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第三章过程通道配置技术3.1过程输入输出通道概述3.2模拟量输入通道3.3模拟量输出通道3.4数字量输入/输出通道根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道可分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道和数字量输出通道。输入通道的作用是将生产过程的模拟量或开关量转换为数字量送入计算机。输出通道的作用是将计算机输出的数字量转换为执行元件所需要的模拟量或数字量（开关量）。一、过程输入输出通道的类型及功能3.1过程输入输出通道概述输入信息的分类信息种类信息来源通道类型数字量开关量输入阀门的开、关，接点的通、断，电平的高、低数字量输入通道数据数码各类数字传感器、控制器等脉冲量输入长度、转速、流量测定转换等中断输入操作人员请求、过程报警等模拟量电流信号压力、温度、液位、速度、重量、位移等模拟量输入通道电压信号过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：（1）数据信息反映生产现场的参数及状态的信息。（2）状态信息反映过程通道的状态。（3）控制信息用来控制过程通道的启动和停止等信息。二、过程输入输出通道与CPU交换的信息类型过程通道有以下两种编址方法：1.直接编址方式该方法将通道等同于端口，直接接受主机地址总线编址，从而有过程通道与存储器独立编址、过程通道与存储器统一编址等常用方法。2.间接编址方式通过接口对过程通道进行编址，此时的通道地址不与地址总线相连。三、过程通道的编址方式3.2模拟量输入通道模入通道的功能是对过程量（即模拟量）进行变换、放大、采样和模/数转换，使其变为二进制数字信号并送入计算机。一、模拟量输入通道的结构传感器总线A/D转换传感器总线信号拾取电路总线A/D转换器CPU信号拾取电路：将过程量（非电参量）转换为电信号。多路开关：将多路模拟信号按要求分时输出。放大电路：对微弱电信号进行放大。采样保持电路：对模拟信号进行采样，在模数转换期间对采样信号进行保持。A/D转换：将模拟信号转换为二进制数字量。控制器：实现通道各环节在逻辑和时序上的协调。各部分的作用：敏感元件可以随用户要求和使用环境特点作成各种探头。需要设计相应的电路使其转换为电压或电流。二、信号拾取电路1.通过敏感元件拾取被测信号将敏感元件制作成各类传感器。传感器输出信号一般为模拟信号（电压或电流）或频率量。2.通过传感器拾取被测信号目前各种测量仪表已经系列化，一般采用标准化输出。3.通过测量仪表拾取被测信号三、放大器放大器的作用是将传感器的微弱信号放大到A/D转换电路需要的信号范围。信号放大电路主要由放大器构成，另外附加一些零点校正、线性化处理、温度补偿、压力补偿、误差修正、量程切换等信号处理电路。信号处理电路可以通过软件完成。通常采用的放大器有以下四种类型：测量放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、低失调电压、低温度漂移系数和稳定的放大倍数。可以采用运算放大器构成，也可采用集成放大器芯片。AD521/522是常用的单片测量放大器。其放大倍数取决于外加的电阻值。1.测量放大器-IN8RGRS10131271164532141+INV+V-10kAD521VOUTGSRRK其放大倍数为：小信号双线变送器将现场微弱信号转换为4~20mA的标准电流输出，然后通过一对双绞线传送信号。这对双线能实现信号和电源一起传送。XTR101是一种小信号双线变送器。它可将输入的差动电压变换为电流输出，电流的大小可调，由外接电阻决定。图3-5所示。2.小信号双线变送器3.隔离放大器隔离放大器是一种既具有一般通用运放特性，又在输入和输出电路间无直接耦合通路的放大器，其信息传递通过磁路和光路来实现。Model277是一种变压器耦合的隔离放大器。在输入信号与输出信号需要隔离时使用：测量处于高共模电压下的低电平信号；消除由于信号源地网络的干扰所引起的误差；避免形成地回路及其寄生拾取问题；保护应用系统电路不被输入端大的共模电压损坏；为仪器仪表提供安全接口。