远洋船舶轮机模拟器是运用于轮机系统仿真的典型的分布式控制系统硕士学位论文.doc

武汉理工大学硕士学位论文硕士学位论文远洋船舶轮机模拟器是运用于轮机系统仿真的典型的分布式控制系统第1章 绪 论1.1 选题背景及意义随着现代化工业的飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，以计算机为基础而构成的控制、管理、决策系统起着越来越重要的作用。同时由于计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，产生了多微机的分布式控制系统DCS（Distributed Control System）。根据当前发展的状况，分布式控制系统的本质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制，它是计算机技术、信息处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、相互渗透的产物。分布式控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统, 又被称为集散系统，与常规控制系统和集中式计算机控制系统相比，具有很多的优点，诸如适应性、扩展性、完善的控制能力。由于系统可靠性和灵活性的高要求，分布式控制系统的发展方向主要表现为：控制面向多元化、系统面向分散化。目前，DCS的结构可归纳为“三点一线”式结构。“一线”即DCS计算机网络；“三点”即连接到网络上的三种不同类型的节点。这三种节点为：现场I/O控制站、操作员站、工程师站。现场I/O控制站是完成对现场数据采集和处理并实现直接数字控制的网络节点；操作员站是处理与运行操作有关的人机界面功能的网络节点，对运行过程系统运行状态、各种运行参数等进行控制，以保证生产过程的安全、高质、高效。工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统控制、维护的网络节点，及时调整系统配置及参数设定，使DCS系统在任何时候都处于最佳的工作状态。这种分布式网络技术逐渐在计算机仿真中得到应用和发展，成为设计培训仿真器的一种必备的可靠的手段。在电子技术高速发展和计算机信息技术广泛应用的今天，以计算机为核心，操作控制盘台为基础所构成的各种仿真训练器，已成为当今重大生产或过程控制设备运行人员上岗操作、监控、养护训练的重要手段，受到国内外高度重视，并在电力、石化、航空、航天、航海等诸多领域广泛使用。伴随着科学技术的蓬勃发展，船舶工业也正以日新月异之势不断向前发展，从60年代中期开始，机舱实现了全面自动化，无人值班机舱已不再是神话。从70年代末、80年代初以来，在轮机自动化方面，普遍采用了计算机分散控制，把自动化机舱推向了一个崭新的阶段。自动化机舱是机舱内各种自动控制装置的总和，这些自动控制装置能部分或绝大部分代替轮机管理人员并对机舱内各运行参数进行自动控制、监视、显示、记录和报警，以及对主要机器设备进行自动操作。自动化无人值班机舱不仅改善了轮机管理人员的工作条件，更重要的是增强了设备运行的可靠性、安全性和经济性，对降低船舶运行成本，提高船舶技术管理水平具有十分重要的意义。但另一方面，自动化无人值班机舱对轮机管理人员的技术素质、管理水平提出了更高要求，他们不但要有扎实的理论基础知识，更应具备较强的综合分析判断和应变处理能力。这就给培养新一代航海人才的航海教学单位提出了新的挑战。为适应现代轮机管理工程的需要，培养高水准的轮机管理人才，轮机仿真训练器应用而生。利用计算机仿真技术，在校园内展现船舶的实时运行状态，为学员提供各种操作训练。由武汉理工大学系统仿真及控制技术研究中心自行研制的WMS系列远洋船舶轮机模拟器是运用于轮机系统仿真的典型的分布式控制系统，采用计算机图形技术设计仿真模拟器操作界面，用计算机网络技术实现各操作台以及其它功能台间的通讯。轮机仿真训练器是基于DCS的实时仿真系统，它由现场设备、I/O接口系统与计算机设备以及通讯设备组成。仿真主计算机是仿真训练器最主要设备，用来存放仿真对象的数学模型及控制程序，以及控制整个仿真系统的实时运行。系统辅助计算机通过网络与仿真主计算机连接，实现诸如教练员工作站、控制系统操作站、工程师站、环境仿真等功能。I/O接口系统实现接口计算机和盘台等硬件间的数字量/模拟量的相互转换和传输，是实现仿真系统的重要设备，它的技术性能和指标将直接影响到仿真系统的实时性和逼真度。I/O接口系统形成了多微处理器结构的设计方法，因为其连接的外部设备种类繁多、特性各异而数据传输速度相对较慢，采用分布式、智能化结构，将减轻接口计算机微处理器的负荷，提高系统实时响应能力，分散系统功能和故障。目前，WMS2000轮机模拟器以UNIX操作系统为核心，I/O接口系统主控器智能通讯卡的驱动程序界面为UNIX界面。仿真中心新研制的仿真模拟器正在从UNIX系统下仿真支持平台向WINDOWS系统仿真支持平台过渡。WMS2000轮机模拟器在国内享有很高的声誉，但WMS2000系列轮机模拟器的智能化分布式输入/输出接口系统是采用外购的I/O接口系统设备。