第二章输入输出接口过程通道

第二章输入输出接口过程通道本章主要介绍计算机与被控对象之间的连接1、复习接口技术，重点12位的A/D、D/A转换技术2、调理电路3、常用硬件抗干扰技术2.1输入/输出接口的基本理论（复习、提问和总结）2.2数字量输入通道2.3数字量输出通道2.4模拟量输入通道2.5模拟量输出通道2.6硬件抗干扰技术64通道高速多功能采集卡高速32通道数字I/O模块多通道继电器带隔离数字量输入卡8通道模拟量输入模块高驱动数字量I/O卡例：几种过程输入输出通道工控机底板过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO）2.1输入/输出接口的基本理论（复习、提问和总结）输入端口：（包括数据输入端口和状态端口）一定有三态缓冲器（仅一位时是三态门），可有锁存器（寄存器）。输出端口：（数据输出端口和控制端口）一定有锁存器（寄存器）数据端口、状态端口、控制端口1、功能上分为三种端口：从数据流分：输入端口和输出端口。2、端口结构：3、输入端口（控制）地址信号（经译码）、ALE、RD、M/IO和数据总线由IN指令控制输出端口（控制）地址信号（经译码）、ALE、WR、M/IO和数据总线由OUT指令控制一个输入端口和个输出端口可以分配一个地址，它们由RD、WR分别控制。4、设计接口时所用地址一定不能与系统所用硬件接口地址冲突，从系统信息中可以查阅有关地址分配信息2.2数字量输入通道（DI）数字量－开关量：用“0”和“1”两个量进行描述。MOVDX，portINAL，DX锁存器常用的锁存器有74LS373、74LS2722.2.1数字量输入接口输入调理电路输入缓冲器地址译码器生产过程PC总线2.2.2数字量输入通道结构1、数字量输入通道结构2、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－开关去抖电路积分电路AOAOOA1RS触发器去抖RS触发器“1”负脉冲“0”高电平大功率输入调理电路－采用光电隔离TLP521-1•TPL521-2•TPL521-4TLP521系列OP-AMP2.3.1数字量输出接口利用IOW上升沿锁存MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，DL2.3数字量输出通道（DO）输出驱动器输出锁存器地址译码器生产过程PC总线2.3.2数字量输出通道结构1、数字量输出通道结构2、输出驱动电路•小功率直流驱动电路功率晶体管输出驱动继电器电路续流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器线圈产生的反电动势提供旁路通道，保护晶体管。•－达林顿阵列输出驱动继电器电路MC1416，7路驱动，带保护二极管•大功率直流驱动电路固态继电器,零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。2.4模拟量输入通道2.4.1A/D转换器概述1、常用A/D转换方式逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比较）ADC0809（8位），AD574（12位）双斜积分型：转换时间长，抗扰性好（积分）MC14433（11位），ICL7135（14位）全并行比较型（Flash型）：采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高。分级型：减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减小电路规模，保持较高速度。Σ-Δ型（过采样转换器）：高速1bitDAC+数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。2、A/D转换器的主要技术指标转换时间：积分型为毫秒级，逐次比较为微秒级，全并行为纳秒级。分辨率：数字量位数n。LSB（最低有效位）－满量程的1/2n。线性误差：量程范围内，偏离理想转换特性的最大误差，通常为1/2LSB或1LSB。量程：能转换的电压范围。对基准电源的要求：电源精度。2.4.28位A/D转换器ADC0809带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器误差±1/2LSB•8通道模拟开关及通道选择地址锁存信号ALE•转换启动：START收到正脉冲•转换结束：EOC从低电平变为高电平•基准电压：VREF(+)=5.12V,VREF(-)=0VCBA通道000VIN0001VIN1…………111VIN7•转换时序64个CLK2.4.312位A/D转换器AD547A•单通道12位逐次逼近A/D转换器•转换时间25us,误差±1/2LSB，单极性或双极性输入，量程10V或20V。•单、双极性应用单极性：BIPOFF接0V双极性：BIPOFF接10V•转换结果输出：引脚12/8=1：D11-D0并行输出；引脚12/8=0：D11-D8和D7-D0分时输出；•控制逻辑CECSR/C12/8A0操作功能100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X输出12位数字10100输出高8位数字10101输出低4位数字0XXXX无操作X1XXX无操作•转换进行：STS为高电平•转换结束：STS从高电平转为低电平•转换时序：启动•转换时序：读AD574与8255A接口－AD574的12/8接＋5V，A0接地，工作于12位转换和读出方式。－8255A的A口、B口工作方式0，数据输入端－C口上半部分为输入，下半部分为输出。PC0-PC2－R/C，CS，CEPC7－STS，检测转换结束－8255A系统地址2C0H~2C3H。