测控系统原理与设计3_主机及接口

1、PCI总线、总线、ISA总线、总线、VESA总线、总线、AGP总线总线。显示器打印机键盘测量电路鼠标控制电路PC主机系统扩展槽显示器打印机键盘测量电路鼠标控制电路PC主机系统外接电箱VXI or VME显示器打印机键盘测量电路鼠标控制电路PC主机系统扩展槽外接电箱 并行并行I/OI/O接口接口扩展的扩展的I/OI/O接口电路主要应满足以下功能要求。接口电路主要应满足以下功能要求。1实现和不同外设的速度匹配 速度相比。单片机在与外设间进行数据传相比。单片机在与外设间进行数据传送时，只有在确认外设已为数据传送送时，只有在确认外设已为数据传送做好准备的的前提下前提下才能进行数据传送。外设是否准备好，

2、就。外设是否准备好，就需要需要I/OI/O接口电路与外设之间接口电路与外设之间传送状态信息，以实，以实现单片机与外设之间的速度匹配现单片机与外设之间的速度匹配与外设比，单片机的工作速度快，数据在数据总线上保留的时间十分短暂，无法满足慢速外设的数据接收。所以在扩展的I/O接口电路中应有输出数据锁存器，以保证输出数据能为慢速的接收设备所接收。12单片机和单片机和8255口扩展电路举例口扩展电路举例 MC14433与与8031的接口的接口 启动转换关闭中断读取数据并存储存储数据取下一通道地址全部通道转换结束？是否中断服务程序中断返回设数据区首址和第一个通道地址开中断执行其他任务主程序高速数据采集的连

3、续存取 一般一般RAMRAM容量有限，一次采集的数据不能太容量有限，一次采集的数据不能太多，而多，而高速数据采集需要连续不断的存取，高速数据采集需要连续不断的存取，此时可采用双存储器技术。此时可采用双存储器技术。CPU读出处理缓冲器1缓冲器2缓冲器3缓冲器4存储区存储区A/D 缓冲器导通，缓冲器必断开，数据存缓冲器导通，缓冲器必断开，数据存入入缓冲器导通，缓冲器必断开，数缓冲器导通，缓冲器必断开，数据存入据存入 存满一区时，由硬件自动转入另一区存储。存满一区时，由硬件自动转入另一区存储。 数据存入数据存入时，时，CPUCPU可使缓冲器可使缓冲器4 4导通，读导通，读取取中数据；数据存入时中数据

4、；数据存入时时，时， CPUCPU可使可使缓冲器缓冲器3 3导通，导通， CPUCPU读取读取中数据。中数据。 为保证连续存取，为保证连续存取，CPUCPU读出数据的速度不能读出数据的速度不能低于采集速度。低于采集速度。问：应该怎样远距离传输模拟信号而又不损失精度问：应该怎样远距离传输模拟信号而又不损失精度?答：对这个常见问题的最好解决方法是使用压频转答：对这个常见问题的最好解决方法是使用压频转换器换器(VFC)以频率形式传输模以频率形式传输模 拟信号。拟信号。VFC是一种是一种输出频率与输入信号成正比的电路。通过光电隔离输出频率与输入信号成正比的电路。通过光电隔离器、光纤链路、双绞器、光纤链

5、路、双绞 线或同轴电缆和无线电链路在线或同轴电缆和无线电链路在远距离传输线路上传输频率信号使其不受干扰这是远距离传输线路上传输频率信号使其不受干扰这是相当容易相当容易 的的许多遥测、遥控和远距离数据采集等应用场合，许多遥测、遥控和远距离数据采集等应用场合，另一个主要应用领域是进行信号隔离，可先将模拟另一个主要应用领域是进行信号隔离，可先将模拟信号转换成频率，然后通过光学隔离进行耦合，经信号转换成频率，然后通过光学隔离进行耦合，经由由F/V转换器回复成电压，由此可以实现在系统的输转换器回复成电压，由此可以实现在系统的输入和输出之间实现近乎理想的隔离。入和输出之间实现近乎理想的隔离。 V/F转换器

