第2章b總線接口與過程通道

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)黃國(guó)宏廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院應(yīng)用電子系

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，要將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字計(jì)算機(jī)能夠接受的形式，計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)算、處理后的結(jié)果還須變換成適合于對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行控制的信號(hào)量。這個(gè)在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間傳遞和變換信息的裝置稱為輸入輸出過程通道。過程通道

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過程通道分為四類：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖2.5.1模擬量輸入通道

模擬量輸入通道是計(jì)算機(jī)用于工業(yè)控制必需的模擬數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。它把各類傳感器從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的模擬量信號(hào)如溫度、壓力等轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號(hào)。建立模擬量輸入通道的目的，通常是為了進(jìn)行參數(shù)測(cè)量或數(shù)據(jù)采集。它的核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器及其微處理機(jī)的接口。1.模擬量輸入通道的一般組成

圖模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu)

模擬量輸入通道一般由信號(hào)預(yù)處理、多路轉(zhuǎn)換器、前置放大器、采樣保持器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和接口邏輯電路等組成。其核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2.模擬量輸入通道中常用器件和電路

①信號(hào)預(yù)處理

信號(hào)預(yù)處理的功能是對(duì)來自傳感器或變送器的信號(hào)進(jìn)行處理，包括非電量的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的變換、放大、濾波、線性化、共模抑制及隔離等

。無源I/V變換圖無源I/V變換電路無源I/V變換可以利用一個(gè)的精密電阻，將0～10mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號(hào)。

例如:將4mA～20mA或0～10mA電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，將熱電阻(Pt100或Cu50)的電阻信號(hào)經(jīng)過橋路變?yōu)殡妷盒盘?hào)。

有源I/V變換圖有源I/V變換電路有源I/V變換是利用有源器件運(yùn)算放大器和電阻組成。

利用0～10mA電流在電阻R上產(chǎn)生的輸入電壓，若取，則時(shí)，產(chǎn)生2V的輸入電壓。該電路的放大倍數(shù)為若取，，則0～10mA輸入對(duì)應(yīng)于0～5V的電壓輸出。

②多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，多路開關(guān)的作用是用來將各路被測(cè)信號(hào)依次地或隨機(jī)地切換到公共放大器或A/D轉(zhuǎn)換上。常用的多路開關(guān)有CD4051(或MC14051)、AD7501、MAX354、LF13508等CBAX接通0000X00001X1……0111X71×××全不通

圖CD4051原理圖表7—1CD4051通道選擇表③前置放大器前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)。當(dāng)多路輸入的信號(hào)源電平相差較懸殊時(shí)，用同一增益的放大器去放大高電平和低電平的信號(hào)，就有可能使低電平信號(hào)測(cè)量精度降低，而高電平則有可能超出模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍?？稍O(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯笃?。圖可變?cè)鲆媲爸梅糯笃鳍懿蓸颖３制鞑蓸訒r(shí)，k閉合，VIN通過A1對(duì)CH快速充電，VOUT跟隨VIN；保持期間，k斷開，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下VOUT=VC保持不變，采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，保證A/D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。圖集成采樣保持器LF398的原理圖圖采樣保持器的組成⑤A／D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，它是模擬量輸入通道的核心部件，是模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口。分辨率：通常用數(shù)字量的位數(shù)n（字長(zhǎng)）來表示，若n＝8，滿量程輸入為5.12V，則LSB對(duì)應(yīng)于模擬電壓。轉(zhuǎn)換時(shí)間：從發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號(hào)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)有效的時(shí)間間隔，即完成n

位轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。

A／D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換精度：絕對(duì)精度指滿量程輸出情況下模擬量輸入電壓的實(shí)際值與理想值之間的差值；相對(duì)精度指在滿量程已校準(zhǔn)的情況下，整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)任一數(shù)字量輸出所對(duì)應(yīng)的模擬量輸入電壓的實(shí)際值與理想值之間的最大差值。轉(zhuǎn)換精度用LSB的分?jǐn)?shù)值來表示。

線性誤差：在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。線性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示，如1/2LSB、1/4LSB等。轉(zhuǎn)換量程：所能轉(zhuǎn)換的模擬量輸入電壓范圍，如0～5V，0~10V，－5V～十5V等。

8位A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809圖ADC0809的原理框圖及引腳START啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；EOC通知CPU讀結(jié)果；OE高電平時(shí)輸出⑥A／D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口8位A/D轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口圖7－17ADC0809與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口

設(shè)8255A的A組和B組都工作于方式0，端口A為輸入口，端口C上半部分為輸入而下半部分為輸出口。ADC0809的ALE與START引腳相連接，將PC0～PC2輸出的3位地址鎖存入0809的地址鎖存器并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；

