第3章計(jì)算機(jī)控制過程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ppt課件

1、本章學(xué)習(xí)目的: 解決微型計(jì)算機(jī)和外部的連接問題，使計(jì)算機(jī)和外部構(gòu)成一個(gè)整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的基本問題。 計(jì)算機(jī)和工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)無法進(jìn)行直接傳遞，這就需要在二者之間進(jìn)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(nèi)容之一。 微機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖微機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 輸入輸出接口技術(shù)輸入輸出接口技術(shù) 研究微處理器和外部設(shè)備之間研究微處理器和外部設(shè)備之間信息交換的技術(shù)。信息交換的技術(shù)。 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(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接

2、口電路：是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件。使主機(jī)和外設(shè)能夠協(xié)調(diào)工作，有效地完成信息接部件。使主機(jī)和外設(shè)能夠協(xié)調(diào)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(jì)算機(jī)和控制通道：也稱為過程通道。它是計(jì)算機(jī)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(hào)的輸入通路信號(hào)的輸入通路: 模擬量、數(shù)字量模擬量、數(shù)字量信號(hào)的輸出通路信號(hào)的輸出通路: 模擬量、數(shù)字量模擬量、數(shù)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(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號(hào)變換實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號(hào)變換在微型機(jī)和生產(chǎn)過程之間起到了紐帶和橋梁的作用在微型機(jī)

3、和生產(chǎn)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(gè)信號(hào)要共用一個(gè)模擬通道輸入微型機(jī)，需要多個(gè)信號(hào)要共用一個(gè)模擬通道輸入微型機(jī)，需要多路轉(zhuǎn)換器，這種方式主要適用于多路轉(zhuǎn)換器，這種方式主要適用于 A/DA/D轉(zhuǎn)換芯片比較轉(zhuǎn)換芯片比較昂貴，信號(hào)路數(shù)比較多的情況，有些昂貴，信號(hào)路數(shù)比較多的情況，有些A/DA/D轉(zhuǎn)換芯片帶有轉(zhuǎn)換芯片帶有多路轉(zhuǎn)換器：如多路轉(zhuǎn)換器：如 ADC0809ADC0809、ADC0816ADC0816。多路轉(zhuǎn)換器實(shí)際。多路轉(zhuǎn)換器實(shí)際上就是多路開關(guān)。上就是多路開關(guān)。圖2 -3 CD4051結(jié)構(gòu)原理圖0S2S3S4S5S6S7S1S動(dòng)動(dòng)驅(qū)驅(qū)碼碼譯

4、譯換換轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)平平電電ABCINHmS CD4051結(jié)構(gòu)原理圖 D3D2D1D0動(dòng)驅(qū)碼譯動(dòng)驅(qū)碼譯換轉(zhuǎn)平電換轉(zhuǎn)平電0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS圖 2-4 多 路 模 擬 開 關(guān) 的 擴(kuò) 展 電 路IN HIN H采用可編程序放大器，可通過程序來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使采用可編程序放大器，可通過程序來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)信號(hào)滿量程達(dá)到均一化，以提高多路數(shù)據(jù)采集的精度。信號(hào)滿量程達(dá)到均一化，以提高多路數(shù)據(jù)采集的精度。4.采樣與保持采樣與保持v 數(shù)據(jù)采樣定理第數(shù)據(jù)采樣定理第1章內(nèi)容）章內(nèi)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(shù)指標(biāo)：精度技術(shù)指標(biāo)：精度0.01%n采集時(shí)間：采集時(shí)間：5sn輸入范圍：輸入范圍：10 vn增益：增益： 1.00n孔徑時(shí)間：孔徑時(shí)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(shí)，主要應(yīng)考慮如下因素：保持器時(shí)，主要應(yīng)考慮如下因素：n 輸入信號(hào)變化率，有時(shí)還考慮多路轉(zhuǎn)換器的切換速輸入信號(hào)變化率，有時(shí)還考慮多路轉(zhuǎn)換器的切換速度度確定時(shí)間應(yīng)為多少才不會(huì)超過誤差要求確定時(shí)間應(yīng)為多少才不會(huì)超過誤差要求采

