第2章b 总线接口与过程通道

1、第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道计算机控制技术计算机控制技术黄国宏黄国宏广东工业大学信息工程学院应用电子系广东工业大学信息工程学院应用电子系第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字计算机能够接要将生产现场的各种被测参数转换成数字计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理后的结果还须变换成受的形式，计算机经过计算、处理后的结果还须变换成适合于对生产进行控制的信号量。适合于对生产进行控制的信号量。 这个在计算机和生产过程之间传递和变换信息

2、的装这个在计算机和生产过程之间传递和变换信息的装置称为置称为输入输出过程通道输入输出过程通道 。 过程通道过程通道第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 计算机控制系统的过程通道分为四类：计算机控制系统的过程通道分为四类：模拟量输入模拟量输入通道通道、模拟量输出通道模拟量输出通道、数字量输入通道数字量输入通道和和数字量输出数字量输出通道通道。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道计算机控制系统组成框图计算机控制系统组成框图第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道2.5.1 模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输入通道模拟量输入通道是计算机用于工业控制必

3、需的是计算机用于工业控制必需的模模拟数据处理系统拟数据处理系统。它把各类传感器从现场检测到的模。它把各类传感器从现场检测到的模拟量信号如温度、压力等转换成计算机可以接收的拟量信号如温度、压力等转换成计算机可以接收的数数字量信号字量信号。 建立建立模拟量输入通道模拟量输入通道的目的，通常是为了进行的目的，通常是为了进行参参数测量数测量或或数据采集数据采集。它的核心部件是。它的核心部件是A/D转换器转换器及其及其微微处理机的接口处理机的接口。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 1. 1. 模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成 图图 模拟量输入通道的组成结构模拟量输入

4、通道的组成结构 模拟量输入通道一般由模拟量输入通道一般由信号预处理信号预处理、多路转换多路转换器器、前置放大器前置放大器、采样保持器采样保持器、模模/数转换器数转换器和和接接口逻辑电路口逻辑电路等组成。其核心是等组成。其核心是模模/数转换器数转换器。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道2. 2. 模拟量输入通道中常用器件和电路模拟量输入通道中常用器件和电路 信号预处理信号预处理 信号预处理的功能是对来自信号预处理的功能是对来自传感器传感器或或变送器变送器的信的信号进行处理，包括号进行处理，包括非电量的转换非电量的转换、信号的变换信号的变换、放大放大、滤波滤波、线性化线性化、共

5、模抑制共模抑制及及隔离隔离等等 。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 无源无源I/VI/V变换变换 图图 无源无源I/V I/V 变换电路变换电路 无源无源I/V变换可以利用一变换可以利用一个的精密电阻，将个的精密电阻，将010mA的电流信号转换为的电流信号转换为05V的电压信号。的电压信号。 例如例如: 将将4mA20mA或或010mA电流信号变为电压信电流信号变为电压信号，将热电阻号，将热电阻(Pt100或或Cu50)的电阻信号经过桥路变为的电阻信号经过桥路变为电压信号电压信号。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 有源有源I/V变换变换 图图 有源有源I

6、/V变换电路变换电路 有源有源I/V变换是利用有变换是利用有源器件运算放大器和电源器件运算放大器和电阻组成。阻组成。 利用利用010mA电流在电阻电流在电阻R上产生的输入电压，若上产生的输入电压，若取取 ，则，则 时，产生时，产生2V的输入电压。该的输入电压。该电路的放大倍数为电路的放大倍数为 200RA10mI 1f1RRA 若取若取 ， ，则，则010mA输入对应输入对应于于05V的电压输出。的电压输出。 kR0011K150f R第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 多路转换器多路转换器 多路转换器又称多路转换器又称多路多路开关开关，多路开关的，多路开关的作用是作用是用来

7、将各路被测信号依次用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共放地或随机地切换到公共放大器或大器或A/D转换上。转换上。 C B A X接通接通 0 0 0 0 X0 0 0 0 1 X1 0 1 1 1 X7 1 全不通全不通INH 图图 CD4051CD4051原理图原理图 表表71 CD405171 CD4051通道选择表通道选择表 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 前置放大器前置放大器 前置放大器前置放大器的任务是将模拟输入小信号小信号放大到转换的量程范围之内量程范围之内。 当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，用同一同一增益增益的放大器去放大高电平和低电平的信号，就有

8、可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出模/数转换器的输入范围。可设计可变增益放大器。 图图 可变增益前置放大器可变增益前置放大器 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道采样保持器采样保持器 HC采样时，k 闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，k断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT =VC保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。 图图 集成采样保持器集成采样保持器LF398LF398的原理图的原理图 图图 采样保持器的组成采样保持器的组成第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口

