电子工程师设计认证-设计例程

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目 录

第三章 设计例程 ..................................................................................................................... 3 3.1 电源模块 .......................................................................................................................... 3

3.1.1设计目的及任务 .................................................................................................... 3 3.1.2 线性直流稳压电源的基本原理 ........................................................................... 3 3.1.3 设计内容 ............................................................................................................... 4 3.1.4 电子设计DIY ........................................................................................................ 6 3.2 单片机最小系统模块 ...................................................................................................... 7

3.2.1 设计目的及任务 ................................................................................................... 7 3.2.1 单片机最小系统的组成 ....................................................................................... 7 3.2.3 设计内容 ............................................................................................................... 9 3.2.4电子设计DIY ....................................................................................................... 10 3.3 I/O扩展模块 ................................................................................................................ 11

3.3.1设计目的及任务 .................................................................................................. 11 3.3.2 8155 I/O扩展芯片的基本工作原理 ................................................................ 11 3.3.3设计内容 .............................................................................................................. 13 3.3.4电子设计DIY ....................................................................................................... 16 3.4 Led显示模块 ................................................................................................................ 17

3.4.1 设计目的及任务 ............................................................................................... 17 3.4.2 LED显示器的基本工作原理 .............................................................................. 17 3.4.4电子设计DIY ....................................................................................................... 23 3.5 LCD1602字符型液晶模块 ............................................................................................ 24

3.5.1设计目的及任务 .................................................................................................. 24 3.5.2 LCD1602字符型液晶基本工作原理 .................................................................. 24 3.5.3 设计内容 ............................................................................................................. 26 3.5.4 电子设计DIY ...................................................................................................... 31 3.6 调理模块 ....................................................................................................................... 32

3.6.1 设计目的及任务 ................................................................................................. 32 3.6.2 运算放大电路 ..................................................................................................... 32 3.6.3 设计内容 ............................................................................................................. 33 3.6.4 电子设计DIY ...................................................................................................... 35 3.7 A/D模数转换模块 ........................................................................................................ 36

3.7.1 设计目的及任务 ............................................................................................... 36 3.7.2 A/D转换器的基本参数和指标 .......................................................................... 36 3.7.3 12位11路串行 A/D转换器TLC1543 .............................................................. 37 3.7.4电子设计DIY ....................................................................................................... 44

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3.8 RS232通信模块 ............................................................................................................ 45

3.8.1设计目的及任务 .................................................................................................. 45 3.8.2 RS-232串行总线通信的基本原理 .................................................................... 45 3.8.3 设计内容 ............................................................................................................. 48 3.8.4 电子设计DIY ...................................................................................................... 52

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第三章 设计例程

3.1 电源模块

电源是各种电子系统与设备的原动力，电源系统出故障，会使整个电子设备不能正常工作，因此电源性能的好坏直接影响到系统与设备工作质量和效率。直流稳压电源是一种性能接近理想电压源的直流电源，分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类，本节以线性稳压电源的设计为例来说明电源模块的设计。

3.1.1设计目的及任务

设计目的：理解直流稳压电源各部分的工作原理及作用；熟悉常见的线性集成稳压电源芯片。

设计任务：设计一个交流输入8V和15V，直流输出+5V、+12V和-12V的线性直流稳压电源。

功能指标：输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5×10，输出内阻小于0.1欧。

设计要求：所设计的直流稳压电源应满足EDP实验仪系统设计要求，并能与整个系统有效结合。以下是一个线性直流稳压电源的设计范例及其相应电路的讲解，仅供参考。

33.1.2 线性直流稳压电源的基本原理

线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，该类电源的优点是稳定性高，纹波小，可靠性高。

1、线性直流稳压电源的组成

线性直流稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分组成如图3.1所示。

交流电源变压器整流电路滤波电路稳压电路直流负载

图3.1 直流稳压电源结构框图

变压器的初级一侧一般为220V交流电压，次级一侧电压可以根据所需直流电压的大小，通过选择适当的变压比来得到。整流电路利用二极管的单向导电性将交流电变换成脉动直流电，利用滤波电路将脉动直流电压滤为较平滑的直流电压。由于整流、滤波电路输出的直流电压稳定性较差，当电网电压波动或负载变化时输出电压也随之而变化，采用稳压电路后，输出电压的稳定程度将大为提高。

2、线性直流稳压电源的原理图

集成稳压器的种类很多，作为小功率的线性直流稳压电源，应用最为普遍的是三端集成稳压器。常用的三端集成稳压器有：78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压型）（实际产

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品中，XX用数字表示，XX是多少，输出电压就是多少。例如7805，输出电压为＋5V）；LM317系列（可调正电压型），LM337系列（可调负电压型）。表3.1给出了78XX/79XX系列(摩托罗拉公司)部分产品的输出电压和输出电流。

表3.1 78XX/79XX系列部分产品的参数

型 号 输出电流(A) 78LXX 78MXX 78XX 79LXX 79MXX 79XX

0.1 0.5 1.5 0.1 0.5 1.5 输出电压(V) 5、6、9、12、15、18、24 5、6、9、12、15、18、24 5、6、9、12、15、18、24 -5、-6、-9、-12、-15、-18、-24 -5、-6、-9、-12、-15、-18、-24 -5、-6、-9、-12、-15、-18、-24 三端集成稳压器有三端固定集成稳压器和三端可调集成稳压器，如图3.2所示。

