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1、第 1 页 共 39 页第二章过程通道与输入输出接口 1 概述本章学习目的 : 解决计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个计算机控制系统必须解决的基本问题。 重点介绍计算机过程控制中的过程通道和输入输出接口电路的设计技术。一、通道、接口及其功能实现在过程信号与计算机数据之间变换传递的电路称为输入输出过程通道，简称过程通道。过程通道按变换传递信号的种类分为模拟量通道和数字量通道。模拟量是指在生产过程中连续变化的模拟信号，如电压、电流、有功功率、频率、压力、流量、温度、液位、转速等；数字量是指离散的数字信号，如表示开关、触点等开合位置的状态
2、信号（开关量），电平高低、脉冲等。过程通道按信号传输的方向分为输入通道和输出通道，或前向通道和后向通道。输入输出接口技术研究处理器和外部设备之间信息交换的技术。外界的各种数据和信息通过输入设备送到微处理器，而处理器将计算结果或控制信号输出外部设备，以便显示、打印或实现各种控制。外部设备品种很多，有机械式的、机电式的或电子式的等，其原理也多种多样，各不相同。 它们在与计算机系统交换信息时，往往存名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 39 页 - - - - - -
3、 - - - 第 2 页 共 39 页在着速度不匹配、数据类型不一样等问题，为了解决这些问题，必须设计一套介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件，这就是所谓输入输出接口或简称接口。IO通道（过程通道）：是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。如图， IO通道分为：模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道二、IO 信号的种类外部设备与 CPU之间交换信息，如图21 所示，通常有三类信息。 (1)数据信息在微型机中，数据通常为8 位或 16 位，它可以分为以下三种：CPU 外部设备数据状态控制C P U I/O接口电路A/D 转换器放大器功率放大器D/A 转换器输出保持功率放
4、大数字量输入数字量输出传感器执行部件工业对象名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 3 页 共 39 页 1)数字量 : 由键盘、光电输入机、卡片机等读入的信息一般是以二进制形式表示的数或以 ASCII 码表示的数或字符。2)模拟量 : 当微处理器用于实时控制时，大量的现场信息经过传感器把非电量转换成的电量以及执行机构所能接受的控制量。3)开关量 : 这些变量只有开和关两个状态，通常用一位二进制数来表示。(2) 状
5、态信息：状态信息也称握手信息、应答信息，它是反应外部设备的状态的。(3) 控制信息：用来控制I O装置的启动或停止等信息，它是由CPU 发送给外部设备的。CPU与外部设备之间的信息传送是通过I O接口电路来完成的，微处理机与外部设备的联系，如图22 所示。为保证信息的正确传送，I O接口往往开辟三个不同的端口来传送数据信息、状态信息和控制信息。 2 过程通道的一般结构2.1 输入输出过程通道的基本概念计算机控制系统中过程通道的一般结构，如图2-3 所示。I/O接口外部设备数据状态控制CPU 地址总线数据总线控制总线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -
6、 - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 4 页 共 39 页1、输入过程通道输入过程通道是指从被控设备到计算机的物理信号传输和变换的通道。在计算机控制系统中，被控对象的参数和状态量要经过输入通道转换成计算机所能接受的标准数字信号。在模拟量输入通道中,采用传感器或变送器将被控对象的非电量或电量等模拟量转换成模数转换器 A/D 量程范围允许的电信号,再经过 A/D 转换成数字信号送入计算机中.在数字量输入通道中，通过转换电路和接口电路将生产过程中的开关信号、数字信号和脉冲信号转换计算机能接受的数字
7、信号，并送入计算机中，往往需要进行电平转换和整形，有时也需要信号隔离。所以， 输入过程通道主要是实现被控设备和计算机之间的原始参数和信号的变换、调理、 传递和抗干扰。2、输出过程通道输出过程通道是指从计算机到被控设备控制信号和参数的传输。数字量输出通道是将计算机输出的数字信号变换成所要求的电平，一般需要信号隔离、功率驱动等。2.2 输入过程通道的结构类型输入通道的结构主要取决于生产过程的环境、控制要求和输入信号的种类、性质、 数量、大小。在不考虑前端传感器的类型情况下，输入通道结构归纳起来大致分为以下几种。1、单信号通道类型单信号常见有以下几种类型：高电压、大电流模拟信号，低电压、小电流模拟信