9、与过程通道 A AD D转换器转换器 A/D转换器的作用转换器的作用是将模拟量模拟量转换为数字量数字量，它是模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间的接口。 分辨率：分辨率：通常用数字量的位数通常用数字量的位数n（字长）来表示，（字长）来表示，若若n8，满量程输入为，满量程输入为5.12V，则，则LSB对应于模拟对应于模拟电压电压 。转换时间：转换时间：从发出转换命令信号到转换结束信号从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成有效的时间间隔，即完成 n 位转换所需要的时间。位转换所需要的时间。 mV2/V12. 58AD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标第第2 2章章

10、 总线接口与过程通道总线接口与过程通道转换精度：转换精度：绝对精度绝对精度指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值；值与理想值之间的差值；相对精度相对精度指在满量程已校准的情况下，整个转换范围指在满量程已校准的情况下，整个转换范围内任一数字量输出所对应的模拟量输入电压的实际值内任一数字量输出所对应的模拟量输入电压的实际值与理想值之间的最大差值。转换精度用与理想值之间的最大差值。转换精度用LSB的分数值的分数值来表示。来表示。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道线性误差：线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换在满量程输

11、入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如的分数表示，如1/2LSB、1/4LSB等。等。转换量程：转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如所能转换的模拟量输入电压范围，如05V，010V，5V十十5V等。等。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道8 8位位A AD D转换器转换器 ADC0809 ADC0809 图图 ADC0809ADC0809的原理框图及引脚的原理框图及引脚 START启动转换；EOC通知CPU读结果；OE高电平时输出第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道

12、A AD D转换器与计算机的接口转换器与计算机的接口 8 8位位A/DA/D转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口图图7 717 ADC080917 ADC0809与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 设设8255A的的A组和组和B组都工组都工作于方式作于方式0，端口，端口A为输入为输入口，端口口，端口C上半部分为输上半部分为输入而下半部分为输出口。入而下半部分为输出口。uADC0809的的ALE与与START引脚相连接，将引脚相连接，将PC0PC2输出的输出的3位地址位地址锁存入锁存入0809的地址锁存器的地址锁存器并启动并启动A/D转换；转换；u ADC0

13、809的的EOC同同OE输入控制端相连接，当转输入控制端相连接，当转换结束时，开放数据输出换结束时，开放数据输出缓冲器；缓冲器；uEOCEOC信号还连接到信号还连接到8255A8255A的的C C口，口，CPUCPU通过通过查询查询PC7PC7的状态而控制数据的输入过程。的状态而控制数据的输入过程。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道3. 3. 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计 如果模拟输入电压已满足如果模拟输入电压已满足A/D转换量程要求，就不转换量程要求，就不必再用前置放大器，前置放大器可分为必再用前置放大器，前置放大器可分为固定增益固定增益和和可可变增益变增益两种，

14、前者适用于信号范围固定的传感器，后两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器者适用于信号范围不固定的传感器 ；如果在如果在A/D转换期间，模拟输入电压信号变化微小，转换期间，模拟输入电压信号变化微小，且在且在A/D转换精度之内，也就不必选用采样保持器。转换精度之内，也就不必选用采样保持器。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 A/D转换器位数转换器位数的选择主要取决于系统的选择主要取决于系统测量精度测量精度。 A/D转换器的转换器的转换时间转换时间或转换速率的选择取决于或转换速率的选择取决于使用使用对象对象。 采样保持器采样保持器(S/H)的选用的选

15、用取决于测量信号的取决于测量信号的变化频率变化频率，原则上直流信号或变化缓慢的信号可以不用采样保持器。原则上直流信号或变化缓慢的信号可以不用采样保持器。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道确定确定A/DA/D转换器位数的方法有以下两种：转换器位数的方法有以下两种： 输入信号的动态范围输入信号的动态范围设输入信号的最大值和最小值分别为设输入信号的最大值和最小值分别为 (mV) 2 (mV) )12(0minmax xxn式中式中n n为为A/DA/D转换器的位数，转换器的位数， 为转换当量，则动态范围为为转换当量，则动态范围为 12minmax nxx因此，因此，A/DA/D转

16、换器位数为转换器位数为 minmax21logxxn第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 输入信号的分辨率输入信号的分辨率 有时对有时对A/DA/D转换器的位数要求以分辨率形式给出，其定义为转换器的位数要求以分辨率形式给出，其定义为 121 nD如果所要求的分辨率为如果所要求的分辨率为D D0 0，则位数，则位数 0211logDn例如，某温度控制系统的温度范围为例如，某温度控制系统的温度范围为00至至200200，要求分，要求分辨率为辨率为0.0050.005（相当于（相当于11），可求出），可求出A/DA/D转换器的位数转换器的位数 65. 7005. 011log11lo

17、g202 Dn因此，取因此，取A/DA/D转换器的位数转换器的位数n n为为8 8位。位。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道以以PC总线工业控制机的模拟量输入通道模板设计为例总线工业控制机的模拟量输入通道模板设计为例第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道该模板采集一组数据的过程如下：该模板采集一组数据的过程如下：（1）通道选择）通道选择 将模拟量输入的将模拟量输入的通道号通道号写入写入8255A的端口的端口C低低4位，位，使使LF398的工作状态受的工作状态受AD574A的的STS控制，控制，A/D未转换未转换期间，期间，STS=0, LF398处于采样状态。处