对不同通道的参数增益进行放大。常采用程控增益放大器。PGA100是一种8级二进制程控增益放大器。其增益分别为×1，×2，×4，×8，×16，×32，×64，×128，有8个模拟输入通道。由地址码选择相应的通道和增益。P58表3-1。4.增益放大器目前常用的多路开关有CD4051，其A、B、C三个信号组合将对应的通道开关接通，INH用于芯片的扩展。多路转换器原理示意图四、多路转换器CD4051真值表当采样的通道比较多，可将两个以上的多路开关并联起来，进行通道扩展。下图为CD4051的扩展方法。多路开关的扩展OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS0S7S0S7ININININ{{模拟输入（07）模拟输入（815）~~模拟输出.....采样保持器有两种工作状态，一种是采样状态，另一种是保持状态。两种状态的切换由采样/保持命令完成。采样状态时，输出跟随模拟量输入电压变化；保持状态时，输出则维持采样原态不变。五、采样保持器采样保持VinVoutS/HVinVout工作方式采样保持过程示意图最简单的采样保持器由模拟开关、电容和缓冲放大器组成，如图所示。在采样阶段，开关K闭合，电容快速充电到输入电压值；在保持阶段，开关K断开，电容缓慢放电。KVxCVout.+-.Vx采样保持器原理图LF198是常用的采样保持器。VOUTVIN215678CB直流调整交流调整15VLF1981.转换位数有8位、10位、12位、14位、16位等，它表示了对输入模拟信号变化的反应灵敏度。如将0~5V变化的信号，转换成8位的数字量，则分辨率是5V×2-8=19.5mV。m位的A/D转换器可用其最低有效位（LSB）具有的权值表示它的相对分辨率，即2-m。A/D转换器的位数越多，分辨率越高，价格也越贵。六、A/D转换器Leastsignificantbit2.转换精度信号的实际转换结果相对于理论值的准确程度，常以量化误差1/2LSB作为精度来选择A/D芯片。3.转换速度目前芯片的工艺水平不断提高，相对与CPU工作速度来说A/D转换速度已不成问题。其它指标还有，A/D芯片的工作电压、是否外接基准电压源等。七、A/D转换器与单片机的接口电路8051ADC0809（8位）和8051的硬件接线如图所示。ORG0200HINDER:MOVXA,@DPTR；输入AD转换值MOV@R0，A；存入片内RAM区INCR0；修改RAM区地址INCDPTR；修改通道号MOVX@DPTR,A；启动A/D转换DJNZR7,LOOP；8路未采集完，返回CLREX0；采集完，关中断LOOP:RETI；中断返回中断服务子程序：AD574（12位）与8051单片机的硬件接口电路。8051CPU获取A/D转换的结果有两种办法：一是用查询、一是用中断。对于转换速度较慢的A/D，不用查询方法，因为太浪费CPU时间了。可以用中断申请的办法通知CPU来取A/D转换的结果。对于转换速度在十几微妙以下的A/D芯片，采样周期又很短的场合，用中断也许更花费CPU时间。因为中断服务程序地址进栈、出栈、保护现场、恢复现场所占时间这时不可忽略了。也许用查询法比中断法更省时间，应视具体情况而定。八、A/D转换器软件编程MOVDPTR,#8000H；启动A/D转换I/O地址MOVA,#00H；选择AD574地址MOVXA,@DPTR；启动A/D转换STATE:JBP1.0,STATE；查询STSMOVDPTR，#8001H；读转换值低4位地址MOVXA,@DPTR；读A/D转换低4位MOVR2,A；送R2MOVDPTR，#8001H；读转换值高8位地址MOVXA,@DPTR；读A/D转换高8位MOVR3,A；送R3RET；结束转换子程序：（查询方式）返回本章首页3.3模拟量输出通道1.共用D/A转换器形式结构图一、模拟量输出通道的结构保持器保持器保持器多路开关转换器接口电路微型计算机D/A¡保持器保持器保持器多路开关¡放大变换¡放大变换放大变换通道1通道2通道n2.