8、号，脉冲信号，开关信号等。它们对应的输入通道结构如图2-4 所示。控制系统输入通道输出通道测控设备输出过程通道信 号输 出接口输入过程通道数据/地址总线控 制执 行机构图 2-3 输入输出过程通道结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 5 页 共 39 页信号类型输入通道结构类型高电压、大电流模拟信号低电压、小电流模拟信号频率信号开关信号2、多信号输入通道类型计算机控制系统往往需要采集生产过程中多个模拟信号和数
9、字信号，需要多信号输入通道来实现。在多信号输入通道中，根据多路模拟开关的位置不同，有两种模拟量输入通道结构。当传感器的输出信号较微弱时，应该先对信号进行放大，再经过多路开关分时采样，避免经多路开关造成较大误差，如图2-5 所示。A/D 计算机I/V 变换V/F 计算机电压娈送器电流娈送器A/D 计算机I/V 变换V/F 计算机小电压信号小电压信号放大放大放大整形计算机防抖整形计算机图 2-4 输入通道结构类型图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 39 页 -
10、- - - - - - - - 第 6 页 共 39 页当传感器或变送器输出信号电压较大时，多路开关可直接和传感器（或变送器）输出相连，并在多路开关后设置放大电路，如图2-6 所示。多路频率开关信号可省略A/D 转换，只需要将各路频率信号通过放大、整形后送入计算机的 I/O 口或中断入口。23、输出过程通道的结构类型输出过程通道根据输出信号形式和控制对象的特点，其结构形式如图2-7 所示。2.3 计算机和外部的通信方式传感器传感器传感器放大放大放大多路开关A/D 计算机图 2-5 多路信号多路放大输入过程通道结构传感器传感器传感器可编程增益放大多路开关A/D 计算机图 2-6 多路信号单路放大
11、输入过程通道结构增益选择控制多路选择控制计算机控制系统光电隔离光电隔离光电隔离功率开关驱动直流驱动功放功率开关驱动D/A 直流驱动功放F/V 频率量输出信号调节开关量数字量频率量直流伺服机构频率量调制系统数字量执行机构直流伺服机构开关量执行机构图 2-7 输出过程通道结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 7 页 共 39 页一、并行通信并行通信：把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，传输速度快， 信息率高。
12、二、 串行通信串行通信：数据按位进行传送的。 串行通信又分为全双工方式和半双工方式、同步方式和异步方式。1、全双工方式全双工通信方式：指数据信息能沿相反两个方向传送。特点：信息传输效率较高。2、半双工方式半双工通信方式： 指数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。特点：信息传输效率低些，但可省一根传输线。3、同步通信并行通信串行通信名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 8 页 共 39
13、 页同步通信方式：在一组字符（信息帧）前后加同步字符( 如 SYN字符) ，它们标志着一组数据块的开始， 这样接收装置一接收到SYN 字符，就知道已发送了数据块而开始接收数据，直到接收后同步字符，一帧数据宣告结束。然后，接收装置又开始寻找新的SYN控制字符。特点：开销小，效率高，可获得较高的数据率。但如果数据中有一位错，就必须重新传输整块数据，且控制比较复杂。 4 、异步通信（起止方式）异步通信方式：要传送的字符代码前加一起始位，以示该字符代码开始，在字符代码后面加一停止位，以示该字符代码结束。这是一种在计算机通信网络中常用的也是最简单的传输方式。特点：开销大，效率低，速度慢。但如果有错，只需
14、重发一个字符，且控制简单。由于这种方式的字符发送是相互独立的故称为异步方式。 3 输入输出接口计算机控制系统中，外部通道或外部设备是不能直接与CPU 相连的，因为它们的速度、数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 9 页 共 39 页据格式不一定相同，信号形式也不一定相匹配。为便于两者交换信息，需要通过一个中间环节将 CPU 和外部通道连接起来，该中间环节就是接口电路。它具有以下功能。1、数据缓冲功能：计算机的工