该I/O接口系统虽已成功使用在多台电站和船舶轮机仿真器中，实时响应也较好，但是这套I/O接口系统价格比较贵，抗干扰性能也不是太好，而且由于技术资料及其它一些原因，使得维护也比较困难。因此，有必要对整个接口系统的板卡作改型设计。由仿真中心自主开发的MSCIS（Marine Simulation & Control Interface System）智能化接口控制系统的研制工作已开始进行，MSCIS接口系统的智能通信卡、控制卡及DIO卡的样卡已调试成功。MSCIS接口系统将在挖泥船疏浚作业仿真系统中与自主研发的实时仿真支持平台软件配合运行，实现完全自主开发船舶仿真训练器。目前进一步完善、改进MSCIS接口系统板卡的工作集中在输入/输出接口系统应用的模拟量输入/出卡（AI/AO）等方面。根据MSCIS接口系统发展需要，在模拟量输出卡（AO）上采用高性能的16位INTEL 80C196系列单片机作为CPU，并优化其电路设计，提高抗干扰能力。MSCIS接口系统的开发对提高我校WMS系列船舶仿真训练器的技术水平及自主知识产权，具有重大社会、经济意义。 随着现场总线（Field Bus）技术的发展，现场总线具有诸如综合性、开放性、经济性等更为突出的特点， I/O接口系统的设计从集散控制系统逐渐向现场总线和VXI总线方向发展，现场控制系统FCS（Field Control System）应运而生，FCS具有信号传输全数字化，系统结构全分散式，现场设备有互操作性，通信网络全互连式，技术和标准全开放式等特点。用新一代的FCS代替传统的分散型控制系统DCS，实现智能仪表，通信网络和控制系统的集成，是实现I/O接口系统扩展设计的技术发展方向。目前MSCIS接口系统中的各个板卡包括基于CAN总线智能通信卡（CCOM）和控制卡（CCTR），模拟量输入卡（AI），模拟量输出卡（AO）及数字量输入/输出卡（DIO）的样卡都已调试成功，并测试运行正常，达到设计要求，基本实现MSCIS接口系统研制开发目标。1.2 国内外微电子技术发展1.2.1 微控制器技术发展13262720世纪80年代以来，随着大规模集成电路技术和计算机制造技术的进步，微控制器(MCU，Microcontroller Unit),也称为单片微型计算机（single chip computer）得到蓬勃发展，它使计算机从海量数值计算进入智能化控制领域。由于微控制器具有集成度高、控制功能强、体积小、价格低、稳定可靠等优点，在工业自动化控制、智能化仪器仪表等应用中越来越广泛，在控制系统领域引起一场技术革命。微控制器发展已经逐步走向成熟，逐步向性能更高、功能更多的16位、32位微控制器发展。从我国乃至目前世界应用范围来看，单片微型计算机应用的主流品种仍然是Intel 公司的MCS-51系列及其兼容品种、MCS-96系列，Motorola公司的MC68系列，以及Philips公司的 51LPC系列等。一直走在世界前列的Intel公司最初发展了16位单片微型计算机，其中8098芯片在我国应用十分广泛； Intel公司推出的16位微处理器MCS-96系列已经发展到第四代产品80C196系列。国内目前的应用大多集中在Intel 80C196KB/KC/MC等品种的单片微型计算机上。更高性能的32位单片微型计算机还少有应用，一方面是由于目前高性能的8位、16位单片微型计算机已能满足绝大多数应用场合需要；另一方面，这类单片机编程难度较大，没有提供优良的性价比，使这类单片机的潜能未能真正发挥。Intel公司从1983年起推出的MCS-96 系列16位单片机是一种特别适合于高速控制场合的高性能的微控制器，在高技术工业控制领域得到了广泛的应用，具有许多8位单片机所无法比拟的优点。由于它高性能的寄存器寄存器结构，可以很好地运用于实时控制应用场合。80C196KB是Intel 公司九十年代初期性能较强的第二代CMOS芯片，它属于带有高速输入/输出的HSIO系列。其数据/地址总线均为16位，使用MCS-96家族共享指令系统，集成了时钟发生器、I/O端口、A/D转换、PWM输出、串行口、定时/计数器、监视定时器WATCHDOG、高速输入/输出器HIS/O等。特别的是80C196KB在串行口功能上除了支持异步串行通讯之外，还增加了同步串行口，可以支持多种标准的同步串行传输协议。同时随着芯片制造技术的发展，该芯片的价格也较低。因此，本课题选用功能强、速度快、抗干扰性能好、性价比高的80C196KB单片机来设计这个系统，既能满足实时仿真控制系统的要求，又有很好的经济性。1.2.2 现场总线技术发展3033随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。要实现整个生产过程的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线（Fieldbus）就是在这种背景下发展起来的新技术。1984年，美国仪器仪表学会ISA/SP50开始制定现场总线标准。1992年，国际电工委员会IEC批准了SP50 物理层标准。1992年，由Siemens、Foxboro、Rosemount、ABB等公司成立ISP组织，以德国Profibus为基础制定现场总线标准。