图3.2

三端固定式集成稳压器封装及管脚排列图

a) TO-92封装 b)TO-202封装 c)TO-220封装 d)TO-3封装

另外在使用78XX与79XX时要注意，采用TO-3金属外壳封装的78XX系列集成电路时，其金属外壳为地端；而同样封装的79XX系列的稳压器，金属外壳是负电压输入端。因此，在由二者构成多路稳压电源时，若将78XX的外壳接印刷电路板的公共地，79XX的外壳及散热器就必须与印刷电路板的公共地绝缘，否则会造成电源短路。

3.1.3 设计内容

1、原理图及说明

EDP实验仪采用的线性直流稳压电源电路原理图如图3.3所示，输入220V的交流电压，经变压器T1后输出为8V的交流电压，经变压器T2后输出为15V的交流电压。经整流、滤波、稳压后输出的是＋5V、＋12V和—12V的直流电压。

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图3.3

线性直流稳压电源原理图

2、管脚定义

试验仪线性稳压电源模块接口定义如图3.4所示。

+12V -12V GND ～8 V ～8 V ～15V ～15 ～8 V ～8 V ～15V 线性稳压电源模块 ～15 +12V -12V GND 图3.4 线性稳压电源模块接口定义

+5V GND +5V GND 中心抽头 3、调试步骤

1）、按照印制电路板焊接线性直流稳压电源模块电路板，焊接完毕，对照原理图认真检查一遍然后开始测试；

2）、打开实验仪主控开关，用万用表检测电源模块插孔交流电压的输出是否正确，如果一切正常便可以检测电源模块；

3）、关闭实验仪主控开关，插好刚焊接好的电源模块电路板，打开实验仪主控开关，观察电路板有无异味或异常响动，如果一切正常可以开始下一步的测试；

4）、用万用表按电源模块电路板引脚的定义，检测+5V、+12V、-12V输出是否正常； 5）、若+5V、+12V、－12V输出不正常，需要重新检查有无错焊、漏焊、虚焊，并重复3、4、5的步骤，直到输出正常，电源板的设计工作结束。

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4、制作基本要求及注意事项

1）、区分电路板的元件面和焊接面； 2）、焊接元件：先焊小元件，先安装结构件； 3）、按要求安装左右插座引出插针并焊接； ? 所有插针全部与焊盘焊接不要遗漏 ? 先焊少量插针确认安装到位后再焊其它插针 4）、安装集成线性稳压电路的散热片； ? 将稳压集成电路安装在散热片上 ? 确认稳压电路安装位置

? 用螺钉将散热片固定在电路板上焊牢稳压集成电路引脚 5）、正确辨别电解电容的极性；

5、思考和发挥部分

1）、在测试时若无+5V直流电压输出，分析产生的原因，请画出故障诊断流程。 2）、在测试时若±12V输出不正常，分析产生的原因，请画出故障诊断流程。 3）、焊接时，若电解电容极性接反会出现称什么后果？

3.1.4 电子设计DIY

设计要求：参考上述线性稳压电源的电路原理图，在EDP试验仪的面包板上自行完成一个交流输入8V和15V，直流输出+5V、+12V和-12V的线性直流稳压电源，画出电路原理图并完成相应的硬件设计。

设计提示：

1） 如果不用固定输出的稳压集成电路，试采用LM317或LM117可调稳压集成电路完成上述设

计。

2） 如果采用固定三端集成稳压器，请参考表4.1.1和相关的说明。 3） 电路原理图可参照图3.5，试验仪面包板的引脚定义可参照图3.5。

GND GND 图3.5 面包板的引脚定义

线性稳压电源模块 +5V GND +5V GND 6

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3.2 单片机最小系统模块 3.2.1 设计目的及任务

单片机最小系统一般应该包括单片机、时钟电路、复位电路等几部分。

设计目的：了解单片机最小系统的构成；理解构成单片机最小系统的各部分的作用；熟悉P0口的内部结构和实际应用中提高负载能力的方法。

设计任务：用STC89C58RD+设计一个带复位电路和外部晶振的单片机最小系统。 功能指标：晶振频率11.059MHz，P0口具有较强的负载能力，且有地址所存功能。

设计要求：所设计的单片机最小系统应满足EDP实验仪系统设计要求，并能与整个系统有效结合。以下是一个单片机最小系统的设计范例及其相应电路的讲解，仅供参考。

3.2.1 单片机最小系统的组成

所谓系统就是可以独立实现某些特定功能的一个产品。如果功能相对简单，使用的MCU的资源足够，那么一个MCU带一点非常少的辅助元件就可以实现一个最小系统。STC 89C58RD+内部有32K的Flash程序存储器，有1280B的RAM，所以在最小系统中，只需加上时钟电路和复位电路就可以构成一个简单的系统。

STC 89C58RD+芯片内部有一个高增益反相放大器构成内部自激振荡电路，其输入端为芯片引脚XTAL1（19），其输出端为引脚XTAL2（18）。STC 89C58RD+的振荡电路有以下两种形式。

1）、内部时钟方式

在XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，组成并联谐振电路，构成稳定的自激振荡器，如图3.6所示，晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。

89C58RD+XTAL1C1晶振1C2XTAL2至内部时钟电路

图3.6 89C58RD+的内部时钟电路

2）、外部时钟方式

在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入，如图3.7所示。

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VCCTTL外部时钟信号189C58RDXTAL2XTAL1VSS

图3.7 89C58RD+外部时钟方式

常见的复位电路有下列三种形式，如图3.8所示。

1）上电自动复位方式——是在单片机接通电源时，对电容充电来实现的。上电瞬间，RST端的电位与VCC相同。只要在RST端有足够长的时间保持阈值电压，单片机便可自动复位。