6、是将电压信号转换成频率信号转换器是将电压信号转换成频率信号的器件，适用于转换速度要求不高的场的器件，适用于转换速度要求不高的场合。它与计算机的接口有以下特点：合。它与计算机的接口有以下特点： 接口简单：数据线只有一根线，可作为接口简单：数据线只有一根线，可作为计算机的计算机的I/O线，或中断源，或计数输入。线，或中断源，或计数输入。 抗干扰性能好：频率信号是数字信号，抗干扰性能好：频率信号是数字信号，具有较强的抗干扰能力。具有较强的抗干扰能力。 便于远距离传输。便于远距离传输。 T0和和T1分别对基准频率分别对基准频率fo和被测频率和被测频率fx同时同时开始计数。当开始计数。当T0溢出时产生中

7、断，溢出时产生中断，CPU响应响应中断后，停止中断后，停止T0计数并将计数并将T1的计数值的计数值Nx读出，读出，则则Nx与被测电压与被测电压Vx的关系为：的关系为： 其中：其中：m预置数预置数 S频率电压转换系数频率电压转换系数使用光电隔离器减少干扰使用光电隔离器减少干扰 图图3-2-7 使用串行通讯器件增大传输距离使用串行通讯器件增大传输距离1. 无输入锁存的无输入锁存的DAC与与CPU接口接口 内部无输入锁存的内部无输入锁存的DAC不能直接与不能直接与CPU相相连，必须用一外接锁存器来保存连，必须用一外接锁存器来保存CPU输出输出的待转换数据。如的待转换数据。如DAC的位数与的位数与CP

8、U的的数据总线相同，就只要一个位数相同的锁数据总线相同，就只要一个位数相同的锁存器；如存器；如DAC的位数与的位数与CPU的数据总线的数据总线不同，则需要两级锁存。不同，则需要两级锁存。2. 有输入锁存的有输入锁存的DAC与与CPU接口接口 有的有的DAC内部只有一级数据锁存器内部只有一级数据锁存器( 如如AD558，AD7524)；有的；有的DAC内部有两内部有两级数据锁存器级数据锁存器( 如如DAC0832)，但可以工，但可以工作在单缓冲器方式。内部有两级数据锁作在单缓冲器方式。内部有两级数据锁存器的存器的DAC工作在单缓冲器方式时，其工作在单缓冲器方式时，其内部的两个数据锁存器有一个处于

9、直通内部的两个数据锁存器有一个处于直通方式，另一个受方式，另一个受CPU的控制。的控制。 DAC0832的结构与引脚的结构与引脚 典型继电器接口电路典型继电器接口电路 继电器继电器接触器接口电路接触器接口电路 脉冲变压器脉冲变压器晶闸管输出电路晶闸管输出电路 定时波形图定时波形图 微机化测控系统通常都要有人机对话微机化测控系统通常都要有人机对话功能，这个功能有两方面的含义：一是功能，这个功能有两方面的含义：一是操作人员能向微机发布命令和输入数据；操作人员能向微机发布命令和输入数据；二是微机能向操作人员报告运行状态和二是微机能向操作人员报告运行状态和运行结果。前一功能主要是通过测控系运行结果。前

10、一功能主要是通过测控系统操作面板上的键盘来实现的，后一功统操作面板上的键盘来实现的，后一功能主要是通过显示、记录和报警等装置能主要是通过显示、记录和报警等装置实现的。本节介绍微机化测控系统的人实现的。本节介绍微机化测控系统的人机接口及程序。机接口及程序。 测控系统中常用的显示器件有：发光二极测控系统中常用的显示器件有：发光二极管（简称管（简称LED）和液晶显示器（简称）和液晶显示器（简称LCD），在不带微机的测控系统中，这些），在不带微机的测控系统中，这些数字显示器通常与数字显示器通常与BCD码输出的码输出的A/D转换转换器连接，而在微机化测控系统中，这些数器连接，而在微机化测控系统中，这些数

11、字显示器通常与微机接口连接。字显示器通常与微机接口连接。 LEDLED（发光二极管）显示器件的工作电压低、功耗（发光二极管）显示器件的工作电压低、功耗小、工作温度范围宽（小、工作温度范围宽（30308585）、寿命长、）、寿命长、成本低、机械强度高、亮度中等、易于与成本低、机械强度高、亮度中等、易于与TTLTTL数字数字逻辑电路连接。逻辑电路连接。 7 7段段LEDLED显示器的段排列结构如图显示器的段排列结构如图a a所示，图所示，图b b、c c给给出共阴及共阳极出共阴及共阳极7 7段段LEDLED显示电路。对于共阴显示电路。对于共阴LEDLED来来说，如果当某个字段的阳极为高电平时，相应

