第3章计算机控制过程通道和数据采集系统ppt课件

1、本章学习目的: 解决微型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，这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。 计算机和工业现场信号无法进行直接传递，这就需要在二者之间进行信息传递和交换的装置，这就是过程通道，是本章的主要内容之一。 微机控制系统组成框图微机控制系统组成框图 输入输出接口技术输入输出接口技术 研究微处理器和外部设备之间研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。信息交换的技术。 输入输出接口输入输出接口 简称简称“接口接口”1、接口、通道及其功能、接口、通道及其功能 1)IO接口电路接口电路IO接口电路：是主机和外围设备之间交换信息的连接

2、口电路：是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完成信息接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完成信息交换。交换。 2)IO通道通道IO通道：也称为过程通道。它是计算机和控制通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。对象之间信息传送和变换的连接通道。信号的输入通路信号的输入通路: 模拟量、数字量模拟量、数字量信号的输出通路信号的输出通路: 模拟量、数字量模拟量、数字量输入和输出通路的主要功能输入和输出通路的主要功能 实现模拟量与数字量之间的信号变换实现模拟量与数字量之间的信号变换在微型机和生产过程之间起到了纽带和桥梁的作用在微型机

3、和生产过程之间起到了纽带和桥梁的作用 。 A/D A/D通道或通道或AIAI通道通道 多个信号要共用一个模拟通道输入微型机，需要多个信号要共用一个模拟通道输入微型机，需要多路转换器，这种方式主要适用于多路转换器，这种方式主要适用于 A/DA/D转换芯片比较转换芯片比较昂贵，信号路数比较多的情况，有些昂贵，信号路数比较多的情况，有些A/DA/D转换芯片带有转换芯片带有多路转换器：如多路转换器：如 ADC0809ADC0809、ADC0816ADC0816。多路转换器实际。多路转换器实际上就是多路开关。上就是多路开关。图2 -3 CD4051结构原理图0S2S3S4S5S6S7S1S动动驱驱码码译

4、译换换转转平平电电ABCINHmS CD4051结构原理图 D3D2D1D0动驱码译动驱码译换转平电换转平电0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS图 2-4 多 路 模 拟 开 关 的 扩 展 电 路IN HIN H采用可编程序放大器，可通过程序来调节放大倍数，使采用可编程序放大器，可通过程序来调节放大倍数，使A/D转转信号满量程达到均一化，以提高多路数据采集的精度。信号满量程达到均一化，以提高多路数据采集的精度。4.采样与保持采样与保持v 数据采样定理第数据采样定理第1章内容）章内容） v 采样保持器采样保持器 （原理图见教材（原理图

5、见教材27页）页）集成采样保持器集成采样保持器 n技术指标：精度技术指标：精度0.01%n采集时间：采集时间：5sn输入范围：输入范围：10 vn增益：增益： 1.00n孔径时间：孔径时间：50sn电源：电源：15Vn常用芯片：常用芯片：LF198/LF298/LF398n高速采样高速采样保持放大器保持放大器 : H0023/LH0043C/LH0053n选择采样选择采样保持器时，主要应考虑如下因素：保持器时，主要应考虑如下因素：n 输入信号变化率，有时还考虑多路转换器的切换速输入信号变化率，有时还考虑多路转换器的切换速度度确定时间应为多少才不会超过误差要求确定时间应为多少才不会超过误差要求采

6、样保持器的性能指标 对于低、中速A/D转换器，常用的转换方法有计数比较式、双斜率积分式和逐次逼近式三种P38）：计数比较式：简单、价格便宜，但速度慢，基本淘汰双斜率积分式：精度高，抗干扰能力强。但速度较慢。逐次逼近式：很好的兼顾了速度和精度，广泛应用。 D/AD/A转换器是把输入的数字量转换成模拟信号的转换器是把输入的数字量转换成模拟信号的器件，有权电阻式和器件，有权电阻式和R-2RR-2R电阻网络式二种。电阻网络式二种。 对于我们搞微机应用的人来讲关键在于正确对于我们搞微机应用的人来讲关键在于正确使用。所以更重要的是掌握主要技术指标、原使用。所以更重要的是掌握主要技术指标、原理。理。 +A-

7、数数字字量量输输入入TUOV基基准准电电压压关关开开换换切切位位RR2R2R2R2R2RFERVbfR1SB2SB3SB0SB1DR-2R电阻网络 图图 3-2 D/A 转换器 原理框图R2D3D0D运运算算放放大大器器3I1I0I2I10101010IOUTIRfb）/ 2n/ 2n 假设假设D3D3、D2D2、D1D1、D0D0全为全为1 1，则，则BS3BS3、BS2BS2、BS1BS1、BS0BS0全部与全部与“1 1端相连。根据电流定律，有：端相连。根据电流定律，有：NoImage01REF04222IVIRNoImage 由于开关由于开关 BS3 - BS0 BS3 - BS0 的