6、樣保持器的性能指標(biāo) 對于低、中速A/D轉(zhuǎn)換器，常用的轉(zhuǎn)換方法有計(jì)數(shù)比較式、雙斜率積分式和逐次逼近式三種P38）：計(jì)數(shù)比較式：簡單、價(jià)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(qiáng)。但速度較慢。逐次逼近式：很好的兼顧了速度和精度，廣泛應(yīng)用。 D/AD/A轉(zhuǎn)換器是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換器是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的器件，有權(quán)電阻式和器件，有權(quán)電阻式和R-2RR-2R電阻網(wǎng)絡(luò)式二種。電阻網(wǎng)絡(luò)式二種。 對于我們搞微機(jī)應(yīng)用的人來講關(guān)鍵在于正確對于我們搞微機(jī)應(yīng)用的人來講關(guān)鍵在于正確使用。所以更重要的是掌握主要技術(shù)指標(biāo)、原使用。所以更重要的是掌握主要技術(shù)指標(biāo)、原理。理。 +A-

7、數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入TUOV基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓關(guān)關(guān)開開換換切切位位RR2R2R2R2R2RFERVbfR1SB2SB3SB0SB1DR-2R電阻網(wǎng)絡(luò) 圖圖 3-2 D/A 轉(zhuǎn)換器 原理框圖R2D3D0D運(yùn)運(yùn)算算放放大大器器3I1I0I2I10101010IOUTIRfb）/ 2n/ 2n 假設(shè)假設(shè)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(jù)電流定律，有：端相連。根據(jù)電流定律，有：NoImage01REF04222IVIRNoImage 由于開關(guān)由于開關(guān) BS3 - BS0 BS3 - BS0 的

8、狀態(tài)是受要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)的狀態(tài)是受要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù) 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(zhuǎn)換器，它的輸出電壓轉(zhuǎn)換器，它的輸出電壓VOUT與輸入二與輸入二進(jìn)制數(shù)

9、進(jìn)制數(shù)B( Dn-1 D0) 的關(guān)系式可寫成：的關(guān)系式可寫成：1210REFOUT1210(2222 )2nnnnnVVDDDD REF2nVB v 結(jié)論：由上述推導(dǎo)可見，輸出電壓除了與輸入的二進(jìn)制數(shù)有關(guān)，結(jié)論：由上述推導(dǎo)可見，輸出電壓除了與輸入的二進(jìn)制數(shù)有關(guān)，還與運(yùn)算放大器的反饋電阻還與運(yùn)算放大器的反饋電阻 RfbRfb以及基準(zhǔn)電壓以及基準(zhǔn)電壓VREFVREF有關(guān)。有關(guān)。(MSB)7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0ID(LSB)ILECS1RW2RWXFER當(dāng)當(dāng)LE=1時(shí)時(shí), ,輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器圖 3-3 DAC0832原理框圖及引腳當(dāng)當(dāng)LE=0時(shí)時(shí), ,輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)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(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 器器L E 3L E當(dāng)= 1 時(shí) ， Q = D ;L E當(dāng)當(dāng)= 0 時(shí) ， 鎖 存 數(shù) 據(jù)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(nèi)部有三個(gè)寄存器：內(nèi)部有三個(gè)寄存器： 一個(gè)一個(gè)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(shù)位數(shù)字量中的高字量中的高8 8位位DI11-DI4DI11-DI4；一個(gè)；一個(gè)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(shù)字量中的低位數(shù)字量中的低4 4位位DI3 -DI0DI3 -DI0；串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器AD75432） AD7543原理框圖原理框圖VREFIOUT2IO

12、UT1RFBAGNDDGNDVCCSRI12位位D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)碼送至輸出的數(shù)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(shù)字逼近的數(shù)字逼近Vin模擬量輸入模擬量輸入數(shù)字量數(shù)字量輸出輸出寄存器寄存器控制時(shí)序控制時(shí)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(zhuǎn)換器原理

13、框圖轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器示意圖轉(zhuǎn)換器示意圖nREFREFREFINVVVVB2 VREF+VREF1D1D0來自來自SAR01001S00S01S02S03S10S11V0VINVfD/A轉(zhuǎn)換的輸轉(zhuǎn)換的輸出電壓出電壓Vf大大小取決于正、小取決于正、負(fù)基準(zhǔn)電壓負(fù)基準(zhǔn)電壓源源VREF+，VREF-）和）和開關(guān)樹中各開關(guān)樹中各位開關(guān)位開關(guān)Sij的的狀態(tài)狀態(tài)(來自于來自于SAR）強(qiáng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、價(jià)格便宜，適用強(qiáng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、價(jià)格便宜，適用于非快速計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)或于非快速計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換器3） 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器示意圖轉(zhuǎn)換器示意圖控制邏輯控制邏輯計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器時(shí)鐘時(shí)鐘+比較器比較器+積分器積分器123積分電容積分電容VOVIK數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出VinVREF （基準(zhǔn)電壓）（基準(zhǔn)電壓）雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的原轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器對微小輸入信號(hào)變化的轉(zhuǎn)換器對微小輸入信號(hào)變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對輸入量微小變敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字量

15、的位數(shù)來表示，化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)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(yīng)。即：的變化量作出反應(yīng)。即： 分辨率分辨率 = = 滿刻度值滿刻度值/2n/2n 引起輸出從一個(gè)數(shù)碼增加或減少到下一個(gè)引起輸出從一個(gè)數(shù)碼增加或減少到下一個(gè)相鄰數(shù)碼的最小輸入變化量相鄰數(shù)碼的最小輸入變化量3.4 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)4.1 8 位位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)指標(biāo)： 分辨率：8位 1/ 28 0.39 % 無漏碼 轉(zhuǎn)換時(shí)間100s 單一電源：0+5v 帶有鎖存控制邏輯的8 通道多路開關(guān)。 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(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳高電平有效。上升沿時(shí)將轉(zhuǎn)換器內(nèi)高電平有效。上升沿時(shí)將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時(shí)啟動(dòng)部清零，下降沿時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電平有效。平有效。OE：輸出允許信號(hào)，輸入，高電平：輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。該信號(hào)用來打開三態(tài)輸出緩有效。該信號(hào)用來打開三態(tài)輸出

17、緩沖器，將沖器，將A/D轉(zhuǎn)換得到的轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。量送到數(shù)據(jù)總線上。D0D7：8位數(shù)字量輸出。位數(shù)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(jī)數(shù)據(jù)總線直接輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)總線直接相連。相連。CLOCKCLOCK：外部時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為：外部時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz640kHz時(shí)，時(shí)，A/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為轉(zhuǎn)換時(shí)間為100100s s。VR+VR+，VR-VR-：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)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(jìn)行輸入端進(jìn)行編程編程2輸出指令啟動(dòng)輸出指令啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換3EOC 變高電平作為轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷變高電平作為轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請求信號(hào)請求信號(hào)4輸入指令讀輸入指令讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換結(jié)果Q0Q5:PA0PA5 Q6Q7:PA6PA7 Q8Q11:PB0PB3cccc

19、QSTB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)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(jìn)行存儲(chǔ)、整理、傳送、顯示或打印。完成這些任務(wù)的基本手段是模擬量輸入通道，其核心部分是A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮： 分辨率精度） 通道數(shù) 采集速度 本錢典型結(jié)構(gòu)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(jìn)行多路轉(zhuǎn)換保持器進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換3對放大器的輸入進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換，注意抗干擾問題對放大器的輸入進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換，注意抗干擾問題1.設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 64路模擬量數(shù)據(jù)采集路模擬量數(shù)據(jù)采集 精度達(dá)到精度達(dá)到0.4% 每隔每隔10ms檢測一路檢測一路2. 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)(1)方案一方案

20、一 以以ADC0809為為A/D轉(zhuǎn)換器，需轉(zhuǎn)換器，需8片片 占有占有8個(gè)口地址個(gè)口地址方案二方案二 以以CD4051組成多路轉(zhuǎn)換組成多路轉(zhuǎn)換（18片片CD4051一級地址譯碼，占用一級地址譯碼，占用8 個(gè)口地址，再加上個(gè)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(gè)8D鎖存器和一個(gè)138譯碼器，用一個(gè)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(zhuǎn)換器：8位ADC0804 12位ADC12118212：8位I/O緩沖器 ，數(shù)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(jīng)過多路轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換為一路模擬量，再經(jīng)采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換器再經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖器8212送到CPU總線。2 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)(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(gè)CD4051片選信號(hào) D6 D7：74LS138控制端2A/D轉(zhuǎn)換器選擇: 或非38212 八位I/O接口：2片12根或8根數(shù)據(jù)線，一根狀態(tài)信號(hào)根01HIORHWR2D HWRIORQ0.4cts010 100062256 0.4ccTTHptv模擬量輸出通道的任務(wù)模擬量輸出通道的任務(wù)-把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號(hào)，去驅(qū)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器，從而達(dá)到控制的目的動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器，從而達(dá)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(gòu)成構(gòu)成- - -一般是由接口電路、數(shù)一般是由接口電路、數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器( (簡稱簡