3. Ввод цифровой и дискретной информации

Ввод цифровой и дискретной информации в микроконтроллер осуществляется по-разному, в зависимости от протяженности линии передачи. Так, при передаче цифровой информации в рамках платы, возможно непосредственное подсоединение к портам контроллера. При межплатной передаче, а особенно "удаленной", необходимо защищать линии контроллера от помех и повреждения. Защита от помех осуществляется при помощи использования на входе триггеров Шмитта, RC-фильтров, защитных резисторов. Защита от повреждений, например, от наведенной ЭДС, может осуществляться при помощи защитных диодов, гальванической развязки, варисторов и т.д.

Цифровые выходы датчиков обычно бывают двух типов: открытый коллектор (ОК) (или открытый сток) и двухтактный. В случае ОК на приёмной стороне необходимо использовать нагрузочный резистор, величина которого определяется или требуемым входным сопротивлением, или обеспечением необходимого тока в линии передачи. При двухтактном выходе сигнал принимает два возможных состояния, соответствующих логическим 0 и 1.

При работе часто приходится обеспечивать интерфейс с устройствами, реализованными на микросхемах с различным типом логики. При использовании серийных микросхем с положительной логикой, например, ТТЛ или КМОП, реализация интерфейса не представляет проблем, так как возможно непосредственное соединение этих микросхем. Если входные сигналы представлены отрицательной или нестандартной логикой (например, 0/10В), или токовыми посылками (0/20мА), то необходимо использовать соответствующие интерфейсные микросхемы (в простейшем случае делители напряжения, оптопары). Например, при входном сигнале, имеющем уровни 0/10В, согласование с логикой ТТЛ (уровни 0/5В) будет представлять собой простой резистивный делитель на 2. Величина резисторов делителя может определяться заданным входным сопротивлением, а если оно не задано – технологическими требованиями соответствующей используемой элементной базы. Если задано входное сопротивление равное 100 Ом, то резистивный делитель должен состоять из сопротивлений номиналом 50 Ом, если входное сопротивление не задано, то для ТТЛ технологии величину резисторов следует выбрать равной 10…20 кОм.

7. Организация вывода данных

   1. Цифровые выходы

Если сигналы цифровых выходов используются внутри платы, то их можно снимать непосредственно с портов микроконтроллера. При межплатной передаче или при управлении удаленными устройствами необходимо использовать интерфейсные микросхемы. В простейшем случае это может быть регистр с повышенной нагрузочной способностью. В ответственных применениях может потребоваться гальваническая развязка.

Обычно цифровые выходы реализуют в виде открытого коллектора или двухтактного выхода. Выход ОК имеет большую помехозащищенность и позволяет просто реализовать при необходимости преобразование уровней.

2. Аналоговые выходы

Обычно для получения выходного аналогового напряжения используются внешние цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), цифровые потенциометры [29], включенные как делители напряжения или широтно-модулированные импульсные сигналы, отфильтрованные при помощи RC-цепи. Эти средства обеспечивают очень высокую точность выходного напряжения.

Как правило, ЦАП состоит из регистра данных (DATA), регистра состояния и выходного усилителя. Аналого-цифровое преобразование основано на формировании тока, пропорционального значению двоичного кода, записанного в регистр данных. Выходное напряжение ЦАП рассчитывается по формуле

V_OUT=V_REF(DATA/ 2^N),

где N – разрядность ЦАП; V_REF– опорное напряжение.

Источник опорного напряжения определяет допустимый диапазон выходного напряжения (U_ВЫХ< U_REF) и влияет на шумовые характеристики преобразования. Так, для реализации малошумящих ЦАП рекомендуется использовать высокоточные внешние REF.

Передача данных в ЦАП обычно осуществляется через двухпроводной синхронный, последовательный интерфейс (например, SPI, I²C,…), работающий в slave-режиме.

Выходное напряжение V_OUTимеет дискретный характер, вследствие чего после ЦАП необходимо включить низкочастотный сглаживающий фильтр. Параметры фильтра определяются частотными свойствами выходного сигнала, и он обычно реализуется на операционном усилителе.

На рис.4.12 приведено подключение ЦАП (DD5). Микросхема содержит два ЦАПа, встроенный источник опорного напряжения для них. Интерфейс связи с микроконтроллером – последовательный, резисторы R2, R7 – защитные.

В последнее время, наряду с ЦАП, все большее применение находят цифровые потенциометры. Так же, как и ЦАП, цифровые потенциометры используют резистивную матрицу, но, благодаря использованию современных аналоговых ключей, могут использоваться как обычные резисторы. Кроме того, они содержит встроенный последовательный интерфейс, с помощью которого задается его "сопротивление". Во многих случаях это позволяет отказаться от механических потенциометров в электрических цепях, где требуется точная настройка электронной схемы.