ch02輸入通道接口技術(shù)解讀課件

第2章

輸入通道接口技術(shù)輸入通道接口技術(shù)2.1信號(hào)測量與傳感器技術(shù)

2.2模擬信號(hào)輸入通道接口

2.3鍵盤接口技術(shù)

2.4開關(guān)量信號(hào)輸入接口

2.1信號(hào)測量與傳感器技術(shù)2.1.1溫度測量傳感器

溫度測量原理：通過溫度敏感元件與被測對(duì)象的熱交換，測量相關(guān)的物理量，即可確定被測對(duì)象的溫度。

溫度測量方式：有接觸式和非接觸式兩大類。測溫方式類別原理典型儀表測溫范圍接觸式測溫膨脹類利用液體氣體的熱膨脹及物質(zhì)的蒸氣氣壓變化玻璃液體溫度計(jì)

100℃～600℃壓力式溫度計(jì)

100℃～500℃利用兩種金屬的熱膨脹差雙金屬溫度計(jì)

80℃～600℃熱電類利用熱電效應(yīng)熱電偶

200℃～1800℃電阻類固體材料的電阻隨溫度變化而變化鉑熱電阻

260℃～850℃銅熱電阻

50℃～150℃熱敏電阻

50℃～300℃其他電學(xué)類半導(dǎo)體器件的溫度效應(yīng)集成溫度傳感器

50℃～150℃晶體的固有頻率隨溫度變化而變化石英晶體溫度計(jì)

50℃～120℃光纖類利用光纖的溫度特性或作為傳光介質(zhì)光纖溫度傳感器

50℃～400℃非接觸式測溫光纖輻射溫度計(jì)200℃～4000℃輻射類利用普朗克定律光電高溫計(jì)800℃～3200℃輻射傳感器400℃～2000℃表2－1溫度檢測方法的分類2.1信號(hào)測量與傳感器技術(shù)接觸式溫度測量傳感器－金屬熱電阻：測溫過程：金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化。優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)可以遠(yuǎn)傳，靈敏度高，無須參比溫度。穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高。缺點(diǎn)：需要電源激勵(lì)，有自熱現(xiàn)象，影響測量精度。類型：鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻等。鉑熱電阻的工作原理：鉑的純度W100=R100/R0其中R100和R0為鉑熱電阻在100℃和0℃時(shí)的電阻值。當(dāng)W100=1.3850，R0選用10

和100

兩種阻值（分度號(hào)分別為Pt10和Pt100）時(shí)，鉑熱電阻溫度測量范圍為

200℃～850℃，其電阻與溫度的關(guān)系為： 當(dāng)T≥0℃時(shí) R(T)=R0(1+AT+BT2)

當(dāng)T＜0℃時(shí) R(T)=R0[1+AT+BT2+CT3(T

100)]

式中，A=3.9083×10

3℃

1,

B=

5.775×10

7℃

2,

C=

4.183×10

12℃

4。2.1信號(hào)測量與傳感器技術(shù)鉑熱電阻的分類和特性及分度表見表2-2、表2-3。項(xiàng)目鉑熱電阻分度號(hào)Pt100Pt10R0/

10010

0.00385℃測溫范圍

200℃～850℃允差A(yù)級(jí):±(0.15℃+0.002|T|)B級(jí):±(0.30℃+0.005|T|)表2-2鉑熱電阻分類和特性TPt100Pt10TPt100Pt10TPt100Pt10

