第3章南邮IO接口与过程通道

第3章I/O接口与过程通道南京邮电大学电气信息工程系3.1输入输出与过程通道3.2模拟量输入通道3.3模拟量输出通道3.4D/A、A/D转换器的电源、接地与布线3.5硬件抗干扰技术OUTLINE3.1数字量输入输出通道数字量（开关量）信号：开关的闭合与断开继电器或接触器的吸合与释放马达的启动与停止阀门的打开与关闭用“0”和“1”表示1.数字量输入接口74LS244：隔离输入和输出起缓冲作用八个通道，可同时输入8个开关状态MOVDX,PORTINAL,DX生产过程的状态信息3.1.1数字量输入输出接口技术1A11Y11A21Y21A31Y31A41Y41A51Y51A61Y61A71Y71A81Y8输入接口D0D1D2D3D4D5D6D7PC总线2G1GCSIOR74LS2442.数字量输出接口控制状态需要保持，直到下次给出新的值为止MOVAL,DATAMOVDX,PORTOUTDX,AL可用锁存器74LS273对状态输出信号进行锁存数字量输出接口D0CLKCLR74LS273D2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC总线输出接口基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号1、数字量输入通道结构输入调理电路输入缓冲器地址译码器生产过程PC总线3.1.2数字量输入通道•输入调理电路－把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成计算机能够接收的逻辑信号小功率输入调理电路大功率输入调理电路2.输入调理电路－开关去抖电路图3.4采用积分电路（1）小功率输入调理电路RSQQ0110100111保持R—S触发器去抖电路（2）大功率输入调理电路大功率系统中，需从电磁离合等大功率器件的接点输入信号为使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压由于所带电压高，故高、低压之间，用光电耦合器进行隔离图3.6大功率信号输入电路输出驱动器输出锁存器地址译码器生产过程PC总线1、数字量输出通道结构3.1.3数字量输出通道小功率直流驱动电路大功率驱动电路2、输出驱动电路采用功率晶体管输出驱动继电器电路采用高压输出的门电路驱动图3.8继电器驱动电路（1）小功率直流驱动电路达林顿阵列输出驱动继电器电路（2）大功率驱动电路(a)直流固态继电器的结构可以利用固态继电器(SSR)等实现I/O接口+5V74LS04R(b)交流固态继电器的结构I/O接口+5V74LS04R数字(开关)量输入/输出通道模板举例PCL-730板卡组成框图3.2模拟量输入通道功能：把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机3.2.1模拟量输入通道的组成过程参数PC总线模拟量输入通道检测信号调理多路转换器采样保持器A/D转换器接口逻辑电路图3.10模拟量输入通道的组成结构信号调理部分将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号依据检测信号及受干扰情况的不同而不同是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压转换、滤波、线性化、共模抑制及隔离等3.2.2信号调理1、量程自动转换技术单参数测量系统传感器放大电路A/D转换微型机显示传感器多路转换开关放大电路A/D转换微型机显示传感器传感器传感器多参数测量系统量程自动转换：根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求可编程增益放大器(ProgrammableGainAmplifier)，简称PGA可编程增益放大器有两种：组合PGA和集成PGA仪用测量放大器电路A3A2A124132(1)VRRARR图3.13组合PGA组合PGAMCP6S系列产品主要特点：8种可编程增益选择：+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16或+32V/V；SPI串行编程接口；级联输入和输出；低增益误差，最大：±1%；低漂移，最大：±275μV；高带宽频率，典型值：2～12MHz；低噪声，典型值：10nV/rtHz@10kHz低电源电流，典型值：1mA；单电源供电，2.5V～5.5V；集成PGA表3.2引脚说明引脚名称功能Vout模拟输出CH0～CH7模拟输入Vss负电源VDD正电源SCKSPI时钟输入SISPI数据输入SOSPI数据输出CSSPI片选VREF外部参考电压R1R2CIV+5V图3-19无源I/V变换电路精密电阻V=R2*I无源I/V变换2.I/V变换图3-20有源I/V变换电路A＋－R1R3R2R4R5CIVViA=1+R4/R3V=A*R1*I输入阻抗高，输出阻抗低输出限流，保护运放有源I/V变换2.I/V变换控制禁止端1：断开0：由ABC选通CD4051的原理电路图3.2.3多路转换器表3.4CD4051的真值表输入状态接通通道INHCBA0000000011001020011301004010150110601117CD4051的真值表1.信号的采样采样过程（简称采样）是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程图3.22信号的采样过程f(t)t*f(t)t0T2T3T4T5TSf(t)*f(t)3.2.4信号的采样和量化采样频率由香农（Shannon）采样定理确定：ωs≥2ωmax一般取：ωs≥(4～10)ωmax00*)()()()()()()(kkTkTtkTfkTttfttftf2.量化量化：采样信号经整量化后成为数字信号的过程量化过程就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号，执行量化动作的装置是A/D转换器字长为n的A/D转换器把ymin~ymax范围内变化的采样信号，变换为数字0~2n-1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位，其表达式为：maxmin21nyyq3.2.5采样保持器孔径时间和孔径误差的消除采样保持原理3.2.5采样保持器采样保持器的主要作用：(1)保持采样信号不变，以便完成A/D转换(2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量(3)减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间(4)把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/389图3.23LF198/298/398原理图及引脚(a)LF198/298/398原理图(b)LF198/298/398的引脚排列3.2.6A/D转换器A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件A/D转换方法有逐次逼近式、双积分式、并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈式等常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0801、ADC0809等，12位分辨率的AD574A等；常用的双积分式A/D转换器有3位半（相当于2进制11位分辨率）的MC14433等1、A/D转换器的主要指标A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间分辨率：分辨率表示A/D转换器对模拟信号的反应能力，通常用数字量的位数n（字长）来表示量程：即所能转换的电压范围1、A/D转换器的主要指标精度：精度有绝对精度和相对精度输出逻辑电平：多数为TTL电平，有并行和串行两种输出形式工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标基准电源的精度将对整个A/D转换结果的输出精度产生影响(1)8位A/D转换器ADC0809ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装VREF(+)CLKGND23478262522211285692724232010191112131418171615ADDAOEEOCSTARTIN4ADC08080809IN3IN5IN6IN75_2Vcc7_2IN2IN1IN0ADDBADDCALE1_2(MSB)2_23_24_28_2VREF(-)6_2(LSB)表3.5C、B、A与通道关系表CBA所选通道000VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN72、常用的A/D转换器图3.25AD574内部结构图(2)12位A/D转换器AD574A23478262522211285692724232010191112131418171615AD574VL12/8CSA0R/CCEVccREFOUTAGNDREFINVEEBIPOFF10VIN20VINSTSDB11MSBDB10DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LSBDGNDCSC8表3.2AD574A控制信号状态表CER/12/A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X一次读取12位输出数据10100输出高8位输出数据10101输出低4位输出数据尾随4个0AD574A引脚功能硬件连接设计软件程序设计模拟量输入信号的连接、数字量输出引脚的连接、参考电平的连接、控制信号的连接主要包括控制信号的编程，如：启动信号、转换结束信号以及转换结果的读出3.2.7A/D转换器接口设计1．硬件设计模拟量输入信号的连接数字量输出引脚的连接参考电平的连接时钟的选择A/D转换器的启动方式转换结束信号的处理1．硬件设计转换结束信号的硬件连接有三种形式：①中断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上。②查询方式：把转换结束信号经三态门送到PC数据总线或I/O接口的某一位上。③转换信号悬空：即该管脚与其它管脚之间无电气连接。2．软件设计启动A/D转换，中断、查询或延时等待转换时间后根据数据输出格式读出转换结果(1)启动A/D转换(2)转换结果的读出。①中断方式：②查询方式：③软件延时方法：D0D1D2D7～D0++图3.27ADC0809与PC总线的连接3.2.8A/D转换器与PC接口1．ADC0809与PC总线工业控制机接口一次A/D转换操作分两步进行：(1)启动ADC0809，并锁存通道地址(2)判断A/D转换结束并读出转换结果START：MOVAL，00H；设定通道数OUT220H，AL；送通道地址、启动A/D转换CALLDELAY；等待转换完成INAL，220H；读取A/D转换结果设ADC端口地址为220H，要把0通道的模拟量转换成数字量，利用软件延时方式实现图3.28AD574A通过8255A与PC总线的连接图2．AD574A与PC总线工业控制机接口首先进行8255A的初始化实现一次A/D转换包括A/D转换的启动、检测转换是否结束、数据的读出采用查询方式2．AD574A与PC总线工业控制机接口(1)8255A初始化设置INIT：MOVAL，9AH；设置A、B口及C口的工作方式MOVDX，2D3H；8255A的控制寄存器OUTDX，AL；方式字送控制寄存器(2)启动A/D转换START：MOVAL，00HMOVDX，2D2H；8255A的端口COUTDX，AL；使=0，启动A/D转换(3)检测转换是否结束及数据的读出LOOP：MOVDX，2D2H；8255A的端口CINAL，DX；查询STS的状态TESTAL，80HJNZLOOP；转换未完成则等待MOVAL，01H；置位，即=1OUTDX，ALDECDX；指向8255A的端口BINAL，DX；读入端口B高8位数据MOV[BX+1]，AL；数据保存DECDX；指向8255A的端口AINAL，DX；读入端口A数据ANLAL，0F0H；屏蔽低四位数据MOV[BX]，AL；数据保存3.3.1模拟量输出