P292.4.4A/D转换接口技术…MOVDX,02C2H;令CS,R/C为低电平MOVAL,00HOUTDX,ALNOPNOPMOVAL,04H；令CE=1,启动转换OUTDX,ALNOPNOPMOVAL,03H；令CE=0，CS,R/C＝1，启动完毕OUTDX,ALPOLLING:INAL,DX;查询STS状态TESTAL,80HJNZPOLLING;STS=1则等待，检测下降沿（转换结束）MOVAL,01H；令CS＝0,R/C＝1,准备读.OUTDX,ALNOPMOVAL,05H;令CE=1,允许读出OUTDX,ALMOVDX,02C0HINAL,DX;读高4位DB11-DB8;ANDAL,0FHMOVBH,AL；存高4位INCDXINAL,DX；读低8位DB7-DB0MOVBL,ALINCDXMOVAL,03HOUTDX,AL;结束读出操作2.4.5模拟量输入通道结构1、模拟量输入通道结构2、I/V变换•电流输出仪表DDZ-Ⅱ：0～10mA仪表DDZ-Ⅲ,DDZ-S：4～20mA•无源I/V变换（利用无源器件完成）•0～10mA:R1100ΩR2500Ω0～5V输出4～20mA:R1100ΩR2250Ω1～5V输出•有源I/V变换（利用有源器件完成）0～10mA:R1200ΩR3100kΩR4150kΩ0～5V输出4～20mA:R1200ΩR3100kΩ同相放大器倍数A=1+R4/R3R425kΩ1～5V输出3、多路转换器•多路开关－理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。•举例：CD4051－8通道开关•INH禁止输入CD4051Single8-ChannelAnalogMultiplexer4、采样、量化及常用的采样保持器（1）信号的采样采样过程：以周期时间间隔T，把时间与幅值连续的模拟信号转变为连串脉冲输出信号。τ为采样宽度，即K闭合的时间。香农采样定量：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f≥2fmax，采样信号就能唯一复现原信号。工程上的采样频率一般为信号最高频率的4—10倍。（2）量化量化：用一组数码逼近离散模拟信号的幅值。量化过程：模拟信号－数字信号。量化单位：A/D转换器的最低有效位LSB对应的模拟量。－量化误差：±q/2ymax-ymin2n-1q=（3）采样保持器孔径时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时间。孔径误差：采样时刻的最大转换误差。孔径误差的消除：采用采样保持器ZOH：零阶保持器•LF398：SampleandHoldAmplifier孔径时间内，信号的变化导致转换误差，A/D转换器需要采样保持器来提高输入信号的频率范围。采样保持器：把t=KT时刻的采样值保持到A/D转换结束。采样：K闭合，CH快速充电，VOUT跟随VIN保持：K断开，VOUT保持VC缓慢变化的信号无需采样保持器采样保持器（4）常用采样保持器LF398P35采样保持控制引脚8：高电平，采样低电平，保持CH外接高品质电容，其减小可以提高采样频率。获取时间：CH为0.01uF时,时间为25us2.4.6模拟量输入通道设计器件：AD547A,LF398,CD4051,8255A指标:－8通道模拟量输入－12位A/D转换（25us)，量程0～10V－查询应答方式电路逻辑：－通道选择→PC0-PC2,通道禁止→PC3－LF398采样和保持→ADC547的STS+反相器－AD547A的R/C,CS,CE→PC4-PC6－转换状态检测STS→PA7－数据输入：高4位→PA0-PA3，低8位→B口AD574APROCNEARCLDLEADI,BUFMOVBL,00000000B;令CE，CS,R/C,INH=0,MOVCX,8ADC:MOVDX,2C2H;C口地址MOVAL,BLOUTDX,AL;选择多路开关，STS=0,LF398采样NOPNOPORAL,01000000B；令CE=1,启动转换A/DOUTDX,AL；ANDAL,10111111B；令CE=0,形成启动脉冲OUTDX,AL；MOVDX,2C0H;A口地址PULLINGINAL,DX；测试STS，看转换是否结束TESTAL,80HJNZPULLING；转换期间STS＝1，LF398保持MOVAL,BL；ORAL,00010000B;转换结束，令R/C＝1，准备读MOVDX,2C2H;OUTDX,ALORAL,01010000B;令CE,R/C＝1，开始读MOVDX,2C0H;读A口高4位INAL,DXANDAL,0FHMOVAH,AL；高4位存在AHINCDX;读B口低8位INAL,DX；低8位存在ALSTOSW;数据存储INCBL;更换通道LOOPADCMOVAL,00111000B;CE=0，CS,R/C,INH=1,MOVDX,2C2HOUTDX,ALRETAD574AENDP思考题在模拟量输入通道中，遇到下列那种情况，可以不考虑使用保持器？A.输入信号范围小于1v时；B.输入信号变化相对很慢时；C.A/D转换位数很多时；D.采样双积分式A/D时；F.系统只有一路模拟信号输入时。作业P62－2.1,2.2,2.4两种典型的模拟量输出通道结构2.5模拟量输出通道2.5.1D/A转换器概述D/A转换器的技术指标－分辨率：D/A转换器输入二进制数的位数。－建立时间：输入数字信号的变化是满量程时，输出信号达到离终值±1/2LSB的所需时间。－线性误差：偏离理想转换特性的最大误差。常见D/A转换器类型：－电流输出型，通常要转为电压，速度因外接放大器有滞后。－电压输出形，速度快，仅用于高阻抗负载。－乘算型，在基准电压输入上加交变信号，能输出数字输入和基准电压输入相乘的结果，完成乘法运算。－1bitD/A转换器，将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均化而得到电压输出(又称位流方式)。2.5.2D/A转换器1、ADC08322、12位D/A转换器DAC1210－12位电流输出型D/A转换器231WR1=0CS=0LE2=1，LE2=0，即4位输入寄存器锁存LE1=1，LE1=0，即BYTE1/BYTE2=1LE2=18位输入寄存器锁存（4位输入寄存器锁存）LE3=1，LE3=0，即12位DAC寄存器锁存并开始转换XFER=0WR2=0CS=0WR1=0和BYTE1/BYTE2=1，8位和4位寄存器锁存时BYTE1/BYTE2=0，4位寄存器锁存XFER=0WR2=0和时12位DAC寄存器锁存并开始转换总结：与DAC0832一样可以采用直通、单缓和双缓控制。但在8位机中只能采用双缓的控制方式。DAC1210与XT总线接口－译码器对端口300H，301H，302H分别产生Y0，Y1，Y2用于DAC的控制。－CS接地8位输入寄存器：XT总线D0-D74位输入寄存器：XT