15、作速度很快，过程通道和外部设备的工作速度相比则是比较慢的， 利用接口电路进行数据缓冲，协调两者的工作。接口电路设置有数据寄存器或者锁存器，计算机工作时从寄存器取数据，而寄存器数据是由外部电路或者计算机定时刷新，所以计算机的工作不受寄存器数据和外部电路影响。2、 信号转换功能过程通道和外部设备提供的状态信号和控制信号与计算机能识别的信号一般是不相同的， 利用接口电路实现信号转换，如电平变换，数据转换等，特别是连接不同公司芯片时，信号之间的转换是经常的。3、驱动功能由于计算机总线的信号驱动能力有限，当需要连接多台外部设备时，总线资源可能不够， 利用接口电路可以提高总线的负载能力，使一个接口与多个外
16、部设备相连接，充分利用计算机的硬件资源。4、中断管理功能外部设备与计算的沟通，一个重要的手段就是釆用中断处理技术，釆用具有中断控制管理功能的接口，便于计算机处理有关中断事物，包括提出中断请求，中断优先级排队，提供中断向量等，从而加快计算机对外部事件的响应速度，提高CPU 效率。接口（ I/O）根据数据传输的时间关系可分为并行接口和串行接口，根据数据传输的方向可分为输入接口和输出接口。3.1 接口技术接口技术就是研究计算机与外设之间如何交换信息的技术,它主要包括以下几个方面的内容: 1、数据缓冲：完成不同速度器件间的连接或同步控制的需要。2、功能寻址： 实现外部设备的惟一性地址标识，可完成从多个
17、外部设备中选择所需的设备。3、命令译码：用来解释和产生各种操作信息。4、同步控制：用来协调被连接部件动作时间上的差异控制。5、数据转换：实现不同设备对同一信息的使用。常见是并行数据转换成串行数据或串行数据转换成并行数据。6、电平转换：实现不同电平器件的连接，如TTL 器件（电路）和CMOS 器件相连，需进行逻辑电平的转换。7、中断接口： 具有发送中断请求信号和接收中断响应信号的功能，向 CPU 提供中断类型码的功能以及中断优先级管理的功能等。8、总线驱动：各总线的驱动能力是有限的，只能带一定数量的电路。在设计时，首先要估计总线的负载情况，以确定是否需要对总线的驱动能力进行扩。总线的驱动扩展常釆
18、用总线驱动器，如常用的单向总线驱动器有74LS240，74LS241 和 74LS244；常用的双向驱动器为74LS245 等。由于计算机所提供的I/O 接口非常有限， 往往很难满足实际需要。因此实际系统设计中经常需要进行 I/O 扩展。在进行I/O 接口扩展时还应注意以下几点：1、硬件相依性。因为在计算机应用系统中，I/O 的扩展是为外部通道及设备提供一个输入法、输出通道。所以I/O 口的扩展，总是为了实现某一测、控及传输功能而进行的，如连接键盘 、显示器驱动开关控制电路以及开关量监测等，因此在I/O 口扩展时必须考虑与之相连的外设硬件电路特性，如驱动功率、电平、干扰抑制及隔离等。2、软件相
19、依性。不同的I/O 扩展芯片或外设，扩展I/O 口的操作方式不同，其应用程序也不同，如入口地址、初始化状态设置、工作方式选择等。3.2 输入输出通道接口实现名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 10 页 共 39 页1、采用通用I/O 接口芯片实现2、单板式整体结构3、标准计算机扩展板4、模块化3.3 输入输出控制方式在微机系统中， 可采用的输入输出控制方式一般有3 种：程序控制方式、 中断控制方式、直接存储器存
20、取方式(DMA方式) 。一、程序控制方式程序控制方式又分为无条件传送方式和查询传送方式（条件传送方式）。1、无条件传送方式当外设已准备就绪， 那就不必查询外设的状态而进行信息传输，这就称为无条件传送。这种信息传送方式只适用于简单的外设，如开关和数码段显示器等。如图所示，直接使用三态缓冲器与数据总线相连。2、查询传送方式（条件传送方式）CPU通过执行程序不断读取并测试外设状态，如果输入外设处于已准备好状态或输出外设为空闲状态时，则CPU 执行传送信息指令。查询传送方式的接口电路应包括：传送数据端口及传送状态端口。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -
21、 - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 11 页 共 39 页图 1 为查询式输入的接口电路。图 2 为查询式输出接口电路。二、中断控制 I/O 方式1、中断控制 I O时应解决的问题中断控制方式：当外围设备需要请求服务时，向CPU发出中断请求， CPU响应外围设备中断， 停止执行当前程序， 转去执行一个外围设备的服务程序。中断处理完毕， CPU 又返回来执行原来的程序。外部中断：通过 I O接口硬件向 CPU发出中断请求信号，从而引起一个中图 2 图 1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下
