第3章計算機控制過程通道和數據采集系統(tǒng)ppt課件

1、本章學習目的: 解決微型計算機和外部的連接問題，使計算機和外部構成一個整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設計一個微機控制系統(tǒng)必須解決的基本問題。 計算機和工業(yè)現場信號無法進行直接傳遞，這就需要在二者之間進行信息傳遞和交換的裝置，這就是過程通道，是本章的主要內容之一。 微機控制系統(tǒng)組成框圖微機控制系統(tǒng)組成框圖 輸入輸出接口技術輸入輸出接口技術 研究微處理器和外部設備之間研究微處理器和外部設備之間信息交換的技術。信息交換的技術。 輸入輸出接口輸入輸出接口 簡稱簡稱“接口接口”1、接口、通道及其功能、接口、通道及其功能 1)IO接口電路接口電路IO接口電路：是主機和外圍設備之間交換信息的連接

2、口電路：是主機和外圍設備之間交換信息的連接部件。使主機和外設能夠協調工作，有效地完成信息接部件。使主機和外設能夠協調工作，有效地完成信息交換。交換。 2)IO通道通道IO通道：也稱為過程通道。它是計算機和控制通道：也稱為過程通道。它是計算機和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。對象之間信息傳送和變換的連接通道。信號的輸入通路信號的輸入通路: 模擬量、數字量模擬量、數字量信號的輸出通路信號的輸出通路: 模擬量、數字量模擬量、數字量輸入和輸出通路的主要功能輸入和輸出通路的主要功能 實現模擬量與數字量之間的信號變換實現模擬量與數字量之間的信號變換在微型機和生產過程之間起到了紐帶和橋梁的作用在微型機

3、和生產過程之間起到了紐帶和橋梁的作用 。 A/D A/D通道或通道或AIAI通道通道 多個信號要共用一個模擬通道輸入微型機，需要多個信號要共用一個模擬通道輸入微型機，需要多路轉換器，這種方式主要適用于多路轉換器，這種方式主要適用于 A/DA/D轉換芯片比較轉換芯片比較昂貴，信號路數比較多的情況，有些昂貴，信號路數比較多的情況，有些A/DA/D轉換芯片帶有轉換芯片帶有多路轉換器：如多路轉換器：如 ADC0809ADC0809、ADC0816ADC0816。多路轉換器實際。多路轉換器實際上就是多路開關。上就是多路開關。圖2 -3 CD4051結構原理圖0S2S3S4S5S6S7S1S動動驅驅碼碼譯

4、譯換換轉轉平平電電ABCINHmS CD4051結構原理圖 D3D2D1D0動驅碼譯動驅碼譯換轉平電換轉平電0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS圖 2-4 多 路 模 擬 開 關 的 擴 展 電 路IN HIN H采用可編程序放大器，可通過程序來調節(jié)放大倍數，使采用可編程序放大器，可通過程序來調節(jié)放大倍數，使A/D轉轉信號滿量程達到均一化，以提高多路數據采集的精度。信號滿量程達到均一化，以提高多路數據采集的精度。4.采樣與保持采樣與保持v 數據采樣定理第數據采樣定理第1章內容）章內容） v 采樣保持器采樣保持器 （原理圖見教材（原理圖

5、見教材27頁）頁）集成采樣保持器集成采樣保持器 n技術指標：精度技術指標：精度0.01%n采集時間：采集時間：5sn輸入范圍：輸入范圍：10 vn增益：增益： 1.00n孔徑時間：孔徑時間：50sn電源：電源：15Vn常用芯片：常用芯片：LF198/LF298/LF398n高速采樣高速采樣保持放大器保持放大器 : H0023/LH0043C/LH0053n選擇采樣選擇采樣保持器時，主要應考慮如下因素：保持器時，主要應考慮如下因素：n 輸入信號變化率，有時還考慮多路轉換器的切換速輸入信號變化率，有時還考慮多路轉換器的切換速度度確定時間應為多少才不會超過誤差要求確定時間應為多少才不會超過誤差要求采

6、樣保持器的性能指標 對于低、中速A/D轉換器，常用的轉換方法有計數比較式、雙斜率積分式和逐次逼近式三種P38）：計數比較式：簡單、價格便宜，但速度慢，基本淘汰雙斜率積分式：精度高，抗干擾能力強。但速度較慢。逐次逼近式：很好的兼顧了速度和精度，廣泛應用。 D/AD/A轉換器是把輸入的數字量轉換成模擬信號的轉換器是把輸入的數字量轉換成模擬信號的器件，有權電阻式和器件，有權電阻式和R-2RR-2R電阻網絡式二種。電阻網絡式二種。 對于我們搞微機應用的人來講關鍵在于正確對于我們搞微機應用的人來講關鍵在于正確使用。所以更重要的是掌握主要技術指標、原使用。所以更重要的是掌握主要技術指標、原理。理。 +A-

7、數數字字量量輸輸入入TUOV基基準準電電壓壓關關開開換換切切位位RR2R2R2R2R2RFERVbfR1SB2SB3SB0SB1DR-2R電阻網絡 圖圖 3-2 D/A 轉換器 原理框圖R2D3D0D運運算算放放大大器器3I1I0I2I10101010IOUTIRfb）/ 2n/ 2n 假設假設D3D3、D2D2、D1D1、D0D0全為全為1 1，則，則BS3BS3、BS2BS2、BS1BS1、BS0BS0全部與全部與“1 1端相連。根據電流定律，有：端相連。根據電流定律，有：NoImage01REF04222IVIRNoImage 由于開關由于開關 BS3 - BS0 BS3 - BS0 的

8、狀態(tài)是受要轉換的二進制數的狀態(tài)是受要轉換的二進制數 D3D3、D2D2、D1D1、D0 D0 控制的，并不一定全是控制的，并不一定全是“1”1”。因此，可以得到通式：。因此，可以得到通式：OUT33221100IDIDIDIDI3210REFOUT32104(2222 )2VIDDDDR考慮到放大器反相端為虛地，故：考慮到放大器反相端為虛地，故：RfbOUTII 選取選取 Rfb = R Rfb = R ，可以得到：，可以得到：3210REFOUTRF32104(2222 )2fVVIRDDDD 對于對于 n 位位 D/A 轉換器，它的輸出電壓轉換器，它的輸出電壓VOUT與輸入二與輸入二進制數

9、進制數B( Dn-1 D0) 的關系式可寫成：的關系式可寫成：1210REFOUT1210(2222 )2nnnnnVVDDDD REF2nVB v 結論：由上述推導可見，輸出電壓除了與輸入的二進制數有關，結論：由上述推導可見，輸出電壓除了與輸入的二進制數有關，還與運算放大器的反饋電阻還與運算放大器的反饋電阻 RfbRfb以及基準電壓以及基準電壓VREFVREF有關。有關。(MSB)7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0ID(LSB)ILECS1RW2RWXFER當當LE=1時時, ,輸輸出出數數據據隨隨輸輸入入變變化化。LE2FERV1TUOI2TUOIRfbAGNDDGNDCCVDQ

10、DQDQDQ 8位位 輸輸入入寄寄存存器器 8位 DAC寄存器 8位 DAC轉轉換換器器圖 3-3 DAC0832原理框圖及引腳當當LE=0時時, ,輸輸出出數數據據被被鎖鎖存存。LE1nP23QDDQQDDQDDQQDDQQ器存寄寄入輸位8器存寄寄入輸位41 2 位D A C寄 存 器1 2 位位D /A轉轉 換換 器器L E 3L E當= 1 時 ， Q = D ;L E當當= 0 時 ， 鎖 存 數 據L E 2L E 1(M S B )D ID ID ID ID ID ID ID ID ID ID ID I111 01234567890(L S B )B Y T E /B Y T EC

11、 SW RX F E RW R2121FERVD G N D2TUOI1TUOIbfRDNGAccV圖 3 -4 D A C 1 2 1 0 原 理 框 圖 及 引 腳DAC1210DAC1210內部有三個寄存器：內部有三個寄存器： 一個一個8 8位輸入寄存器，用于存放位輸入寄存器，用于存放1212位數位數字量中的高字量中的高8 8位位DI11-DI4DI11-DI4；一個；一個4 4位輸入位輸入寄存器，用于存放寄存器，用于存放1212位數字量中的低位數字量中的低4 4位位DI3 -DI0DI3 -DI0；串行輸入D/A轉換器AD75432） AD7543原理框圖原理框圖VREFIOUT2IO

12、UT1RFBAGNDDGNDVCCSRI12位位D/A轉換轉換器器12位位DAC存放存放器器12位位串行串行輸入輸入移位寄移位寄存器存器STB4STB3STB2STB1LD1LD2CLR 3.2.1 A/D轉換器原理及器件 逐位逼近式逐位逼近式A/D的工作原理的工作原理 從從SAR輸出的數碼送至輸出的數碼送至D/A，其輸出電，其輸出電壓壓Vf與模擬量輸入與模擬量輸入Vin 比較后，再控制比較后，再控制SAR的數字逼近的數字逼近Vin模擬量輸入模擬量輸入數字量數字量輸出輸出寄存器寄存器控制時序控制時序和邏輯電路和邏輯電路比較器比較器+Vf反饋電壓）反饋電壓） 逐位逼近式逐位逼近式A/D轉換器原理

13、框圖轉換器原理框圖 D0D7 逐位逼近法2） 理想的理想的2位位A/D轉換器示意圖轉換器示意圖nREFREFREFINVVVVB2 VREF+VREF1D1D0來自來自SAR01001S00S01S02S03S10S11V0VINVfD/A轉換的輸轉換的輸出電壓出電壓Vf大大小取決于正、小取決于正、負基準電壓負基準電壓源源VREF+，VREF-）和）和開關樹中各開關樹中各位開關位開關Sij的的狀態(tài)狀態(tài)(來自于來自于SAR）強、數據穩(wěn)定、價格便宜，適用強、數據穩(wěn)定、價格便宜，適用于非快速計算機過程控制系統(tǒng)或于非快速計算機過程控制系統(tǒng)或精度要求較高的地方。精度要求較高的地方。 3.2.2 雙積分式

14、A/D轉換器3） 雙積分式雙積分式A/D轉換器示意圖轉換器示意圖控制邏輯控制邏輯計數器計數器時鐘時鐘+比較器比較器+積分器積分器123積分電容積分電容VOVIK數據輸出數據輸出VinVREF （基準電壓）（基準電壓）雙積分式雙積分式A/D轉換的原轉換的原理框圖理框圖t1VO t2tAVO t1t3tBtt1VI積分輸出積分輸出 t2t3AB雙積分雙積分A/D的工作示意圖的工作示意圖1.分辨率分辨率: 分辨率是指分辨率是指A/DA/D轉換器對微小輸入信號變化的轉換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分辨率越高，轉換時對輸入量微小變敏感程度。分辨率越高，轉換時對輸入量微小變化的反應越靈敏。通常用數字量

15、的位數來表示，化的反應越靈敏。通常用數字量的位數來表示，如如8 8位、位、1010位、位、1212位等。分辨率為位等。分辨率為n n，表示它可以，表示它可以對滿刻度的對滿刻度的1/2n1/2n的變化量作出反應。即：的變化量作出反應。即： 分辨率分辨率 = = 滿刻度值滿刻度值/2n/2n 引起輸出從一個數碼增加或減少到下一個引起輸出從一個數碼增加或減少到下一個相鄰數碼的最小輸入變化量相鄰數碼的最小輸入變化量3.4 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標4.1 8 位位A/D轉換器轉換器ADC0809及其接口及其接口1功能： 8 通道8位逐位逼近式A/D轉換器 可直接與微處理器相連，不需

16、另加接口邏輯 輸入輸出引腳電平與TTL電路兼容2.技術指標： 分辨率：8位 1/ 28 0.39 % 無漏碼 轉換時間100s 單一電源：0+5v 帶有鎖存控制邏輯的8 通道多路開關。 帶有鎖存器的三態(tài)輸出 采用28腳雙立直插式封裝3.管腳圖管腳圖ADC0809內部結構及引腳內部結構及引腳高電平有效。上升沿時將轉換器內高電平有效。上升沿時將轉換器內部清零，下降沿時啟動部清零，下降沿時啟動A/D轉換。轉換。EOC：轉換結束信號，輸出，高電：轉換結束信號，輸出，高電平有效。平有效。OE：輸出允許信號，輸入，高電平：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩有效。該信號用來打開三態(tài)輸出

17、緩沖器，將沖器，將A/D轉換得到的轉換得到的8位數字位數字量送到數據總線上。量送到數據總線上。D0D7：8位數字量輸出。位數字量輸出。D0為為最低位，最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機數據總線直接輸出鎖存，可與主機數據總線直接相連。相連。CLOCKCLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。當脈沖頻率為：外部時鐘脈沖輸入端。當脈沖頻率為640kHz640kHz時，時，A/DA/D轉換時間為轉換時間為100100s s。VR+VR+，VR-VR-：基準電壓源正、負端。取決于被轉換：基準電壓源正、負端。取決于被轉換的模擬電壓范圍，通常的模擬電壓范圍，通常VR+ = VR+

18、= 5V DC5V DC，VR- = 0V VR- = 0V DCDC。VccVcc：工作電源，：工作電源， 5VDC5VDC。GNDGND：電源地。：電源地。CBA選中通道選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7工作過程工作過程1選擇輸入通道選擇輸入通道,對對ABC輸入端進行輸入端進行編程編程2輸出指令啟動輸出指令啟動A/D 轉換轉換3EOC 變高電平作為轉換結束中斷變高電平作為轉換結束中斷請求信號請求信號4輸入指令讀輸入指令讀A/D轉換結果轉換結果Q0Q5:PA0PA5 Q6Q7:PA6PA7 Q8Q11:PB0PB3cccc

19、QSTB 數據采集系統(tǒng)的任務是把生產現場的工藝參數采集后以數字量的形式進行存儲、整理、傳送、顯示或打印。完成這些任務的基本手段是模擬量輸入通道，其核心部分是A/D轉換器系統(tǒng)設計必須考慮： 分辨率精度） 通道數 采集速度 本錢典型結構有：單通道與多通道 1.單通道2.多通道多通道1采用單通道方案采用單通道方案2對采樣對采樣保持器進行多路轉換保持器進行多路轉換3對放大器的輸入進行多路轉換，注意抗干擾問題對放大器的輸入進行多路轉換，注意抗干擾問題1.設計要求設計要求 64路模擬量數據采集路模擬量數據采集 精度達到精度達到0.4% 每隔每隔10ms檢測一路檢測一路2. 硬件設計硬件設計(1)方案一方案

20、一 以以ADC0809為為A/D轉換器，需轉換器，需8片片 占有占有8個口地址個口地址方案二方案二 以以CD4051組成多路轉換組成多路轉換（18片片CD4051一級地址譯碼，占用一級地址譯碼，占用8 個口地址，再加上個口地址，再加上A、B、C三端選擇三端選擇 （28片CD4051二級地址譯碼，加一個8D鎖存器和一個138譯碼器，用一個口地址。比較兩種方案，方案二比較合理8D 鎖存器：74LS259 373 A/D轉換器：8位ADC0804 12位ADC12118212：8位I/O緩沖器 ，數碼寄存器 ：輸入控制 ：器件選擇T4LS138: 4、5端Q2為低電平 6 端為高電平工作原理： 64

21、路模擬量經過多路轉換部分轉換為一路模擬量，再經采樣保持器，A/D轉換器再經數據緩沖器8212送到CPU總線。2 硬件設計硬件設計(2)CLRDS1DS21地址譯碼 ： 和 或非輸入 8D鎖存器: D0 D2 : CD4051的A、B、C三端 D3D5 ：8個CD4051片選信號 D6 D7：74LS138控制端2A/D轉換器選擇: 或非38212 八位I/O接口：2片12根或8根數據線，一根狀態(tài)信號根01HIORHWR2D HWRIORQ0.4cts010 100062256 0.4ccTTHptv模擬量輸出通道的任務模擬量輸出通道的任務-把計算機處理后的數把計算機處理后的數字量信號轉換成模擬量電壓或電流信號，去驅字量信號轉換成模擬量電壓或電流信號，去驅動相應的執(zhí)行器，從而達到控制的目的動相應的執(zhí)行器，從而達到控制的目的v模擬量輸出通道模擬量輸出通道( (稱為稱為D/AD/A通道或通道或AOAO通道通道) )構成構成- - -一般是由接口電路、數一般是由接口電路、數/ /模轉換器模轉換器( (簡稱簡