前向通道與數(shù)據(jù)采集

1、前向通道與數(shù)據(jù)采集 317.4 數(shù)據(jù)采集 2數(shù)據(jù)采集的任務(wù)就是把生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)采集后,以數(shù)字量的形式進行存儲、處理、傳送、顯示或打印。完成這些任務(wù)的基本手段是模擬量的輸入通道,除上節(jié)介紹的信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及接口電路外,還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的采樣和選擇。 3常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有單通道和多通道兩種結(jié)構(gòu)在選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路方案時,必須慎重考慮如下一些問題:分辨率精度通道數(shù)采樣速率數(shù)據(jù)顯示、打印或繪圖的輸出速率成本4對只有一路模擬量信號的單通道結(jié)構(gòu),則只需考慮是否要對信號濾波、變換,是否要進行前置放大,是否要采樣/保持器等。 5對有多路模擬量信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采用的多通道方案有如下幾種: 采用多個單

2、通道結(jié)構(gòu)方案,對各個模擬信號分別轉(zhuǎn)換,然后把各通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(具有三態(tài)輸出緩沖器,如AD7550)的輸出直接掛接在微處理器的總線上,再用譯碼器進行選擇,實現(xiàn)多路轉(zhuǎn)換。這個方案的缺點是要使用較多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 6各路模擬信號先經(jīng)信號處理電路轉(zhuǎn)換成同一數(shù)量級的電壓信號,然后由多路開關(guān)切換,通過共用的單個采樣/保持器送A/D轉(zhuǎn)換器,其輸出的數(shù)字信號可經(jīng)光電隔離措施送到微處理器。這種方案可節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換器,但采樣速度會受影響。 7各路模擬信號經(jīng)多路開關(guān)切換,通過共用的一個放大器進行放大處理、然后送采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。在輸入模擬信號較弱的情況下,如需要采用儀器放大器或可編程序放大器時,這種方案比

3、較適用,因這種方案可節(jié)省價格較昂貴的儀用放大器,電氣的隔離也可由隔離放大器實現(xiàn),使用這種方案時,要慎重考慮各種抗干擾措施。 87.4.1采樣定理與采樣/保持 對數(shù)字信號,采樣周期(或時間間隔)只要小于待采樣信號的變化周期就能正確檢測和輸入。對模擬信號,考慮的問題就要多一些,這些問題包括采樣周期、濾波、采樣/保持和量化精度。91.采樣過程 模擬信號的采樣過程本質(zhì)上就是將時間上連續(xù)的信號x(t)轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號xs(t), xs(t)又稱采樣信號xs(t)在時間上是離散的,但在幅值上仍然是連續(xù)的。在數(shù)據(jù)采樣過程中,還需對xs(t)進行量化,也就是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號xD(t)。通常采樣的時

4、間間隔為固定值,用采樣周期Ts表示相應(yīng)的采樣頻率為fs10采樣過程中的信號變化如圖7-32所示。實際的采樣脈沖有一定的寬度,該寬度相應(yīng)于A/D轉(zhuǎn)換時間tA/D采樣頻率fs和A/D轉(zhuǎn)換時間tA/D對采樣效果都有一定的影響。112.采樣定理和濾波 根據(jù)香農(nóng)(C.E.Shannon)的采樣定理(也稱抽樣定理)可知,只要采樣頻率fs大于信號(包括噪聲)x(t)中最高頻率的兩倍,即fs2fmax,則采樣信號xs(t)就能包含x(t)中的所有信息,也就是說,通過理想濾波器由xs(t)可以惟一地復(fù)現(xiàn)x(t)。采樣定理從理論上給出了fs的下限值,實際應(yīng)用中,一般可取fs=(510)fmax,甚至更高。12在應(yīng)

5、用采樣定理時,還應(yīng)注意到噪聲的影響,如噪聲中的最高頻率fNmax大于有用信號的最高頻率fSmax,則應(yīng)先通過濾波器濾掉高于fSmax的噪聲信號，然后用fs=(510)fSmax采樣，如硬件濾波有困難,則先按fs=(510)fNmax采樣，然后通過軟件的數(shù)字濾波方法將噪聲濾掉。133.采樣/保持和孔徑誤差 理想的采樣信號由沖激序列組成,脈沖寬度趨于0,而實際的采樣信號由一定寬度的脈沖序列組成如圖7-32所示,這個脈沖寬度在數(shù)值上相當(dāng)于A/D轉(zhuǎn)換時間tA/D,這一時間也稱孔徑時間,由此會產(chǎn)生孔徑誤差。在孔徑時間tA/D內(nèi),由于輸入信號x(t)的變化所引起的誤差稱為孔徑誤差14A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)

6、換器是一種能把輸入模擬電壓或電流變成與它成正比的數(shù)字量，即能把被控對象的各種模擬信息變成計算機可以識別的數(shù)字信息。A/D轉(zhuǎn)換器種類很多，但從原理上通?？煞譃橐韵滤姆N:計數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換器雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器并行A/D轉(zhuǎn)換器。15計數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)很簡單但轉(zhuǎn)換速度很慢，所以很少采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器抗干擾能力強，轉(zhuǎn)換精度也很高，但速度不夠理想，常用于數(shù)字式測量儀表計算機中廣泛采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，作為接口電路,它的結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜,轉(zhuǎn)換速度也高。并行A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快,但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而造價較高,故只用于那些轉(zhuǎn)換速度極高的場合。 16逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理 逐

7、次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為連續(xù)比較式A/D轉(zhuǎn)換器。這是一種采用對分搜索原理來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法，邏輯框圖如圖8-13所示。圖中Vx為A/D轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓Vs是“N位D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)”的輸出電壓，其值由“N位寄存器”中內(nèi)容決定，受控制電路控制。17逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理 比較器對Vx和Vs電壓進行比較,并把比較結(jié)果送給控制電路。整個A/D轉(zhuǎn)換是在逐次比較過程中形成,形成的數(shù)字量存放在N位寄存器中,先形成最高位,然后是次高位,一位位地最后形成最低位。 18工作過程分析如下 “控制電路”從“啟動”輸入端收到CPU送來的“啟動”脈沖而開始工作。“控制電路”工作后便使:“N位寄存器”中最高

8、位置“1”其余位清零“N位D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)”根據(jù)“N位寄存器”中內(nèi)容產(chǎn)生Vs電壓,其值為滿量程Vx的一半,并送入比較器進行比較。 19工作過程分析如下 若VxVs,則比較器輸出邏輯“1”,通過“控制電路”使“N位寄存器”中最高位的“1”保留,表示輸入模擬電壓Vx比滿量程一半還大；若VxVs,則比較器通過控制電路使N位寄存器的最高位復(fù)位成“0”，表示Vx比滿量程一半還小。 20工作過程分析如下 A/D轉(zhuǎn)換的最高位數(shù)字量就形成了。因此,控制電路依次對N-1,N-2,N-(N-1)位重復(fù)上述過程,就可使“N位寄存器”中得到和模擬電壓Vx相對應(yīng)的數(shù)字量?！翱刂齐娐贰痹贏/D轉(zhuǎn)換完成后還自動使DONE變?yōu)?/p>

9、高電平。CPU查詢DONE引腳上狀態(tài)(或作為中斷請求)就可從A/D轉(zhuǎn)換器提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。21并行A/D轉(zhuǎn)換原理 上述N位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器需要進行N次比較,才能完成輸入模擬電壓的一次A/D轉(zhuǎn)換。為了進-步提高A/D轉(zhuǎn)換速度,可采用并行A/D轉(zhuǎn)換器。圖為三位二進制并行A/D轉(zhuǎn)換電路。 22并行A/D轉(zhuǎn)換原理 1.參考電壓VREF經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分壓成 (13/14)VREF,(11/14)VREF,(9/14)VREF,(1/14)VREF 分別輸入到比較器C1-C7的相應(yīng)輸入端,各比較器另一輸入端彼此相連后接到模擬電壓輸入端Vx23并行A/D轉(zhuǎn)換原理 2.C7-Cl比較器把Vx和相

10、應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)分壓比較。 若Vx大于或等于某一標(biāo)準(zhǔn)分壓,則比較器使Q7-Q1中相應(yīng)觸發(fā)器置“1”;若Vx小于某一標(biāo)準(zhǔn)分壓,則Q7-Q1中相應(yīng)位復(fù)位成“0”。因此,任一輸入模擬電壓Vx都會在Q7一Q1中產(chǎn)生狀態(tài)信息。 24并行A/D轉(zhuǎn)換原理 3.Q7-Q1中狀態(tài)信息經(jīng)異或門控制編碼電路,編碼電路由M3、M2和M1組成,數(shù)字量從A3、A2、A1端輸出。例如:當(dāng)Vx恰好為(13/14)VREF,Q7-Q1為全“1”而使得A3、A2、A1輸出數(shù)字量111B若Vx恰好為(1/14)VREF時,Q1為1和Q7-Q2為全0,而使得A3、A2、A1輸出數(shù)字量001B。 25說明對于N位并行A/D轉(zhuǎn)換器,其電阻分壓網(wǎng)絡(luò)

11、需要分壓成m(mN-1)個標(biāo)準(zhǔn)電壓。N越大,電阻網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜,制造時越困難,成本也越高。但轉(zhuǎn)換電路中各比較器、觸發(fā)器和其它電路幾乎是同時工作的,故在需要極高轉(zhuǎn)換速度的場合下采用并行A/D轉(zhuǎn)換器還是十分需要的 26A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo) ADC(Analog-Digital Converter)是A/D轉(zhuǎn)換器的簡稱ADC的性能指標(biāo)是正確選用ADC芯片的基本依據(jù),也是衡量ADC質(zhì)量的關(guān)鍵問題。 271.轉(zhuǎn)換速度(Conversion Rate) 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需時間的倒數(shù),是一個很重要的指標(biāo)。ADC型號不同,轉(zhuǎn)換速度差別很大。通常,8位逐次比較式ADC的轉(zhuǎn)換時間為100S左右。選用

12、ADC型號應(yīng)視現(xiàn)場需要定。在控制時間允許情況下,應(yīng)盡量選用便宜的逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器。 282.轉(zhuǎn)換精度(Conversion Accuracy) ADC的轉(zhuǎn)換精度有模擬誤差和數(shù)字誤差組成。模擬誤差是比較器、解碼網(wǎng)絡(luò)中電阻值以及基準(zhǔn)電壓波動等引起的誤差。數(shù)字誤差主要包括丟失碼誤差和量化誤差前者屬于非固定誤差,由器件質(zhì)量決定,后者和ADC輸出數(shù)字量位數(shù)有關(guān),位數(shù)越多,誤差越小。29討論在A/D轉(zhuǎn)換過程中,模擬量是一種連續(xù)變化的量,數(shù)字量是斷續(xù)的量。 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)固定以后,并不會所有模擬電壓都能用數(shù)字量精確表示的。例如:假定三位二進制A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程值VFS為7V,即輸入模擬電壓可以在0

13、-7V之間連續(xù)變化,但三位數(shù)字量只能有8種組合。 30數(shù)字量只能有8種組合 如果模擬輸入電壓為0V、1V、2V、3V、4V、5V、6V和7V時,三位數(shù)字量恰好能精確表示,不會出現(xiàn)量化誤差。如果輸入模擬電壓為其余值就會產(chǎn)生量化誤差,輸入模擬電壓為0.5V、1.5V、2.5V、3.5V、4.5V、5.5V和6.5V時量化誤差最大,應(yīng)當(dāng)是0.5V 31量化誤差的定義是分辨率之半,其計算公式為: 式中N為ADC的二進制位數(shù) 32ADC0809 ADC也有兩大類:一類在電子線路中使用,不帶使能控制端;另一類帶有使能控制端,可和微機直接接口ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,可以和微機直接接口

14、。ADC0809的姐妹芯片是ADC0808,可以相互代換。 331.內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809由八路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關(guān)、逐次逼近式寄存器SAR、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成，如圖所示。 34(1)八路模擬開關(guān)及地址鎖存與譯碼器 八路模擬開關(guān)用于輸入IN0一IN7上八路模擬電壓。地址鎖存和譯碼器在ALE信號控制下可以鎖存ADDA、ADDB和ADDC上地址信息,經(jīng)譯碼后控制IN0-IN7上哪一路模擬電壓送入比較器。351.內(nèi)部結(jié)構(gòu) 例如:當(dāng)ADDA、ADDB和ADDC上均為低電平0以及ALE為高電電平時,地址鎖存和譯碼器輸出使IN0上模擬電壓送到比較器輸入

15、端VIN36(2)256電阻階梯和樹狀開關(guān) 為了簡化問題起見,現(xiàn)以二位電阻階梯和樹狀開關(guān)(見圖8-16)為例加以說明。圖中四個分壓電阻使A、B、C和D四點分壓成2.5V、1.5V、0.5V和OV。SAR中高位D1控制左邊兩只樹狀電子開關(guān),低位D0控制右邊四只樹狀開關(guān)。各開關(guān)旁的0和1表示樹狀開關(guān)閉合條件,由D1、D0狀態(tài)決定37(2)256電阻階梯和樹狀開關(guān) 例如:D1=1,則上面開關(guān)閉合而下面開關(guān)斷開,D1=0時的情況正好與此相反。樹狀開關(guān)輸出電壓VST和D1、D0關(guān)系列出于表8-2對于8位A/D轉(zhuǎn)換器,SAR為八位,電阻階梯、樹狀開關(guān)和上述情況類似。只是要有28=256個分壓電阻,形成25

16、6個標(biāo)準(zhǔn)電壓供給樹狀開關(guān)使用。VST送給比較器輸入端 D1D0VST0 00 V0 10.5 V1 01.5 V1 12.5 V38(3)逐次逼近寄存器和比較器 SAR在A/D轉(zhuǎn)換過程中存放暫態(tài)數(shù)字量,在A/D轉(zhuǎn)換完成后存放數(shù)字量,并可送到“三態(tài)輸出鎖存器 A/D轉(zhuǎn)移前,SAR為全0。A/D轉(zhuǎn)換開始時,控制電路使SAR最高位為1，并控制樹狀開關(guān)的閉合和斷開,由此產(chǎn)生VST送給比較器。 39比較器對輸入模擬電壓VIN和VST進行比較。若VINVST,比較器輸出邏輯0而使SAR最高位由1變?yōu)?若VINVST,則比較器輸出使SAR最高位保留1。此后,控制電路在保持最高位不變下,依次對次高位、次次高位

17、最低位重復(fù)上述過程,就可在SAR中得到A/D轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字量。 40(4)三態(tài)輸出鎖存器和控制電路 三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字量。CPU使OE引腳變?yōu)楦唠娖?就可以從三態(tài)輸出鎖存器取走A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量?？刂齐娐酚糜诳刂艫DC0809的操作過程。 412.引腳功能 ADC0809采用雙列直插式封裝,共有28條引腳,如圖8-15所示,現(xiàn)分四組簡述如下:42(1)IN0-IN7(8條) IN0-IN7為八路模擬電壓輸入線,用于輸入被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。43(2)地址輸入和控制(4條)ALE為地址鎖存允許輸入線,高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時,ADDA、ADDB和ADDC三條地址

18、線上地址信號得以鎖存,經(jīng)譯碼后控制八路模擬開關(guān)工作。ADDA、ADDB和ADDC為地址輸入線,用于選擇IN0-IN7上那一路模擬電壓送給比較器進行A/D轉(zhuǎn)換。44ADDA、ADDB和ADDC對IN0-IN7的選擇如表8-3所列。45(3)數(shù)字量輸出及控制線(11條) START為“啟動脈沖輸入線,該線上正脈沖由CPU送來,寬度應(yīng)大于l00ns上升沿清零SAR,下降沿啟動ADC工作。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線,該線上高電平表示A/D轉(zhuǎn)換己結(jié)束,數(shù)字量已鎖入“三態(tài)輸出鎖存器”。2-1-2-8為數(shù)字量輸出線, 2-1 為最高位。OE為輸出允許線,高電平時能使2-1-2-8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 46

19、(4)電源線及其它（5條）CLOCK為時鐘輸入線,用于ADC0809提供逐次比較所需64OKHz時鐘脈沖序列。Vcc為+5V電源輸入線GND為地線VREF(+)和VREF(一)為參考電壓輸入線,用于給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。VREF(+)常和Vcc相連,VREF(一)常接地。 47MCS-51和A/D的接口 MCS-51和ADC接口必須弄清和處理好三個問題:要給START線送一個l00ns寬的起動正脈沖獲取EOC線上的狀態(tài)信息,因為它是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束標(biāo)志要給三態(tài)輸出鎖存器分配一個端口地址,也就是給OE線上送一個地址譯碼器輸出信號。MCS-51和ADC接口通?？梢圆捎貌樵兒椭袛鄡煞N方式。采用

20、查詢法傳送數(shù)據(jù)時MCS-51應(yīng)對EOC線查詢它的狀態(tài):若它為低電平,表示A/D轉(zhuǎn)換正在進行,則MCS-51應(yīng)當(dāng)繼續(xù)查詢;若查詢到EOC變?yōu)楦唠娖?則就給OE線送一個高電平,以便從2-1-2-8線上提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)時,EOC線作為CPU的中斷請求輸入線。CPU響應(yīng)中斷后,應(yīng)在中斷服務(wù)程序中使OE線變?yōu)楦唠娖?以提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。48MCS-51對ADC0809的接口 如前所述,ADC0809內(nèi)部有一個8位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量,故它本身既可看作一種輸入設(shè)備,也可認為是并行I/0接口芯片。因此,ADC0809可以直接和MCS-51接口,

21、當(dāng)然也可通過像8255這樣的其它接口芯片連接。但在大多數(shù)情況下,8031是和ADC0809直接相連的,如圖8-17所示。 498031是和ADC0809直接相連的,如圖8-17所示由圖可見,START和ALE互連可使ADC0809在接收模擬量路數(shù)地址時啟動工作。START啟動的由8031WR和譯碼器輸出端FOH經(jīng)或門M2產(chǎn)生。平時,START因譯碼器輸出端FOH上高電平而封鎖。508031執(zhí)行如下程序MOV R0，#OFOHMOV A, #07H；選擇IN7模擬電壓地址送AMOV R0,A ；START上產(chǎn)生正脈沖 START上正脈沖啟動ADC0809工作,ALE上正脈沖使ADDA、ADDB和

22、ADDC上地址得到鎖存,以選中IN7路模擬電壓送入比較器。518031此時是把ADDA、ADDB和ADDC上地址作為數(shù)據(jù)來處理的,但如果ADDA、ADDB和ADDC分別和P2.0、P21和P2.2相連,情況就會發(fā)生變化。8031只有執(zhí)行如下指令才會給ADC0809送去模擬量路數(shù)地址:MOV DPTR,#07FOHMOVX DPTR,A52顯然,8031是把ADDA、ADDB和ADDC作為地址線處理的。圖中還可見到:EOC線經(jīng)過反相器和8031 INT1線相連,這就說明8031是采用中斷方式來和ADC0809傳送A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的。為了給OE線分配一個地址,圖中把8031 RD和譯碼器輸出F

23、OH經(jīng)或門M1和OE相連。平時,因譯碼器輸出FOH為高電平而使OE處于低電平封鎖狀態(tài)。 53在響應(yīng)中斷后,8031執(zhí)行中斷服務(wù)程序中如下兩條指令就可以使OE變?yōu)楦唠娖?從而打開三態(tài)輸出鎖存器,讓CPU提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量MOV R0,#OFOHMOVX A,R0 ;OE變?yōu)楦唠娖?數(shù)字量送A54為加深讀者印象,現(xiàn)舉例說明如下: 例在圖中,請編程對IN0-IN7上模擬電壓采集一遍數(shù)字量,并送入內(nèi)部RAM以3OH為始址的輸入緩沖區(qū)。解:本程序分主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。主程序用來對中斷初始化,給ADC0809發(fā)啟動脈沖和送模擬量路數(shù)地址等。中斷服務(wù)程序用來從ADC接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量和判

24、斷一遍采集完否。55參考程序如下: 主程序ORG OAOOH；表示下一條指令從0A00H開始存放MOV R1,#3OH；輸入數(shù)據(jù)區(qū)始址送RlMOV R4,#8；模擬量總數(shù)送R4MOV R2,#OOH ；IN0地址送R2SETB EA；開CPU所有中斷(終端允許寄存器IE)SETB EX1；允許INT1中斷（EX1=1） SETB IT1；即INT1為邊沿觸發(fā)(定時器控制寄存器TCON)MOV R0,#OFOH；送端口地址FOH到R0MOV A,R2；IN0地址送AMOVX R0,A；送IN0地址并啟A/DSJMP $；等待中斷或其它56中斷服務(wù)程序 ORG O013HAJMP CINT1；轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序ORG 0100HCINT1: