计算机控制技术第4章计算机过程输入输出通道

第第4章章 计算机过程输入计算机过程输入/输出通道输出通道 主要内容主要内容本章明确了计算机过程输入/输出通道的功能，介绍了模拟量和开关量输入/输出通道的基本结构和组成，简述了各输入/输出通道的实现方法。 学习任务熟悉模拟量输入/输出通道和开关量输入/输出通道的结构和组成。 认知各输入/输出实现的必要条件和处理方法。 掌握常用A/D、D/A转换器的工作原理和微处理器的连接 4.1 模拟量输入通道模拟量输入通道4.1.1 模拟量输入通道的结构形式模拟量输入通道的结构形式 1.单路模拟量输入通道 单路模拟量输入通道一般由传感器、信号调理电路、放大器、采样保持器、A/D转换器、接口电路等几部分组成，其结构如图4-1所示。 图4-1 单路模拟量输入通道一般结构2.多路模拟量输入通道 （1）共享A/D转换器的结构形式 共享A/D转换器的结构形式是指所有输入模拟量共用一个A/D转换器，实现分时A/D转换。这种形式结构简单、成本低，其结构如图4-2所示。 图4-2 共享A/D多路模拟量输入通道结构（2）多A/D转换器的结构形式 多A/D转换器的结构形式是指每个输入模拟量分别采用对应的A/D转换器，实现同时转换。这种形式结构复杂、成本高，但数据采集速度快。 4.1.2 模拟量输入信号的调理模拟量输入信号的调理 1.信号滤波 滤波的方法有软件与硬件之分。图4-3是用来滤除工频干扰的无源双T形电阻网络窄带带阻滤波器，它可以有效地滤除工频干扰， R可以按式（4-1）进行选择。 f N= （4-1）图4-3 无源双T形电阻网络窄带带阻滤波器12 RC图4-4是有源双T形电阻网络窄带带阻滤波器，比无源双T形电阻网络窄带带阻滤波器有较高的品质因素。图中， C1F， R按式（4-1）计算。 图4-4 有源双T形电阻网络窄带带阻滤波器用软件方法进行数字滤波，可以滤除频率更低的干扰，该部分内容将在6.1节中介绍。2.I/V变换为了适应A/D转换器的输入需要，必须把电流信号变换成统一的电压信号，这就需要采用电阻网络进行电流/电压（I/V）变换。图4-5是一种无源I/V变换电路。无源I/V变换电路是利用无源电阻器件，加上 RC滤波和二极管限幅等保护来实现的。图4-6是有源I/V变换电路，它利用运算放大器构成同相放大电路，将电阻R1上产生的输入电压变换成输出电压，二者关系为 （4-2） 图4-5 无源I/V变换电路 图4-6 有源I/V变换电路 412(1)RVIRR3.信号放大信号的放大常使用运算放大器，根据要放大的信号的特点，运算放大器可连接成同相或反相（单端输入）及差分放大（双端输入）三种形式，其电路原理如图4-7所示。 图4-7 运算放大器另外，为了提高差分放大的线性度和共模抑制比，还可采用仪表放大器。常用的仪表放大器原理如图4-8所示,这里 （4-3） 312112(1)()OGRRUUURR图4-8 仪表放大器原理图4.非线性补偿 非线性的线性化可采用硬件和软件两种方法。硬件方法是利用运算放大器构成负反馈来实现，如对于铂铑铂热电偶；而软件方法实现非线性补偿的过程将在6.2节中介绍。4.1.3 多路开关多路开关1.多路开关的种类按照构成元件性质，多路开关可分成机械接触式和电子式两类，下面介绍两种通用型多路开关。（1）机械接触式多路开关 常用的机械接触式多路开关是干簧继电器，其原理如图4-9所示。图4-9 干簧继电器原理（2）电子式多路开关 CD4051是双向、单端8通路多路开关，其内部结构和引脚排序图如图4-10所示。图4-10 CD4051的内部结构和引脚排序图工作过程是当禁止端INH为低电平时，CD4051根据通道选择控制端A、B、C的数值，由片内二进制译码器译出8种状态，分别选中IN/OUT0IN/OUT7中的一个开关与OUT/IN接通;当禁止端INH为高电平时，不论A、B、C为何值，8个通路都不能接通，禁止芯片使用。 2.多路开关的扩展电路下面以CD4051扩展16路多路开关为例，介绍多路开关的扩展。