200℃18.521.852160℃161.0516.105520℃287.6228.762

180℃27.102.710180℃168.4816.848540℃294.2129.421

160℃35.543.554200℃175.8617.586560℃300.7530.075

140℃43.884.388220℃183.1918.319580℃307.2530.725

120℃52.115.211240℃190.4719.047600℃313.7131.371

100℃60.266.026260℃197.7119.771620℃320.1232.012

80℃68.336.833280℃204.9020.490640℃326.4832.648

60℃76.337.633300℃212.0521.205660℃332.7933.279

40℃84.278.427320℃219.1521.915680℃339.0633.906

20℃92.169.216340℃226.2122.621700℃345.2834.5280℃100.0010.000360℃233.2123.321720℃351.4635.14620℃107.7910.779380℃240.1824.018740℃357.5935.75940℃115.5411.554400℃247.0924.709760℃363.6736.36760℃123.2412.324420℃253.9625.396780℃369.7136.97180℃130.9013.090440℃260.7826.078800℃375.7037.570100℃138.5113.851460℃267.5626.756820℃381.6538.165120℃146.0714.607480℃274.2927.429840℃387.5538.775140℃153.5815.358500℃280.9828.098860℃390.4839.048表2-3鉑熱電阻分度表2.1信號(hào)測量與傳感器技術(shù)熱電阻結(jié)構(gòu)分為普通型和鎧裝型兩種。普通型：感溫元件、內(nèi)引線、絕緣套管、保護(hù)套管、接線盒組成。鎧裝型：鎧裝電纜作為保護(hù)管－絕緣物－內(nèi)引線的組件，前端與感溫元件連接，外部焊接短保護(hù)管。圖2-1鎧裝鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)2.1信號(hào)測量與傳感器技術(shù)2.1.2壓力測量傳感器

類型：應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式、光電式、光纖式、超聲式等。壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。壓電元件受一壓力作用時(shí)將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去除后，電荷消失。在彈性范圍內(nèi)，壓電元件產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系，即：

q=kSp

式中，q為電荷量，k為壓電常數(shù)，S為作用面積，p為壓力。2.1信號(hào)測量與傳感器技術(shù)圖2-2壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜片接觸并接地，另一個(gè)側(cè)面通過金屬箔和引線將電量引出。被測壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。2.1信號(hào)測量與傳感器技術(shù)2.1.3流量測量傳感器流體的流量是指在單位時(shí)間內(nèi)流過某一個(gè)流通截面的流體的體積或者質(zhì)量。流量計(jì)的種類繁多，分別適合于不同的工作場合。按檢測原理分類的典型流量計(jì)列在表2-4中。類別儀表名稱體積流量計(jì)容積式流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、皮膜式流量計(jì)等差壓式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì)、勻速管流量計(jì)、彎管流量計(jì)、靶式流量計(jì)、浮子流量計(jì)速度式流量計(jì)渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等質(zhì)量流量計(jì)推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)體積流量經(jīng)密度補(bǔ)償或者溫度、壓力補(bǔ)償求得質(zhì)量流量等直接式質(zhì)量流量計(jì)科里奧利流量計(jì)、熱式流量計(jì)、沖量式流量計(jì)表2-4流量計(jì)的分類

2.2模擬信號(hào)輸入通道接口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。

模擬量輸入通道中常用器件①傳感器、變送器

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。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)等。傳感器（Transducer）非電量→電壓、電流變送器（Transformer）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)②信號(hào)預(yù)處理

③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。④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?。⑤采樣保持器采樣時(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，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。⑥A／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。2.2模擬信號(hào)輸入通道接口2.2.1模擬多路開關(guān)在實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，往往需要對(duì)多路信號(hào)或者多種信號(hào)進(jìn)行測量，而計(jì)算機(jī)在任意時(shí)刻只能處理一路信號(hào)，因此，需要將各路信號(hào)分時(shí)地送給計(jì)算機(jī)處理。多路開關(guān):把多個(gè)模擬量參數(shù)分時(shí)地接通并送入A/D轉(zhuǎn)換器，即完成多到一的轉(zhuǎn)換。多路分配器（反多路開關(guān)）：把經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，且由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號(hào)按一定的順序輸出到不同的控制回路（或外部設(shè)備）中，即完成一到多的轉(zhuǎn)換圖2-3多路模擬信號(hào)檢測框圖按用途分：單向多路開關(guān)：只能完成多到一的切換，如AD7501（8路）、AD8506(16路)；雙向多路開關(guān)：該芯片既可以實(shí)現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換。如CD4051。從輸入信號(hào)的連接方式來分：

單端輸入

雙端輸入（或差動(dòng)輸入）。雙端是指芯片內(nèi)的一對(duì)開關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信號(hào)的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。公司型號(hào)通道數(shù)種類CD公司CD40518通道雙向CD4052雙4通道雙向CD4053三重2通道雙向CD406716通道雙向CD4097雙8通道雙向AD公司AD75018通道單向AD7502雙4通道單向AD75038通道單向AD750616通道單向AD7507雙8通道單向MAX公司MAX3088通道雙向MAX309雙4通道雙向MAX30616通道雙向MAX307雙8通道雙向表2-5常用模擬多路開關(guān)芯片半導(dǎo)體模擬多路開關(guān)的主要特點(diǎn)：