8、状态是受要转换的二进制数的状态是受要转换的二进制数 D3D3、D2D2、D1D1、D0 D0 控制的，并不一定全是控制的，并不一定全是“1”1”。因此，可以得到通式：。因此，可以得到通式：OUT33221100IDIDIDIDI3210REFOUT32104(2222 )2VIDDDDR考虑到放大器反相端为虚地，故：考虑到放大器反相端为虚地，故：RfbOUTII 选取选取 Rfb = R Rfb = R ，可以得到：，可以得到：3210REFOUTRF32104(2222 )2fVVIRDDDD 对于对于 n 位位 D/A 转换器，它的输出电压转换器，它的输出电压VOUT与输入二与输入二进制数

9、进制数B( Dn-1 D0) 的关系式可写成：的关系式可写成：1210REFOUT1210(2222 )2nnnnnVVDDDD REF2nVB v 结论：由上述推导可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，结论：由上述推导可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻还与运算放大器的反馈电阻 RfbRfb以及基准电压以及基准电压VREFVREF有关。有关。(MSB)7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0ID(LSB)ILECS1RW2RWXFER当当LE=1时时, ,输输出出数数据据随随输输入入变变化化。LE2FERV1TUOI2TUOIRfbAGNDDGNDCCVDQ

10、DQDQDQ 8位位 输输入入寄寄存存器器 8位 DAC寄存器 8位 DAC转转换换器器图 3-3 DAC0832原理框图及引脚当当LE=0时时, ,输输出出数数据据被被锁锁存存。LE1nP23QDDQQDDQDDQQDDQQ器存寄寄入输位8器存寄寄入输位41 2 位D A C寄 存 器1 2 位位D /A转转 换换 器器L E 3L E当= 1 时 ， Q = D ;L E当当= 0 时 ， 锁 存 数 据L E 2L E 1(M S B )D ID ID ID ID ID ID ID ID ID ID ID I111 01234567890(L S B )B Y T E /B Y T EC

11、 SW RX F E RW R2121FERVD G N D2TUOI1TUOIbfRDNGAccV图 3 -4 D A C 1 2 1 0 原 理 框 图 及 引 脚DAC1210DAC1210内部有三个寄存器：内部有三个寄存器： 一个一个8 8位输入寄存器，用于存放位输入寄存器，用于存放1212位数位数字量中的高字量中的高8 8位位DI11-DI4DI11-DI4；一个；一个4 4位输入位输入寄存器，用于存放寄存器，用于存放1212位数字量中的低位数字量中的低4 4位位DI3 -DI0DI3 -DI0；串行输入D/A转换器AD75432） AD7543原理框图原理框图VREFIOUT2IO

12、UT1RFBAGNDDGNDVCCSRI12位位D/A转换转换器器12位位DAC存放存放器器12位位串行串行输入输入移位寄移位寄存器存器STB4STB3STB2STB1LD1LD2CLR 3.2.1 A/D转换器原理及器件 逐位逼近式逐位逼近式A/D的工作原理的工作原理 从从SAR输出的数码送至输出的数码送至D/A，其输出电，其输出电压压Vf与模拟量输入与模拟量输入Vin 比较后，再控制比较后，再控制SAR的数字逼近的数字逼近Vin模拟量输入模拟量输入数字量数字量输出输出寄存器寄存器控制时序控制时序和逻辑电路和逻辑电路比较器比较器+Vf反馈电压）反馈电压） 逐位逼近式逐位逼近式A/D转换器原理

13、框图转换器原理框图 D0D7 逐位逼近法2） 理想的理想的2位位A/D转换器示意图转换器示意图nREFREFREFINVVVVB2 VREF+VREF1D1D0来自来自SAR01001S00S01S02S03S10S11V0VINVfD/A转换的输转换的输出电压出电压Vf大大小取决于正、小取决于正、负基准电压负基准电压源源VREF+，VREF-）和）和开关树中各开关树中各位开关位开关Sij的的状态状态(来自于来自于SAR）强、数据稳定、价格便宜，适用强、数据稳定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控制系统或于非快速计算机过程控制系统或精度要求较高的地方。精度要求较高的地方。 3.2.2 双积分式

14、A/D转换器3） 双积分式双积分式A/D转换器示意图转换器示意图控制逻辑控制逻辑计数器计数器时钟时钟+比较器比较器+积分器积分器123积分电容积分电容VOVIK数据输出数据输出VinVREF （基准电压）（基准电压）双积分式双积分式A/D转换的原转换的原理框图理框图t1VO t2tAVO t1t3tBtt1VI积分输出积分输出 t2t3AB双积分双积分A/D的工作示意图的工作示意图1.分辨率分辨率: 分辨率是指分辨率是指A/DA/D转换器对微小输入信号变化的转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量