1993年，成立ISP基金会ISPF。同年由中国仪器仪表学会等组织牵头成立ISPF中国分会， 成为ISPF成员之一。其间还有一些影响颇大的公司和机构牵头成立现场总线组织World FIP、HCF等。由于存在着技术和商业利益的多种问题，各大组织和公司集团各持己见、互不相让，延误了现场总线的研究开发和总线标准的产生。在这种情况下，1994年ISPF和World FIP握手言和，联合成立了现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）。该基金会聚集了世界著名仪表，集散系统制造商，研究机构和大型用户，已有成员120多家，以及几十家最终用户组成的顾问委员会。FF和IEC在现场总线标准技术问题上取得一致意见，大大促进了现场总线标准的制定工作。在现场总线物理层已获IEC批准的情况下，于1996年1季度完成了低速总线H1的最后工作，安装了示范系统，开始了运行考核阶段，并可提供标准化产品。高速总线H2也完成了部分测试试验和其它工作。现有的几个总线组织和大公司已经推出了一些现场总线，如CAN 、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF，但最终将统一到一个标准之下是必然的。按IEC和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式，双向传输，多分支结构的通信网络。有通信就必须有协议，从这个意义上讲，现场总线就是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。进一步说，现场总线不单单是一种通信技术，关键是用新一代的现场控制系统FCS代替传统的集散系统DCS，实现智能仪表，通信网络和控制系统的集成。现场总线是仪器仪表和自动化领域的一次新的革命。FCS具有信号传输全数字化，系统结构全分散式，现场设备有互操作性，通信网络全互连式，技术和标准全开放式的特点。同传统的集散系统DCS相比，FCS的优点与现场总线的原理密切关联，有如下优点： （1）经济性，一对N结构，一对传输线，连接N台仪表双向传输多个信号，节省电缆费用可观，且安装简单，维护容易； （2）可靠性，现代数字信号传输技术抗干扰能力强，精度高；（3）可控性，操作员在控制室既可了解现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整；（4）综合性，现场总线仪表（简称现场仪表）具备智能和综合能力，可检测，变换，补偿，又有控制和运算功能，实现一表多用，既方便，又节省；（5）互换性和互操作性，打破了传统DCS自成体系，互相封锁的局面；现场总线允许选用各制造商性能价格比最高的产品集成在一起，实现“即接即用”，即对不同品牌的仪表或设备互相连接，统一组态。（6）开放性，现场总线为开放互连网络，所有技术和标准全是公共的，既可与同层网络互连，也可与不同层次网络互连，共享资源，统一调度。现场总线是目前工业控制领域最热门的话题。现场总线技术在控制领域的发展速度、普及程度可和计算机网络世界的Internet相媲美。 CAN(Controller Area Network)总线是目前最有前途的现场总线，将会得到越来越广泛的应用。据CiA报道，2001年欧洲市场已经销售了一亿个节点。CAN总线以其高性能、高可靠性及其独特的设计已在各种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑环境控制等部门得到了广泛应用，控制器局部网(CAN-Controller Area Network)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，CAN的位速率可高达1Mbps。同时，它可以廉价地用于交通运载工具电气系统中，例如，灯光聚束、电气窗口等等以代替所需要的硬件连接。CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。因此，本课题在现场总线的实现上采用CAN总线来设计系统，既能满足实时仿真控制系统的要求，又有很好的可靠性和经济性。1.2.3 可编程逻辑器件及EDA技术发展48928可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，以下简称为PLD）是专用集成电路ASIC(Application Specific Intergrated Circuits)的一个重要分支。PLD是厂家作为一种通用型器件生产的半定制电路，用户可以通过对器件编程使之实现所需要的逻辑功能。PLD是用户可配置的逻辑器件，它的成本比较低，使用灵活，设计周期短，而且可靠性高，承担风险小，因而很快得到普遍应用，发展非常迅速。可编程逻辑器件从20世纪70年代发展到现在，已形成了许多类型的产品，其结构工艺、集成度、速度和性能等都在不断的改进和提高。20世纪70年代末美国NMI公司率先推出了可编程阵列逻辑PAL（Programmable Array Logic）器件，它成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。