图4-11 由两片CD4051组成的16路多路开关原理图 4.1.4 程控增益放大器程控增益放大器 程控增益放大器能够对不同的输入信号用程序来设置相应的放大系数，并进行量程自动转换。 利用程控增益放大器进行量程自动转换的原理如图4-12所示。图4-12 利用程控增益放大器进行量程自动转换的原理常用的程控增益仪表放大器有AD620、AD625等。其中AD625的原理图如图4-13所示，图4-14是AD625的简化电路图。图4-13 AD625原理图图4-14 AD625的简化电路图4.1.5 采样和采样定理采样和采样定理 1.采样过程 计算机的测量控制过程如图4-15所示，首先输入信息，即将模拟信号加到A/D转换器上，转换成数字信号输入计算机，然后执行数据处理或控制程序，计算出测量结果或控制量，最后输出，实际上这就是计算机的一次工作过程。当计算机不断重复上述过程，即实现了循环控制。 计算机的每次循环时间都是固定的，它与采样周期有关。这说明计算机进行测量或控制只能每隔一定时间进行一次。因此，计算机每隔一定时间 T采入一次模拟信号的瞬时值的过程，我们称之为采样，时间间隔 T称为采样周期。 图4-15 计算机的测量控制过程 采样过程是由采样开关实现的，如图4-16（a）所示。采样开关每隔一定时间 T闭合一次，于是原来在时间上连续的模拟信号 f（t）就变成了时间上离散的采样信号f*（t），如图4-16（b）、（c）所示。 图4-16 信号的采样过程通常采样的持续时间是非常短的，所以可以将采样信号 f*（t）看作成一个有强度、无宽度的脉冲序列，也就是看作成单位脉冲序列被f（t）调制的结果，如图4-17所示。图4-17 f（t）对单位脉冲序列的调制作用图中脉冲函数T（t）的数学表达式为 T（t）= （4-4） 经过f（t）调制，脉冲强度由f（kT）所决定，因此采样信号f *（t）的表达式是 f*（t）= 由于t0时，f（t）=0，所以采样信号f *（t）的一般表达式为 f *（t）= （4-5）2.采样定理 由频谱分析可知，通常连续信号的频谱宽度是有限的，一般为一孤立频谱，其最高频 率为max，如图4-18（a）所示，而f *（t）的频谱是离散频谱，如图4-18（b）、（c）、（d）所示。()ktkT() ()kf kTtkT0() ()kf kTtkT图4-18 f（t）和f *（t）的频谱可见 ，为了保证采样信号f *（t）的频谱是被采样信号 f（t）的频谱的无重叠的重复（沿 频率轴方向），以便采样信号f *（t）能反映被采样信号f（t）的变化规律，采样频率s（s=2/ T =2f）至少应该是f（t）的频谱F（j）的最高频率max的两倍，即 s2max （4-6） 这就是著名的采样定理，即香农定理。 3.量化和A/D转换器字长的选择 假设 fmin和fmax分别为采样信号的最小值和最大值， n为二进制字长，那么下式 （4-7）称为最小量化单位。对采样信号进行量化编码变换为数字表示时，用的就是最小单位q的整数倍。 maxmin2nffq量化有两种方法，一是“只舍不入”，二是“有舍有入”。“只舍不入”方法误差较大，因此多使用“有舍有入”方法。图4-19给出了“有舍有入”的量化示意图。 图4-19 “有舍有入”的量化示意图通常执行量化的装置是A/D转换器，为了把量化误差限制在允许的范围内，A/D转换器字长的确定应考虑两方面: 1）输入信号的动态范围若输入信号的最大值fmax和最小值fmin之差为 fmax-fmin=（2n-1）q （4-8） 则A/D转换器字长为 nlog2（1+ ） （4-9） （2）分辨率 有时要求以分辨率的形式给出A/D转换器的字长，若分辨率为 D= （4-10） 则A/D转换器字长为 nlog2（1+ ） （4-11） 【例4-1】 测量10002000 Pa范围内的压力，要求分辨率不低于0.005（即5 Pa），则A/D转换器的字长为多少? 解解: 根据式（4-11）有 nlog2（1+ ）= log2（1+ ）7.65即A/D转换器的字长n应为8位。 maxminffq121n1D1D10.0054.采样保持器为保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器。