具有多種集成電路的封裝形式（如DIP、SMD封裝等），尺寸小，便于安排；直接與TTL（或CMOS）電平相兼容；可采用雙極性輸入；轉(zhuǎn)換速度快，通常其導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間在1

s左右，有些產(chǎn)品已達(dá)到幾十ns；壽命長，無機(jī)械磨損；接通電阻較低，一般小于100

，有的可達(dá)幾

。斷開電阻高，通常達(dá)109

以上。2.2模擬信號(hào)輸入通道接口1．模擬多路開關(guān)CD4051

CD4051是單端、8通道、雙向多路開關(guān)。它帶有3個(gè)通道選擇輸入端A、B、C和一個(gè)禁止輸入端INH。輸入端A、B、C的信號(hào)用來控制選擇8個(gè)通道之一被接通。INH＝1，所有通道均斷開，禁止模擬信號(hào)輸入。

INH＝0，通道接通，允許模擬信號(hào)輸入。輸入信號(hào)Vi范圍是VDD～VSS。該類芯片VDD－VSS允許使用的電壓范圍是-0.5－15V。

圖2-4CD4051的原理與引腳圖輸入狀態(tài)接通通道INHCBACD45010000000011001020011301004010150110601117表2-6CD4051真值表2．CD4051多路開關(guān)的擴(kuò)展應(yīng)用如果被測參數(shù)多于8路，使用一個(gè)CD4051不能滿足路數(shù)的要求，可將多個(gè)4051相連并進(jìn)行擴(kuò)展。例如用2個(gè)CD4051構(gòu)成16通道多路開關(guān)，2個(gè)16通道開關(guān)構(gòu)成32通道多路開關(guān)等。例：2個(gè)CD4051構(gòu)成16通道多路開關(guān)用一根地址總線D3即可作為兩個(gè)多路開關(guān)的允許控制端的選擇信號(hào)而兩個(gè)多路開關(guān)的通道選擇輸入端共用一組地址(或數(shù)據(jù))總線D0～D2。圖2-5CD4051的擴(kuò)展電路通過改變通道選擇線D3～D0的狀態(tài)，即可選通IN0～I(xiàn)N15這16個(gè)通道之一。表2-716通道選擇真值表輸入狀態(tài)選中通道號(hào)D3D2D1D0INi000000001100102001130100401015011060111710008100191010101011111100121101131110141111152.2.2A/D轉(zhuǎn)換器能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器。按位數(shù)來分有8位、10位、12位、16位等幾種。按結(jié)構(gòu)而分，有單一的A/D轉(zhuǎn)換器、內(nèi)含多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換器、多功能的A/D轉(zhuǎn)換器等。轉(zhuǎn)換方法有:①計(jì)數(shù)器式A／D轉(zhuǎn)換:線路簡單，速度慢，較少用②逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換：既有轉(zhuǎn)換速度，又有一定精度。③雙斜率積分式A／D轉(zhuǎn)換④∑—△型A/D轉(zhuǎn)換⑤V／F變換型A／D轉(zhuǎn)換:用于遠(yuǎn)距離串行傳送的場合。各種ADC的優(yōu)缺點(diǎn)計(jì)數(shù)式ADC：最簡單，但轉(zhuǎn)換速度最慢。并行轉(zhuǎn)換式ADC：速度最快，但成本最高。逐次逼近式ADC：轉(zhuǎn)換速度和精度都比較高，且比較簡單，價(jià)格低，所以在微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用。雙積分式ADC：轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度慢，一般應(yīng)用在精度高而速度不高的場合，如測量儀表。V/F轉(zhuǎn)換式ADC：在轉(zhuǎn)換線性度、精度、抗干擾能力等方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，且接口簡單、占用計(jì)算機(jī)資源少，缺點(diǎn)也是轉(zhuǎn)換速度慢。在一些輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大或傳輸距離較遠(yuǎn)的低速過程的模擬輸入通道中應(yīng)用較為廣泛。結(jié)構(gòu)：由D/A轉(zhuǎn)換器、比較器和逐次逼近寄存器SAR組成。Vi-+逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器Vc比較器數(shù)字量輸出控制電路模擬量輸入逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理

類似天平稱重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物體。例如：用8個(gè)砝碼20g，21g，…，27g，可以稱出1～255g之間的物體。現(xiàn)有一物體，用砝碼稱出其重量（假定重量為176g）。1）ADC從高到低逐次給SAR的每一位“置1”（即加上不同權(quán)重的砝碼），SAR相當(dāng)于放法碼的稱盤；2）每次SAR中的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為電壓VC