22、载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 12 页 共 39 页断处理过程。多重中断处理时必须解决以下四个问题。、保存现场和恢复现场在中断服务程序开始设置保存现场、中断返回前恢复现场。、正确判断中断源要能正确地找到申请中断的外围设备的中断服务程序入口地址，且能跳转到这个入口。、实时响应对于每个外围设备的中断请求，CPU都能接受到并在最短响应时间内给予服务。、按优先权顺序处理优先权顺序：多个外围设备同时提出中断请求时，应能按轻重缓急设定中断顺序，逐个进行
23、处理。2、中断优先级中断优先级的设定办法常采用：软件查询方式，雏菊链法，专用硬件方式。1软件查询方式如图所示，接口硬件电路包括三部分：中断寄存器、中断申请电路和并行IO接口。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 13 页 共 39 页2雏菊链法雏菊链法：在每个外围设备的接口上连接一个雏菊链（逻辑电路），这个雏菊链是中断回答信号的控制通路。如图是雏菊链的线路图。3专用硬件方式如： 采用可编程中断控制器8259A。
24、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 14 页 共 39 页三、DMA 控制方式DMA 控制方式：一种成块传送数据的方式。当某一外设需要输入 / 输出一批数据时，向DMA 控制器发出请求， DMA 控制器接收到这一请求后， 向 CPU 发出总线请求， 若 CPU 响应 DMA 的请求把总线使用权赋给 DMA 控制器，数据不通过CPU ，可直接在 DMA 控制器操纵下进行。通常采用的是可编程DMA 控制器 823
25、7A 。8237A 的数据传送速率高达1.6M 字节/s； 8257A 的数据传送速率可达1 25M 字节/s。 4 模拟量输入通道主要作用： 完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。常用的模拟量输入通道的结构形式如图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 15 页 共 39 页主要组成：信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、AD 转换器、控制电路。分别介绍各部分的功能、组成、原理及电路。1、 信号
26、处理装置组成：标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量转换电路等。标度变换器：作用： 把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号。如 (010mA 或 420mA)或(0 5V)信号。标度变换器一般包含在变送器中，通常是电阻网络或电桥。滤波电路：作用：滤掉或消除干扰信号，保留或增强有用信号。方法：采用有源滤波器或无源滤波器，线性化处理：有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。所以必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。方法：在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路。在软件上可采用分段线性化数字处理的办法来解决。电参量转换电路：电信号之间的转换。2、 采
27、样单元作用：把各路模拟量分时接到AD 转换器进行转换，实现了CPU 对各路模拟量分时采样。组成：采样单元一般由开关矩阵及逻辑控制电路组成。逻辑控制电路在软件或通道控制电路的控制下，以一定速度，按顺序输入被测模拟信号。开关矩阵模拟开关的组合。模拟开关分为两类：机械式触点或开关晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 16 页 共 39 页CD405l CD4051为 16 脚、双
28、列直插封装芯片，原理及引脚如图。组成： 逻辑电平转换、二进制译码器及8 个开关电路。主要特性： 直流供电电源为 VDD +5V+15V，数字信号电位变化范围为315V 输入电压 UIN0VDD，模拟信号峰峰值 15V 当 VEE 接负电源时， 正负模拟电压均可通过。 接通电阻小， 一般小于 80，断开电阻高，在 VDDVEE10V 时，通过泄漏电流为 10nA。应用：如图 16 个通路差动输入 CD4501 的连接方法。3、采样保持名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16