ADC0809的EOC同OE輸入控制端相連接，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，開放數(shù)據(jù)輸出緩沖器；EOC信號(hào)還連接到8255A的C口，CPU通過查詢PC7的狀態(tài)而控制數(shù)據(jù)的輸入過程。3.模擬量輸入通道設(shè)計(jì)如果模擬輸入電壓已滿足A/D轉(zhuǎn)換量程要求，就不必再用前置放大器，前置放大器可分為固定增益和可變?cè)鲆鎯煞N，前者適用于信號(hào)范圍固定的傳感器，后者適用于信號(hào)范圍不固定的傳感器；如果在A/D轉(zhuǎn)換期間，模擬輸入電壓信號(hào)變化微小，且在A/D轉(zhuǎn)換精度之內(nèi)，也就不必選用采樣保持器。

A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇主要取決于系統(tǒng)測(cè)量精度。

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間或轉(zhuǎn)換速率的選擇取決于使用對(duì)象。

采樣保持器(S/H)的選用取決于測(cè)量信號(hào)的變化頻率，原則上直流信號(hào)或變化緩慢的信號(hào)可以不用采樣保持器。確定A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的方法有以下兩種：①輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)輸入信號(hào)的最大值和最小值分別為

式中n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，為轉(zhuǎn)換當(dāng)量，則動(dòng)態(tài)范圍為

因此，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)為②輸入信號(hào)的分辨率有時(shí)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)要求以分辨率形式給出，其定義為如果所要求的分辨率為D0，則位數(shù)例如，某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為0℃至200℃，要求分辨率為0.005（相當(dāng)于1℃），可求出A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)因此，取A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n為8位。以PC總線工業(yè)控制機(jī)的模擬量輸入通道模板設(shè)計(jì)為例該模板采集一組數(shù)據(jù)的過程如下：（1）通道選擇將模擬量輸入的通道號(hào)寫入8255A的端口C低4位，使LF398的工作狀態(tài)受AD574A的STS控制，A/D未轉(zhuǎn)換期間，STS=0,LF398處于采樣狀態(tài)。（2）啟動(dòng)AD574A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn),換通過8255A的端口C的PC4～PC6輸出控制信號(hào)啟動(dòng)A/D。在A/D轉(zhuǎn)換期間，STS=1，LF398處于保持狀態(tài)。

（3）查詢AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束讀8255A的端口A，了解STS是否已由高電平變?yōu)榈碗娖?。?）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果若查詢到STS由1變?yōu)?，則讀8255A的端口A和B，便可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。2.3.2模擬量輸出通道2模擬量輸出通道中常用器件和電路

①

D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，它是模擬量輸出通道的核心部件，是計(jì)算機(jī)和模擬系統(tǒng)之間的接口。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨串定義為基準(zhǔn)電壓與之比值，其中n為D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。穩(wěn)定時(shí)間：輸入二進(jìn)制數(shù)變化量是滿刻度時(shí)，輸出達(dá)到離終值時(shí)所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換精度：其中絕對(duì)精度是指輸入滿刻度數(shù)字量時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差；相對(duì)精度是指在滿刻度己校準(zhǔn)的情況下，整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)于任一輸入數(shù)據(jù)的實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差。轉(zhuǎn)換精度用最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)來表示，如土1/2LSB、土1/4LSB等。

線性度：理想的D/A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性應(yīng)是線性的。在滿刻度范圍內(nèi)，實(shí)際特性與理想特性的最大偏移稱為非線性度，用LSB的分?jǐn)?shù)來表示，如土1/2LSB、土1/4LSB等。

8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832圖DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、采用R—2R電阻網(wǎng)絡(luò)的8位D/A轉(zhuǎn)換器、相應(yīng)的選通控制邏輯四部分組成。DAC0832的分辨率為8位，電流輸出，采用20腳雙立直插式封裝。

圖DAC1210內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210②D/A轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口

8位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口

圖DAC0832與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口

DAC0832工作在單緩沖寄存器方式；DAC0832將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成差動(dòng)的電流輸出，經(jīng)過運(yùn)算放大器A，將形成單極性電壓輸出0～＋5V；

若要形成負(fù)電壓輸出，則需接正的基準(zhǔn)電壓。將數(shù)字量轉(zhuǎn)換后得到的輸出電流通過內(nèi)部反饋電阻流到放大器的輸出端。圖用DAC0832實(shí)現(xiàn)8位D/A轉(zhuǎn)換程序框圖

配合上圖硬件接口，8位D/A轉(zhuǎn)換程序框圖如圖。④V／I轉(zhuǎn)換電壓／電流轉(zhuǎn)換

0～10V/0～l0mA轉(zhuǎn)換圖0～10V/0～l0mA的轉(zhuǎn)換電路如圖，當(dāng)運(yùn)放開環(huán)增益足夠大時(shí)，輸出電流與輸入電壓的關(guān)系只與反饋電阻有關(guān)，因而具有恒流性能。反饋電阻的值由組件的量程決定，

當(dāng)時(shí)，輸出電流在DC0～l0mA范圍內(nèi)線性的與DC0～l0V輸入電壓對(duì)應(yīng)。3模擬量輸出通道設(shè)計(jì)①D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇D／A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇取決于系統(tǒng)輸出精度；D／A轉(zhuǎn)換器輸出一般都通過功率放大器推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入值為，靈敏度為，可得D／A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)②D／A轉(zhuǎn)換模扳的設(shè)計(jì)圖8通