前向通道与数据采集

1、前向通道与数据采集 317.4 数据采集 2数据采集的任务就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、处理、传送、显示或打印。完成这些任务的基本手段是模拟量的输入通道,除上节介绍的信号调理、模数转换器及接口电路外,还应考虑数据的采样和选择。 3常见的数据采集系统有单通道和多通道两种结构在选择系统结构和电路方案时,必须慎重考虑如下一些问题:分辨率精度通道数采样速率数据显示、打印或绘图的输出速率成本4对只有一路模拟量信号的单通道结构,则只需考虑是否要对信号滤波、变换,是否要进行前置放大,是否要采样/保持器等。 5对有多路模拟量信号的数据采集系统,采用的多通道方案有如下几种: 采用多个单

2、通道结构方案,对各个模拟信号分别转换,然后把各通道模数转换器(具有三态输出缓冲器,如AD7550)的输出直接挂接在微处理器的总线上,再用译码器进行选择,实现多路转换。这个方案的缺点是要使用较多的模数转换器。 6各路模拟信号先经信号处理电路转换成同一数量级的电压信号,然后由多路开关切换,通过共用的单个采样/保持器送A/D转换器,其输出的数字信号可经光电隔离措施送到微处理器。这种方案可节省A/D转换器,但采样速度会受影响。 7各路模拟信号经多路开关切换,通过共用的一个放大器进行放大处理、然后送采样/保持器和A/D转换器。在输入模拟信号较弱的情况下,如需要采用仪器放大器或可编程序放大器时,这种方案比

3、较适用,因这种方案可节省价格较昂贵的仪用放大器,电气的隔离也可由隔离放大器实现,使用这种方案时,要慎重考虑各种抗干扰措施。 87.4.1采样定理与采样/保持 对数字信号,采样周期(或时间间隔)只要小于待采样信号的变化周期就能正确检测和输入。对模拟信号,考虑的问题就要多一些,这些问题包括采样周期、滤波、采样/保持和量化精度。91.采样过程 模拟信号的采样过程本质上就是将时间上连续的信号x(t)转换为时间上离散的信号xs(t), xs(t)又称采样信号xs(t)在时间上是离散的,但在幅值上仍然是连续的。在数据采样过程中,还需对xs(t)进行量化,也就是经A/D转换为数字信号xD(t)。通常采样的时

4、间间隔为固定值,用采样周期Ts表示相应的采样频率为fs10采样过程中的信号变化如图7-32所示。实际的采样脉冲有一定的宽度,该宽度相应于A/D转换时间tA/D采样频率fs和A/D转换时间tA/D对采样效果都有一定的影响。112.采样定理和滤波 根据香农(C.E.Shannon)的采样定理(也称抽样定理)可知,只要采样频率fs大于信号(包括噪声)x(t)中最高频率的两倍,即fs2fmax,则采样信号xs(t)就能包含x(t)中的所有信息,也就是说,通过理想滤波器由xs(t)可以惟一地复现x(t)。采样定理从理论上给出了fs的下限值,实际应用中,一般可取fs=(510)fmax,甚至更高。12在应

5、用采样定理时,还应注意到噪声的影响,如噪声中的最高频率fNmax大于有用信号的最高频率fSmax,则应先通过滤波器滤掉高于fSmax的噪声信号，然后用fs=(510)fSmax采样，如硬件滤波有困难,则先按fs=(510)fNmax采样，然后通过软件的数字滤波方法将噪声滤掉。133.采样/保持和孔径误差 理想的采样信号由冲激序列组成,脉冲宽度趋于0,而实际的采样信号由一定宽度的脉冲序列组成如图7-32所示,这个脉冲宽度在数值上相当于A/D转换时间tA/D,这一时间也称孔径时间,由此会产生孔径误差。在孔径时间tA/D内,由于输入信号x(t)的变化所引起的误差称为孔径误差14A/D转换器 A/D转

6、换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。A/D转换器种类很多，但从原理上通常可分为以下四种:计数器式A/D转换器双积分式A/D转换器逐次逼近式A/D转换器并行A/D转换器。15计数器式A/D转换器结构很简单但转换速度很慢，所以很少采用双积分A/D转换器抗干扰能力强，转换精度也很高，但速度不够理想，常用于数字式测量仪表计算机中广泛采用逐次逼近式A/D转换器，作为接口电路,它的结构不太复杂,转换速度也高。并行A/D转换器的转换速度最快,但因结构复杂而造价较高,故只用于那些转换速度极高的场合。 16逐次逼近式A/D转换原理 逐