当然，如果输入的模拟信号变化缓慢，A/D转换器转换时间也足够短时，也可省去采样保持器。 采样保持器（S/H）又称采样保持放大器，原理图如图4-20所示。图4-20 采样保持器原理图采样保持器的工作过程分为两种状态:采样和保持。在采样状态时，控制信号IN+有效输出电压 Vo跟随输入电压Vi变化;在保持状态时，控制信号IN+去除，因而输出电压Vo = VC也保持恒定。常用的采样保持器有AD582、LF391LF392LF398等，其原理图如图4-21所示。它们的采样或保持的控制电平采用TTL逻辑，LF398的采样控制电平为“1”，保持电平为 “0”，AD582则相反，还有的采样保持器采用脉冲控制采样或保持。图4-21 采样保持器的原理图4.1.6 A/D转换器及其与微处理器的连接转换器及其与微处理器的连接 A/D转换器是把模拟电压或电流转换成数字量的集成电路器件。1.12位A/D转换器AD574A （1）AD574A芯片介绍 AD574A是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，如图4-22所示。图4-22 AD574A的内部结构和引脚排序图 表4-3 AD574A控制信号的作用 （2）AD574A的输入方式 单极性、双极性连接电路分别如图4-23（a）、（b）所示。图4-23 AD574A的输入方式连接电路CSC8R/12/CEA0操作0无1无1000启动12位A/D转换1001启动8位A/D转换101+5 V允许12位数字并行输出101接地0允许高8位数字输出101接地1允许低4位数字输出（3）AD574A的工作原理 AD574A的工作时序如图4-24所示。图4-24 AD574A的工作时序（4）AD574A与微处理器的接口电路和转换方法 AD574A与8051单片机的接口电路如图4-25所示。图4-25 AD574A与8051单片机的接口电路 电路按图4-25连接，对一个模拟量输入进行12位A/D转换，并将转换结果存放在内存30H和31H单元。 程序清单如下: lAD574A: CLR P3.7 lCLR P3.6; 经“与”门后使CE=1 lMOV DPTR，#FF7CH ; A0=0，R/=0，=0 lMOVX DPTR，A ;启动A/D lHD: JB P1.0，HD ;=1未完，继续转换（询问完?） lMOV R0，#30H lMOV DPTR，#FF7EH ;使R/=1，A0=1 lMOVX A，DPTR ;读高8位 lMOV R0，A ;存高8位 lMOV DPTR，#FF7DH ;使R/=1，A0=0 lMOVX A，DPTR ;读低4位 lANL A，#0FH ;屏蔽掉高4位随机数 lINC R0 ;指向下个单元地址 lMOV R0，A ;存低4位数字 lEND: SJMP END ;停止 2.VFC与微处理器的连接 V/F变换器（VFC）的作用就是把电压信号转换为频率信号（1）LM331芯片介绍 图4-26是LM331的内部结构和引脚排序图。图4-26 LM331的内部结构和引脚排序图（2）LM331的工作原理 LM331的转换定时波形如图4-27所示。图4-27 LM331转换定时波形（3）LM331的接口电路和转换方法 LM331与8051连接的最简便方法就是将频率输出端接至单片机的定时/计数器的输入端，通过测量输入脉冲信号的频率，求得输入电压VIN，其接口电路如图4-28所示。图4-28 LM331与8051的接口电路4.1.7 A/D转换模板转换模板 为了方便使用，设计者一般会将完成某一特定功能所需的输入电路和A/D转换器及其接口集成在一块板卡上，这种板卡就称之为A/D转换模板。设计者只需按照需要选用 A/D转换模板即可。但如果要自己设计一块A/D转换模板，首先应考虑它的通用性，主要有以下几方面:（1）符合总线标准 符合总线标准，就可以方便地和该总线的微处理器组成完整的微型计算机控制系统。具体做法是把各种功能模块插到主板的任意一个插槽上，十分方便简捷。