20世纪80年代初，Lattice公司发明了通用阵列逻辑GAL（Generic Array Logic）器件，它在PAL的基础上进一步改进，采用了输出逻辑宏单元（OLMC）的形式和E2CMOS工艺结构，因而具有电可擦除、可重复编程、数据可长期保存和可重新组合结构等优点。GAL比PAL使用更加灵活，它可以取代大部分SSI、MSI和PAL器件，所以在 20世纪80年代得到广泛应用。PAL和GAL都属于低密度PLD，其结构简单，设计灵活，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。从20世纪80年代末，随着集成电路工艺水平的不断提高，PLD突破了传统的单一结构，向着高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活的方向发展。Lattice公司提出了在系统可编程ISP（In System Programmable）技术以后，相继出现一系列具备在系统可编程能力的复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex PLD）。CPLD是在EPLD(Erasble PLD)的基础上发展起来的，它采用E2CMOS工艺制作，增加了内部连线，改进了内部结构体系，因而比EPLD性能更好，设计更加灵活，其发展非常迅速。20世纪90年代以后，高密度PLD在生产工艺、器件的编程和测试技术等方面都有了飞速的发展，CPLD的集成度一般可达数千甚至上万门，例如Altera公司推出的EPM9560，其单密度达到12000个可用门，包含多达50个宏单元，216个用户I/O引脚，并能提供15ns的脚至脚延时，16位计数器的最高工作频率为118MHz。目前，CPLD集成度最多可达25万个的等效门，最高工作速度已达180MHz。FPGA（Field Programmable Gates Array，现场可编程门阵列）的门延时已小于3ns，Xilinx公司生产的FPGA从最初的1200个可利用门发展到现在可达25万个可利用门，规模已扩大200多倍。在系统可编程技术、边界扫描技术的出现也使器件在编程技术和测试技术及系统可重构技术方面有了很快的发展。自20世纪60年代以来，数字集成电路已经历了从SSI、MSI到LSI、VLSI的发展过程。微电子技术得到迅猛发展，集成电路的集成规模几乎以平均每1-2年翻一番的惊人速度增长。集成技术的发展也大大促进了电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation）技术的进步，由于新的EDA工具不断出现，使设计者可以直接设计出系统所需要的专用集成电路，从而给电子系统设计带来了革命性的变化。过去传统的系统设计方法是采用SSI、MSI标准通用器件和其它元件对电路板进行设计，所设计的系统体积大、功耗大、可靠性差。先进的EDA技术使传统的“自下而上”的设计方法，变为一种新的“自顶向下”的设计方法，设计者可以利用计算机对系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路可以采用一片或几片专用集成电路（ASIC）来实现，因而使系统的体积、重量减少，功耗降低，而且具有高电气特性、高可靠性和保密性好等优点。20世纪90年代以来，微电子技术以惊人的速度发展，其工艺水平以达到了深亚微米级，在一个芯片上可以集成数百万乃至上千万只晶体管，工作速度可达到Gb/s，这为制造出规模更大、速度和信息容量更高的芯片提供了基础条件。同时也对EDA技术提出了更高的要求，出现了高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术，它不仅极大的提高了系统设计效率，而且使设计者摆脱了大量的辅助性工作，将精力集中于创造性的方案与概念的构思上。高层综合（High Level Sysnthesis HLS）的理论与方法取得进展，从而将EDA设计层由布线级提高到了系统级（又称为行为级）。并且推出了相应的行为级综合优化工具，大大缩短了复杂ASIC的设计周期，同时改进了设计质量。采用平面规划（Floorplaning）技术对逻辑综合和物理版图设计进行联合管理，做到在逻辑综合早期设计阶段就考虑到物理设计信息的影响。这对于深亚微米级布线延时已成为主要延时的情况下，加速设计过程的收敛与成功是有所帮助的。第三代EDA技术采用硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）来描述10万门以上的设计，并形成了VHDL和Verilog HDL两种标准硬件描述语言。它们均支持不同层次的描述，使得复杂IC的描述规范化，便于交流、保存与修改，并可建立独立工艺的设计文档，便于设计重用。同时建立并行设计工程CE（Current EngineerING）框架结构的集成化设计环境。各种EDA工具在该框架中可以并行使用。