12、字说，如果当某个字段的阳极为高电平时，相应字段就点亮。若阳极为低电平，则该字段不亮。对段就点亮。若阳极为低电平，则该字段不亮。对于共阳于共阳LEDLED则刚好相反。利用则刚好相反。利用7 7段段LEDLED显示器显示数显示器显示数字或字母，需要设计一个字型码。字或字母，需要设计一个字型码。 如下表所示，字型码是单字节结构，对于如下表所示，字型码是单字节结构，对于共阴极共阴极7段段LED显示器而言，数字显示器而言，数字0的字型码为的字型码为3FH，数字，数字1的字型码为的字型码为06H。 14段段LED显示器的段排列如显示器的段排列如图所示。经适当的组合，可显示图所示。经适当的组合，可显示数字和

13、数字和26个英文字母的大写与小个英文字母的大写与小写。字形代码需占用双字节，如写。字形代码需占用双字节，如表所示。表所示。14段段LED显示器也分为显示器也分为共阴极与共阳极两种结构。对于共阴极与共阳极两种结构。对于共阴极共阴极14段段LED显示器而言，数显示器而言，数字字8的字形代码为的字形代码为813FH，字符，字符M的字形代码为的字形代码为0A36H。 发光二极管在适当的驱动电流作用下，发光二极管在适当的驱动电流作用下，才能得到需要的亮度。才能得到需要的亮度。 LED是恒压元件，正向电压一般为是恒压元件，正向电压一般为1.22.4V。调整驱动电路即选取限流电阻。调整驱动电路即选取限流电阻

14、R，应使应使LED的工作电流在的工作电流在1020mA。 也可用试验方法，改变限流电阻，得到适合也可用试验方法，改变限流电阻，得到适合亮度。亮度。 后面是用硬件译码电路构成的静态显示电路，此处采后面是用硬件译码电路构成的静态显示电路，此处采用了用了MC14495和和74LS138进行译码驱动。进行译码驱动。MC14495内带内带4位输入锁存器、译码器和驱动器，但一个位输入锁存器、译码器和驱动器，但一个MC14495只能与只能与一位显示块接口，所以需要采用一位显示块接口，所以需要采用8个个MC14495和和LED显示显示块才能构成的块才能构成的8位位LED静态显示器电路。静态显示器电路。MC14

15、495的的BCD码输入端挂接在数据总线上，每两片一组，每组形成一个码输入端挂接在数据总线上，每两片一组，每组形成一个数据字节单元，各字节单元由数据字节单元，各字节单元由38译码器输出的译码信号译码器输出的译码信号进行寻址。译码器的输出受进行寻址。译码器的输出受WR控制，只有向这些字节单控制，只有向这些字节单元中写数据时，译码器才译出地址选通信号，将数据总线元中写数据时，译码器才译出地址选通信号，将数据总线上的两位上的两位BCD码打入到相应的码打入到相应的MC14495芯片锁存器中，芯片锁存器中，从而使两位从而使两位LED同时产生相应的显示。这种方法结构简单，同时产生相应的显示。这种方法结构简单

16、，编程容易。编程容易。 由由MC14495构成的构成的8位静态位静态LED显示器显示器 利用软件译码构成的静态显示电路，如利用软件译码构成的静态显示电路，如后图所示，后图所示，8031的串行口工作方式的串行口工作方式0时，为时，为移位寄存器方式。图中利用移位寄存器方式。图中利用6片串入并出的片串入并出的移位寄存器移位寄存器74LS164作为作为6位静态显示器的位静态显示器的显示输出口，欲显示的显示输出口，欲显示的8位段码即字型码通位段码即字型码通过软件译码产生，并由过软件译码产生，并由RXD串行送出去，串行送出去，这样，主程序可不必扫描显示器，从而这样，主程序可不必扫描显示器，从而CPU能用于

17、其它工作。能用于其它工作。 图图3-3-4 软件译码静态显示器接口实例软件译码静态显示器接口实例 显示“P-8031” 由由MC14558构成的构成的8位动态位动态LED显示器显示器 用用MC14499构成的构成的4位动态位动态LED显示器显示器 用用8155实现实现8位动态位动态LED显示器显示器 后图为交流驱动后图为交流驱动LCD显示器原理图。显示器原理图。显示频率信号一方面直接加到显示频率信号一方面直接加到LCD公共电极公共电极B上，另一方面还通过异或门间接加到上，另一方面还通过异或门间接加到LCD显示段电极显示段电极S上。此时，只需控制异或门输上。此时，只需控制异或门输入控制端入控制端