29、 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 17 页 共 39 页作用：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中保持模拟信号。采样保持电路：由输入缓冲放大器A1、模拟开关AS、模拟信号存储电容CH和输出缓冲放大器A2组成，如图。两个工作状态：采样状态保持状态。采样保持电路的集成电路芯片LFl98 的原理图和典型应用如图。LFl98 的主要特性：供电电源： 5V18V；信号获取时间 10as；可以和 TTL 、PMOS、CMOS 逻辑输入兼容；典型保持电容 1000pF、0.01F。4、数据放大器作用： 把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的AD 转换器输入电平。仪表放大器特
30、点：共模抑制能力强，输入阻抗高，漂移低，增益可调。5、AD 转换器AD 转换器把通道输入的模拟量转换成数字量，通过I/O 接口电路送入 CPU。作用：将模拟量转换成数字量。常用 AD 转换器有：计数器式、双积分式和逐次逼近式。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 18 页 共 39 页一、AD 转换器原理1、计数器式 AD 转换器原理框图如图。组成：计数器、 DA 转换器及比较器工作过程：特点：结构简单，价格便
31、宜，但转换速度比较慢。2、逐次逼近式 AD 转换器原理框图如图。组 成 ： 逐 次 逼 近 寄 存 器SAR、DA 转换器、比较器、时序（时钟）及置数选择逻辑。工作过程：（略）SAR 中设定位如果 UiUO，应予保留；如果 UiUO，应予清除。例：四位 AD 转换器，输入模拟电压Ui=0.65V。量化单位转换过程如图：3、双积分式 A/D 转换器方法：测量模拟输入电压向电容充电的固定时间及在已知标准电压下放电所需的时间。双积分式 AD 转换器组成框图。工作过程：优点：消除干扰和电源噪声的能力强，精度高；缺点：转换速度慢。适用场合：在信号变化缓慢， 模拟量输入速率要求较低， 转换精度要求较高，v
32、q0625.0161214V0 n 0.5V (1000) 0.75V (1100) 0.625V (1010) 0.6875V (1011) Vi 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 19 页 共 39 页且现场干扰较严重的情况下使用。二、AD 转换器的主要技术参数l分辨率分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。分辨率：指能使转换后数字量变化1 的最小模拟输入量。n 位二进制数最低位具有的权值就
33、是它的分辨率。2.量程量程是指所能转换的电压范围。如5V、10V 等。3.转换精度转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。有绝对精度和相对精度。绝对精度常用数字量的位数表示。相对精度用相对于满量程的百分比表示。如 8 位 AD 转换器，满量程为10V。绝对精度为1/210/28=19.5mV，相对精度为l281000.39。4转换时间转换时间：指启动AD 到转换结束所需的时间。5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，在一定温度范围内才能保证额定精度指标。较好的转换器件工作温度为-4085，差的只有 070。三、 常用 AD 转换器（一） 、8位 AD 转换器 ADC80
34、9 ADC0809 采用逐次逼近方式， 8 通路 8 位 AD 转换芯片，采用 CMOS 工艺，双列直插式封装器件。主要特点：分辨率8 位；转换时间 100 s；温度范围 -40+85；可使用单一的+5V 电源；可直接与 CPU 连接；输出带锁存器；逻辑电平与TTL 兼容。1电路组成及引脚功能组成： ADC0809 有 28 条引脚。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 20 页 共 39 页原理框图如图。2、
35、工作原理3、A/D 转换器接口（1）A/D 转换器的接口设计在 AD 转换器接口硬件设计中，一般需要考虑如下几个问题。 输入模拟电压的连接AD 的输入模拟电压可分为：单端输入和双端差动输入(差动输入 )。单端输入：正向信号，把VIN(-)接地，信号加到 VIN(+)端；负向信号，则把 VIN(+)接地，信号加到VIN(-)端。差动输入：模拟信号加在VIN(-)端和 VIN(+)端之间。 数据输出的方式AD 转换器数据输出有两种方式：a. 具有可控的三态输出门，数据输出线允许与系统数据总线直接相连。b. 不带三态输出门，数据输出线不允许和系统数据总线直接连接，必须通过 IO 通道和 CPU 之间
36、交换数据。 片选、启动、读写信号的设置名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 21 页 共 39 页启动转换信号由 CPU 发出，有电平启动和脉冲启动两种方式。片选、读写信号一般由3-8 译码器的通道号以及微处理器的/IOR、/IOW 经过适当的逻辑电路来连接。 转换结束信号及转换数据的读取CPU 可采用 3 种方式读取转换数据。程序查询方式；中断方式；固定的延迟程序方式。 用这种方式时， 要预先精确地知道完成一
37、次AD 转换需要的时间。 CPU 发出启动 AD 命令之后，执行一个固定的延迟程序，延迟时间正好等于或略大于完成一次AD 转换所需的时间， 延时到，即可读取数据。（2）连接方式对于 CPU8086来说，可采用两种方式：直接连接和用8255 连接。直接连接用 8255 连接PA7 PA0/STBA PB0 PC6 8255 DB7 AIN AC DC DB0/DR AD570 B/C 8086 D7D0名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 39 页 - - -
38、- - - - - - 第 22 页 共 39 页程序查询方式查询方式程序框图如图。程序清单如下：ADC：MOV DX，0383H MOV AL ，0B2H ；8255A 口定义为选通输入方式OUT DX，AL ；B 口为方式 0 输入方式，PC6、PC7 为输出方式。MOV AL ，40H ； PC6=1，MOV DX，0382H ；设置 C 口OUT DX，AL XOR AL ，AL OUT DX，AL ；送复位脉冲，启动A/D ADC1：MOV DX，0381H IN AL，DX TEST AL，01H ；数据转换结束线变低电平？JNZ ADC1 ；否，等待开始置 A 口为输入方式B 口
39、为输出方式送启动脉冲读入 PB0线使 A/D 复位读入数据暂 停转换结束吗？Y N 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 23 页 共 39 页主程序关中断8259 初始化8255A，B 口初始化开中断启动 A/D 执行主程序ADC2：IN AL ，DX TEST AL，01H ；数据已准备好吗？JZ ADC2 ；否，等待MOV DX，0382H MOV AL，40H ；使 PC6=1 OUT DX，AL ；撤
40、消启动信号MOV DX，0380H ；从 PA 口读数据IN AL，DX MOV DATA ，AL ；存入 DATA 单元HLT ；暂停中断方式读取数据，电路如图。主程序和中断服务程序流程图如图。PA7 PA0 PB0 /STBA 8255 DB7ADC0809DB0START ALE EOC 8086 D7D074L S04 8259 INTRA INTR IR3 VX 中断服务程序入口保护现场读入数据恢复现场返回名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 39
41、页 - - - - - - - - - 第 24 页 共 39 页程序清单：主程序：START：CLI ；关中断MOV AX，0 MOV ES，AX ；设中断矢量MOV DI，0BH*4 MOV AX,OFFSET INTR CLD STOSW MOV AX,CS STOSW MOV AL,34H ；8259初始化OUT 21H,AL ；允许 IR3中断MOV DX,0383H ；8255 初始化MOV AL,OBOH ；A 口为选通输入方式，OUT DX,AL ；B 口方式 0 输出方式MOV AL,09H OUT DX,AL ；允许 A 口中断STI ；开中断MOV DX,0381H MO
42、V AL,00H ；使 PB0=0，启动 A/D OUT DX,AL HERE：HLT ；模拟程序JMP HERE 中断服务程序；INTR： PROC NEAR PUSH AX PUSH DX 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 25 页 共 39 页PUSH DS ；保护现场MOV DX，0380H IN AL ，DX ；读入数据MOV DATA ，AL ；存数据POP DS POP DX POP AX ；
43、恢复现场MOV AL ，20H OUT 20H，AL ；送 EOI 命令STI ；开中断IRET ；中断返回ENDP （二） 、12 位 AD 转换器 AD574 1、芯片特性采用原理逐次逼近式内部有三态缓冲器、时钟脉冲源和基准电源输入电压单路单极性或双极性分辨率12 位转换时间25 S 封装形式28 脚双列直插式2、芯片各引脚功能名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 26 页 共 39 页AD574 的原理框