通过统一的集成化设计环境，使用统一的数据管理系统与完善的通信管理系统，由若干个相关的设计小组共享数据库与知识库，同时并行的进行设计。随着ASIC的规模与复杂性的增加，测试的难度与费用急剧上升，由此而产生了扫描插入、BLST（内建自测试）、边界扫描等可测性设计（OFT）工具，并集成到EDA系统中。而且为带有嵌入uP核的ASIC设计提供软、硬件协同设计工具。在Internet迅速发展的今天，ASIC设计所要用到的EDA工具和IP模块均可在网上销售、流动。ASIC设计人员可以在网上通过电子付款的方式选购设计工具和元件，从而使ASIC设计变得迅速、经济、高效。此外，基于Internet的虚拟设计组也已出现，因而可将全世界范围内最优秀的设计人才资源恰当的组合起来，来解决日益复杂的电子系统设计问题。微电子技术和计算机技术的迅速发展，为实时仿真系统的I/O接口系统研制提供了更开阔的研究思路、更先进的技术路线和更丰富集成电路资源。1.3 课题主要研究工作课题研究的主要任务是研制MSCIS智能接口控制系统中基于CAN总线的高速智能控制卡（CCTR）和模拟量输出卡（AO），具体工作如下：1 应用EDA软件Protel99设计模拟量输出卡系统原理图和PCB制板图；2 制作模拟量输出卡，设计卡上单片机汇编源程序并调试；设计板卡上的译码逻辑及PLD编程；3 应用EDA软件Protel99设计基于CAN总线高速智能控制卡原理图和PCB制板图；4 制作CAN总线控制卡，设计卡上单片机汇编程序并调试；设计板卡上的译码逻辑及PLD编程；5 在系统硬件及软件分别调试好后，在MSCIS接口系统实验台上进行模拟实验，并根据实际控制效果不断地对硬件及软件进行修改。第2章 MSCIS接口系统模拟量输出卡总体设计2.1MSCIS接口系统概述25MSCIS分布式智能输入/输出接口控制系统（以下简称MSCIS接口系统）是典型的实时仿真系统使用的I/O接口系统，实时性良好、运行稳定可靠。MSCIS接口系统由一个接口计算机及数个智能I/O接口机箱组成，系统连接框图如图2.1所示。采用现代PC微机系统作为接口计算机，采用以太网来连接仿真主计算机及其他监控计算机。因为现代的计算机系统中一般均配置有以太网接口，MSCIS接口系统能方便地和多种计算机互联。对于功能较单一的下位I/O控制设备和智能仪表就不必再占用仿真主计算机资源，接口计算机已足够完成整个控制功能。MSCIS系统中，共提供五种类型电路板：(1)智能通信卡；(2)智能主控制卡；(3)智能多通道模拟量输入卡（AI卡）；(4)智能多通道模拟量输出卡（AO卡）；(5) 通用数字量输入/输出卡（UDIO卡）及单用卡（SDI、SDO）。以太网卡通信卡通信卡。图2.1CAN总线或RS-485接口PC机以太网卡I/O接口机箱AIAODIO控制卡。I/O接口机箱AIDIODIO控制卡。I/O接口机箱AIAOAO控制卡。I/O接口机箱AODIODIO控制卡。CAN总线或RS-485智能通信卡采用PC总线接口标准，直接插在计算机主板上，板卡上配置有CAN外部总线接口，与I/O接口机箱中同样具有CAN总线接口的智能主控制卡互联。一块通信卡和相连的多个I/O接口机箱主控制卡构成一个CAN总线实际的控制链路，由接口计算机对该CAN总线链路中的各种板卡进行管理，CAN总线通信卡完成链路中的各种板卡的组态、设置，上、下传输数据信息。接口计算机内可以安插多块通信卡，由各个通信卡组成多条CAN总线通信链路。每一个CAN总线控制链路中，最多可连接10个机箱，通信链路总长度理论上可达10km，系统通信位速率理论上可达1Mbps。下位接口机箱采用强力通风、防尘封闭式结构，平推式拔插，板边连接，安装维护方便。下位接口机箱配有电源及17个插槽，第1个插槽（Slot 0）中放置主控制卡，其余16个插槽（Slot 116）供其它下位功能板卡使用。主控制卡上除具有CAN总线接口总线外，通过机箱内部总线对16个插槽中的下位功能卡进行控制和并行通信。为保证与以往系统兼容，在控制卡和智能通信卡上还保留有高速RS-485串行通信接口，必要时可以采用以前的RS-485串行链路的方式通信。MSCIS接口系统通过系统组态表来管理运行，组态表包括类型和属性两项内容，分别构成类型和属性两张分表。其中类型表定义系统的链路数，每一条链路中的I/O机箱和I/O机箱内具体的下位功能板卡种类；属性表定义每一条链路中I/O机箱具体位置的功能板卡每一点的属性。系统启动时，首先把这两张表下发，否则该机箱中主控制卡将一直等待类型表和属性表下发，系统下发组态表后各I/O机箱进入刷新状态，根据需要上下传信息。MSCIS接口系统采用开放式结构，不但系统增减十分容易，而且任何链路和任何机箱都可以随时从系统中摘除，这对于故障检测和系统维护是十分方便的。2.2 模拟量输出通道的结构形式1219模拟量输出通道的任务是把微型机输出的数字信号转换成模拟量。它主要由数模（D/A）转换器和输出保持器组成。