；3）VC與輸入電壓Vi比較，若VC≤Vi，保持當(dāng)前位的‘1’，否則當(dāng)前位‘置0’；4）從高到低逐次比較下去，直到SAR的每一位都嘗試完；5）SAR內(nèi)的數(shù)據(jù)就是與Vi相對(duì)應(yīng)的2進(jìn)制數(shù)。圖逐次逼近過程A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)(1)分辨率：分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示。分辨率=Vmax/電平數(shù)(即滿量程值)例：某8位ADC的滿量程電壓為5V，則其分辨率為5V/255=19.6mV

(2)量程：A／D轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換的模擬電壓的范圍。

(3)精度：分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度=量化間隔/2=(滿量程電壓/(2n-1))/2

相對(duì)精度=1/2*1/量化電平數(shù)目*100%例：滿量程電壓=10V，A/D變換器位數(shù)=10位，則絕對(duì)量化誤差≈10/211=4.88mV

相對(duì)量化誤差≈1/211*100%=0.049%

(4)轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次完整轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。

(5)輸出邏輯電平：輸出數(shù)據(jù)的電平形式和數(shù)據(jù)輸出方式(如三態(tài)邏輯和數(shù)據(jù)是否鎖存)。

(6)工作溫度范圍：A/D轉(zhuǎn)換器在規(guī)定精度內(nèi)允許的工作溫度范圍。1．8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808/08098通道（8路）輸入8位字長逐位逼近型轉(zhuǎn)換時(shí)間100μs內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器（可直接接到數(shù)據(jù)總線上）圖2-6ADC0808/0809原理框圖模擬量輸入數(shù)字量輸出地址選擇地址鎖存允許ADC0808/0809的引腳功能：IN7一IN0：8個(gè)模擬量輸入端。

START：啟動(dòng)信號(hào)。高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換開始。

EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。高電平有效。OE：輸出允許信號(hào)。高電平有效。CLOCK：實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可通過外接RC電路改變時(shí)鐘頻率。ALE：地址鎖存允許，高電平有效。

C，B，A：通道號(hào)選擇端子。C為最高位，A為最低位。D7～D0：數(shù)字量輸出端。VREF(+)，VREF(-)：參考電壓端子。

Vcc：電源端子。接+5V。

GND：接地端。ADC0808/0809的技術(shù)指標(biāo)

:單一電源，+5V供電，模擬輸入范圍為0～5V。分辨率為8位。最大不可調(diào)誤差：

ADC0808＜±1/2LSBADC0809＜±1LSB功耗為15mW。轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率范圍：10～1280kHz，當(dāng)CLOCK等于500kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換速度為128μs?？涉i存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。無需進(jìn)行零位及滿量程調(diào)整。溫度范圍為－400C～＋85℃。2．ADC0808/0809的應(yīng)用圖2-7ADC0808/0809的應(yīng)用原理圖圖2-8ADC0808/0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)各引腳時(shí)序圖ADC0809的工作過程根據(jù)時(shí)序圖，ADC0809的工作過程如下：①把通道地址送到A～C上，選擇一個(gè)模擬輸入端；②在通道地址信號(hào)有效期間，ALE上的上升沿使該地址鎖存到內(nèi)部地址鎖存器；③START引腳上的下降沿啟動(dòng)A/D變換；

④變換開始后，EOC引腳呈現(xiàn)低電平，EOC重新變?yōu)楦唠娖綍r(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；⑤OE信號(hào)打開輸出鎖存器的三態(tài)門送出結(jié)果。3．A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器的連接1）模擬量輸入通道的連接

A／D轉(zhuǎn)換器所要求接收的模擬量大都為0～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。但是有些A／D轉(zhuǎn)換器的輸入除允許單極性外，也可以是雙極性，用戶可通過改變外接線路來改變量程。有的A／D轉(zhuǎn)換器還可以直接接入傳感器的輸出信號(hào)，如AD670。2）數(shù)字量輸出引腳的連接

對(duì)于內(nèi)部未含輸出鎖存器的A／D轉(zhuǎn)換器來說，一般通過鎖存器或I/O接口與微型計(jì)算機(jī)相連。常用的接口及鎖存器有Intel8155，8255，8243以及74LS273，74LS373，8212等。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含數(shù)據(jù)輸出鎖存器時(shí)，可直接與微型計(jì)算機(jī)相連。3)A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)方式