18、于采样状态。（2）启动）启动AD574A进行进行A/D转转,换换 通过通过8255A的端口的端口C的的PC4PC6输出控制信号启动输出控制信号启动A/D。在。在A/D转换期间，转换期间，STS=1，LF398处于保持状态。处于保持状态。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道（3）查询）查询AD574A是否转换结束是否转换结束 读读8255A的端口的端口A，了解，了解STS是否已由高电平变为低是否已由高电平变为低电平。电平。（4）读取转换结果）读取转换结果 若查询到若查询到STS由由1变为变为0，则读，则读8255A的端口的端口A和和B，便可得到转换结果。便可得到转换结果。第第2

19、 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道2.3.2 2.3.2 模拟量输出通道模拟量输出通道 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道2 2 模拟量输出通道中常用器件和电路模拟量输出通道中常用器件和电路 D/AD/A转换器转换器 D/A转换器的作用是将转换器的作用是将数字量数字量转换为转换为模拟量模拟量，它是模，它是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统之间的拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统之间的接口。接口。D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：分辨率： D/AD/A转换器的分辨串定义为基准电压转换器的分辨串定义为基准电压 与与 之比值，其中之

20、比值，其中n n为为D/AD/A转换器的位数。转换器的位数。REFVn2稳定时间：稳定时间：输入二进制数变化量是满刻度时，输入二进制数变化量是满刻度时，输出达到离终值输出达到离终值 时所需的时间。时所需的时间。LSB 2/1 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道转换精度：转换精度：其中其中绝对精度绝对精度是指输入满刻度数字量时，是指输入满刻度数字量时，D/A转换器的实际输出值与理论值之间的最大偏差；转换器的实际输出值与理论值之间的最大偏差；相相对精度对精度是指在满刻度己校准的情况下，整个转换范围是指在满刻度己校准的情况下，整个转换范围内对应于任一输入数据的实际输出值与理论值之间

21、的内对应于任一输入数据的实际输出值与理论值之间的最大偏差。转换精度用最低有效位最大偏差。转换精度用最低有效位LSB的分数来表示，的分数来表示，如土如土1/2 LSB、土、土1/4 LSB等。等。 线性度：线性度：理想的理想的D/A转换器的输入输出特性应是线性转换器的输入输出特性应是线性的。在满刻度范围内，实际特性与理想特性的最大偏的。在满刻度范围内，实际特性与理想特性的最大偏移称为非线性度，用移称为非线性度，用LSB的分数来表示，如土的分数来表示，如土1/2 LSB、土土1/4 LSB等。等。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 8 8位位D/AD/A转换器转换器DAC083

22、2DAC0832图图 DAC0832DAC0832的内部结构图的内部结构图 主要由主要由8位输入寄位输入寄存器存器、8位位DAC寄寄存器存器、采用、采用R2R电阻网络的电阻网络的8位位D/A转换器转换器、相应的、相应的选选通控制逻辑通控制逻辑四部分四部分组成。组成。DAC0832的分辨率的分辨率为为8位，电流输出，位，电流输出，采用采用20脚双立直插脚双立直插式封装。式封装。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 图图 DAC1210DAC1210内部结构图内部结构图 1212位位D/AD/A转换器转换器DAC1210DAC1210第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过

23、程通道 D/A D/A转换器与计算机的接口转换器与计算机的接口 8 8位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 图图 DAC0832DAC0832与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 uDAC0832DAC0832工作在单缓冲工作在单缓冲寄存器方式；寄存器方式；uDAC0832将输入的数字将输入的数字量转换成差动的量转换成差动的电流输出电流输出，经过运算放大器经过运算放大器A，将形，将形成单极性电压输出成单极性电压输出05V； u若要形成负电压输出，若要形成负电压输出，则需接正的基准电压。则需接正的基准电压。 u将数字量转换后得到的将数字量转换后

24、得到的输出电流通过内部反馈输出电流通过内部反馈电阻流到放大器的输出电阻流到放大器的输出端。端。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道图图 用用DAC0832DAC0832实现实现8 8位位D/AD/A转换程序框图转换程序框图 配合上图硬件接口，配合上图硬件接口，8 8位位D/AD/A转换程序框图如转换程序框图如图。图。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 VI转换转换n电压电流转换电压电流转换 0 010V/010V/0l0mAl0mA转换转换 图图 0 010V/010V/0l0mAl0mA的转换电路的转换电路如图，当运放开环增如图，当运放开环增益足够大时，益足够大时，输出电输出电流流 与输入电压与输入电压 的的关系只与反馈电阻关系只与反馈电阻 有关，因而具有恒流有关，因而具有恒流性能性能。反馈电阻的值。反馈电阻的值由组件的量程决定，由组件的量程决定， oIiVfR当当 时，输出电流时，输出电流 在在DC 0DC 0