2）按键电平复位方式——通过使RST端经电阻与VCC电源接通而实现。 3）按键脉冲复位方式——利用微分电路产生的正脉冲实现复位。

(1) 上电自动复位 (2) 按键电平复位 (3) 按键脉冲复位

图3.8 常见的复位电路

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3.2.3 设计内容

1、原理图及说明

EDP试验仪单片机最小系统模块电路原理图如图3.9所示，图中时钟电路采用内部时钟方式，晶振频率11.0592MHz；复位电路采用按键电平复位；74LS373是地址锁存器，用于在系统扩展时锁存外部设备的地址；排阻RX1是P0口的上拉电阻，用于提高P0口的负载能力。

图3.9

STC 89C58RD+的最小系统

2、管脚定义

EDP试验仪单片机最小系统模块接口定义如图3.10所示。

＋5V ＋5V P1.0 P1.2 P1.4 P1.6 RST TXD T1 RD P1.1 P1.3 P1.5 P1.7 RXD INT0 WR 单片机最小系统模块 ＋5V ＋5V P0.0 P0.2 P0.4 P0.6 A0 A2 ALE P2.7 P2.5 P2.3 P2.1 图3.10 单片机最小系统模块接口定义

P0.1 P1.3 P0.5 P0.7 A1 EA P2.6 P2.4 P2.2 P2.0 INT1 T0 GND GND GND GND 9

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3、调试步骤

1）、按照印制电路板焊接最小单片机系统模块电路板，焊接完毕，对照原理图认真检查一遍然后开始测试；

2）、打开实验仪主控开关，用万用表检测1、2、27、28引脚输入的＋5V电压是否正确，如果正常便可以检测最小单片机系统模块；

3）、用示波器或频率计检测41引脚ALE是否以晶振1/6的固定频率输出正脉冲，若正常说明单片机和振荡电路工作正常；

4）、运行一段程序，使单片机的P1口输出持续的高电平，用数字万用表检测P1口的输出是否正确，若输出高电平，按下复位键，再检测P1的电平是否为低电平，若正常，说明单片机合复位电路工作都正常。

4、思考和发挥部分

1）、在图4.2.4中，排阻RX1的作用是什么，在单片机最小系统中，若不加排阻RX1，对实验的结果有无影响？

2）、EA引脚的功能是什么？若将EA不接，将产生什么后果？ 3）、若将系统的时钟改为6MHz，对系统的性能有何影响？

3.2.4电子设计DIY

设计要求：参考上述单片机最小系统的电路原理图，用STC89C516RD+在EDP试验仪的面包板上自行完成一个带复位和晶振，且P0具有较强负载能力用于系统的扩展的单片机最小系统，画出电路原理图并完成相应的硬件设计。

＋5V ＋5V 单片机最小系统模块 ＋5V ＋5V 图3.11

设计提示：

1）试验仪面包板的引脚定义可参照图3.11；

2）提高P0口的负载能力除了可参阅上述加电阻的方式之外，还可以考虑采用TTL型三态

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GND GND GND GND

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缓冲门电路74LS244、74LS245；

3）时钟和复位电路的选择可以参考4.2.2节的内容； 4）STC89C516RD+的参数和性能可查阅相应的手册。

3.3 I/O扩展模块

3.3.1设计目的及任务

1、设计任务：设计一个基于单片机的I/O扩展模块以及相应的外围电路。

2、 功能指标：扩展I/O数量大于16个，可以通过编程控制输入或者输出方向，电源为＋5V供电 3、 设计要求：所设计的I/O扩展模块应满足EDP实验仪系统设计要求，并能与整个系统有效结合。

以下是一个以8155 I/O扩展芯片为例的设计范例及其相应电路的讲解，仅供参考。

3.3.2 8155 I/O扩展芯片的基本工作原理

1 、8155内部结构

Intel 8155芯片内包含有256个字节RAM，2个8位、1个6位的可编程并行I/O口和1个14位定时器/计数器。8155可直接与MCS-51单片机连接不需要增加任何硬件逻辑。由于8155既有RAM又具有I/O口，因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一，8155的引脚及内部结构如下图3.12：

图3.12: 8155的引脚及内部结构

8155共有40个引脚，采用双列直插式封装。各引脚功能如下：

AD7～AD0：地址数据总路线。单片机和8155之间的地址、数据、命令、状态信息都是通过它传送的。

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CE：片选信号线，低电平有效 RD：存储器读信号线，低电平有效。 WR：存储器写信号线，低电平有效。

LE：地址及片选信号锁存线，高电平有效，其后沿将地址及片选信号锁存到器件中。 IO/M：I/O接口与存储器选择依赖线，高电平表示选择I/O接口，低电平选择存储器。 PA7～PA0：A口输入/输出线。 PB7～PB0：B口输入/输出线。

PC5～PC0：C口输入/输出或控制信号线。用作控制信号线时，其功能如下： PC0：A INTR（A口中断信号线）。 PC1：A BF（A口缓冲器满信号线）。 PC2：ASTB（A口选通线）。 PC3：B INTR（B口中断信号线）。 PC4：B BF（B口缓冲器满信号线）。 PC5：BSTB（B口选通线）。 TIMER IN：定时器/计时器输入端。 TIMER OUT：定时器/计数器输出端。 RESET：复位信号线。 VCC：＋5V电源。 VSS：地。

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3.3.3设计内容

1、试验仪8155模块接口定义

试验8155模块接口定义如图3.13。

VCC SS11 SS33 SS55 D0 D2 D4 D6 RST CE WR GND VCC SS22 SS44 SS66 D1 D3 D5 D7 ALE IO/M RD GND 图3.13：试验8155模块接口定义 注：上图中为8155模块的双26针插脚位置及定义。 2、设计原理及其说明 单片机与8155芯片的连接框图见图3.14，详细的电原理图见图3.15。 8155I/O扩展模块 VCC ZH ZF ZD ZB SS8 SS6 SS4 SS2 GND VCC ZG ZE ZC ZA SS7 SS5 SS3 SS1 GND