任何一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器在開始轉(zhuǎn)換前，都必須經(jīng)過啟動(dòng)，才開始工作。芯片不同，要求的啟動(dòng)方式也不同。脈沖啟動(dòng)：在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引鄶上加上要求的脈沖信號(hào)。電平啟動(dòng)：在啟動(dòng)引腳上加上要求的電平，在轉(zhuǎn)換過程中，必須保持這一電平。一般可采用D觸發(fā)器、鎖存器或并行I/O接口等來實(shí)現(xiàn)。高電平啟動(dòng)：如ADC0809、AD574低電平啟動(dòng)：如ADC0801、ADC0802、AD6704）轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理方法微處理器檢查判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法有以下3種：①中斷方式②查詢方式③軟件延時(shí)方法5）參考電源的選擇在A／D轉(zhuǎn)換器中，參考電平的作用是給其內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換器提供標(biāo)準(zhǔn)電源。它直接關(guān)系到A／D轉(zhuǎn)換的精度，因而對(duì)該電源的要求比較高，一般要求由穩(wěn)壓電源供電。外電源供給：如AD7574、ADC0809內(nèi)部供電：AD574A、ADC806）時(shí)鐘信號(hào)的連接時(shí)鐘信號(hào)的頻率決定了其轉(zhuǎn)換速度。一種由芯片內(nèi)部提供，另一種由外部時(shí)鐘提供。7）接地問題模擬地和數(shù)字地應(yīng)分別與系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地相連。而在整個(gè)系統(tǒng)中，模擬地和數(shù)字地只在一點(diǎn)接通。4．8位A/D轉(zhuǎn)換器控制程序設(shè)計(jì)

圖2-9ADC0809與計(jì)算機(jī)的接口原理圖

A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束信號(hào)EOC作為狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)三態(tài)門接入數(shù)據(jù)總線的D7位。計(jì)算機(jī)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換后，不斷查詢D7是否為1，判斷AD轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。2.2.3數(shù)據(jù)采集與處理方法一、數(shù)字濾波由于有各種各樣的干擾，如環(huán)境溫度、電場、磁場等，會(huì)使采樣值偏離真實(shí)值，因此需要將干擾濾掉，也就是進(jìn)行濾波。對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其濾波非常容易實(shí)現(xiàn)，就是設(shè)計(jì)一些計(jì)算程序，稱為數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的濾波。

數(shù)字濾波器與模擬RC濾波器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要增加硬件設(shè)備（2）可靠性高（3）可多通道共享（4）可以對(duì)頻率很低（如0.1Hz）的信號(hào)濾波（5）使用靈活、方便，如可選擇不同的濾波器和參數(shù)1、程序判斷濾波

程序判斷濾波的方法，是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)的最大偏差⊿Y。若超過此偏差值，則表明是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉；若小于此偏差值，則將該信號(hào)作為本次的采樣值。程序判斷濾波的主要作用：用于濾掉由于大功率設(shè)備的啟停，所造成的電流尖峰干擾或誤檢測，以及變送器不穩(wěn)定而引起的嚴(yán)重失真等。程序判斷濾波可分為限幅濾波和限速濾波兩種。

1）限幅濾波

限幅濾波是濾掉采樣值變化過大的信號(hào)。①限幅濾波的方法是把相鄰兩次的采樣值相減，求出其增量（絕對(duì)值），然后與兩次采樣允許的最大差值（據(jù)情況而定）⊿Y進(jìn)行比較，若小于或等于⊿Y，則取本次的采樣值；若大于⊿Y，則仍取上次的采樣值作為本次的采樣值。即若|Y(k)-Y(k-1)|≤⊿Y，則Y(k)=Y(k)，取本次采樣值若|Y(k)-Y(k-1)|>⊿Y，則Y(k)=Y(k-1)，取上次采樣值說明：⊿Y

的大小取決于采樣周期T及Y值的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)。②限幅濾波的應(yīng)用系統(tǒng)是主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、物位等測量系統(tǒng)。③使用時(shí)最大允許誤差⊿Y的選取，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)得出。⊿Y太大，各種干擾信號(hào)將“乘機(jī)而入”，使系統(tǒng)誤差增大；⊿Y太小，又會(huì)使一些有用信號(hào)“拒之門外”，使計(jì)算機(jī)采樣效率變低。2）、限速濾波

限速濾波

也是濾掉采樣值變化過大的信號(hào)

