位器的可調電壓輸出端口。Proteus仿真系統(tǒng)與實驗箱單片機系統(tǒng)的位選地址分布不相同。只要修改位選地址，就可將程序代碼移植到單片機實驗箱實物實驗當中。實物實驗時，要嚴格按照實驗步驟進行實驗。否則，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)通信擁塞現(xiàn)象。實物實驗圖如圖3所示。

圖3 實物實驗圖

五 結語

這種虛實結合的單片機實驗模式已成功應用于我校單片機實驗教學過程當中，是一種成功的實踐教學模式。在新冠疫情期間網(wǎng)絡在線教學過程當中，學生可先在家中完成虛擬實驗，返校后再補做實物實驗。這種實驗模式發(fā)揮了虛擬實驗和實物實驗的優(yōu)勢，充分考慮學生的學習時間和學習空間，最大限度提高了實驗的教學效果，培養(yǎng)了學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。