7、次逼近式A/D转换器也称为连续比较式A/D转换器。这是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的方法，逻辑框图如图8-13所示。图中Vx为A/D转换器被转换的模拟输入电压Vs是“N位D/A转换网络”的输出电压，其值由“N位寄存器”中内容决定，受控制电路控制。17逐次逼近式A/D转换原理 比较器对Vx和Vs电压进行比较,并把比较结果送给控制电路。整个A/D转换是在逐次比较过程中形成,形成的数字量存放在N位寄存器中,先形成最高位,然后是次高位,一位位地最后形成最低位。 18工作过程分析如下 “控制电路”从“启动”输入端收到CPU送来的“启动”脉冲而开始工作。“控制电路”工作后便使:“N位寄存器”中最高

8、位置“1”其余位清零“N位D/A转换网络”根据“N位寄存器”中内容产生Vs电压,其值为满量程Vx的一半,并送入比较器进行比较。 19工作过程分析如下 若VxVs,则比较器输出逻辑“1”,通过“控制电路”使“N位寄存器”中最高位的“1”保留,表示输入模拟电压Vx比满量程一半还大；若VxVs,则比较器通过控制电路使N位寄存器的最高位复位成“0”，表示Vx比满量程一半还小。 20工作过程分析如下 A/D转换的最高位数字量就形成了。因此,控制电路依次对N-1,N-2,N-(N-1)位重复上述过程,就可使“N位寄存器”中得到和模拟电压Vx相对应的数字量。“控制电路”在A/D转换完成后还自动使DONE变为

9、高电平。CPU查询DONE引脚上状态(或作为中断请求)就可从A/D转换器提取A/D转换后的数字量。21并行A/D转换原理 上述N位逐次逼近式A/D转换器需要进行N次比较,才能完成输入模拟电压的一次A/D转换。为了进-步提高A/D转换速度,可采用并行A/D转换器。图为三位二进制并行A/D转换电路。 22并行A/D转换原理 1.参考电压VREF经电阻分压网络分压成 (13/14)VREF,(11/14)VREF,(9/14)VREF,(1/14)VREF 分别输入到比较器C1-C7的相应输入端,各比较器另一输入端彼此相连后接到模拟电压输入端Vx23并行A/D转换原理 2.C7-Cl比较器把Vx和相

10、应标准分压比较。 若Vx大于或等于某一标准分压,则比较器使Q7-Q1中相应触发器置“1”;若Vx小于某一标准分压,则Q7-Q1中相应位复位成“0”。因此,任一输入模拟电压Vx都会在Q7一Q1中产生状态信息。 24并行A/D转换原理 3.Q7-Q1中状态信息经异或门控制编码电路,编码电路由M3、M2和M1组成,数字量从A3、A2、A1端输出。例如:当Vx恰好为(13/14)VREF,Q7-Q1为全“1”而使得A3、A2、A1输出数字量111B若Vx恰好为(1/14)VREF时,Q1为1和Q7-Q2为全0,而使得A3、A2、A1输出数字量001B。 25说明对于N位并行A/D转换器,其电阻分压网络

11、需要分压成m(mN-1)个标准电压。N越大,电阻网络越复杂,制造时越困难,成本也越高。但转换电路中各比较器、触发器和其它电路几乎是同时工作的,故在需要极高转换速度的场合下采用并行A/D转换器还是十分需要的 26A/D转换器的性能指标 ADC(Analog-Digital Converter)是A/D转换器的简称ADC的性能指标是正确选用ADC芯片的基本依据,也是衡量ADC质量的关键问题。 271.转换速度(Conversion Rate) 转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数,是一个很重要的指标。ADC型号不同,转换速度差别很大。通常,8位逐次比较式ADC的转换时间为100S左右。选用

12、ADC型号应视现场需要定。在控制时间允许情况下,应尽量选用便宜的逐次比较式A/D转换器。 282.转换精度(Conversion Accuracy) ADC的转换精度有模拟误差和数字误差组成。模拟误差是比较器、解码网络中电阻值以及基准电压波动等引起的误差。数字误差主要包括丢失码误差和量化误差前者属于非固定误差,由器件质量决定,后者和ADC输出数字量位数有关,位数越多,误差越小。29讨论在A/D转换过程中,模拟量是一种连续变化的量,数字量是断续的量。 A/D转换器位数固定以后,并不会所有模拟电压都能用数字量精确表示的。例如:假定三位二进制A/D转换器的满量程值VFS为7V,即输入模拟电压可以在0

