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单片机第一季：零基础13——AD和DA转换

news 2025/7/17 17:13:47

1，AD转换基本概念

51 单片机系统内部运算时用的全部是数字量，即0 和1，因此对单片机系统而言，无法直接操作模拟量，必须将模拟量转换成数字量。所谓数字量，就是用一系列0 和1 组成的二进制代码表示某个信号大小的量。用数字量表示同一个模拟量时，数字位数可以多也可以少，位数越多则表示的精度越高，位数越少表示的精度就越低。

ADC（analog to digital converter）也称为模数转换器，是指一个将模拟信号转变为数字信号。单片机在采集模拟信号时，通常都需要在前端加上A/D 芯片。

A（A，analog，模拟的，D，digital，数字的）现实世界是模拟的，连续分布的，无法被分成有限份；计算机世界是数字的，离散分布的，是可以被分成有限份的；AD转换就是把一个物理量从模拟的转换成数字的。

AD转换中的主要概念：
(1)位数，AD转换后转出来的二进制数由几位二进制来表示。位数越多，越细腻；
(2)量程，AD转换器可以接受的模拟量的范围；
(3)精度，简单理解就是转出来到底有多准；
(4)分辨率，AD转换器转出来的二进制数，每一格表示多少；
(5)转换速率（转换时间）；

例：输入电压范围0-5V，AD转换输出位数是10，精度是0.01V，则：量程为0-5V，分辨率为：(5-0)/2exp(10)=0.00488V，譬如一次AD转换后得到的数据是1010101010，则对应的电压值为：3.328V，考虑精度后为3.33V 。

AD转换在系统中存在的方式：
(1)CPU外部扩展专用AD芯片；
(2)CPU内部集成AD模块（内部外设）；

电池单体的电压采集芯片有一种叫AFE的（Anlog Front End），即是一种AD转换模块，采集单体的电压转换为数字量发给MCU。

2，AD转换原理图和数据手册

ET2046 AD转换模块通过AIN0/AIN1/AIN2分别连接滑线变阻器、热敏电阻、光敏电阻。与单片机连接的接口为CS（使能接口，低有效）、CLK（时钟信号）、DI（数据输入，从单片机到AD转换模块）、DO（数据输出、从AD转换模块到单片机）。

X+、Y+、VBAT 和AUX 模拟信号经过片内的控制寄存器选择后进入ADC，ADC 可以配置为单端或差分模式。选择VBAT和AUX 时应该配置为单端模式；作为触摸屏应用时，应该配置为差分模式。

单片机在对AD转换模块进行控制时，控制字节由DIN 输入的控制字命令格式如下所示：

Bit7为开始位，为1表示一个新的控制字节到来，为0则忽略PIN引脚上的数据；

A2-A0为通道选择位，表示选择哪个通道的输入电压进行AD转换；

MODE为12/8位转换分辨率选择位，为1选择8位转换分辨率，为0选择12位分辨率；

SER/DFR：单端输入方式/差分输入方式选择，为1是单端输入方式，为0是差分输入方式；

PD1-PD0为低功耗模式选择位，若为11，器件总处于供电状态，若为00，器件在转换之间处于低功耗模式。

单端模式时采集通道的选择如下表所示（通过上述控制字节的A2-A1进行选择）：

选择X+通道、12位分辨率、单端模式、低功耗模式的控制字节命令：0b1001 0100 = 0x94。

AD转换模块的时序图如下所示：

从时序图上可见，转换模块进入工作状态时，CS为低，DCLK为低，DIN和DOUT不用关注；首先通过DIN数据线从单片机发送控制字节到AD转换模块，在DCLK的上升沿AD转换模块读入数据（从高到低进行读入），当8位控制字节命令发送完成后，转换模块进入busy状态，即转换模块开始进行AD转换，此时间可从数据手册获取，一般程序中通过延迟一段时间来进行处理；然后单片机在DOUT数据线读取转换模块发出的数据，每个DCLK的下降沿转换模块会将一位数据发送到DOUT数据线上，仍然是从高到低的顺序。

可见AD转换和单片机的通讯方式类似于SPI通讯。

3，AD转换代码

AD采样转换代码包括单片机和AD转换模块写入命令和读取数据的底层时序代码，通过串口显示采样数据代码，以及main文件。

ET2046.c底层时序代码：

#include "ET2046.h"
#include <intrins.h>void delay10us(void)   //误差 0us
{unsigned char a,b;for(b=1;b>0;b--)for(a=2;a>0;a--);
}unsigned int read_AD_value(unsigned char cmd)
{unsigned char i = 0;unsigned int AD_Value = 0;CS = 0;SCLK = 0;for(i = 0;i < 8;i++){DIN = cmd >> 7;cmd <<= 1;   //注意将一个数据移位后再赋给本身的运算符位 <<=SCLK = 1;_nop_();SCLK = 0;_nop_();}delay10us();SCLK = 1;	  			//发送一个时钟周期，清除BUSY_nop_();_nop_();SCLK = 0;_nop_();_nop_();for(i = 0;i<12;i++){AD_Value <<= 1;SCLK = 1;_nop_();SCLK = 0;_nop_();AD_Value |= DOUT;}CS = 1;return AD_Value;}

ET2046.h


#ifndef __ET2046_H__
#define __ET2046_H__#include <reg51.h>sbit SCLK = P1^0;
sbit CS = P1^1;sbit DIN = P1^2;
sbit DOUT = P1^3;unsigned int read_AD_value(unsigned char cmd);#endif

串口调试代码：

#include "uart.h"// 串口设置为: 波特率9600、数据位8、停止位1、奇偶校验无
// 使用的晶振是11.0592MHz的，注意12MHz和24MHz的不行
void uart_init(void)
{// 波特率9600SCON = 0x50;   	// 串口工作在模式1（8位串口）、允许接收PCON = 0x00;	// 波特率不加倍// 通信波特率相关的设置TMOD = 0x20;	// 设置T1为模式2TH1 = 253;TL1 = 253;	   	// 8位自动重装，意思就是TH1用完了之后下一个周期TL1会// 自动重装到TH1去TR1 = 1;		// 开启T1让它开始工作
//	ES = 1;
//	EA = 1;
}// 通过串口发送1个字节出去
void uart_send_byte(unsigned char c)
{// 第1步，发送一个字节SBUF = c;// 第2步，先确认串口发送部分没有在忙while (!TI);// 第3步，软件复位TI标志位TI = 0;
}void uart_send_adVal(unsigned int val)
{uart_send_byte(val>>8);   //AD采样的数据为12位的，首先左移8位串口输出高4位uart_send_byte(val);	   //再输出低8位
}

注意：因为AD采样的数据是12位的数据，串口每次只能发送8位数据，需要分两次将12位数据进行发送；

#ifndef __UART_H__
#define __UART_H__#include <reg51.h>void uart_init(void);
void uart_send_byte(unsigned char c);
void uart_send_adVal(unsigned int val);#endif

main.c函数

#include "ET2046.h"
#include "uart.h"#define AIN0 0x94	  //滑动变阻器
#define AIN1 0xd4	  //热敏电阻
#define AIN2 0xa4	  //光敏电阻void delay1s(void)   //误差 0us
{unsigned char a,b,c;for(c=167;c>0;c--)for(b=171;b>0;b--)for(a=16;a>0;a--);
}void main()
{unsigned int ad_val = 0;uart_init();//uart_send_adVal(0xabc);	  //测试代码//uart_send_byte(0x0d);//uart_send_byte(0x0a);//while(1);while(1){ad_val= read_AD_value(AIN2);uart_send_adVal(ad_val);uart_send_byte(0);      	//发送数据0区分每次采样数值delay1s();				  //如何实现在串口调试助手中发送一次采样数据后换行？}}

思考：上述代码中，main函数是通过while（）不断采样和发送AD转换的数据，如何通过中断来采样和发送AD转换数据？