独立D/A转换器形式结构图微型计算机放大隔离接口电路¡¡D/AD/AD/AD/A通道1通道2通道n放大隔离放大隔离共用D/A转换器形式的优点是节省了价格较贵的D/A转换器，但由于各通道是分时工作的，工作速度受到限制。另外可靠性也差一些。独立D/A转换器形式的优点是转换速度快、工作可靠，每条输出通路相互独立，互不影响。但使用了较多的D/A转换器，成本较高。1.D/A转换器的原理D/A转换器有并行和串行两种，在工业控制中，主要使用并行D/A转换器。D/A转换器的原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。也就是说：D/A转换器能把输入数字量中的每位都按其权值分别转换成模拟量，并通过运算放大器求和相加。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T型电阻网络。二、D/A转换器2.DAC0832（8位）DAC0832原理框图若执行机构需要0~10mA或4~20mA信号，则应用单极性输出方式。执行机构的控制信号要求是双极性的电信号（如±5V或±10mA），模拟量输出通道必须用双极性输出。DAC0832单极性输出电路图3.单极性与双极性输出DAC0832双极性输出电路图在选择D/A转换器时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换器技术要求；在结构及应用特性满足借口方便、外围电路简单、价格低廉等特点。(1)D/A转换器的位数一般选输出通道D/A转换器的位数与输入通道A/D转换器的位数相同。4.D/A转换器的选择(2)器件主要结构特性和应用特性数字量输入特性包括码制、数据格式以及逻辑电平。模拟输出特性目前D/A芯片多为电流输出型锁存特性及转换控制有些D/A芯片内部不带锁存器，必须外加。参考电源参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量。返回本章首页三、D/A转换器与单片机的接口（1）直通方式1.DAC0832与8051的接口（2）单缓冲方式所谓的单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模拟量但并不要求同步输出的情况下，可采用单缓冲方式。单缓冲方式接线如图所示（反相输入）。（3）双缓冲方式所谓双缓冲方式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。双缓冲方式DAC0832的连接如图所示。80512.8051和DAC1208（12位）的硬件接口8051一、数字量输入/输出通道的结构3.4数字量输入/输出通道微型计算机数据缓冲、地址译码、控制逻辑输入缓冲器输出驱动输出锁存器输入调理工业现场设备微型计算机数据缓冲、地址译码、控制逻辑输入缓冲器输出驱动输出锁存器输入调理工业现场设备数字量输入/输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑电路、输入缓冲器和输出锁存器、输入/输出电气接口亦即数字量输入信号调理和输出信号驱动电路。输入缓冲器用来对外部输入信号起缓冲、暂存和选通作用，CPU通过一定的端口地址和读信号来读缓冲器以取得输入数据。输出锁存器的作用是锁存CPU送来的输出数据，供外部设备使用。CPU也是通过一定的端口地址和写控制信号向输出锁存器写入数据。数字量输入/输出电气接口主要完成滤波、电平转换、隔离和功率驱动等功能。1.数字量输入通道结构二、数字量输入通道电路过程数字量信号调理电路整形电路电平变换总线缓冲器微计算机逻辑接口整形电路电平变换数据总线信号调理电路2.过程数字量的形式及其变换由机械式开关产生，又常开常闭两种方式。特点是无源、开闭时有抖动。变换方法有：（1）机械有触点开关量控制系统带电源方式外接电源方式恒流源方式a）控制系统带电源方式这种方式一般用于开关位置离计算机控制装置较近的场合，供电电源为24V以下，有串联和并联两种形式。VCCb）外接电源方式这种方式一般用于开关位置离计算机控制装置较远的场合，可采用交流或直流形式。外接直流电源开关量变换电路外接电源为交流时一般采用变压器。采用变压器的