第4章輸入輸出通道B

第四章過程輸入、輸出通道

1、過程輸入輸出通道的控制方式2、模擬量輸出通道3、模擬量輸入通道4、量化誤差與字長選擇

5、數(shù)據(jù)預(yù)處理6、數(shù)字量輸入輸出通道

本章主要內(nèi)容4.1過程輸入輸出通道的控制方式4.1.1通道與CPU交換的信息類型(1)數(shù)據(jù)信息

(2)狀態(tài)信息

(3)控制信息4.1.2過程通道的編址方式1過程通道與存儲器統(tǒng)一編址方式

特點(diǎn)：又稱存儲器映像方式，它從存儲器空間劃出一部分地址空間給過程通道，把過程通道的端口當(dāng)作存儲單元一樣進(jìn)行訪問，對I/O端口進(jìn)行輸入輸出操作跟對存儲單元進(jìn)行讀寫操作方式相同，只是地址不同。

4.1.2過程通道的編址方式1過程通道與存儲器統(tǒng)一編址方式

優(yōu)點(diǎn)：無需專門的I/O指令，簡化了指令系統(tǒng)的設(shè)計，并能省去相應(yīng)的I/O操作的對外引線，而且CPU可直接對I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，指令豐富。

不足：I/O端口地址占用了一部分存儲器空間；另外訪問內(nèi)存的指令長度一般比專用的I/O指令長，因而取指周期較長，又多占了指令字節(jié)。應(yīng)用：采用這種方式的CPU主要有Intel8031和Intel80196系列單片機(jī)等。4.1.2過程通道的編址方式2過程通道與存儲器獨(dú)立編址方式

特點(diǎn)：將過程通道的端口地址單獨(dú)編址，有自己獨(dú)立的過程通道地址空間，而不是占用存儲器地址空間。在過程通道地址空間中，每一個過程通道的端口有一個唯一對應(yīng)的過程通道的端口地址。

控制：要求有專用的I/O指令(IN及OUT指令)用于CPU與過程通道端口之間的數(shù)據(jù)傳輸。地址總線配合存儲器操作信號實現(xiàn)存儲器的訪問控制，而地址總線與I/O操作信號配合則可訪問過程通道。

應(yīng)用：典型的微處理器Z80和80X86，分別有存儲器訪問和I/O訪問的指令及相應(yīng)的控制信號。4.1.3CPU對過程通道的控制方式1程序查詢方式

特點(diǎn)：傳送前必須查詢I/O通道的狀態(tài)，準(zhǔn)備就緒則傳送，反之則等待。問題的產(chǎn)生：計算機(jī)的外圍設(shè)備及過程通道種類繁多，它們的傳送速率又不相同，因此輸入輸出將產(chǎn)生復(fù)雜的定時問題，也就是CPU采用什么控制方式向過程通道輸入和輸出數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：能保證主機(jī)與輸入輸出通道之間協(xié)調(diào)工作，硬件線路簡單，程序容易實現(xiàn)。缺點(diǎn)：需要重復(fù)查詢輸入輸出通道是否“準(zhǔn)備就緒”，從而浪費(fèi)了CPU的時間。4.1.3CPU對過程通道的控制方式2中斷控制方式

特點(diǎn)：CPU與I/0通道處于異步工作方式。當(dāng)CPU與I/O通道需要傳送數(shù)據(jù)時，過程通道做好準(zhǔn)備后，主動向CPU請求中斷,CPU響應(yīng)這一請求，并暫停正在運(yùn)行的程序。優(yōu)點(diǎn)：通道需要傳送數(shù)據(jù)時就向CPU發(fā)出中斷請求信號，實時性比程序查詢方式好。

缺點(diǎn)：CPU內(nèi)部需要有一些線路來控制；每次執(zhí)行“中斷處理程序”，都要保護(hù)斷點(diǎn)、恢復(fù)斷點(diǎn)，浪費(fèi)了很多不必要的CPU時間。

應(yīng)用：一般較適合于過程通道傳送少量數(shù)據(jù)的場合。4.1.3CPU對過程通道的控制方式3直接存儲器存取(DMA)方式

特點(diǎn)：完全由硬件完成輸入輸出操作，I/O通道和存儲器之間不通過CPU而直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。優(yōu)點(diǎn)：速度快，數(shù)據(jù)傳送速度只受存儲器存取時間的限制。