18、A的电平，就能控制的电平，就能控制LCD显示器的显示器的亮度。当亮度。当A端为端为“0”电平时，电平时，S端与端与B端同端同相位，这时相位，这时LCD显示器两端的相对电位差为显示器两端的相对电位差为零，零，LCD显示器熄灭；当显示器熄灭；当A端为端为“1”电平时，电平时，S端与端与B端反相位，这时端反相位，这时LCD显示器两端的显示器两端的相对电位差如果大于相对电位差如果大于LCD显示器的阈值电压，显示器的阈值电压，LCD显示器发光。显示器发光。 LCD 显示器工作原理显示器工作原理七段七段LCD显示电路显示电路 后图所示为采用硬件译码器的后图所示为采用硬件译码器的LCD驱动接口。驱动接口。L

19、CD显示器显示器采用采用4N07。4N07的工作电压为的工作电压为36V，阈值电压为，阈值电压为1.5V，工作频率为工作频率为50200Hz，采用静态工作方式，译码器驱动，采用静态工作方式，译码器驱动器采用器采用MC14543。MC14543是带锁存器的是带锁存器的CMOS型译码型译码启动器，可以将输入的启动器，可以将输入的BCD码数据转换为码数据转换为7段显示码输出。段显示码输出。驱动方式由驱动方式由PH端控制，在驱动端控制，在驱动LCD时，时，PH端输入显示方端输入显示方波信号。波信号。LD是内部锁存器选通，是内部锁存器选通，LD为高电平时，允许为高电平时，允许AD端输入端输入BCD 码数

20、据；码数据；LD为低电平时，锁存输入数据。为低电平时，锁存输入数据。BI端是消隐控制，端是消隐控制，BI端为高电平时消隐，即输出端端为高电平时消隐，即输出端ag端端输出信号的相位与输出信号的相位与PH端相同。图中，每块端相同。图中，每块MC14543各驱各驱动一位动一位LCD，BCD码输入端码输入端AD接到接到8031的的P1.0P1.3，锁存器选通端锁存器选通端LD分别接到分别接到P1.4P1.7，由，由P1.4P1.7分别分别控制控制4块块MC14543输入输入BCD码。码。MC14543的相位端的相位端PH接接到到8031的的P3.7，由，由P3.7端提供一个显示用的低频方波信号。端提供

21、一个显示用的低频方波信号。这个方波信号同时也提供给这个方波信号同时也提供给LCD显示器的公共端显示器的公共端COM。 硬件译码静态硬件译码静态LCD显示实例显示实例动态动态LCD驱动接口驱动接口CPU接口+V10k*41. 独立式键盘接口电路独立式键盘接口电路2. 矩阵式非编码键盘识别按键的方法行扫描法行扫描法线反转法线反转法行线x2x1x0y0y1y2y3列线0489512376AB10K*4+5V行 码 列 码0键：1 1 0 1 1 1 0 1键：1 1 0 1 1 0 1 2键：1 1 0 1 0 1 1 3键：1 1 0 0 1 1 1 4键：1 0 1 1 1 1 0 5键：1 0

22、 1 1 1 0 1 A键：0 1 1 1 0 1 1 线反转法线反转法并并 行行 接接 口口11010000+5V+5V并并 行行 接接 口口11011011+5V+5V矩阵式键盘接口电路矩阵式键盘接口电路中断方式矩阵键盘接口中断方式矩阵键盘接口非编码键盘接口P2.7P2.0WRRDALEP08031CEIO/MWRRDALED0D7PA7PA0PC0PC1PC2PC3+5V 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 315.1K4+5V1K20FRESET8155PA

23、6PA5PA4PA3PA2PA18155扩展键盘显示器接口电路扩展键盘显示器接口电路按键时的抖动按键时的抖动 编码键盘的基本任务是识别按键，提供编码键盘的基本任务是识别按键，提供按键读数，一个高质量的编码键盘还应具有按键读数，一个高质量的编码键盘还应具有反弹跳、处理同时按键等功能。反弹跳、处理同时按键等功能。 静态编码器静态编码器普通编码器如普通编码器如74148。 可编程键盘可编程键盘/显示接口显示接口 如如8279。1. 静态式编码器接口A0A1A2键键01234567000011 11001100110101010111101234567101112131234897674148EIA0