单片机 MCU┊ D0～D7 8155 ┊ PA口CEWRRDALEIO/M┊ PB口┊ PC口 图3.14： 单片机与8155芯片的连接框图

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图3.15：8155电原理图

注：IO/M端接单片机的P2.0脚，CE端接单片机的P2.1脚。

EDP试验仪的显示采用6位共阴极动态扫描方式，段选码由8155的8位并行口 PB提供，位选线则由8155的PA口提供。单片机通过一片I/O扩展芯片8155为LED显示器提供LED段选码和位选线。由于8155的I/O口不能提供足够的灌电流，因此，通过两次正向驱动器7407与LED段选线连接；通过一片反向驱动器7406与LED的位选线连接，以提供给LED足够的显示电流，详细的LED设计请参考4.4节。8155除了为LED模块提供扩展接口外，还同时为键盘和LCD模块提供外部扩展接口，请参考相关的章节。

单片机通过片选线选通8155芯片，然后将要传输的数据通过D0~D7送8155芯片，8155芯片把输入的地址进行译码并通过PA、PB、PC口输出。 3、软件设计方法

软件设计中，首相定义8155的命令寄存器的外部地址是0x0fd00，定义PA和PB口的外部地址为0x0fd01和0x0fd02。然后定义一个数据缓存数组data dis_buffer[]，存储显示数据。其流程见图4-3-5，根据软件流程的51单片机的C语言接口函数见例3.16。

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开始 定义常量 程序初始化 数码管显示 延时 N 延时时间到？ Y 结束

图3.16：软件流程

例3-1：8155测试程序

#include

#include //使用XBYTE必须使用的头文件 #define ORDER8155 XBYTE[0xfd00] #define PA8155 XBYTE[0xfd01] #define PB8155 XBYTE[0xfd02] #define uchar unsigned char

uchar data dis_buffer[] = {0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6}; /***** 延时子程序 ******/ void delay(uchar x) { }

/***** 显示子程序 *****/ void display(uchar *p) {

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// 定义8155命令寄存器地址 // 定义8155 PA口地址 // 定义8155 PB口地址

// 位选线，1~6 // 段选码，显示1~6

uchar code table[20] = {0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d };

while(x--);

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uchar i,sel;

ORDER8155 = 0x03; sel = 0x01; { }

PB8155 = table[*p]; PA8155 = sel; del_ms(50); p++; sel = sel<<1;

//设定8155 工作在I/O口扩展方式

for(i = 0; i <= 5; i++)

} void main() {

while(1) {

display(dis_buffer); } }

4、 设计调试步骤

1、 把电源模块、CPU模块、8155扩展模块、LED显示器模块、串口通信模块插在正确的位置

上，并把跳帽进行正确短接。

2、 建立Keil工程，编辑、编译源代码并生成可下载的HEX文件 3、 连接串口线，通过串口通信模块使用STC-ISP软件下载程序

4、 观察LED显示数据，如果以上步骤正确的话，在LED上应能显示0、1、2、3、4、5六个

数字。

3.3.4电子设计DIY

设计要求：请参考上述8155模块电原理图在EDP试验仪的面包板上自行完成一个16路I/O扩展电路设计，画出电原理图并完成相应的硬件设计。电源为单5V。

设计提示：可以采用并行8155或8255 I/O扩展芯片或者串行I/O扩展芯片，与实验仪单片机的连接可以采用串行或并行方式。试验仪面包板的引脚定义可参照图3.17。

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VCC GND VCC GND 3.17：试验仪面包板的引脚定义

GND VCC VCC GND 3.4 Led显示模块

3.4.1 设计目的及任务

1、设计任务：设计一个8段6位LED数码管显示器以及相应的驱动电路。

5、 功能指标：可以显示0～9数字以及A~F英文字符，并带小数点。电源为＋5V供电 6、 设计要求：所设计的显示器应满足EDP实验仪系统设计要求，并能与整个系统有效结合。 以下是一个LED显示器的原理、设计范例及其相应电路的讲解，仅供参考。

3.4.2 LED显示器的基本工作原理

1 、LED的结构

(a)数码管结构 (b)共阳极接法 (c)共阴极接法 图3.18: LED数码管原理图

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LED显示器采用发光二极管显示字段。单片机糸统中经常采用的是八段显示器，即LED显示器中有8个发光二极管，每段LED的笔画分别称为a、b、c、d、e、f、g，代表“a.b.c.d.e.f.g.”七个字段和一个小数点“dp”。它有共阴和共阳两种结构。七段LED的阳极连在一起称为共阳极接法，而阴极接在一起的称为共阴极接法。如图3.18所示。

具体引脚与笔画的对应因厂家和型号的不同而略有差异。一位显示器数码管的结构如图1所示。

2、LED的工作原理

共阴极的LED，只要在某该段二极管加上高电平，该段即点亮，反之则暗。共阴极的与之相反。对共阴极LED显示器的控制采用“接地方式”即通过控制LED的“GND”引脚的电平高低来达到选通的目的，该引脚即通常所说的位选线。共阳极LED显示器控制方式则相反。两种控制方式中，共阴极LED控制方式受糸统器件功耗限制，只能用在小尺寸的LED显示器中。对于大尺寸LED显示器的控制（如大屏幕计时器）一般使用共阳极方式。使用LED显示器时，工作电流一般为5-10mA/段，这样当LED处于全亮状态时，工作电流约40-80 mA左右。LED显示器的亮度除与工作电流有关外，还与LED的型号有关。根据显示亮度的不同划分为普通亮度和高亮度LED，高亮度LED显示器的发光强度远大于普通亮度的LED，正常情况下的发光强度越是普通LED的10倍，即在1-2 mA/段时便可点亮。一个单片机应用系统中，通常将控制LED显示字符的8位数据称之为段选码，七段LED的段选码如图3.19所示，共阴级与共阳极段选码互为补码，即两数值相加等于FFH。