15、的位数来表示，化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如如8 8位、位、1010位、位、1212位等。分辨率为位等。分辨率为n n，表示它可以，表示它可以对满刻度的对满刻度的1/2n1/2n的变化量作出反应。即：的变化量作出反应。即： 分辨率分辨率 = = 满刻度值满刻度值/2n/2n 引起输出从一个数码增加或减少到下一个引起输出从一个数码增加或减少到下一个相邻数码的最小输入变化量相邻数码的最小输入变化量3.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标4.1 8 位位A/D转换器转换器ADC0809及其接口及其接口1功能： 8 通道8位逐位逼近式A/D转换器 可直接与微处理器相连，不需

16、另加接口逻辑 输入输出引脚电平与TTL电路兼容2.技术指标： 分辨率：8位 1/ 28 0.39 % 无漏码 转换时间100s 单一电源：0+5v 带有锁存控制逻辑的8 通道多路开关。 带有锁存器的三态输出 采用28脚双立直插式封装3.管脚图管脚图ADC0809内部结构及引脚内部结构及引脚高电平有效。上升沿时将转换器内高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动部清零，下降沿时启动A/D转换。转换。EOC：转换结束信号，输出，高电：转换结束信号，输出，高电平有效。平有效。OE：输出允许信号，输入，高电平：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓有效。该信号用来打开三态输出

17、缓冲器，将冲器，将A/D转换得到的转换得到的8位数字位数字量送到数据总线上。量送到数据总线上。D0D7：8位数字量输出。位数字量输出。D0为为最低位，最低位，D7为最高位。由于有三态为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接输出锁存，可与主机数据总线直接相连。相连。CLOCKCLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz640kHz时，时，A/DA/D转换时间为转换时间为100100s s。VR+VR+，VR-VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常的模拟电压范围，通常VR+ = VR+

18、= 5V DC5V DC，VR- = 0V VR- = 0V DCDC。VccVcc：工作电源，：工作电源， 5VDC5VDC。GNDGND：电源地。：电源地。CBA选中通道选中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7工作过程工作过程1选择输入通道选择输入通道,对对ABC输入端进行输入端进行编程编程2输出指令启动输出指令启动A/D 转换转换3EOC 变高电平作为转换结束中断变高电平作为转换结束中断请求信号请求信号4输入指令读输入指令读A/D转换结果转换结果Q0Q5:PA0PA5 Q6Q7:PA6PA7 Q8Q11:PB0PB3cccc

19、QSTB 数据采集系统的任务是把生产现场的工艺参数采集后以数字量的形式进行存储、整理、传送、显示或打印。完成这些任务的基本手段是模拟量输入通道，其核心部分是A/D转换器系统设计必须考虑： 分辨率精度） 通道数 采集速度 本钱典型结构有：单通道与多通道 1.单通道2.多通道多通道1采用单通道方案采用单通道方案2对采样对采样保持器进行多路转换保持器进行多路转换3对放大器的输入进行多路转换，注意抗干扰问题对放大器的输入进行多路转换，注意抗干扰问题1.设计要求设计要求 64路模拟量数据采集路模拟量数据采集 精度达到精度达到0.4% 每隔每隔10ms检测一路检测一路2. 硬件设计硬件设计(1)方案一方案

20、一 以以ADC0809为为A/D转换器，需转换器，需8片片 占有占有8个口地址个口地址方案二方案二 以以CD4051组成多路转换组成多路转换（18片片CD4051一级地址译码，占用一级地址译码，占用8 个口地址，再加上个口地址，再加上A、B、C三端选择三端选择 （28片CD4051二级地址译码，加一个8D锁存器和一个138译码器，用一个口地址。比较两种方案，方案二比较合理8D 锁存器：74LS259 373 A/D转换器：8位ADC0804 12位ADC12118212：8位I/O缓冲器 ，数码寄存器 ：输入控制 ：器件选择T4LS138: 4、5端Q2为低电平 6 端为高电平工作原理： 64

21、路模拟量经过多路转换部分转换为一路模拟量，再经采样保持器，A/D转换器再经数据缓冲器8212送到CPU总线。2 硬件设计硬件设计(2)CLRDS1DS21地址译码 ： 和 或非输入 8D锁存器: D0 D2 : CD4051的A、B、C三端 D3D5 ：8个CD4051片选信号 D6 D7：74LS138控制端2A/D转换器选择: 或非38212 八位I/O接口：2片12根或8根数据线，一根状态信号根01HIORHWR2D HWRIORQ0.4cts010 100062256 0.4ccTTHptv模拟量输出通道的任务模拟量输出通道的任务-把计算机处理后的数把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的动相应的执行器，从而达到控制的目的v模拟量输出通道模拟量输出通道( (称为称为D/AD/A通道或通道或AOAO通道通道) )构成构成- - -一般是由接口电路、数一般是由接口电路、数/ /模转换器模转换器( (简称简