第3章南邮i.o接口与过程通道

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1、第3章 I/O接口与过程通道,南京邮电大学 电气信息工程系,3.1 输入输出与过程通道 3.2 模拟量输入通道 3.3 模拟量输出通道 3.4 D/A、A/D转换器的电源、接地与布线 3.5 硬件抗干扰技术,OUTLINE,3.1 数字量输入输出通道,数字量（开关量）信号： 开关的闭合与断开 继电器或接触器的吸合与释放 马达的启动与停止 阀门的打开与关闭 用 “0”和“1”表示,1.数字量输入接口,74LS244： 隔离输入和输出 起缓冲作用 八个通道，可同时输入8个开关状态,MOV DX, PORT IN AL, DX,生产过程的状态信息,3.1.1 数字量输入输出接口技术,2. 数字量输出

2、接口,控制状态,需要保持，直到下次给出新的值为止,MOV AL, DATA MOV DX, PORT OUT DX, AL,可用锁存器74LS273对状态输出信号进行锁存,基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号,1、数字量输入通道结构,3.1.2 数字量输入通道,输入调理电路 把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 计算机能够接收的逻辑信号,小功率输入调理电路 大功率输入调理电路,2. 输入调理电路,开关去抖电路,图3.4 采用积分电路,（1）小功率输入调理电路,RS触发器去抖电路,（2）大功率输入调理电路,大功率系统中，需从电磁离合等大功率器件的接点输入信号 为使接点工作可靠，接点两端

3、至少要加24V以上的直流电压 由于所带电压高，故高、低压之间，用光电耦合器进行隔离,图3.6 大功率信号输入电路,1、数字量输出通道结构,3.1.3 数字量输出通道,小功率直流驱动电路 大功率驱动电路,2、输出驱动电路,采用功率晶体管输出驱动继电器电路 采用高压输出的门电路驱动,图3.8 继电器驱动电路,（1）小功率直流驱动电路,达林顿阵列输出驱动继电器电路,（2）大功率驱动电路,(a)直流固态继电器的结构,可以利用固态继电器(SSR)等实现,(b)交流固态继电器的结构,数字(开关)量输入/输出通道模板举例,PCL-730板卡组成框图,3.2 模拟量输入通道,功能： 把从系统中检测到的模拟信号

4、，变成二进制数字信号，经接口送往计算机,3.2.1 模拟量输入通道的组成,信号调理部分将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号 依据检测信号及受干扰情况的不同而不同 是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分 通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压转换、滤波、线性化、共模抑制及隔离等,3.2.2 信号调理,1、量程自动转换技术,单参数测量系统,多参数测量系统,量程自动转换： 根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求,可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier)，简称P

5、GA 可编程增益放大器有两种： 组合PGA和集成PGA,仪用测量放大器电路,图3.13 组合PGA,组合PGA,MCP6S系列产品主要特点：,8种可编程增益选择：+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16 或+32 V/V； SPI串行编程接口； 级联输入和输出； 低增益误差，最大：1%； 低漂移，最大：275V； 高带宽频率，典型值：212MHz； 低噪声，典型值：10 nV/rtHz 10 kHz 低电源电流，典型值：1mA； 单电源供电，2.5V5.5V；,集成PGA,图3-19 无源I/V变换电路,V=R2*I,无源I/V变换,2. I/V变换,图3-20 有源I/V变换电路,有源I

6、/V变换,2. I/V变换,CD4051的原理电路图,3.2.3 多路转换器,CD4051的真值表,1. 信号的采样,采样过程（简称采样）是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程,图3.22 信号的采样过程,3.2.4 信号的采样和量化,采样频率由香农（Shannon）采样定理确定： s2max 一般取： s(410) max,2. 量化,量化：采样信号经整量化后成为数字信号的过程 量化过程就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号，执行量化动作的装置是A/D转换器 字长为n的A/D转换器把yminymax范围内变化的采样信号，变

7、换为数字02n-1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位，其表达式为：,3.2.5 采样保持器,孔径时间和孔径误差的消除,采样保持原理,3.2.5 采样保持器,采样保持器的主要作用： (1) 保持采样信号不变，以便完成A/D转换 (2) 同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量 (3) 减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间 (4) 把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性 常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/389,图3.23 LF198/298/398原理图及引脚,(a)LF

8、198/298/398原理图,(b)LF198/298/398的引脚排列,3.2.6 A/D转换器,A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件 A/D转换方法有逐次逼近式、双积分式、并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈式等 常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0801、ADC0809等，12位分辨率的AD574A等； 常用的双积分式A/D转换器有3位半（相当于2进制11位分辨率）的MC14433等,1、A/D转换器的主要指标,A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等 转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所

9、需要的时间 分辨率：分辨率表示A/D转换器对模拟信号的反应能力 ，通常用数字量的位数n（字长）来表示 量程：即所能转换的电压范围,1、A/D转换器的主要指标,精度：精度有绝对精度和相对精度 输出逻辑电平：多数为TTL电平，有并行和串行两种输出形式 工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标 基准电源的精度将对整个A/D转换结果的输出精度产生影响,(1) 8位A/D转换器ADC0809,ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装,2、常用的A/D转换器,图3.25 AD57

10、4内部结构图,(2) 12位A/D转换器AD574A,AD574A引脚功能,3.2.7 A/D 转换器接口设计,1硬件设计,模拟量输入信号的连接 数字量输出引脚的连接 参考电平的连接 时钟的选择 A/D转换器的启动方式 转换结束信号的处理,1硬件设计,转换结束信号的硬件连接有三种形式： 中断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上。 查询方式：把转换结束信号经三态门送到PC数据总线或I/O接口的某一位上。 转换信号悬空：即该管脚与其它管脚之间无电气连接。,2软件设计,启动A/D转换，中断、查询或延时等待转换时间后根据数据输出格式读出转换结果 (1)

11、启动A/D转换 (2) 转换结果的读出。 中断方式： 查询方式： 软件延时方法：,图3.27 ADC0809与PC总线的连接,3.2.8 A/D 转换器与PC接口,1ADC0809与PC总线工业控制机接口,一次A/D转换操作分两步进行： (1)启动ADC0809，并锁存通道地址 (2)判断A/D转换结束并读出转换结果,START： MOV AL，00H ； 设定通道数 OUT 220H，AL ； 送通道地址、启动A/D转换 CALL DELAY ； 等待转换完成 IN AL，220H ； 读取A/D转换结果,设ADC端口地址为220H，要把0通道的模拟量转换成数字量，利用软件延时方式实现,图3

12、.28 AD574A通过8255A与PC总线的连接图,2AD574A与PC总线工业控制机接口,首先进行8255A的初始化 实现一次A/D转换包括A/D转换的启动、检测转换是否结束、数据的读出 采用查询方式,2AD574A与PC总线工业控制机接口,(1)8255A初始化设置 INIT：MOV AL，9AH；设置A、B口及C口的工作方式 MOV DX，2D3H ；8255A的控制寄存器 OUT DX，AL ；方式字送控制寄存器 (2)启动A/D转换 START：MOV AL，00H MOV DX，2D2H ；8255A的端口C OUT DX，AL ；使=0，启动A/D转换,(3) 检测转换是否结束

13、及数据的读出 LOOP： MOV DX，2D2H ；8255A的端口C IN AL，DX ；查询STS的状态 TEST AL，80H JNZ LOOP ；转换未完成则等待 MOV AL，01H ；置位，即=1 OUT DX，AL DEC DX ；指向8255A的端口B IN AL，DX ；读入端口B高8位数据 MOV BX+1，AL ；数据保存 DEC DX ；指向8255A的端口A IN AL，DX ；读入端口A数据 ANL AL，0F0H ；屏蔽低四位数据 MOV BX，AL ；数据保存,3.3.1 模拟量输出通道的结构形式,模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、采样保

14、持器、V/I变换等组成。,1、一个通路设置一个D/A转换器的形式,图3.29 一个通路一个D/A转换器的结构,3.3 模拟量输出通道,2、多个通路共用一个D/A转换器的形式,图3.30 多个通路共用一个D/A转换器的结构,D/A转换器：将数字量转换成模拟量的元件或装置，其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比例 输入输出关系： VVrefD/(2n1) 常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器,3.3.2 D/A转换器,1. D/A转换器的主要技术指标,主要技术指标有分辨率、建立时间、非线性误差等,分辨率：用D/A转换器数字量的位

15、数n(字长)来表示 建立时间：指D/A转换器中代码有满度的变化时，其输出达到稳定(离终值1/2LSB相当的模拟量范围内)所需要的时间 非线性误差：实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量 输出信号：不同型号的DAC输出信号相差较大，如05V、 010V、 030V、 03A等 输入编码：一般为并行或串行二进制码输入，也有BCD码输入,2. D/A转换器,8位D/A转换器DAC0832,图3.33 DAC1210的内部结构,12位D/A转换器DAC1210,3.3.3 D/A转换器接口技术,D/A转换器应用接口的设计，主要包括数字量输入信号的连接以及控制信

16、号的连接 D/A编程相对简单，包括：选中D/A转换器、送转换数据到数据线，启动D/A转换 1.数字量输入信号的连接 数字量输入信号连接时要考虑数字量的位数，D/A转换器内部是否有锁存器。 2.控制信号的连接 片选信号、写信号及转换启动信号,图3.34 DAC0832与PC总线接口电路,3.3.4 D/A转换器与PC接口,1、8位D/A转换器DAC0832与PC的连接,若DAC0832的地址为：200H，则8位二进制数56H转换为模拟电压的接口程序如下： CONVERT： MOV DX，200H ；DAC0832地址 MOV AL，56H ；要转换的立即数 OUT DX，AL ；CS/=WR1/=0，启动D/A 转换,DAC1210与PC总线的连接,2. 12位D/A转换器与PC的连接,CONVERT：MOV AL，68H ；高8位数据 MOV DX，220