图3.19：七段LED的段代码 字符 0 1 2 3 4 5 6 7 共阴 3FH 06H 5BH 4FH 06H 6DH 7DH 07H 共阳 COH F9H A4H BOH 99H 92H 82H F8H 字符 8 9 A B C D E F 共阴 7FH 6FH 77H 7CH 39H 5EH 79H 71H 共阳 80H 90H 88H 83H C6H A1H 86H 8EH 段选码的数值大小根据LED结构很容易得出，假设一个共阴LED要显示数字“0”，根据图4-1则有：a=b=c=d=e=f=1=1，g=0 dp=0 即二进制的“00111111B”，也就是16进制的“3FH”。

3.4.3设计内容

1. 试验仪LED显示器接口定义

试验仪LED显示器接口定义如图图3.20。

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VCC GND VCC GND LED 数码管 VCC SS1 SS3 SS5 SS7 ZA ZC ZE ZG GND VCC SS2 SS4 SS6 SS8 ZB ZD ZF ZH GND 图3.20 ：LED数码管模块的双26针插脚位置及定义

2、原理图及其说明

试验仪LED显示器的原理图可参照图3.21和3.22，由于单片机的I/O口有限，因此通过一片I/O口扩展芯片8155的PA和PB口作为LED的“段选线”和“位选线”。试验仪上的LED采用共阴极模块。为了驱动各段LED，需要外加驱动电路。本模块采用两片正向驱动器7407与LED段选线连接，通过一片反向驱动器7406与LED的位选线连接。

单片机 D0—D7 扩展芯片8155 PA口 数码管 控制位PB口

图3.21 LED数码管原理框图

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1 IC2AZF1IC2BZE3IC2CZD5IC2DZA9IC2EZB11IC2FZC13IC3EZG11234527407474076740787407FEVCCDFGEDHCBA123456789U1AC30.1uC10.1uC20.1u10B740712C740710G740787407HVCC8*1K从PB口输入IC3DZH9送给数码管显示101010IC1ASS1174062W198769876GGNDFGGNDFGGNDFEGNDDSS2IC1B37406ABAB4W2EGNDDEGNDDSS3IC1C56740687406W3…………LED6W6CDPCDPSS4IC1D9W4LED11234512345SS5IC1E1110W5J1740612W67406从PA口输入SS6IC1F13选定数码管 插接线W1W2LED212345CDPAB9876 图3.22： LED数码管模块电原理图 3.用动态显示方式实现在六个LED显示器显示不同字符。 EDP实验型通过8155 I/O扩展芯片控制LED显示。8155的PB口和PA口分别作为字形口和字位口，它们的地址分别为0fd02H和0fd01H，8155控制口为0fd00H。设8155的工作方式命令字为03H，即8155的PA、PB口作为输出口且工作于方式0，PC口不用。 在程序编写中，为了显示6个不同的字符，必须在存贮器中开辟一个显示缓冲区，缓冲区里放置欲显示字符的字形码。程序从显示缓冲区中逐个取出要显示的字形码，依次把字符显示在规定的B12345TitleSizeNumber字位上。在每点亮一个LED显示器后，延时一段时间，使之发光稳定，然后顺序点亮其它的显示器，这样循环扫描显示。由于延时时间短，因此我们看到的效果是所有字符同时被显示出来，这种显示方式就称为动态显示。通过对延时时间的控制，可以使显示达到不同的效果。 4、软件设计方法

软件设计中，首相定义8155的命令寄存器的外部地址是0x0fd00，定义PA和PB口的外部地址为0x0fd01和0x0fd02，然后定义一个数据缓存数组Led_number[6]，存储显示数据。其流程见图4-4-5，根据软件流程得到的LED动态显示与51单片机的C语言接口函数LED.c见例3.23。

Date:File:12-Mar-2008D:\\学习软件\\protel\\led.DDB20

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开始 程序初始化 设定8155工作方式 指向第一个数码管地址 Y 是否指向第六位 N 发送数据并显示 延时 指向下一个数码管地址

图3.23：LED软件流程

例3.2：LED.C动态显示接口程序

/***************************************************************** FileName:

LED.c

Description: 6位数码管上显示函数

****************************************************************/ #include // 定义各种宏，作为总的头文件包含各需要的头文件 //数码管显示0~9是的数码段的数值

int S_Data[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //数码管1—6位码段的数值

int W_Data[6]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20};

/***************************************************************

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函数名称： delay() 函数功能： 实现延时功能 函数参数： 返回：

x 无

****************************************************************/ void delay(uchar x) { }

/*************************************************************** 函数名称： LED()

函数功能： 实现数码管的显示功能 函数参数： 返回：

Data[6] 无

while(x--);

*****************************************************************/ void LED(unsigned char Data[6]) { }

主函数调用显示函数的程序如下：

/*********************************************************** FileName:

main.c

Description: 实现6位数码管的显示控制

************************************************************/ #include void LED(int Data[6]);

unsigned char Led_number[6]={0,1,2,3,4,5}; //数码管要显示的6位数字 void main() {

PORT=0x03; //8155的A,B口作为输出端口，C口为输入端口 while(1) int i=0,j=0; for(i=0;i<6;i++) { }

for(j=0;j<5;j++) { }

delay(100);

W_IO=W_Data[5-i]; S_IO=S_Data[Data[i]];

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}

5、调试步骤

5、 把电源模块、CPU模块、8155扩展模块、LED显示器模块、串口通信模块插在正确的位置

上，并把跳帽进行正确短接。

6、 建立Keil工程，编辑、编译源代码并生成可下载的HEX文件 7、 连接串口线，通过串口通信模块使用STC-ISP软件下载程序

8、 观察LED显示数据，如果以上步骤正确的话，在LED上应能显示0、1、2、3、4、5六个

数字。

6、思考和发挥部分

1) 如何修改程序，使显示的数字类似跑马灯一样不停地闪烁？ 2) 如何修改程序，使显示循环？ 3) 如何修改程序，使显示左循环？ 4) 如何修改程序，使显示两位移动？

{ }

LED(Led_number);

3.4.4电子设计DIY

设计要求：请参考上述LED电原理图在EDP试验仪的面包板上自行完成一个6位8段数码管显示电路，画出电原理图并完成相应的软硬件设计。

设计提示：可以采用共阴或公阳LED数码管，与实验仪单片机的连接可以采用串行或并行方式。试验仪面包板的引脚定义可参照图3.24，与单片机的连接请参考图3.20和图3.22。

VCC GND VCC GND GND 图3.24: 试验仪面包板的引脚定义

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VCC VCC GND

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3.5 LCD1602字符型液晶模块

3.5.1设计目的及任务

设计任务：设计一个字符型液晶显示器，熟悉HD44780及其兼容液晶控制器的指令集及其使用方法；熟悉8155并口扩展芯片的使用；熟悉Keil uv2 集成开发环境；熟悉STC-ISP软件的使用。 功能指标：显示器可以在任意位置显示任意ASCII码表内的字符。 要求：所设计的显示器应满足系统设计要求，并能与整个系统有效结合。 范例：以下是一个设计范例及其讲解，供参考。

3.5.2 LCD1602字符型液晶基本工作原理

LCD1602字符型液晶主控制驱动电路为HD44780，可以显示32个（16*2）5*8点阵字符，模块结构紧凑轻巧，装配容易，单+5V电源供电，低功耗长寿命高可靠性。引脚功能如图3.25所示：

图3.25 1602液晶引脚

引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 信号真值表如图3.26所示

表3.26 1602液晶信号真值表 符号 Vss Vdd V0 RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 BL+ BL- 状态 输入 输入 输入 三态 三态 三态 三态 三态 三态 三态 三态 功能 电源地 +5V逻辑电源 液晶驱动电源 寄存器选择 读写操作选择 使能信号 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 背光电源正 背光电源-

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1602液晶写操作时序如图3.27所示：

图3.27 1602液晶写操作时序

1602液晶读操作时序如图3.28 所示：

图3.28 1602液晶读操作时序

1602液晶常用指令如图3.29所示。

表图3.29 1602液晶常用指令

RS R/W 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1

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DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 功能 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 I/D S 0 0 0 0 1 D C B 0 0 1 DL N F * * BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 数据 数据 清屏 输入方式设置 显示开关控制 功能设置 读BF及AC的值 写数据 读数据

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3.5.3 设计内容

1、 实验仪1602液晶接口定义

试验仪LCD显示器接口定义如图3.30 所示。

图

3.30 1602液晶模块的双26针插脚位置及定义

DB0～DB7对应8155的A口，RE 对应P1.5，RW对应P1.6，E对应P1.7

2、原理图

U2VCCVCCC10.1uFDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7123RS4RW5E678910111213141516GNDVDDVORSRWEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BL1BL2J121CON2VCCR11020182018FM1602C 图3.31 1602液晶原理图

3、 原理框图

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总线信号8155 I/O扩展电路液晶数据口4、 软件流程图（1）总体流程

1602液晶P1.5~P1.7 LCD控制端图3.32 1602液晶原理框图

开始清屏8155初始化设置输入方式液晶初始化设置显示方式键盘初始化键盘 是否输入？YN液晶显示

图3.33软件总体流程

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（2）写显示数据流程

读忙标志位RS＝1RW ＝0 E=1 送数据 0E＝ 图3.34 写显示数据流程

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（3）写指令流程

读忙标志位RS＝0（4）读忙标志位流程

例3.3 1602液晶接口程序void wrd(uchar dat)//写数据 { busy();

rs=1;

RW ＝0E=1 送指令 E＝ 0 图3.35 写控制指令流程

RS＝0RW ＝1E＝1读数据，最高位为忙标志 图3.36 读忙标志位流程

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}

void wri(uchar dat)//写指令 { }

void busy(void) { }

IO定义如下所示： #define rs P1_5 #define rw P1_6 #define en P1_7

#define PORT XBYTE[0x0fd00] #define PORT_A XBYTE[0x0fd01] #define PORT_B XBYTE[0x0fd02] #define PORT_C XBYTE[0x0fd03] 5、调试步骤

9、 10、 11、 12、

把电源模块、CPU模块、8155 I/O扩展模块、1602液晶模块、串口通信模块插在正确的位置上，并把跳帽进行正确短接（J1短接则液晶背光点亮） 建立Keil工程，编辑、编译源代码并生成可下载的HEX文件 连接串口线，通过串口通信模块使用STC-ISP软件下载程序 调试，直到能够正确显示 PORT_A=0xff; rs=0; rw=1; en=1; PORT=0x00; PORT=0x0f;

//把8155A口由输出状态转为输入状态 //把8155A口由输入状态转为输出状态

while(PORT_A & 0x80); busy(); rs=0; rw=0; en=1; PORT_A=dat; en=0; rw=0; en=1; PORT_A=dat; en=0;