在许多场合要求具有多路模拟量输出通道，多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的结构形式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来前，使本次控制信号不变，保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种，这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。一、一个通道设置一个D/A转换器图2.2为这种形式的结构图。在这种形式中，CPU和通道之间通过独立的接口缓冲器传达信息，因此这是数字保持的方案。它的优点是转换速度快、工作可靠，每条输出通路相互独立，不会由于某一路D/A转换故障而影响其它通路的工作。但使用了较多的D/A转换器，因而成本较高，随着大规模集成电路技术的发展，成本将不成问题。D/A接口单片机 通路1 D/A 通路n 图 2.2 一个通道设置一个D/A转换器二、多个通道共用一个D/A转换器 这种形式的原理图如图2.3所示。因为共用一个数/模转换器，故它必须在CPU控制下分时工作。即依次把D/A转换器转换成的模拟电压（或电流）,通过多路模拟开关传送给输出采样保持器，这种结构节省了D/A转换器，但因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。由于需要多路转换器，且要求输出采样保持的保持时间与采样时间之比必要大，因而其可靠性需要从硬软件两方面认真解决。采样保持器多路开关单片机D/A 通道1接口采样保持器 通道n图2.3 多通道共用一个D/A转换器2.3 D/A转换器原理1221 D/A转换器是将数字量转换成模拟量的装置，其转换方式有并行转换和串行转换两种。并行转换是把转换的各位数字代码同时送到转换器相应的输入端，转换速度快。串行转换速度慢，但适用于远距离信号传输。 D/A转换器型号很多，但都包括R-2R电阻加权网络（T型网络）、MOS或TTL型的电流开关、基准电源和运算放大器四部分，如图2.4所示。 R R R Rf U0 + 2R 2R 2R 2R K Kn-2 Kn-1 UR 图2.4 T型网络组成的D/A转换器 R-2R式T型网络只用两种数值的电阻R和2R组成，该电路的特点是，任何一个节点的3个分支，其等效电阻是相等的。如从节点a向左、向右、向下看，等效电阻都是2R；从节点a、b或c等向上看，等效电阻都是3R。该电路为线性网络，可以应用叠加原理。根据叠加原理，可以写出流经负载电阻的电流的表达式：运算放大器输出的模拟电压为： 可见，输出电压与输入的二进制数成比例，从而实现了数字量到模拟量的转换。2.4 D/A转换器的主要特性参数2324衡量一个D/A转换器的性能，可以采用许多参数。生产D/A转换芯片的厂家提供了芯片的各种参数供用户选择，现就一些主要参数介绍如下：一、 静态参数（1）分辨率 分辨率即输入数字发生单位数码变化时，所对应输出模拟量（电压或电流）的变化量。在实际使用中，表示分辨率高低更常用的方法是采用输入数字量的位数或最大输入码的个数表示。例如，8位二进制D/A转换器，其分辨率位8位。显然，位数越多，分辨率就越高。（2）精度D/A转换器的转换精度与D/A转换集成芯片的结构和接口配置的电路有关。一般说来，不考虑其它D/A转换误差时，D/A转换器的分辨率即为其转换精度。在实际使用时，常将精度分为绝对精度和相对精度。绝对精度指对应于给定的满刻度数字量，D/A转换后实际输出与理论值之间的误差。相对精度是指满刻度已校准的情况下，在整个刻度范围内，对应于任一数码的模拟量输出与理论值之差。有两种表示方法，一种是将偏差用数字量最低有效位的位数LSB表示，一种是用该偏差相对满刻度的百分比表示。对于线性的D/A转换器，相对精度就是非线性度。（3）失调误差失调误差是指数字输入全为0码时，模拟输出值与理论值之偏差。对于单极性D/A转换，模拟输出的理想值为0V；对于双极性D/A转换，此理想值为负域满量程。一定温度下的失调误差可以通过外部调整措施进行补偿。有些D/A集成芯片设计有调零端进行调零；有些转换器不设置专门的调零端，要求用户采用外接校正偏置电路加到运算放大器求和端来消除。（4）增益误差增益误差是指实际转换的增益与理论增益之间的偏差值。在一定的温度下，该误差也可以通过外部调整措施实现补偿。（5）温度系数温度系数是指在规定的使用温度范围内，温度每变化1，增益、零点、精度等参数的变化量。（6）馈送误差馈送误差是指杂散信号通过D/A器件内部电路耦合到输出端而造成的误差。（7）线性误差D/A转换的理想特征应是线性的，但实际上存在误差，模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。二、 动态参数（1）建立时间建立时间是描述D/A转换速率快慢的一个重要参数，一般指的是输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内经历的时间。（2）毛刺当数/模转换器的输入数字量快速变化时，输出模拟量可能出现的尖峰称为毛刺。产生毛刺的原因主要有两个。一个是由于数模转换器中的模拟开关动作时间不一致，因而在开关工作过程中，转换网络相当于接收到短时间的虚假代码，因而在输出端形成瞬变尖峰脉冲。另一个是由于数字信号变化速度很快，这种快速变化通过内部电路馈送到输出。