缺點(diǎn)：需要一個專用的芯片——DMA控制器來加以控制、管理，硬件連接也稍顯復(fù)雜一些。

所謂“可編程接口”就是指其功能可由程序指令(接口芯片功能設(shè)定的初始化程序)設(shè)定接口芯片的功能。4.1.4過程通道接口設(shè)計應(yīng)考慮的問題

1

接口電路的基本任務(wù)

過程通道與CPU的橋梁

⑴控制信息的傳遞路徑；⑵控制信息傳送的順序；2接口電路設(shè)計中應(yīng)解決的問題⑴觸發(fā)方式；

⑵工作時序；⑶帶負(fù)載能力。

同步觸發(fā)：指系統(tǒng)的許多相關(guān)部件或功能塊在同一門控信號作用下完成要求的操作。異步觸發(fā)：指各相關(guān)部件或功能塊不需在同一信號控制下完成自己的操作，但一般需要按一定的順序進(jìn)行。4.2模擬量輸出通道引言模擬量輸出通道的任務(wù)--把計算機(jī)處理后的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號，去驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器，從而達(dá)到控制的目的;

模擬量輸出通道(稱為D/A通道或AO通道)構(gòu)成--一般是由接口電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(簡稱D/A或DAC)和電壓/電流變換器等;模擬量輸出通道構(gòu)成特點(diǎn)：一路輸出對應(yīng)一個D/A轉(zhuǎn)換器；兼有信號保持作用，即把主機(jī)在上一時刻對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制作用維持到下一個輸出時刻

。

4.2模擬量輸出通道4.2.1D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器是一種把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件。

1D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理⑴原理框圖：

⑵轉(zhuǎn)換過程：虛地、電流分配、電流流向；⑶轉(zhuǎn)換公式：鏈接動畫①分辨率

指D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出模擬增量，即當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時所對應(yīng)輸出模擬量的變化量，它取決于能轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)，數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率也就越高。分辨率與二進(jìn)制位數(shù)n呈下列關(guān)系：分辨率=滿刻度值/（2n-1）=VREF/2n

2.D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

指轉(zhuǎn)換后所得的實際值和理論值的接近程度。它和分辨率是兩個不同的概念。對于分辨率很高的D/A轉(zhuǎn)換器并不一定具有很高的精度。②轉(zhuǎn)換精度③偏移量誤差指輸入數(shù)字量時，輸出模擬量對于零的偏移值。此誤差可通過D/A轉(zhuǎn)換器的外接VREF和電位器加以調(diào)整。(4)D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)描述D/A轉(zhuǎn)換速度快慢的一個參數(shù)，指從輸入數(shù)字量變化到輸出模擬量達(dá)到終值誤差1/2LSB時所需的時間。對于輸出是電流的D/A轉(zhuǎn)換器來說，穩(wěn)定時間是很快的，約幾微秒，而輸出是電壓的D/A轉(zhuǎn)換器，其穩(wěn)定時間主要取決于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時間。④穩(wěn)定時間

3.8位D/A轉(zhuǎn)換器及其接口（1）DAC0832芯片

8位D/A轉(zhuǎn)換器，電流輸出方式，穩(wěn)定時間為1s，采用20腳雙立直插式封裝。

鏈接動畫

3.8位D/A轉(zhuǎn)換器及其接口（2）DAC0832接口電路MOVDX，220HMOVAL，[DATA]OUTDX，AL鏈接動畫

4.高于8位的D/A轉(zhuǎn)換器及其接口（1）DAC1210芯片鏈接動畫（2）DAC1210接口電路鏈接動畫（2）DAC1210接口電路接口程序：DAC：MOVDX，0381HMOVAL，[DATA]OUTDX，AL；送高8位數(shù)據(jù)DECDXMOVAL，[DATA+1]OUTDX，AL；送低4位數(shù)據(jù)MOVDX，0384HOUTDX，AL；完成12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換4.2.2D/A通道的輸出電路