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跳线的用法： 1、J1为液晶背光跳线接头，当短接时液晶背光点亮

6、思考和发挥：在需要显示的字符数大于16个时（一行能够显示的最多字符数），请思考怎么才能美观的把所有信息显示完整？如何实现？

3.5.4 电子设计DIY

设计要求：请参考上述LCD电路原理图在EDP试验仪的面包板上自行完成一个1602液晶显示电路，画出电路原理图并完成相应的软硬件设计。

设计提示：1602液晶同时支持4位总线方式（高4位），4位总线方式可以简化硬件设计，试在面包板上设计一个4位总线方式的1602液晶显示器。（注意初始化的时候要初始化成4位总线方式）

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3.6 调理模块

3.6.1 设计目的及任务

设计任务：设计一个调理电路，熟悉各种形式运算放大电路；了解调理电路的结构和作用；通过改变电位器的阻值实际观察调理电路的作用；熟悉Keil uv2 集成开发环境；熟悉STC-ISP软件的使用。 功能指标：调理电路的输出能基本与设计的理论值相符。

要求：所设计的调理电路应满足系统设计要求，并能与整个系统有效结合。 范例：以下是一个设计范例及其讲解，供参考。

3.6.2 运算放大电路

运算放大电路涉及到的最重要的概念是虚短和虚断，常见运算放大电路的组态如下所示。 一、比例放大电路

AU?1?R1R2

AU??RfR1

图3.37 比例放大电路

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二、差分放大电路

uO?R1R(u2?u1)?1uSR2R2

图3.38 差分放大电路

三、仪用放大电路

图3.39 仪用放大电路

AU?uO2R??(1?1)uI1?uI2Rg3.6.3 设计内容

1、 管脚定义

实验仪调理模块接口定义如图3.40所示。

+5V -12V +12V GND +5V -12V +12V GND +5V +5V 调理模块 WENDU SHIDU SIG1 GND SIG2 GND 图3.40 实验仪调理模块接口定义

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2、 原理图

+12VU1R125.1K3R82KVCCW2JumperJUMPER62R112KR10362SIG_OUT2D13.6V+12V77U3TP1TP41541-12VR135.1KVCCTP2TP2K-12VR910K+12VTP3TPJ1321CON3C710437U262SIG_OUT141IN1TPAGNDTPIN2TP-12VR2110K55

图3.41 调理电路原理图

SIG_OUT1?Vin(1?R9) R8R21) R8V1_out?Vin2(1?SIG_OUT2?SIG_OUT1(3、 原理框图

RRR12)(1?13)?V1_out13

R11?R12R10R10外接直流电平同相放大差分放大输出至AD可调直流电平同相放大

图3.42调理电路原理框图

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4、 软件流程

开始AD初始化液晶初始化采样液晶显示

图3.43 调理电路软件流程

5、设计步骤

1、 把电源模块、CPU模块、调理模块、AD采样模块、液晶模块、串口通信模块插在正确的位

置上，并把跳帽进行正确短接

2、 建立Keil工程，编辑、编译源代码并生成可下载的HEX文件 3、 连接串口线，通过串口通信模块使用STC-ISP软件下载程序

4、 调试，直到能够正确显示，并用万用表测量差分放大输出端实际电压，如与显示的电压之

间有误差，分析原因

5、 调节电位器W1，看输出值的变化

跳线的用法： 1、 调试时JUMPER必须短接 2、 仅使用可调直流电平时需把IN2端子对地短接，J1 2，3短接；调试差分放大时，IN2端子与IN1短接，J1 2，3短接，此时J1 1号端子为外接电平输入端

6、思考与发挥：

(1)JUMPER如果不短接（悬空），会出现什么情况？ (2)如果没有输出端的稳压二极管D1会出现什么情况？

3.6.4 电子设计DIY

设计要求：请参考上述调理电路原理图在EDP试验仪的面包板上自行完成一个调理电路，画出电路原理图并完成相应的软硬件设计。

设计提示：为提高带负载能力，在输入输出端加跟随；在相应位置把固定电阻换成电位器，使增益可调，并在调整电位器的时候观察效果。

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3.7 A/D模数转换模块

3.7.1 设计目的及任务

设计任务：设计一个多通道的AD模数转换电路及其外围电路 功能指标：

? 分辩率：8位或以上 ? 采样精度：± 1LSB

? 信号输入通道数：8 个或以上 模 拟 输 入 通 道 ? 接口形式：串行或并行数据总线 ? 转换时间：单通道不小于100μ S ? 电源电压：单电压5V ? 模拟输入电压范围：0～2.5V。

设计要求：所设计的AD模数转换电路应满足EDP实验仪系统设计要求，并能与整个系统有效结合。

以下是模数转换、参数原理以及采用ADC0809和TLC1543 AD芯片的设计范例及其相应电路的讲解，仅供参考。

3.7.2 A/D转换器的基本参数和指标

1．分辩率(Resolution) 或转换灵敏度

指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。假设一个A/D转换器的模拟输入电压的范围是-V~+V，转换位数是n，即有2n 个量化电平，则分辩率(Resolution) 或转换灵敏度为

△V=2V/2n

在同样的输入电压的时，A/D转换器的位数越高，则它的分辨率或转换灵敏度越高。

2. 转换速率(Conversion Rate)和采样时间

是指完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需的时间的倒数。积分型A/D的转换时间是毫秒级属低速A/D，逐次比较型A/D是微秒级属中速A/D，全并行/串并行型A/D可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。

3. 量化误差(Quantizing Error) 或有效转换位数（ENOB）

由于A/D的工作原理决定A/D数值转换不能做到完全线性，必然会因有限分辩率而引起误差，即有限分辩率A/D的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率A/D（理想A/D）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。它可以表征A/D转换器的精度。

4. 线性度(Linearity) 或非线性误差

指A/D转换器的实际特性转移函数与理想直线的最大偏移，它是由A/D转换器本身的电路结构和制造工艺等原因造成的。

其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单

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调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。

5.A/D转换器的选择

A/D转换器的选择包括以下几个方面：

? 转换分辨率、速度以及精度，这是A/D转换器的基本参数。

? 模拟量的输入通道数，可以根据现场的实际来选择单通道或多通道A/D转换器。

? 与微处理器的数据接口，有并行或者串行总线之分。串行的有SPI、I2C等协议的，但转

换速率一般小于并行AD.