44、图及引脚如图。AD574 真值表如表。AD574 真值表名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 27 页 共 39 页3、AD574 模拟量输入电路外部连线(1) 单极性输入电路(2) 双极性输入电路3、 AD574 的接口电路例：六、V/F 转换器电压/频率（ V/F）转换技术是A/D 转换的另一种形式，模拟量通过V/F 转换成频率量送入计算机。 V/F 结构通道的优点是具有精度高、性能好、输出单值、抗干扰能力
45、强、 便于远距离传输， 但是由于频率测量响应速度慢，故多用于非快速过程参量的测量。（一） V/F 转换器的原理V/F 转换器实际上是一个电压控制振荡器，即振荡频率随控制电压的变化而变化的振荡电路。 V/F 变换器应用较多的是电荷平衡式V/F 转换器，其电路结构如图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 28 页 共 39 页（见课本 P42图 2-42 电荷式 V/F 转换）二、采样与量化由测量装置所测得的模拟信
46、号， 经 AD 转换器进行编码， 变成计算机内通用的数字信号。1采样过程采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。如图：采样信号 f*(t) ：时间上离散，幅值上连续的脉冲信号称为离散模拟信号。T采样周期；K采样开关或采样器；采样宽度。香农(Shannon) 定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为max，只要按照采样频率 S2max进行采样，那么取出的样品系列(f1*(t) ，f2*(t) ，, )就足以代表 (或恢复 )f(t)。2量化过程量化过程：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。量化单位 q：量化后二进制数的最低位所
47、对应的模拟量的值。设 fmax和 fmin转换信号的最大值和最小值，则量化单位为f(t) K f*(t) T 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 28 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 29 页 共 39 页iffq2minmax式中i 转换后二进制数的位数。 5 模拟量输出通道功能：把计算机的运算结果(数字量 )转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。组成：DA 转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放
48、电路。输出保持器的作用： 将前一采样时刻的输出信号保持到下一个采样时刻，重新得到新的输出信号。输出保持有两种方案：数字量保持方案；模拟量保持方案。模拟量输出通道的两种基本结构形式。1、一个输出通路设置一个DA 转换器的结构形式方案优点：速度快、精度高、工作可靠、节省多路切换开关。缺点：使用 DA 转换器较多。成本增加，电路也较复杂。2、 多个输出通路共用一个DA 转换器的结构形式模拟量保持的方案。结构特点：一个通路设置一个输出保持器，同时有一个多路切换开关。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -
49、 - - - - 第 29 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 30 页 共 39 页两种零阶保持器：采用步进电动机带动多圈电位器；采用电容保持电路。 DA转换器作用：把数字量转换成模拟量。是模拟量输出通道的重要组成部分。DA 转换器可分成：并行和串行两种。一、并行 DA 转换器的工作原理DA 转换器组成：电阻网络和运算放大器。常用电阻网络有：权电阻网络和T 型电阻网络。T 型电阻网络 DA 转换器如图。运算放大器同相端接地，反相端输入电压U0 所以 UU0=ILRf, -U0ILRf电路工作过程：输入信号为 001，负载电阻 RL上的电流：2IIL输入的信号为 010，
50、流过第 2 支路电流：RUIR3流经 RL的电流：4IIL依次类推。根据叠加原理，流经负载电阻的电流表达式为：)D2.D2D(23nn-22-11-RfLOfURIURR则取名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 30 页，共 39 页 - - - - - - - - - 第 31 页 共 39 页)2.22(3)2.22(22112211nnRnnLDDDRUIDDDI转换后的输出模拟电压与输入数字量成正比，实现了DA 转换。二、串行 DA 转换器的工作原理工作原理：把数字