1.電壓輸出方式（1）單極性輸出（2）雙極性輸出2.電流輸出方式（1）普通運(yùn)放V/I變換電路①010V/010mA轉(zhuǎn)換電路

+-Vin0~10VAT1T2I0Vf+VsR1R2R3R4R5R6RfRL（1）普通運(yùn)放V/I變換電路②15V/420mA轉(zhuǎn)換電路

+-A1+-A2T2T1T3Vin1~5VR1R2RfRLR3CIfI2I0I1V1V2+VsV3（2）集成芯片V/I變換電路特點(diǎn)：單正電源供電，電源電壓范圍為10～32V，ZF2B20的輸入電阻為10KΩ，動態(tài)響應(yīng)時間小于25μS，非線性小于±0.025％。3.自動/手動輸出方式（1）自動/手動狀態(tài)下的V/I變換①當(dāng)開關(guān)處于自動(A)狀態(tài)時：電壓跟隨器

②當(dāng)開關(guān)處于自動(A)狀態(tài)時：保持器（反向積分）

（2）自動/手動雙向無擾切換4.3模擬量輸入通道

引言

4.3.1信號調(diào)理與放大

4.3.2多路模擬開關(guān)

4.3.3采樣保持器

4.3.4A/D轉(zhuǎn)換器工作原理

4.3.5逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器及其接口引言：模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)

4.3.1信號調(diào)理與放大

信號調(diào)理：主要包含信號濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換、過電壓保護(hù)、反電壓保護(hù)、電流/電壓變換、放大等。1.信號調(diào)理電路（a）無源I/V變換電路；（b）有源I/V變換電路2.前置放大器（1）同相放大與反相放大

（a）同相放大；（b）反向放大鏈接動畫2.前置放大器（2）經(jīng)典測量放大器：

鏈接動畫2.前置放大器（3）可變增益放大器：

鏈接動畫4.3.2多路模擬開關(guān)

1.CD4051芯片作用：實現(xiàn)多選一的操作，將多路輸入信號依次地切換到后級。鏈接動畫2.多路模擬開關(guān)的擴(kuò)展電路

鏈接動畫4.3.3采樣保持器

主要作用：保證A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間，輸入電壓保持不變，以免引起A/D的轉(zhuǎn)換誤差。采樣狀態(tài)：其輸出能跟隨輸入電壓的變化而變化，故該狀態(tài)亦稱跟蹤狀態(tài)。保持狀態(tài)：其輸出將保持在進(jìn)入保持狀態(tài)瞬間的輸入電壓的值不變。1.工作原理

鏈接動畫2.集成采樣保持器(a)AD582；(b)LF198/LF298/LF398保持器在采樣期間，不啟動A/D轉(zhuǎn)換器，而一旦進(jìn)入保持期間，則立即啟動A/D轉(zhuǎn)換器，從而保證A/D轉(zhuǎn)換時的模擬輸入電壓恒定，以確保A/D轉(zhuǎn)換精度。4.3.4

A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理

1.逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理鏈接動畫優(yōu)點(diǎn)：精度高、轉(zhuǎn)換速度快，且轉(zhuǎn)換時間是固定的。缺點(diǎn):抗干擾能力不夠強(qiáng)。2.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理優(yōu)點(diǎn)：消除干擾和電源噪聲的能力強(qiáng)、精度高。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢。3.A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

(1)分辨率

分辨率=滿刻度值/2n(2)轉(zhuǎn)換精度

絕對誤差是指對應(yīng)于一個給定數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差的大小由實際模擬量輸入值和理論值之差來度量。絕對誤差包括增益誤差，零點(diǎn)誤差和非線性誤差等。

相對誤差是指絕對誤差與滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來表示，對A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù)(LSB)表示，1LSB=1/2n。(3)轉(zhuǎn)換時間4.3.5

逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器及其接口

1.8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口（1）ADC0809芯片鏈接動畫1.8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口（1）ADC0809芯片1.8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口（2）接口電路功能：主要解決主機(jī)如何分時采集多路模擬量輸入信號的，即主機(jī)如何啟動A/D轉(zhuǎn)換，如何判斷A/D完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，如何讀入并存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的。