限速濾波有時(shí)需要三次采樣值來決定采樣結(jié)果①限速濾波的方法當(dāng)|Y(2)-Y(1)|>⊿Y時(shí)，不是取Y(1)作為本次的采樣值，而是再采樣一次，取的Y(3)，然后根據(jù)|Y(3)-Y(2)|與⊿Y的大小關(guān)系，來決定本次的采樣值。設(shè)順序采樣時(shí)刻t1、t2、t3所采集到的數(shù)據(jù)分別為Y(1)、Y(2)、Y(3)

當(dāng)|Y(2)-Y(1)|≤⊿Y時(shí)，采用Y(2)

當(dāng)|Y(2)-Y(1)|>⊿Y時(shí)，不采用Y(2)，但保留，繼續(xù)采樣取得Y(3)

當(dāng)|Y(3)-Y(2)|≤⊿Y時(shí)，采用Y(3)

當(dāng)|Y(3)-Y(2)|>⊿Y時(shí)，則取(Y(3)+Y(2))/2為采樣值

②限速濾波的特點(diǎn)既照顧了采樣的實(shí)時(shí)性，又顧及了采樣值變化的連續(xù)性。 不足之處：一是不夠靈活，二是不能反映采樣點(diǎn)數(shù)大于3時(shí)各采樣數(shù)值受干擾情況。故應(yīng)用受到限制。3）中值濾波

中值濾波是對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采集n次（一般n取奇數(shù)），然后把n次的采樣值從小到大、或從大到小排序，取其中間值作為本次采樣值。中值濾波的功能對(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)、或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動(dòng)干擾有效。中值濾波的應(yīng)用系統(tǒng)適用與信號(hào)變化比較緩慢的系統(tǒng)，對(duì)于變化快速的信號(hào)，如流量、快速運(yùn)動(dòng)的位移、角度等不適用。4）算數(shù)平均值濾波

①算術(shù)平均值濾波

是要尋找一個(gè)Y(k)，使該值與各采樣值之間誤差的平方和為最小。即

②算術(shù)平均值濾波公式由一元函數(shù)求極限值原理，得算術(shù)平均法數(shù)字濾波公式

式中-----為第k次采樣N個(gè)采樣值的算術(shù)平均值

X(i)-----第i個(gè)采樣值N-----采樣次數(shù)

③算術(shù)平均值濾波的實(shí)質(zhì)

是把一個(gè)采樣周期內(nèi)N次采樣值相加，然后再除以采樣個(gè)數(shù)N，得到該周期的采樣值。④算術(shù)平均值濾波應(yīng)用

主要用于對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)的信號(hào)采樣值進(jìn)行平滑處理。

不適用脈沖性干擾較嚴(yán)重的場合。

5）加權(quán)平均值濾波

①加權(quán)平均值濾波算術(shù)平均值的N個(gè)采樣值，所占的比例是相同的，濾波的結(jié)果取每個(gè)采樣值的1/N。為了提高濾波效果，將各采樣值取不同的比例，然后再相加，此方法稱為加權(quán)平均法。具有N個(gè)采樣值的加權(quán)平均值公式為：

式中均為常數(shù)，稱為各采樣值的系數(shù)，應(yīng)滿足以下關(guān)系：

Ci體現(xiàn)了各采樣值在平均值中所占的比例，可以根據(jù)具體情況決定。②Ci取值例子

對(duì)于正在變化的信號(hào)，如采集流量的之間值，一般采樣次數(shù)愈靠后，取的比例愈大，這樣可以增加新的采樣值在平均值的比例。③主要應(yīng)用根據(jù)需要，突出或抑制某一部分信號(hào)。5）滑動(dòng)平均值濾波

①算術(shù)平均值濾波與加權(quán)平均值濾波的缺點(diǎn)不管是算術(shù)平均濾波還是加權(quán)平均濾波，都需要連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，然后求算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。這種方法適合于有脈動(dòng)式干擾的場合。但由于采樣N個(gè)需要的時(shí)間較長，故檢測速度較慢?；瑒?dòng)平均值濾波可克服此缺點(diǎn)。

②滑動(dòng)平均值濾波在RAM中建立一數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，依次存放N個(gè)采樣數(shù)據(jù)，每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個(gè)數(shù)據(jù)丟掉，然后求包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。

③有兩種滑動(dòng)平均值濾波一種是算術(shù)平均濾波，另一種是加權(quán)平均濾波

提示：在滑動(dòng)平均值濾波開始時(shí)，要先采集N個(gè)數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中，然后再做滑動(dòng)平均值濾波。6）RC低通數(shù)字濾波

右圖所示為RC低通濾波器，信號(hào)X(s)頻率越高，旁路阻抗越低，信號(hào)越容易被濾掉，信號(hào)X(s)頻率越低，旁路阻抗越高，信號(hào)越不容易被濾掉。是電子線路中常用的一種濾波器。

RC之積為濾波器的時(shí)間常數(shù)。傳遞函數(shù)為

式中τ=RC，為環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。下面設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器，其方法：一是計(jì)算該環(huán)節(jié)的廣義脈沖傳遞函數(shù)；二是作Z反變換；三是離散化求得差分方程，即遞推方程。①計(jì)算廣義脈沖傳遞函數(shù)

②作Z反變換由上式得令，用Z變換的實(shí)數(shù)位移定理，對(duì)上式做Z反變換得

③離散化得差分方程（用kT代替t，不寫T）

即為RC低通濾數(shù)字波器的數(shù)學(xué)公式。式中，

X(k)-----第k個(gè)采樣值；Y(k)-----第k次濾波輸出值；

Y(k-1)-----第k-1次濾波輸出值；

α-----濾波平滑系數(shù)，

T-----為采樣周期；τ-----濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)

④平滑系數(shù)α與T、τ的簡化關(guān)系由，按級(jí)數(shù)展開得

=1+(-T/τ)+(-T/τ)2/2!+(-T/τ)3/2!+……

若T<<τ（一般能夠滿足）

，則有

α≈T/τ

平滑系數(shù)α與平滑作用大小的關(guān)系

α越大，實(shí)際上平滑作用越小。⑤應(yīng)用

把每一個(gè)采樣值X（k）代入（2-1）進(jìn)行計(jì)算，即得到對(duì)應(yīng)的濾波后的值。

7）復(fù)合數(shù)字濾波

將兩種或兩種以上的數(shù)字濾波方法聯(lián)合起來使用，其目的是進(jìn)一步提高濾波效果。各種數(shù)字濾波性能比較：

濾波效果

1）對(duì)于變化比較緩慢的信號(hào)，如溫度、物位等，可以選擇程序判斷濾波及一階滯后濾波。

2）對(duì)于變化比較快的信號(hào)，如壓力、流量、轉(zhuǎn)速等，可以選擇算術(shù)平均或加權(quán)平均濾波法。

3）對(duì)于要求較高系統(tǒng)，可以采用復(fù)合濾波法，如算術(shù)平均加中值濾波等。濾波時(shí)間在滿足濾波效果的前提下，應(yīng)該盡量縮短濾波時(shí)間。數(shù)字濾波在熱工和化工直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)不一定需要。2．標(biāo)度變換

為了顯示、記錄、打印和便于操作人員監(jiān)控，必須把二進(jìn)制表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)值和單位。這一轉(zhuǎn)換過程就稱為標(biāo)度變換。分為線性參數(shù)標(biāo)度變換和非線性參數(shù)標(biāo)度變換。

1）線性參數(shù)標(biāo)度變換

線性參數(shù)標(biāo)度變換是最常用的標(biāo)度變換，其變換前提條件是被測物理量與A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量為線性關(guān)系。

線性標(biāo)度變換的公式為：

作變換得：

顯然是線性關(guān)系。式中，

A0-----測量儀表量程的下限；Am-----測量儀表量程的上限；

Ax-----實(shí)際測量值（工程量）；N0-----儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；

Nm-----儀表上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；

Nx-----測量值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

例：某溫度測量儀表的量程為10℃---50℃，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，AD采樣值經(jīng)數(shù)字濾波后的數(shù)字量為7BH，求此時(shí)的溫度值。

解：根據(jù)題意知，A0=10℃，Am=50℃，Nx=7BH=123D；取Nm=0FFH=255、N0=0。用公式得2）非線性參數(shù)標(biāo)度變換

一般情況下，非線性參數(shù)的變化規(guī)律各不相同，故其標(biāo)度變換公式也需根據(jù)各自的具體情況建立。例如在流量測量中，流量與壓差之間的關(guān)系為