13、-7V之间连续变化,但三位数字量只能有8种组合。 30数字量只能有8种组合 如果模拟输入电压为0V、1V、2V、3V、4V、5V、6V和7V时,三位数字量恰好能精确表示,不会出现量化误差。如果输入模拟电压为其余值就会产生量化误差,输入模拟电压为0.5V、1.5V、2.5V、3.5V、4.5V、5.5V和6.5V时量化误差最大,应当是0.5V 31量化误差的定义是分辨率之半,其计算公式为: 式中N为ADC的二进制位数 32ADC0809 ADC也有两大类:一类在电子线路中使用,不带使能控制端;另一类带有使能控制端,可和微机直接接口ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器,可以和微机直接接口

14、。ADC0809的姐妹芯片是ADC0808,可以相互代换。 331.内部结构 ADC0809由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成，如图所示。 34(1)八路模拟开关及地址锁存与译码器 八路模拟开关用于输入IN0一IN7上八路模拟电压。地址锁存和译码器在ALE信号控制下可以锁存ADDA、ADDB和ADDC上地址信息,经译码后控制IN0-IN7上哪一路模拟电压送入比较器。351.内部结构 例如:当ADDA、ADDB和ADDC上均为低电平0以及ALE为高电电平时,地址锁存和译码器输出使IN0上模拟电压送到比较器输入

15、端VIN36(2)256电阻阶梯和树状开关 为了简化问题起见,现以二位电阻阶梯和树状开关(见图8-16)为例加以说明。图中四个分压电阻使A、B、C和D四点分压成2.5V、1.5V、0.5V和OV。SAR中高位D1控制左边两只树状电子开关,低位D0控制右边四只树状开关。各开关旁的0和1表示树状开关闭合条件,由D1、D0状态决定37(2)256电阻阶梯和树状开关 例如:D1=1,则上面开关闭合而下面开关断开,D1=0时的情况正好与此相反。树状开关输出电压VST和D1、D0关系列出于表8-2对于8位A/D转换器,SAR为八位,电阻阶梯、树状开关和上述情况类似。只是要有28=256个分压电阻,形成25

16、6个标准电压供给树状开关使用。VST送给比较器输入端 D1D0VST0 00 V0 10.5 V1 01.5 V1 12.5 V38(3)逐次逼近寄存器和比较器 SAR在A/D转换过程中存放暂态数字量,在A/D转换完成后存放数字量,并可送到“三态输出锁存器 A/D转移前,SAR为全0。A/D转换开始时,控制电路使SAR最高位为1，并控制树状开关的闭合和断开,由此产生VST送给比较器。 39比较器对输入模拟电压VIN和VST进行比较。若VINVST,比较器输出逻辑0而使SAR最高位由1变为0若VINVST,则比较器输出使SAR最高位保留1。此后,控制电路在保持最高位不变下,依次对次高位、次次高位

17、最低位重复上述过程,就可在SAR中得到A/D转换完成后的数字量。 40(4)三态输出锁存器和控制电路 三态输出锁存器用于锁存A/D转换完成后的数字量。CPU使OE引脚变为高电平1就可以从三态输出锁存器取走A/D转换后的数字量。控制电路用于控制ADC0809的操作过程。 412.引脚功能 ADC0809采用双列直插式封装,共有28条引脚,如图8-15所示,现分四组简述如下:42(1)IN0-IN7(8条) IN0-IN7为八路模拟电压输入线,用于输入被转换的模拟电压。43(2)地址输入和控制(4条)ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ALE线为高电平时,ADDA、ADDB和ADDC三条地址

18、线上地址信号得以锁存,经译码后控制八路模拟开关工作。ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线,用于选择IN0-IN7上那一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。44ADDA、ADDB和ADDC对IN0-IN7的选择如表8-3所列。45(3)数字量输出及控制线(11条) START为“启动脉冲输入线,该线上正脉冲由CPU送来,宽度应大于l00ns上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。EOC为转换结束输出线,该线上高电平表示A/D转换己结束,数字量已锁入“三态输出锁存器”。2-1-2-8为数字量输出线, 2-1 为最高位。OE为输出允许线,高电平时能使2-1-2-8引脚上输出转换后的数字量。 46