? 模拟量输入，包括差分还是单端输入以及输入电平范围等。 3.7.3 12位11路串行 A/D转换器TLC1543 1. 芯片引脚定义及说明

TLC1543是TI公司的多通道、低价格的CMOS 10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，芯片内部有一个14通道多路选择器可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试，可广泛应用于各种数据采集系统。主要技术指标如下：

分辩率：10位

总 的 不 可 调 整 误 差 ：± 1LSB Max 信号输入：11 个 模 拟 输 入 通 道 内置采 样 与 保 持电路 3 路 内 置 自 测 试 方 式 接口形式：SPI串行数据总线 转换时间：典型最大10μ S 电源电压：单电源5V

TLC1543采用20脚DIP封装，引脚排列如图4-9-3所示。各管脚功能说明如下： A0 ～ A10：11路模拟信号输入端， 模 拟 信 号 输 入 由 内 部 多 路 器 选 择 REF+：基准电压正（通常为VCC或采用基准电压） REF-：基准电压负端（通常为地）

/CS：片选端，/CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器同时控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK

和DATA OUT。

ADDRESS：串行数据输入端，是一个4位的串行地址，用来选择下一个即将被转换的模拟输入

或测试电压。

DATA OUT：A/D转换结束后三态串行数据输出端。 I/O CLOCK：为数据输入/输出提供同步时钟。

EOC：转 换 结 束 端 。 在 第 十 个 I/O CLOCK 该 输 出 端 从 逻 辑 高 电 平 变 为

低 电 平并 保 持 低 直 到 转 换 完 成 及 数 据 准 备 传输。

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A0A1A2A3A4A5A6A7A8GND123 4556575859510520191817516VCCEOCI/O CLKADDRESSDATA OUT515CS5REF+145135125115 A11A9REF-_图3.44：TLC1543的引脚排列

2.设计内容

? 试验仪AD转换模块TLC1543接口定义

试验仪AD转换模块TLC1543接口定义见图3.45。

VCC VCC TLC1543A/D转换器模块 VCC Data out GND VCC /CS GND Address I/O CLK A1-IN1 A2-IN2 A3-IN3 A4-IN4 GND GND

注：A1-IN1指TLC1543的A1模拟输入通道，其它类推。

? AD转换模块原理图及其说明

TLC1543 A/D转换模块的电原理图见图4-9-7。TLC1543的三个控制输入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATA OUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI接口。由于试验仪的STC89C58RD+单片机没有SPI接口，需通过软件模拟SPI协议以便和TLC1543接口。芯片的三个输入端和一个输出端与单片机的I/O口可直接连接。

TLC1543的基准由TL431提供标准2.5V电压。如基准电压不准，可调节WR1电位器。

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图3.46：TLC1543 A/D转换模块的电原理图

软件设计中，应注意区分TLC1543的11个模拟输入通道和3个内部测试电压地址。表1为模拟通道和内部电压测试地址。程序软件编写应注意TLC1543通道地址必须为写入字节的高四位，而CPU读入的数据是芯片上次A/D转换完成的数据。

模拟输入通道选择 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 内部测试电压选择 (Vref++ Vref-)/2_ Vref- Vref+

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输入寄存器地址（2进制） 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 输入地址 1011 1100 1101 输出结果(16进制) 200 000 3ff 注：Vref+为加到TLC1543 REF+端的电压，Vref-是加到REF-端的电压 电子设计工程师认证课程

TLC1543 AD转换器软件设计方法

TLC1543工作时序如图3.47所示，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。工作时CS必须置低电平，CS为电高平时，I/O CLOCK、ADDRESS被禁止，同时DATA OUT为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据

CS I/O 101234567891 CLOCK ??·ê?ü?úAé?2ù?ü?úB 高阻状态 DATA A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0B9 OUT MSB LSB?′é?×a?êy?Y ADDRESS B3 B2 B1 B0 MSB LSB EOC 移入8位输入数据，同时 转换，I/O CLOCK、ADDRESS移出前次转换结果使能，DATA OUT 脱离高阻状态。随后，CPU向端提供4位通道A/DADDRESSa?时×aê??aê??地址，控制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1路送到采样保持电路。同时，I/O CLOCK端输入时钟时序，CPU从DATA OUT 端接收前一次A/D转换结果。I/O CLOCK从CPU 接受10时钟长度的时钟序列。前4个时钟用图3.47：TLC1543工作时序 4位地址从ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后6个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。模拟输入的采样起始于第4个I/O CLOCK的下降沿，而采样一直持续6个I/O CLOCK周期，并一直保持到第10个I/O CLOCK的下降沿。转换过程中，CS的下降沿使DATA OUT引脚脱离高阻状态并起动一次I/O CLOCK的工作过程。CS的上升沿终止这个过程并在规定的延迟时间内使DATA OUT引脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止I/O CLOCK和ADDRESS端。

TLC1543 SPI接口软件设计流程见图3.48。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/epr6.html