PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать

Принимая во внимание тот факт, что основной задачей цифровых микроконтроллеров является отслеживание и управление состоянием реального окружения, которое по своей природе имеет аналоговый характер, нам придется рассмотреть методы взаимодействия между аналоговым и цифровым миром. Часто все, что нам требуется, — это сравнить уровни двух аналоговых сигналов. Однако в более сложных случаях входной аналоговый сигнал необходимо преобразовывать в его цифровой эквивалент, т. е. выполнять аналого-цифровое преобразование (АЦП). В дальнейшем полученный двоичный код можно будет обработать привычным образом. И наоборот, если выходной сигнал должен быть аналоговым, необходимо выполнять цифро-аналоговое преобразование (ЦАП).

Из этих операций, схематично изображенных на Рис. 14.1, наиболее сложной является операция аналого-цифрового преобразования. Во многих микроконтроллерах PIC имеется встроенный модуль многоканального АЦП. А вот для формирования аналогового выходного сигнала, как правило, приходится использовать дополнительные внешние элементы.

Рис. 14.1.Аналоговый мир — цифровая обработка

В данной главе мы с вами познакомимся с характеристиками аналоговых и цифровых сигналов, а также рассмотрим преобразование этих сигналов в обоих направлениях применительно к микроконтроллерам PIC. После прочтения этой главы, вы:

• Поймете взаимосвязь между аналоговыми и цифровыми сигналами.

• Осознаете причину, по которой выборку аналогового сигнала необходимо производить с частотой, превышающей максимальную частоту этого сигнала, по крайней мере, в 2 раза.

• Узнаете, как с помощью метода последовательного приближения можно преобразовать аналоговое напряжение в его двоичный эквивалент.

• Разберетесь в работе модулей аналогового компаратора, источника опорного напряжения и АЦП, а также научитесь конфигурировать эти модули.

• Узнаете, как следует конфигурировать линии ввода/вывода микроконтроллера, чтобы они могли работать с аналоговыми или цифровыми сигналами.

• Сможете писать ассемблерные программы, считывающие значения аналоговых сигналов с использованием опроса, прерываний, «спящего» режима, а также опрашивающие состояние аналогового компаратора.

• Сможете писать программы на языке высокого уровня Си, осуществляющие инициализацию различных аналоговых модулей и взаимодействие с ними.

• Узнаете, как можно управлять микросхемой внешнего ЦАП через параллельный порт.

Информация, передаваемая при помощи аналогового сигнала, содержится в определенных параметрах, таких как амплитуда, частота или фаза, которые могут принимать любые значения из непрерывного диапазона величин. Хотя такое определение подразумевает изменение аналоговых значений в диапазоне ±, на практике этот диапазон обычно ограничен. Так, ртутный термометр может измерять температуру в диапазоне, скажем, от -10 до +180 °C. При температуре, меньшей нижней границы, вся ртуть окажется спрятанной в колбе. А при температуре, превышающей верхнее значение, термометр просто взорвется!

Теоретически квантовая природа вещества подразумевает наличие некоторого нижнего предела, после которого изменения любых параметров приобретают дискретный характер. Однако на практике максимальное значение разрешающей способности, необходимое для обработки, определяется шумами и ограниченной точностью источников сигналов.

В цифровых сигналах информация представляется в виде совокупности дискретных символов. В зависимости от числа и типа этих символов возможно представление только конечного числа значений. Так, в двоичной системе n-битное число может в лучшем случае представлять 2ⁿ уровней. Хотя такое грубое представление может показаться несопоставимым с бесконечным числом значений, которые с равной вероятностью может принимать эквивалентный аналоговый сигнал, сетку (шаг) квантования можно подобрать таким образом, чтобы обеспечить точность, требуемую для решения каждой конкретной задачи. Так, в системах передачи голоса по телефонным линиям вполне достаточно точности около 1 %. В этом случае можно использовать 8-битное представление аналогового сигнала, которое даст нам 256 дискретных значений, что соответствует разрешающей способности около 0.5 %. В музыкальном компакт-диске используется 16-битное представление (65 536 разрядов) — разрешающая способность около 0.0015 %.

Из сказанного можно понять, что любой процесс, включающий в себя преобразование между аналоговым и цифровым представлением, пройдет через этап квантования. Соответственно, нам необходимо рассмотреть, каким образом этот этап влияет на информационное содержимое соответствующих сигналов.