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1、第2章 微型计算机控制系统的过程输入输出技术,2.1 过程输入输出通道概述 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道 2.5 脉冲量输入通道,2.1 过程输入输出通道概述,过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道组成。模拟量输入通道将反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温度、压力、流量、速度、液位等）转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制。数字量（脉冲量、开关量）输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）、脉冲信号（
2、如速度、位移、流量脉冲等）送给微机；微机通过数字量输出通道控制那些接受数字信号的执行机构和显示、指示装置。,2.1.1 模拟量输入通道的一般结构 模拟量输入通道（简称AI通道）的一般结构如图2-1所示。,2.1.2 模拟量输出通道的一般结构 模拟量输出通道（简称AO通道）的一般结构有两种基本形式如图2-2所示。,2.1.3 数字量输入通道的基本结构 数字量输入通道又称为开关量输入通道，该通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）送给微机、或把双值逻辑的开关量变换为微机能够接收的数字量送给微机，简称DI通道。它的结构形式如图2-3所示。,2.1.4 数字量输出通道的基本结构 数字量输出通
3、道的任务是把微机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关型的执行机构（如继电器或指示灯等），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO通道。其典型结构如图2-4所示。,2.2 模拟量输入通道,2.2.1 模拟量输入通道中的信号变换 模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。,1信号的采样 信号的采样过程如图2-5所示。执行采样动作的是采样器（采样开关）K，K每隔一个时间间隔T闭合一个时间。T称为采样周期，称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号y（t）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号y*（t）。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。,2信号的量化 将采样信号转换为数
4、字信号的过程称为量化过程，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，变换为数字02n1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。,2.2.2 A/D转换器 A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，其种类繁多，常见的A/D转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式等。 1主要技术指标 A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。 （1）分辨率 分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。,（2）转换时间 转换时间是指A/D转换器完成一次模拟
5、量到数字量转换所需要的时间。 （3）线性误差 线性误差是指A/D转换器的理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差通常用LSB的分数表示，如1/2 LSB或1 LSB。,2A/D转换原理 （1）逐次逼近式A/D转换器 逐次逼近式A/D转换器工作原理的基本特点是：二分搜索，反馈比较，逐次逼近。它的基本思想与生活中的天平称重思路极为相似。,这种转换器的工作原理如图2-6所示。它由电压比较器、数/模转换器、逐次逼近寄存器、控制逻辑和输出缓冲锁存器等部分组成。,当A/D转换器接收到“启动转换”命令时，SAR寄存器
6、和输出缓冲器清零，故D/A输出也为零。此时控制电路先设定SAR中的最高位为“1”，其余位为“0”，此预测数据送往D/A转换器，转换成电压V0，将该V0和输入模拟电压Vi利用比较器进行比较，若ViV0，说明预置结果正确，应予保留，若ViV0，则预置结果错误，应予清除。然后按上述方法继续对次高位及后续各位依次进行预置、比较和判断，决定该位是“1”还是“0”，直至确定SAR最低位为止。这个过程完成后，便发出转换结束信号。此时SAR寄存器从最高位到最低位都试探过一遍的最终值便是A/D转换的结果。,（2）双斜积分式A/D转换器 双斜积分A/D转换器转换的基本原理是利用两个不同时间之比来得到两个不同电压的
7、比值，从而实现变模拟量为数字量的转换。两个不同的时间为：第一个时间是模拟电压向电容充电的固定时间，第二个时间是已知参考电压放电所需要的时间，模拟输入电压与参考电压的比值就是这两个时间值之比。图2-7（a）是这种A/D转换器的原理图，它的转换过程如图2-7（b）所示。其整个转换过程在逻辑控制电路的控制下按以下三个阶段进行。,其整个转换过程在逻辑控制电路的控制下按以下三个阶段进行。 1）休止阶段： 逻辑控制电路发出复位指令，将计数器清零，使K4闭合，此时积分器输入输出均为零。 2）工作阶段（采样阶段）： 在t1时刻，逻辑控制电路发出启动指令，使K4断开，K1闭合，于是积分器开始对输入电压Vx积分，
8、同时计数器开始计数。在固定时间内停止对输入电压积分，此时计数器计满N个脉冲。且该阶段结束。,3）比较阶段： 逻辑控制电路在t2时刻K1断开的同时，将与输入电压Vx极性相反的基准电压接入积分器。此时K2（或K3）闭合，电容C开始放电，计数器从零开始计数，当积分器输出电压达到零电平时刻（即t3时刻），比较器翻转，逻辑控制电路发出计数器停止计数信息及“转换结束”信号，此时计数器的值反映了输入电压Vx在固定积分时间内的平均值，即输入电压Vx所对应的数字量。,（3）并行比较式A/D转换器 并行比较式A/D转换原理比较直观，图2-8给出了一个三位并行比较式A/D转换器原理框图及模数对照表。,2.2.3 常
9、用A/D转换器及其接口技术 ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为100us左右，线性误差为1/2LSB，其结构如图2-9所示。,（1）8通道模拟开关及通道选择逻辑 该部分的功能是实现8选1操作，通道选择信号C、B、A与各通道之间的关系如表2-1所示。,地址锁存允许信号（ALE、正脉冲）完成通道选择信号C、B、A的锁存。,（2）8位A/D转换器 8位A/D转换器对输入端的信号Vx进行转换，转换结果D（D=028-1）存入三态锁存缓冲器。当START上收到一个启动转换命令（正脉冲）后，A/D转换器开始转换，100us左右（64个时钟周期）后转换结束（相应的
10、时钟频率为640kHz）。转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。启动后，CPU可用查询方式（将转换结束信号接至一条I/O线上时）或中断方式（EOC作为中断请求信号引入中断逻辑）了解A/D转换过程是否结束。,（3）三态输出锁存缓冲器 用于存放转换结果D。输出允许信号OE为高电平时，D由DO7DO0上输出。ADC0809的转换时序如图2-10所示。,212位A/D转换器AD574A AD574A是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25us，线性误差为1/2LSB。内部有时钟脉冲源和基准电压源。AD574A的结构如图2-11所示。,（1）12位A/D转换器
11、该12位A/D转换器的模拟输入可以是单极性或双极性的。单极性应用时，BIPOFF接0V，双极性时接10V。量程可以是10V，也可以是20V。根据输入信号的不同范围决定其连接的引脚10VIN或20VIN。量程为10V和20V时，AD574A的量化单位分别为10V/212和20V/212。模拟输入信号的编程如表2-2所示。,图2-12为AD574A的单、双极性应用时的线路连接方法，以及零点和满度调整方法。,（2）三态输出锁存缓冲器 该缓冲器用于存放12位转换结果D（D=0212-1) （3）控制逻辑 控制逻辑主要完成：启动转换、控制转换过程和控制转换结果D的输出。有关控制信号的作用如表2-3所示。
12、,STS为AD574A的状态输出信号。启动后，STS为高电平表示正在转换；25us后转换结束，STS为低电平。CPU可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。,AD574A启动与读操作时序如图2-13。,316位A/D转换器MAX1166 MAX1166是16位低能耗逐次逼近型模数转换器，转换时间约为4.7us，线性误差为2LSB，16位无误码。内部有时钟脉冲源和基准电压源。MAX1166的结构如图2-14所示。,（1）16位A/D转换器 16位A/D转换器对输入端的信号AIN进行转换，转换结果D(D=0216-1)存入16位的输出寄存器。 （2）16位输出寄存器及8位数据缓冲器 16位的输出寄
13、存器用于存放转换结果D。 MAX1166的转换时序如图2-15所示。,4A/D转换器接口技术 A/D转换器通常都具有三态数据输出缓冲器，因而允许A/D转换器直接同系统总线相连接。为便于或简化接口电路设计，也可通过并行接口芯片实现与系统的接口。 （1）ADC0809与IBM PC总线接口 ADC0809与IBM PC总线的接口根据需要常见的有两种方法，即查询法与中断法。图2-16为ADC0809与IBM PC总线采用查询法的接口电路。图2-17为ADC0809与IBM PC总线采用中断法的接口电路。,图2-16 ADC0809与IBM PC总线的接口,由图2-16可见：该ADC0809的模拟通道
14、IN0IN7的端口地址为80H87H，与EOC相连的三态缓冲器的地址可为70H77H，连接OE信号的地址为60H67H。若利用查询法中对模拟通道IN3进行A/D转换，且将转换结果存入AL中，其程序段如下： OUT 83H, AL ;选通IN3,启动A/D转换 WAIT:IN AL, 70H ;读转换结束信号EOC标志 TEST AL, 01H ;判断A/D转换是否结束？ JZ WAIT ;未结束,返回等待 IN AL, 60H ;结束,把结果送入AL中,图2-17 ADC0809与IBM PC总线的接口,CLI MOV AL, 03H ;启动INi（i为07中某个数字） OUT 83H, AL
15、 ;选通IN3，并启动A/D转换 NOP NOP STI ,在中断服务程序中用指令IN AL，83H读取转换结果的数字量。,图2-18 AD574A与IBM PC总线的接口,以图2-18的硬件接口为基础，采集50个数据的程序如下： PROTS EQU 90H PROTH EQU 92H PROTL EQU 93H MOV CX, 32H ;采集次数设置 MOV SI, 0100H ;存放数据内存首址 START: OUT PROTH, AL ;启动12位转换（A0=0） WAIT: IN AL, PROTS ;读状态，查STS是否为0 AND AL，80H JNZ WAIT ;转换中，等待，循
16、环查询 IN AL, PROTH ;转换结束，读转换结果的高8位 MOV SI, AL ;送内存 INC SI ;内存地址加1 IN AL, PROTL ;读转换结果的低4位 MOV SI, AL ;送内存 INC SI ;内存地址加1,为存放下一个数据做准备 DEC CX JNZ START ;采集未完，继续 HLT ;采集完,暂停,（3）MAX1166与IBM PC总线接口 MAX1166与IBM PC总线的接口电路如图2-19所示。,MOV AX, 2000H ;数据暂存区段地址初始 MOV DS, AX LEA SI, BUF MOV DX, 212H MOV AL, 00H OUT DX, AL ;使R/C和HBEN为1,为A/D转换启动做准备 MOV DX, 210H ;给第一个脉冲信号,MAX116