（3）转换速率数/模转换器的转换速率是指大信号工作状态下模拟输出电压的最大变化率。通常以/为单位表示。转换速率反映了电压型输出的转换器中输出运算放大器的特性。对输出运算放大器需要用户外接的转换器，其转换速率由用户选择的运算放大器决定。最后还要说明两点：1、芯片参数手册和一些教科书可能在上述几种参数之外还给出了一些其它参数，如失调误差、微分线性误差、电源抑制比（或电源敏感度）等，一般说来，那些参数所带来的影响基本上包含在上述基本参数（特别是精度参数）中。2、不同厂家对同一参数术语往往给出不完全相同的定义；不同教材给出的定义也不统一。作者上面介绍的是通常使用的定义。即使对于定义相同的参数，不同厂家给出的参数值也常常是在不同规定条件下测试的结果。所以为了选用合适的器件去查阅性能说明书和参数手册时，要多加注意。2.5 D/A转换接口设计的一般性问题模拟量输出通道不论采用何种形式，都要取决于数/模转换器和与CPU的接口，在D/A转换器接口设计中，主要考虑的问题是D/A转换芯片的选择、数字量码的输入及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。一、 D/A转换芯片的选择原则选择D/A转换芯片时，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转换的技术要求，在结构和应用特性上满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。D/A转换器性能指标包括静态指标（各项精度指标）、动态指标（建立时间、尖峰等）、环境指标（使用的环境温度范围、各种温度系数）。这些指标通过查阅手册可以得到。D/A转换器结构特性与应用特性主要表现为芯片内部结构的配置状态，它对接口电路设计影响很大。主要的特性有：1、数字输入特性：包括接收数码制、数据格式及逻辑电平等。D/A转换器一般只能接收二进制数码，当输入数字代码为偏置码或补码等双极性数码时，应外接适当偏置电路才能实现。D/A转换器一般采用并行码和串行码两种数据形式，采用的逻辑电平多为TTL或低压CMOS电平。2、数字输出特性：指D/A转换器的输出电量特性（电压还是电流），多数D/A转换器采用电流输出。对于输出特性具有电流源性质的D/A转换器，用输出电压允许范围来表示由输出电路（包括简单电阻或运算放大器）造成输出电压的可变动范围，只要输出端电压在输出电压允许范围内，输出电流与输入数字间保持正确的转换关系，而与输出电压的大小无关，对于输出特性为非电流源特性的D/A转换器，无输出电压允许范围指标，电流输出端应保持公共端电流或虚地，否则将破坏其转换关系。3、锁存特性及转换控制：D/A转换器对输入数字量是否具有锁存功能，将直接影响与CPU的接口设计。若无锁存功能，通过CPU数据总线传送数字量时，必须外加锁存器。同时有些D/A转换器对锁存的数字量输入转换为模拟量要施加控制，即施加外部转换控制信号才能转换和输出，这种D/A转换器在分时控制多路D/A转换器时，可实现多路D/A转换的同步输出。4、参考源：D/A转换中，参考电压源是影响输出结果的模拟参量，它是重要的接口电路。对接口电路的工作性能、电路结构有很大影响。使用内部带有参考电压源的D/A转换芯片不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。二、 参考电压源的配置目前多数D/A转换器不带参考电压源，因而设计D/A接口电路时要配置参考电源。目前参考电压源主要有带温度补偿的齐纳二极管、能隙电压源，由于能隙电压源工作在正常线性区域，因而内部噪声小，工作稳定性好，在制作精密参考电压源时经常采用。外接参考电压源可以采用简单的稳压电路形式，也可以采用带运算放大器的稳压电路，简单稳压电路提供的参考电压恒定，带运算放大器的参考电压源具有驱动能力强、负载变化对输出参考电压没有影响，所以参考电压可以调节等性能，目前已有带缓冲运算放大器的精密参考电源可供使用。三、 数字输入码与模拟输出电压的极性目前绝大多数D/A转换器输出的模拟量均为电流量，需要通过一个反相输入的运算放大器才能转换成模拟电压输出，在这种情况下，模拟输出电压与输入数字量A和参考电压的关系为 (1)这是一种工作范围为二象限的D/A转换接口，即单值数字量A和正负参考电压(模拟二象限)，或单值模拟参考电压和数字量A（数字二象限）。输出模拟电压的极性完全取决于模拟参考电压的极性。当参考电压极性不变时，只能获得单极性的模拟电压输出，但如果是交流电压参考源时，也可以实现数字量与交流输出模拟电压的D/A转换。在实时控制系统中，工业现场的执行机构的控制有时要求双极性电压信号，这时模拟输出通道必须双极性输出。采用偏移二进制码方法实现D/A转换器的双极性输出比较容易，而且与计算机输出兼容，因为只需将最高位求反，就可将二进制的补码转换为偏移码。双极性输出的一般原理是在单极性输出（常常为运算放大器反相输出）之后，再加上一级运算放大器反相输出。