鏈接動畫鏈接動畫接口程序：

MOVBX，BUFF；置采樣數(shù)據(jù)區(qū)首址MOVCX，08H；８路輸入START：OUTPA，AL；啟動A/D轉(zhuǎn)換REOC：INAL，PB；讀EOCRCRAL，01；判斷EOCJNCREOC；若EOC=0，繼續(xù)查詢INAL，PA；若EOC=1，讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)MOV[BX]，AL；存A/D轉(zhuǎn)換數(shù)INCBX；存A/D轉(zhuǎn)換數(shù)地址加1INCPA；接口地址加1LOOPSTART；循環(huán)2.高于8位的A/D轉(zhuǎn)換器及其接口（1）AD574A芯片2.高于8位的A/D轉(zhuǎn)換器及其接口（1）AD574A芯片2.高于8位的A/D轉(zhuǎn)換器及其接口（1）AD574A芯片2.高于8位的A/D轉(zhuǎn)換器及其接口（1）AD574A芯片2.高于8位的A/D轉(zhuǎn)換器及其接口（2）接口電路4.5量化誤差與字長選擇

4.5.1量化誤差1量化誤差的概念

①量化單位：

②量化過程：

③截尾誤差：

④舍入誤差：

2量化誤差的來源

(1)A/D轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)2量化誤差的來源

（2）控制規(guī)律計算中的量化效應(yīng)

浮點(diǎn)運(yùn)算一般量化誤差通常很小，可以忽略；

單片機(jī)等采用定點(diǎn)運(yùn)算時，乘或除運(yùn)算產(chǎn)生量化誤差。（3）控制參數(shù)的量化效應(yīng)

（4）D/A轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)類似A/D的量化效應(yīng)

4.5.2A/D、D/A字長的選擇依據(jù):無論是A/D轉(zhuǎn)換還D/A轉(zhuǎn)換，總是用一個范圍為2n-1內(nèi)的整數(shù)與轉(zhuǎn)換的模擬量相對應(yīng)，則轉(zhuǎn)換的分辨率可表示為例1:某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為0至600℃，要求分辨率0.5℃,求A/D轉(zhuǎn)換器字長?例2：某執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入值為umax=20mA，最小輸入值為umin=4mA，靈敏度為=0.05mA,求D/A轉(zhuǎn)換器的字長。

4.6

數(shù)據(jù)預(yù)處理

4.6.1系統(tǒng)誤差的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差：指在相同條件下，經(jīng)過多次測量，誤差的數(shù)值(包括大小、符號)保持恒定，或按某種已知的規(guī)律變化的誤差。特點(diǎn)是有規(guī)律。

4.6.2標(biāo)度變換標(biāo)度變換的任務(wù)是把計算機(jī)系統(tǒng)檢測的對象參數(shù)的二進(jìn)制數(shù)值還原變換為原物理量的工程實際值。鏈接動畫1線性式變換

鏈接動畫2非線性式變換根據(jù)不同的情況建立不同的非線性變換式，但前提是它們的函數(shù)關(guān)系可用解析式來表示。鏈接動畫3多項式變換原理：用插值多項式來進(jìn)行標(biāo)度變換，插值多項式是用一個n次多項式來代替某種非線性函數(shù)關(guān)系的方法。3多項式變換為了提高逼近精度，且不占用過多的機(jī)時，較好的方法是采用分段插值法。分段插值法是將被逼近的函數(shù)根據(jù)其變化情況分成幾段，然后將每一段區(qū)間分別用直線或拋物線去逼近。4

查表法

把事先計算或測得的數(shù)據(jù)按照一定順序編制成表格，查表程序的任務(wù)就是根據(jù)被測參數(shù)的值或者中間結(jié)果，查出最終所需要的結(jié)果。它是一種非數(shù)值計算方法，利用這種方法可以完成數(shù)據(jù)的補(bǔ)償、計算、轉(zhuǎn)換等各種工作。（1）順序查表法針對無序排列表格或短表格

（2）計算查表法要求有序表格中各元素在表中的排列格式及所占用的空間必須一致，而且各元素是嚴(yán)格按順序排列。其關(guān)鍵在于找出一個計算表地址的公式。（3）對分查表法

要求有序表格從大到小或從小到大的排列順序。