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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口,A 外部信号与设备的接口,概述,系统总线上的信号以非常有序的顺序发生。每个信号以事件的特定顺序来启动并在一固定时间后或被另外时间的顺序而终止。在仅有存储器和微处理器的系统中，由微处理器直接启动总线事件。,独立的外部设备和无总线兼容的信号以及与系统总线信号无时态关系的信号都不能直接连到系统总线上。系统总线通信是通过输入/输出接口来完成的。输入/输出接口的主要作用是协调处理器与外部设备之间的数据传输，以及转换为处理器可识别形式的数据。接口的其他作用可提供电隔离、噪声抑制、临时数据存储或数据格式转换。,有几种类型的接口，例如并行输入/输出、数字模拟转换、模拟数字转换、实时时钟、直接存储器访问，都是常用的。这里，我们仅限于讨论并行I/O和A/D及D/A。,P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口,并行输入接口,术语“输入”和“输出”通常指CPU和CPU的输出。如图3-2A-1所示的一个简单接口的标准图。输入接口仅受处理器控制。无论何时处理器寻址输入口，外部数据总线上的数据被允许放到处理器数据总线上，并且当CPU把数据放到总线上时，这一数据是可用的。,在这种接口中，有一个三态缓冲器，它能迫使处理器总线与外部数据线有相同的二进制值。当在不允许状态时，缓冲器输出进入高阻“第三态”，它能从总线上有效地移开数据线，允许其他数据利用系统总线。,图3-2A-1 简单的并行输入接口,图 3-2A-2 带有寄存器的并行输入接口,P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口,在某些情况下，同步交换信号的使用是必要的，如图3-2A-2。当数据可用时，外设使可用数据线求反，且数据存在接口内。同时，在状态寄存器中设定“准备好”标志以指示给CPU数据可使用。为了了解这一点，CPU必须连续查询接口（读状态寄存器），最终锁存数据。,输入任务也可由DMA（直接存储器寻址）I/O来实现。,并行输出接口,输入与输出接口的一个区别是输出接口必须有个数据寄存器，因为在CPU数据总线上，处理器数据仅在很短的时间内是一个常数。图3-2A-3所示为一简单接口形式，无论何时CPU发布接口数据寄存器的正确地址并完成一个“写”操作，便可接收数据。锁存后，数据可用于外部世界。,P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口,数模转换接口,图3-2A-4所示的数字模拟转换器是用于产生一个模拟电压和电流，在给定的“满标度”范围内，与二进制数字成比例。,图3-2A-4 数模转换器,P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口,模拟电压的数字表示,直接二进制表示，任何一个数字值的输出电压可从下式得到：,Vout=VFS(b72-1+b02-8),对于偏移二进制，例如在-1和+1V电压之间可获得一个双极型输出。,双补码,表示极性输出的另一种方法是用双补码数。如果最高有效位表示一个符号，那么最高正数为01111111，最高负数为10000000。,其他可能的表示是二进制码十进制和加号大小。也有几种可生产的可选跨接模拟电压范围。最常用的电压为5/10，5/12或10/24V。,根据数字表示和可用的满标度电压，D/A转换器的说明书应至少给出它的1.分辨率；2.转换速率；3.稳定时间；4.线性化；5.增益和偏移的温度系数。,P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口,模拟数字转换接口,图3-2A-5为一个模拟信号采集系统。它的作用是在特定的瞬时时间，即采样时间对N个模拟输入信道其中之一的电压产生一个数字表示。象在D/A转换器中，希望的数字表示是一个设计参数，其可能根据不同的A/D接口而有所不同（二进制、偏移二进制、双补码）。,图3-2A-5 模拟信号采集系统,P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口,A/D转换器可分为模拟边和数字边。在数字边，设计者必须考虑：,1集成电路技术；,2逻辑电平和三态能力；,3分辨率；,4转换速度；,5CPU信息交换；,6外部控制。,在接口的模拟处，设计者必须关注：,输入电压范围（产生最大、最小数字值的的模拟电压的差值）；,各种不同的误差源；,在A/D模拟部分产生的等效输入噪声。,就如同D/A转换器，有一个可能出现的增益和偏移误差及线性,误差。这些误差的温度系数也很重要，它们对于总误差的作用应,在温度范围内计算出来。,P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口,逐次逼近型A/D,应用在A/D转换器结构上有很广泛的技术。最普通的是逐次逼近型转换器。它具有适度速度和适度分辨率的优点。,它的作用：第一次将输入电压与设为满量程A/D参考电压一半的测试电压相比较。利用标准的D/A转换器来得到测试电压。如果第一次比较后，输入电压大于满量程的一半，那么设定最高有效输出位。如果输入电压小于满量程的一半，那么从测试电压中删掉满量程电压的一半，否则电压保持同一值。,下一次，四分之一的满量程参考电压加到测试电压上，将输入电压与测试电压再一次比较，如果输入电压超过测试电压，那么下一个最高有效位被设定，测试电压，第二位设为0，四分之一满量程参考电压被删除。,这一过程逐次以更小的加权二进制电压重复，直到测试完最低有效位。,P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口,双积分A/D,双积分A/D转换器适于性能频谱的高精度端。这种转换器，在一确定的时间T内，一个未知正输入电压U,i,作用在电子集成块上，从0伏开始，产生一个斜比为U,i,T的正向增长输出电压。然后去掉U,i,，让一个已知的页常数参考电压U积分以产生一个下降的斜坡。从参考电压作用时间的U,i,T/U秒后，第二个斜坡通过零点，时间由高速计数器测量；由于T和U是常数，因此计数器保持的值正比于输入电压。例如，如果输入电压等于参考电压U，两个积分时间相等，计数器将设为达到最大值。这种类型的转换器通常为线性的，转换器可达到20位，但转换时间相对长一些。,快速转换器,在性能频谱的高速端，并行（快速）转换器可提供大于100MHz的转换率。这由将模拟电压分为2,N,-1份，通过对每一份来提供内部电压参考来完成。由一串其输出产生二进制输出量的高速比较器将模拟信号立刻与所有参考电压相比较。由于这种A/D所要求的部件的数目和质量的原因，设备更常为8位或小于8位的。快速转换器常常是很贵的。,P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口,采样保持电路,模拟转换系统中A/D转换器前面常有一个采样保持电路。在逐次逼近转换器中特别需要一个恒定输入，因为在转换过程中，输入量要与参考量比较几次。,多路器,图3-2A-5所示的多路器概念上更象旋转开关，它能在处理器控制下旋转“寻址”任何一个输入通道。对有N个通道的多路器，每个通道都有效。机械开关和固态设备都能构成多路器。多路转换可用不同方法，例如“单端的”和“差分”连接来实现。当是参考地的信号，单端连接很有用。当你对两电压例如应变仪两桥臂电压的差值感兴趣时，差分多路器会很有用的。,P3U2B The Applications of Computers 第三部分第二单元课文B 计算机的应用,5.参考译文,B 计算机的应用,在发达国家，计算机的使用几乎遍及备行各业。这里列举计算机应用的一些例子：,1.科学计算。最早的计算机就是为作科学计算而创造出来的，计算涉及复杂的高难的数学或消耗时间的、令人厌烦的、重复性的数值计算。例如，计算炮弹的轨迹要求在几秒钟内解一组微分方程，设计一座大坝涉及解包含数百个变量的联立代数方程组可能要耗费数学家几年的时间，但计算机程序可以在几小时内完成此计算。,P3U2B The Applications of Computers 第三部分第二单元课文B 计算机的应用,2.数据处理。,计算机已被广泛地用于数据处理，例如，会计，统计，人口调查。涉及的计算非常简单加，减，乘和除，但数据量极大，超出人类的能力和耐心的限度。数据库产品如Lotus-1，2，3给使用者提供正式的数据结构，用来对数据作分类，归类，贮存，选取，检索。安装了数据库软件，计算机就能处理数据，令使用者满意。,3.自动控制。,以前，只有那些有专门技能和知识的人才可以做的事，例如，控制生产过程，操纵机器，检验产品质量，管理生产计划，管理库存，等等，现在都可由计算机来接管，全都实现自动化，效率和精度都高。NC(数字控制)系统，PID控制系统，伺服控制系统，群控控制系统，最优控制和自适应控制系统中，计算机作为中央控制单元把自动控制过程涉及的一切计算都接管过去，而且为系统中的所有的其他工作单元规定时刻表。CIMS(计算机集成制造系统)不仅包含生产控制系统，还有生产计划和管理系统，旨在把工厂自动化(FA)与办公室自动化(OA)结合起来，构成全家公司的计算机网络。,P3U2B The Applications of Computers 第三部分第二单元课文B 计算机的应用,HIMS(人类一体化制造系统)是高水平计算机控制的一种形式。通过使用高性能的计算机和特定的软件，虚拟现实技术被用来为人类操作员创造虚拟的空间。,4.计算机仿真。,计算机仿真是广泛地用于科研和工程设计的强有力的分析工具，表现出无与伦比的优点。有了计算机仿真，科学家和工程师们在观察未知现象，分析复杂过程，设计机器或建筑物时就不需建造真实的硬件模型了。当被研究对象很昂贵，或者不可能把它建造成模型时，那么，计算机仿真就特别重要了。,事实上，计算机仿真是建立在反映被研究或被考察对象的实质的数学模型的基础之上的。数学模型包含一系列用数学的思维和方法描述该对象的内在过程的方程式。每一计算机仿真程序都包括从这些方程式推导出来的算法。,已开发出许多计算机仿真系统，已证明它们在成本-效果上是合算的。因为采用了计算机仿真程序，工程师们每次输入不同的方案和参数到他们的计算机模型中即可完成重复性的设计过程而不必建造许多的、不同的真实模型。,P3U2B The Applications of Computers 第三部分第二单元课文B 计算机的应用,5.机器人学。,在机器人中的控制器大多数是计算机-从微型计算机到小型计算机。NC(数值控制)和SC(伺服控制)用得很广泛。它们可重复编程以产生机器人根据该程序将要采取的运动和行动所需的指令序列。举例来说，控制器把一系列脉冲发送到机器人臂的一个关节内的步进电机，正如那程序所要求的那样使它旋转一角度。当所有的关节都以这种方式驱动时，机器人臂将伸到预期的位置，具有预期的姿态，装在臂端的终端执行机构就按照控制器的指示做它的工作。运动的精度决定于控制器本身。,6.CAD和CAM。,CAD(计算机辅助设计)是一种软件，能帮助工程师们设计新产品、建筑物、印刷电路板、土木工程如桥梁、机场，把他们从令人厌烦的、劳累的和消耗时间的工作中解放出来，如画图(草图和工程图)。当工程师们从事设
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