目前在微型计算机控制系统中，常用的总线有STD、ISA（PC）、EISA和PCI等几种。 （2）用户可选择的接口地址 微型计算机控制系统中可能有几块功能模板，应该允许用户对每块模板的接口地址有选择的余地，否则很容易引起冲突。接口地址一般包括基址和片址两部分，如图4-29所示。图4-29 接口地址译码电路（3）选择输入方式 输入方式可选主要是指模板既可接受单端输入信号也可接受双端差动输入信号。在结构组成上，A/D转换模板也是按照I/O电气接口、I/O功能逻辑和总线接口逻辑三部分布局的。其中，I/O电气接口完成电平转换、滤波、隔离等信号调理作用;I/O功能逻辑实现采样、放大、模/数转换等功能;总线接口逻辑完成数据缓冲、地址译码等功能。 其次，A/D转换模板的设计还应考虑到采样保持器的使用与否，输入跟随或信号放大处理，多路模拟信号的切换技术和隔离技术，以及A/D的转换精度和速度等。 （4）模拟量输入通道的设计实例 图4-30是典型的12位32路高速模拟量输入通道原理图。图4-30 12位32路高速模拟量输入通道原理图 4.2.1 模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式1.单路模拟量输出通道 如图4-31所示，单路模拟量输出通道一般由接口电路、寄存器、D/A转换器和V/I变换器等组成。图4-31 单路模拟量输出通道的结构形式图4-32 多个通道共享D/A转换器的结构形式2.多路模拟量输出通道 多路模拟量输出通道是指所有输出模拟量共用一个D/A转换器，实现分时D/A转换，如图4-32所示。 4.2 模拟量输出通道模拟量输出通道4.2.2 D/A转换器及其与微处理器的连接转换器及其与微处理器的连接 D/A转换器是将数字量转换成模拟量的集成电路器件。1.10位D/A转换器DAC1208 （1）DAC1208芯片介绍 DAC1208是电流型输出的12位D/A转换芯片，如图4-33所示。图4-33 DAC1208的内部结构和引脚排序图（2）DAC1208的工作原理DAC1208工作时序如图4-34所示。 图4-34 DAC1208的工作时序图（3）DAC1208的接口电路和转换方法 图4-35是12位DAC1208与8051的接口电路。图4-35 12位DAC1208与8051的接口电路设DAC寄存器地址为42H，8位输入寄存器地址为41H，4位输入寄存器地址为40H，高8位数据存于30H，低4位数据存于31H，因此对应的转换程序如下。 程序清单: lDASUB3: MOV R0，#41H ;8位输入寄存器地址 lMOV R1，#30H ;高8位数据地址 lMOV A，R1 ;取高8位数据 lMOVX R0，A ;输出到DAC1208高8位输入寄存器 lDEC R0 ;低4位输入寄存器地址 lINC R1 ;低4位数据地址 lMOV A，R1 ;取低4位数据 lSWAP A ;与高4位数据交换 lMOVX R0，A ;输出到DAC1208低4位输入寄存器 lMOV R0，#42H ;DAC寄存器地址 lMOVX R0，A ;数据输入DAC寄存器，完成D/A转 换2.D/A转换器字长的选择 D/A转换器一般都通过功率放大器推动执行器。设执行器的输入范围为vminvmax（即最小值到最大值），灵敏度为，参照式（4-9）可得D/A转换器的字长 （4-13）3.用V/I变换器实现电流输出 常用的有两种形式，分别如图4-36（a）、（b）所示。 图4-36 V/I转换电路随着半导体技术的发展，也可使用各种性能优良的 集成电路V/I转换器。图4-37是高精度V/I转换器ZF2B20的引脚图。图4-38是利用ZF2B20实现V/I转换的接线图。maxmin2log (1)vvnq 图4-37 ZF2B20的引脚图图4-38 用ZF2B20实现V/I转换的接线图4. D/A转换模板的通用性 在微型计算机控制系统中，同模拟量输入通道一样，模拟量输出通道也是以模板或板卡形式出现的，A/D转换模板也需要遵循输入/输出模板的通用性原则:符号总线标准，接口地址可选以及输出方式可选。