24、A1A2A2A1A0 与与CPUCPU的接口线共的接口线共1515个引脚：个引脚：D0D0D7D7双向三态数据双向三态数据总线、总线、RESETRESET复位复位输入端；片选输输入端；片选输入端；入端；CLKCLK时钟输时钟输入端；入端；A0A0数据选数据选择输入端；读操择输入端；读操作输入端；写操作输入端；写操作输入端；作输入端；IRQIRQ中中断请求输入端。断请求输入端。 168显 示数 据RAM88FIFO命 令字 寄存 器D0D7OUTB0OUTB34OUTA0OUTA3448SL0SL3RL0RL7SHIFTCNLT/STBBDWRRDIRQRESETCLKC/D(A0)CS8279

25、+5V 与键盘的接口线共与键盘的接口线共1414个引脚：个引脚：SL0SL0SL3SL3扫描输出端扫描输出端，用于扫描键盘和显示器。，用于扫描键盘和显示器。可以编程设定为编码或译码输出。可以编程设定为编码或译码输出。RL0RL0RL7RL7返回输入端。返回输入端。它们可通过键盘矩阵与扫它们可通过键盘矩阵与扫描线相连，内部电路使其保持高电平，直至有键描线相连，内部电路使其保持高电平，直至有键闭合使相应线拉向低电平。在选通方式下，用作闭合使相应线拉向低电平。在选通方式下，用作8 8位位输入。输入。SHIFTSHIFT移位输入端移位输入端，在键盘扫描方式下，它与键代，在键盘扫描方式下，它与键代码一起

26、被存储，常用来扩充上下挡功能键。在传码一起被存储，常用来扩充上下挡功能键。在传感器方式和选通方式下，感器方式和选通方式下，SHIFTSHIFT无效。无效。CNTL/STBCNTL/STB控制控制/ /选通输入端选通输入端。在键盘工作方式下，。在键盘工作方式下，用作输入存储键信息；在选通方式下，用作选通用作输入存储键信息；在选通方式下，用作选通数据存入数据存入FIFO RAMFIFO RAM；在传感器方式下无效。；在传感器方式下无效。OUTA0OUTA0OUTA3 AOUTA3 A组显示输出端。组显示输出端。输出显输出显示数据，多位数字显示时应与扫描线示数据，多位数字显示时应与扫描线SL0SL0

27、SL3SL3同步。同步。OUTB0OUTB0OUTB3 BOUTB3 B组显示输出端。组显示输出端。与与A A组组功能相同，可以单独使用，也可以将两功能相同，可以单独使用，也可以将两组合并使用组合并使用BD BD 显示消隐输出端。显示消隐输出端。此外，此外，VCCVCC、VSSVSS为电源和地端。为电源和地端。D7D6D5D4D3D2D1D0DuS/EOUFNNN Du Du 显示无效特征位。显示无效特征位。DuDu1 1表示显示无效。当清除表示显示无效。当清除显示显示RAMRAM或全清命令未完成时，或全清命令未完成时，Du=1.Du=1. S/ES/E传感器信号结束传感器信号结束/ /错误特

28、征位。当错误特征位。当82798279工作在传工作在传感器方式时，若感器方式时，若S/ES/E1 1，表示传感器的最后一个传，表示传感器的最后一个传感器信号已进入传感器感器信号已进入传感器RAMRAM。当。当82798279工作在特殊错误工作在特殊错误方式时，若方式时，若S/ES/E1 1，表示出现了多键同时按下错误。，表示出现了多键同时按下错误。 O O、U U 超出、不足错误特征位。当超出、不足错误特征位。当FIFO RAMFIFO RAM已装满，已装满，其他键数据企图写入其他键数据企图写入FIFO RAMFIFO RAM时，则使时，则使O O1 1。当。当FIFO RAMFIFO RAM已置空，已置空，CPUCPU还企图读出时，则使还企图读出时，则使U U1 1。 F F 是是FIFOFIFO满标志位。当满标志位。当F=1F=1时，表示时，表示FIFO RAMFIFO RAM中已中已满。满。 NNNNNN表示表示FIFO RAMFIF