（2-3）

式中Q-----流量；⊿P-----節(jié)流裝置的壓差；

K-----刻度系數(shù)，與流體的性質(zhì)、節(jié)流裝置的尺寸有關(guān)。可見，流體的流量與被測流體流過節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的壓力差的平方根成正比，由此可得到測量流體時(shí)的標(biāo)度變換公式。根據(jù)式（2-3）測流量時(shí)，計(jì)算機(jī)處理程序應(yīng)包含以下3個(gè)步驟：①對(duì)A/D采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波；②利用式（2-2）對(duì)數(shù)字濾波后的數(shù)值進(jìn)行線性參數(shù)標(biāo)度變換，求得流量計(jì)節(jié)流裝置兩邊的壓差值；③將求得的壓差值代入式（2-3）計(jì)算，求得測量結(jié)果流量。2.3鍵盤接口技術(shù)2.3.1獨(dú)立式按鍵獨(dú)立式按鍵是指直接用輸入端口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，常用于需要少量幾個(gè)按鍵的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。設(shè)8255的端口PA初始化為輸入，每個(gè)按鍵的狀態(tài)通過8255的端口PA讀入。當(dāng)無鍵按下時(shí)，PA0～PA7輸入狀態(tài)均為1（高電平）當(dāng)有鍵按下時(shí)：按鍵對(duì)應(yīng)的端口線輸入為0（低電平）。圖2-11具有8個(gè)獨(dú)立式按鍵的硬件連線圖2.3.2行列式鍵盤行列式鍵盤由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列結(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)上，行列線分別連在按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。當(dāng)無鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有鍵按下時(shí)，行、列線將導(dǎo)通，此時(shí)，行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。行列式鍵盤與計(jì)算機(jī)的連接多采用I/O接口芯片，如8155、8255等。有時(shí)為了簡單起見，也采用鎖存器，如74LS273、74LS244、74LS373等。1．定時(shí)掃描法圖2-12所示為采用8255端口構(gòu)成的4×8矩陣鍵盤。圖2-12采用8255端口構(gòu)成的4×8矩陣鍵盤根據(jù)計(jì)算機(jī)進(jìn)行掃描的方法可分為定時(shí)掃描法和中斷掃描法兩種。

按鍵按下時(shí)，與此鍵相連的行線與列線導(dǎo)通，行線在無鍵按下時(shí)處在高電平，顯然，如果讓所有的列線也處在高電平，那么，按鍵按下與否不會(huì)引起行線電平的變化，因此，必須使所有列線處在低電平，只有這樣，當(dāng)有鍵按下時(shí)，該鍵所在的行電平才會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖健PU根據(jù)行平電的變化，便能判定相應(yīng)的行有鍵按下。為進(jìn)一步確定具體鍵，不能使所有列線在同一時(shí)刻都處在低電平，可在某一時(shí)刻只讓一條列線處于低電平，其余列線均處于高電平，另一時(shí)刻，讓下一列處在低電平，依次循環(huán)，這種依次輪流每次選通一列的工作方式稱為鍵盤掃描。圖中，8255的PA端口為輸出工作方式作為列線使用，PC端口作為行線使用。每一個(gè)行線與列線的交叉點(diǎn)處接一個(gè)按鍵，每個(gè)鍵設(shè)一個(gè)編號(hào)。定時(shí)掃描法的工作過程如下：1）定時(shí)掃描鍵盤，判斷是否有鍵按下使列線均為低電平，定時(shí)從PC口讀入行值，監(jiān)視有無鍵按下。若行值的低4位值為為0FH（1111），無鍵按下；若不為1111，說明有鍵按下。2）消除按鍵抖動(dòng)若有鍵按下，則延時(shí)10～20ms，再次從PC口讀入行值。3）求按鍵鍵值對(duì)鍵盤逐列掃描，即逐列輸出低電平。若某行的值為0（低電平），說明該列與該行交叉點(diǎn)的鍵按下。首先令PA0＝0，讀入行值，若行值不等于0FH（1111），說明該列有鍵按下，求出按鍵值。例如若列輸出值為0FDH（PA1＝0），行輸入值為0EH（1110，即PC0＝0），則所按鍵值為1。4）等待按鍵釋放程序需等待按鍵釋放后，才做下一按鍵的處理。2．中斷掃描法

當(dāng)無鍵按下時(shí)，CPU處理自己的工作，當(dāng)有鍵按下時(shí)，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行鍵盤掃描子程序，并識(shí)別鍵號(hào)。中斷掃描方式可以提高CPU工作效率。工作原理：所有的列線輸出均為低電平，當(dāng)沒有鍵按下時(shí)，所有的行線上均為高電平，經(jīng)4輸