前两条同A/D转换模板一样，而输出方式可选主要是指允许用户根据所用的执行机构选择输出方式，如有的执行器使用电流控制，而有的用电压控制;有的用单极性电压控制，有的则需要用双极性电压控制等。 典型的开关量输入/输出通道结构如图4-39所示，一般由CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入/输出电气接口三部分组成。 图4-39 开关量输入/输出通道结构4.3.1 开关量输入通道开关量输入通道 被控对象的开关信号可用三态门缓冲器74LS244取得，如图4-40所示。其结构如图4-41所示。另外，为了防止干扰通过开关量输入通道进入微型计算机控制系统，需要采用隔离技术，而现在普遍使用光电耦合器4.3 开关量输入开关量输入/输出通道输出通道图4-40 74LS244的接口电路 图4-41 光电耦合器的结构图4-42为在输入缓冲器74LS244前增加光电耦合器的开关量输入通道。图4-42 光电隔离开关量输入通道4.3.2 开关量输出通道开关量输出通道 在微型计算机控制系统中，输出的控制信号，都要锁存保持到下一个采样时刻，可以用74LS273作输出锁存器，如图4-43所示。图4-44是带光电隔离的开关量输出通道。 图4-43 74LS273的接口电路图4-44 带光电隔离的开关量输出通道本章小结本章小结过程输入/输出通道是联系计算机和生产过程及外部世界的桥梁，是微型计算机控制系统、数字测量仪表及以单片机为核心组成的各种产品的重要组成部分。它可分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道四种类型。 本章介绍了模拟量输入通道的基本结构、组成和模/数转换方法。首先将模拟量输入信号进行滤波、I/V变换、放大（或衰减）和非线性补偿等必要处理，然后经多路开关和采样保持器的采样，再送由A/D转换器量化成数字量信号，以供CPU读入。在模拟量输入通道中A/D转换器是核心部件，它的字长 n要根据输入信号的动态范围和对系统分辨率的要求来权衡确定。当输入信号变化较慢同时对抗干扰性要求较高时，也可采用V/F转换器构成A/D转换器。 模拟量输出通道的任务是数/模转换，并且具有一定的保持功能，其核心部件是D/A转换器。一般来说，D/A转换器可有单极性或双极性电压两种输出方式，但是如果执行器需要电流控制，也可使用V/I变换器将电压信号转换成电流信号。 开关量输入/输出通道主要是用来处理开关、继电器、指示灯等开关元件的各种开关量信号的。开关量输入通道可实现数字量或开关量的输入，而开关量输出通道主要用于直接驱动开关元件。另外为了防止引入干扰，模拟量和开关量输入/输出通道一般都要采用一定的滤波电路和隔离技术，如低通滤波器和光电耦合器等，以抑制脉冲扰动、电网波动和共模电压等。 在实际组成微型计算机控制系统时，可设计或直接选用现成的输入/输出模板，因此本章也介绍了有关的设计方法。顺便指出，通道I/O接口，在CPU控制下向存储器传送数据，速度是比较慢的。当传送大量数据时，可采用直接存储（DMA），实现数据的高速输入/输出。 习题与思考习题与思考4-1 模拟量输入通道有何作用?主要由哪几部分组成? 4-2 在什么情况下需要使用程控增益放大器?简述利用程控增益放大器进行量程自动转换的原理。 4-3 简述采样定理。 4-4 若电炉温度变化范围在0200内，要求分辨率不低于0.005（即1），则所选用的A/D转换器的字长应为多少? 4-5 在模拟量输入通道中，采样保持器有何作用?是否在所有模拟量输入通道中都需要采样保持器?为什么? 4-6 CPU读取A/D转换结果常用哪几种方法?各有什么优缺点? 4-7 试用8051单片机和AD574A组成一个12位8通道数据采集系统，请画出软、硬件框图。 4-8 什么情况下可以采用V/F转换器组成A/D转换器?V/F转换器有哪些优缺点? 4-9 简述LM331的工作原理。 4-10 试利用AD1208设计一个双路同步输出的D/A转换电路。 4-11 开关量输入/输出通道由哪几部分组成?各有何作用?