2.6 12位D/A转换器芯片DAC1210DAC1210是电流输出型，电流稳定时间为1，参考电压10V- +10V,工作电源5V15V,功耗20m W,采用24引脚双列直插式封装的12位D/A转换器，它由四部分组成，一个8位和一个4位的数字输入寄存器，一个12位的DAC数字寄存器，一个12位的D/A转换器和控制逻辑电路组成。其D/A转换器采用的是T型R-2R权电阻网络，并设有两级可控制的数据缓冲寄存器。图2.5是DAC1210芯片的内部原理图。其引脚信息意义如下：CS:片选信号（低电平有效）；WR1:写信号（低电平有效）；WR2:辅助写信号（低电平有效），该信号与XFER相结合，当XFER与WR2同时为低电平时，把锁存器中数据输入D/A寄存器。当WR2为高电平时，D/A寄存器中的数据被锁存起来；BYTE1/BYTE2:字节顺序控制信号，该信号为高电平时，开启高8位和低4位两个锁存器，将12位全部输入锁存器，该信号为低电平时，则开启低4位输入锁存器；XFER:传送控制信号（低电平有效）。该信号与WR2信号相结合，用将输入锁存器中的12位数据送至D/A寄存器； DI0-DI11:12位数据输入端，其中的高8位DI11-DI4直接和单片机的DI7-DI0相连，低4位DI3-DI0分别和单片机的DI7-DI4相连； IOUT1:D/A电流转换输出1，D/A寄存器全“1”时，输出电流最大，全“0”时输出为0； IOUT2:D/A电流转换输出2，并满足IOUT1+IOUT2=常数； Rf:反馈电阻； VREF:参考电压输入端（10V- +10V）； VCC:电源电压输入端（5V- +15V）； DGND:数字地；AGND:模拟地。图2.5 DAC1210芯片的内部原理图 DAC1210的工作过程如下：首先使BYTE1/BYTE2为高电平，CS和WR1为低电平，最高8位数字量（DI4-DI11）输入到8位输入锁存器，同时4位输入锁存器也将改变，但该值是无效数值，接着令BYTE1/BYTE2为低电平，CS和WR1为低电平，低4位数字量（DI0-DI3）输入到低4位输入锁存器，同时高8位数字量被锁存，随后当CS和WR变高电平时，低四位数据也被锁存。完成上述步骤后，令XFER和WR2同时为低电平，8位输入锁存器和4位输入锁存器的共12位数字量输出同时输入到12位DAC寄存器输出端，使D/A转换器刷新输出，当XFER和WR2变高电平时，数字量被锁存在12位DAC寄存器中。2.7 智能化多通道模拟量输出接口卡总体设计方案模拟信号输出接口根据计算机控制系统的要求，在选定D/A转换器芯片后进行设计，其主要目的是达到CPU向D/A转换器传送数据信息，将数字信号转换为模拟信号，再将D/A输出信号变成符合驱动执行器所要求的信号。要达到此目的，模拟输出接口应包括两部分的设计，一是CPU与D/A转换器之间的数字信号传输接口部分的硬件、软件设计，二是D/A转换器与执行器之间模拟信号传输接口的接口硬件设计。智能化多通道模拟量输出卡以高性能、高速微控制器80C196KB为核心，集数据通信和数模转换于一体来实现多路模拟量输出。智能化多通道模拟量输出卡的硬件电路主要包括：80C196KB单片机、数据存储器RAM、程序存储器ROM、D/A转换控制电路、16路采样保持电路、机箱总线接口电路、逻辑译码电路及上电复位电路等。为实现对EPROM和RAM的片选，采用双列直插20脚可编程逻辑芯片GAL16V8。EPROM 27256片选地址为：0000H-7FFFH, RAM 6264片选地址为：8000H-9FFFH。系统总体设计原理框图参见图2.6。本板采用12位DAC1210作为数模拟转换器，可以实现单、双极性的模拟量输出。输出电压范围:单极性:0+5V和0+10V，双极性:-5V+5V,-10V+10V，并且可在软件控制下任意设定。为实现16路模拟量的输出，采用共用数模转换器的形式，由两片可编程逻辑芯片GAL16V8作为16路模拟开关在80C196KB单片机的控制下分时工作。即依次把单片机输出的数据经DAC1210转换后得到模拟电流，然后由16路模拟开关将模拟电流分配到相应通道的采样保持器LF398，通过16路采样保持器LF398进行各路刷新，每路模拟量输出通过LF356缓冲输出，其最大负载电流可达10mA。图 2.6 模拟量输出卡（AO）总体框图80C196系列单片机D/A多路开 关采样/保 持缓冲输出模拟量输出滤波44芯输出插头译码器译码器并行通讯接口工作指示灯机箱内部总线ROMRAM模拟量输出本板带有内部数据总线接口，可直接插入接口机箱槽中工作，本板通过内部数据总线读取PC传送来的数据（通过机箱控制卡），PC经串行通信至机箱控制卡内部数据总线，可设定各通道的输出属性（单/双极性，输出量程）。为了便于了解单片机的工作状态，在HSO.1与HSO.2端接一双色发光二极管LED，利用HIS.0中断控制HSO.1及HSO.2端的输出电平，使LED闪烁，指示卡上单片机的工作状态。当红灯亮时，表示系统进入HIS.0通信中断服务程序，上位机正在给本卡传输转换数据和各个通道的属性字；当绿灯亮时，表示本卡与上位机通信结束，执行主程序初始化各参数，进行D/A 转换并等待上位机下传数据和各个通道的属性字。因此，双色发光二极管的闪烁，有利于开发人员对系统运行工况进行分析和仿真调试。第3章 智能化模拟量输出卡硬