19、(4)电源线及其它（5条）CLOCK为时钟输入线,用于ADC0809提供逐次比较所需64OKHz时钟脉冲序列。Vcc为+5V电源输入线GND为地线VREF(+)和VREF(一)为参考电压输入线,用于给电阻阶梯网络供给标准电压。VREF(+)常和Vcc相连,VREF(一)常接地。 47MCS-51和A/D的接口 MCS-51和ADC接口必须弄清和处理好三个问题:要给START线送一个l00ns宽的起动正脉冲获取EOC线上的状态信息,因为它是A/D转换的结束标志要给三态输出锁存器分配一个端口地址,也就是给OE线上送一个地址译码器输出信号。MCS-51和ADC接口通常可以采用查询和中断两种方式。采用

20、查询法传送数据时MCS-51应对EOC线查询它的状态:若它为低电平,表示A/D转换正在进行,则MCS-51应当继续查询;若查询到EOC变为高电平,则就给OE线送一个高电平,以便从2-1-2-8线上提取A/D转换后的数字量。采用中断方式传送数据时,EOC线作为CPU的中断请求输入线。CPU响应中断后,应在中断服务程序中使OE线变为高电平,以提取A/D转换后的数字量。48MCS-51对ADC0809的接口 如前所述,ADC0809内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量,故它本身既可看作一种输入设备,也可认为是并行I/0接口芯片。因此,ADC0809可以直接和MCS-51接口,

21、当然也可通过像8255这样的其它接口芯片连接。但在大多数情况下,8031是和ADC0809直接相连的,如图8-17所示。 498031是和ADC0809直接相连的,如图8-17所示由图可见,START和ALE互连可使ADC0809在接收模拟量路数地址时启动工作。START启动的由8031WR和译码器输出端FOH经或门M2产生。平时,START因译码器输出端FOH上高电平而封锁。508031执行如下程序MOV R0，#OFOHMOV A, #07H；选择IN7模拟电压地址送AMOV R0,A ；START上产生正脉冲 START上正脉冲启动ADC0809工作,ALE上正脉冲使ADDA、ADDB和

22、ADDC上地址得到锁存,以选中IN7路模拟电压送入比较器。518031此时是把ADDA、ADDB和ADDC上地址作为数据来处理的,但如果ADDA、ADDB和ADDC分别和P2.0、P21和P2.2相连,情况就会发生变化。8031只有执行如下指令才会给ADC0809送去模拟量路数地址:MOV DPTR,#07FOHMOVX DPTR,A52显然,8031是把ADDA、ADDB和ADDC作为地址线处理的。图中还可见到:EOC线经过反相器和8031 INT1线相连,这就说明8031是采用中断方式来和ADC0809传送A/D转换后的数字量的。为了给OE线分配一个地址,图中把8031 RD和译码器输出F

23、OH经或门M1和OE相连。平时,因译码器输出FOH为高电平而使OE处于低电平封锁状态。 53在响应中断后,8031执行中断服务程序中如下两条指令就可以使OE变为高电平,从而打开三态输出锁存器,让CPU提取A/D转换后的数字量MOV R0,#OFOHMOVX A,R0 ;OE变为高电平,数字量送A54为加深读者印象,现举例说明如下: 例在图中,请编程对IN0-IN7上模拟电压采集一遍数字量,并送入内部RAM以3OH为始址的输入缓冲区。解:本程序分主程序和中断服务程序两部分。主程序用来对中断初始化,给ADC0809发启动脉冲和送模拟量路数地址等。中断服务程序用来从ADC接收A/D转换后的数字量和判

24、断一遍采集完否。55参考程序如下: 主程序ORG OAOOH；表示下一条指令从0A00H开始存放MOV R1,#3OH；输入数据区始址送RlMOV R4,#8；模拟量总数送R4MOV R2,#OOH ；IN0地址送R2SETB EA；开CPU所有中断(终端允许寄存器IE)SETB EX1；允许INT1中断（EX1=1） SETB IT1；即INT1为边沿触发(定时器控制寄存器TCON)MOV R0,#OFOH；送端口地址FOH到R0MOV A,R2；IN0地址送AMOVX R0,A；送IN0地址并启A/DSJMP $；等待中断或其它56中断服务程序 ORG O013HAJMP CINT1；转中断服务程序ORG 0100HCINT1: