第三章 CAT系统接口

§3CAT系统接口 定义：

CAT系统接口是指那些将外部设备或功能模块与计算机联接在一起的装置，包括数字接口和模拟接口

很多被测量位移、速度、加速度计算机以数字信号形式传递和处理§3.1 模拟量转换模拟量计算机为核心的CAT系统模拟量输入通道电信号数字输入通道数字量传感器、放大滤波、采样／保持、A/D转换以及接口电路等所谓接口(Interface)就是微处理器或微机与外界的连接部件(电路)，它是CPU与外界进行信系交换的中转站。源程序或原始数据要通过接口从输入设备送人微机中，而运算结果要通过接口向输出设备送出去；控制命令通过接口发出去，现场状态通过接口取进来；这些来往信息都要通过接口进行变换与传递。换句话说，只有接口了键盘、显示器、打印机计算机处理的信息才能得以显现；接口了软磁盘和硬磁盘，我们才可以极大地扩充计算机的存储空间；什么是接口计算机只有接口了各种各样的自然界模拟、数字信号．才能应用到控制与测试等领域，实现机电仪一体化；将计算机配上接口组成计算机网络、实现信息资源共享，使社会信息化。接口功能1．数据缓冲功能为解决CPU高速与外设低速的矛盾、避免因速度不一致而丢失数据．接口中一般都设置数据寄存器或锁存器。称之为数据口。为了实现CPU与外设之间的联络，接口电路还要提供寄存器“空”、“满”、“准备好”、“忙”、“闲”等状态信号。以便向CPU报告接口或外设的工作情况。称之为状态口。2．接收和执行CPU命令的功能

CPU对I／O设备的控制命令一般均以代码的形式送到接口的命令寄存器，称之为命令口，再由接口电路对命令代码进行识别和分析，产生若干个控制信号．再传到I/O设备，使其产生相应的具体操作。3.信号转换功能由于外设所需的控制信号和它所能提供的状态信号往往与微机的总线信号不匹配，信号变换就不可避免。因此，信号转换包括CPU的信号与外设信号的逻辑关系、时序配合以及电平匹配上的转换，它是接口设计中的一个重要内容。接口功能（续1）4．设备选择功能微机系统中一般带有多种外设．同一种外设也可能配备多台，一台外设也可能包含多个I／O端口，这就要借助于接口中的地址译码电路对外设进行I／O端口寻址。与存储器的片选、字选操作十分类似，通常将高位地址用于外设接口芯片的选择，低位地址进行芯片内部寄存器或锁存器的选择。以选定需要与自己交换信息的设备，只有被选中的设备才能与CPU进行数据交换或通信。5．中断管理功能当外设需要及时得到CPU的服务，特别是在出现故障时，在接口中设置中断控制器，为CPU处理有关中断事务(如发出中断请求、进行中断优先级排队、提供中断向量等)，这样既做到微机系统对外界的实时响应，又使CPU与外设并行工作。提高了CPU的效率。接口功能（续2)6．数据宽度变换的功能

CPU能直接处理的是并行数据(8位、16位或32位等)，而有的外设(如串行通信设备、绘图仪、电传打字机等)只能处理串行数据、在这种情况下，接口就应具有数据“并一串”和“串一并”变换的能力。7．可编程功能现在的接口芯片基本上都是可编程的，这样在不改动硬件的情况下，只修改相应助驱动程序就可以改变接口的工作方式，大大地增加了接口的灵活性和可扩充性。上述功能并非是每种接口都要求具备，对不同配置和不同用途的微机系统．其接口功能不同，接口电路的复杂程度也大不一样．但前四种功能是一般接口都应具备的。接口功能（续3）微机原理要点微机的基本结构1微处理器存储器外设I/O接口微机的基本结构2微处理器存储器外设I/O接口微机原理要点续开关量检测与防抖指示器驱动驱动器可直接使用TTL器件或s型TTL器件。但不能使用LS型器件，也不能使用NMOS大规模集成电路，因为它们不具备直接驱动LED灯的能力。即使是TTL器件也只能驱动单个LED灯，不可再接其他负载或器件，因为LED灯会把TTL的输小嵌位在一个对其他电路无效的逻辑电平上．使电路不能正常下作。继电器驱动步进电机控制步进电机控制器TTL电机相、拍、失步直流电机控制模拟信号检测及输出模拟量输入通道的特点主要有下列几点：1)作为测控系统，模拟量输入通道要对被测对象拾取必要的原始参量信号作为测控的依据。因此，必须将传感器输出的次级电信号转换成满足计算机要求的TTL逻辑电平；2)由于传感器常常是模拟信号输出，且输出信号比较微弱，转换成计算机要求的电平时，要经过一定量的放大。这部分内容要运用一些模拟电路技术。因此，模拟量输入通道常常是一个模拟、数字等的混杂电路，是传感器集成化和微机功能集成的边界区域。这部分的电路处理技术有一定难度。3)模拟量输入通道靠近现场，易受干扰。由于传感器输出信号一般都比较微弱，常常需要构成一个增益系统，这也是微机控制系统中最重要的一个干扰进入渠道。因此，模拟量输入通道的抗干扰设计是一个重要内容。模拟量输入通道的一般组成根据所接传感器的类型不同，信号调理电路所要完成的任务也不同。可选择的内容包括小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平转换、非线性补偿、电流／电压转换等。一般情况，对于多点巡回检测系统、多参数仍量系统，多路模拟信号共用一个A／D转换器。由于系统中只有一台微机，微机只能分时对这些信号进行采样。为了满足分时传送，系统须配置多路转换开关，多路开关的选择由微机控制。信号调理电路多点巡回检测系统对多点巡回检测系统，各路传感器输出的电平可能会有较大的差异，一般在A／D转换前都要经过放大，然后经A／D转换后进入微机。当传感器输出的信号较微弱时，应先进行调理放大，以防多路开关引入较大的误差。对这—级的放大器要求是很高的，如高共模抑制比、宽频带、高精度及高稳定性、高输入阻抗及低捕出阻抗、低噪声等。而当传感器输出信号电压较大时．多路转换开关可直接与传感器输出信号相连。经过多路转换开关的信号，一般要再经过一级放大以满足A／D转换器的要求。当各传感器输出电平信号差异较大时，共用放大器应选用可编程增益放大器，由微机根据不同的电乎选择不同的增益。采样／保持器当被测模拟信号变化较快时，要求输入通道也能及时反应，而模／数转换是需要一定的时间才能完成的。如果在A／D转换过程中模拟输入发生了显著变化，使得转换得到的数字量不能真正代表发出命令的那一瞬间所要转换的电平。为了克服这一缺点，对于快速动态信号在A／D转换器前面应设置采样／保持器，以防采样过程中信号发生变化。传感器的选择传感器为检测元件，它敏感于其工作对象的某—特性，输出一定的信号。就输出信号的不同，传感器可以分为两大类：一类为模拟量输出，如热电偶、热电阻、应变片、压电变送器、流量计及各种气敏元件等；另一类为开关量，如各种感应开关。现已有成品的工业标准集成电路功能模块，如精密温度传感器LM135、235、335，液位探测器LM903等。传感器选择的注意事项1)环境条件：环境条件指工作环境（如温度、湿度、振动等）适应范围应高于实际环境条件。2)动态与静态特性：工作范围、灵敏度、频率响应特性等；3)可靠性：传感器一般安放在工业现场，而现场的环境又可能比较差要求会很高。可靠性也是一个与寿命相联系的物理量。采样1)采样：指周期的获取模拟信号瞬时值，得到一系列样值脉冲，用这些时间上离散的信号脉冲代替原来的模拟信号的过程．不带采样／保持器的单通道

A／D转换对于直流或者低频信号，通常可以不带采样／保持器，这时模拟输入电压的最大变化率与A／D转换器的转换率有如下关系：保持A／D转换过程中，采样点越多，采样值反映的输入情号越真实。但是采样点多，采样频率就高，采样时间就短。量化和编码需要一定时间才能完成。因此在转换(量化相编码)时间内只能保持采样点的值不变，才能保证转换精度带有采样保持器的单通道A／D转换在模拟信号变化率较大的输人通道，需要采用采样保持器，这时模拟输入信号的最大变比率取决于采样保持器的孔径时间。其输入的模拟信号最大变化率为：采样／保持器在A／D进行转换期间，保持输人信号不变的电路就是采样／保持电路。采集时间：表示采样保持器输出达到输入值需要的时间，典型值约10μs；

孔径时间：是保持电路转入保持状态所需要的时间，典型值约100ns；

偏移电压：由输入放大器的偏移电压及状态转换过程的差额电压造成的约5mV；

增益误差：保持器增益通常为十l或一1，实际存在误差，其典型值约0.05%采样／保持器的主要特性参数采样定理

奈奎斯持(Nyquist)采样定理：在理想的数据采集系统中，为了使采样输出信号能无失真地复现原输入信号，必须使采样频率至少为输入信号最高有效频率的两倍，否则会出现频率混迭误差。采样周期的选择

实际使用时，为了保证数据采集精度，在前向通道中的采样值—般按下述方法取值：1)增加每个周期的采样数，通常根据数据带宽，在最高频率端每周期采样7--10次。2)在A／D转换前设置低通滤波器，消除信号中无用的高频分量。3)对于多通道数据采集系统，由于是分时控制采样，则最小采样频率单通道的N倍（其中N为通道数）。多路模拟转换开关

当被控制与被测量的回路多达几路或几十路时，在对这些回路的参数进行模／数、数／模转换时，常采用公共的模／数、数／模转换电路、以节省硬件开销。因此，常利用多路转换开关，轮流切换各被测(或被控)回路与模／数、数／模转换电路之间的通路，以达到分时转换的日的。在微机采集、控制系统中，是由CPU发出控制信号来切换各回路的。日前微机控制系统所使用的多路开关、部集成在一个集成芯片中，种类很多，并且有不同的功能和用途。如CD4051(双向，8路)、CD750l(单向，8路)、CD4052(单向、差动、4路)以及AD7506(单向，16路)等等。所谓双向，就是既可以实现多到一的转换，也可以完成一到多的转换；而单向则只能完成多到一的转换。

差动即有两个开关同时动作，从而完成差动信号的切换。多路模拟转换开关(续)多路开关的主要特性参数有：1)最大开关速度，即每秒采样次数;2)导通电阻、截止电阻；3)击穿电压。多路开关的主要

特性参数A／D转换接口技术

按转换原理划分，主要有三种类型，即双积分式A／D转换器、远次逼近式A／D转换器和并行式A／D转换器。目前最常用的是双积分式和远次逼近式。目前最常用的是双积分式和远次逼近式。双积分式A／D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点，缺点是转换速度较慢。因此，这种转换器主要用于速度要求不高的场合。双积分式A／D目前常用的双积分式A／D转换器芯片有；

ICL7106／7107／7126／7136／7137系列，是美国原Interail公司的产品，3位半A／D转换器。具有自校零、自动极性、单基准电压、静态七段码输出，可直接驱动LED或LCD显示器等特点。

MCl4433，是美国Motorola公司产品，3位半A／D转换器。它除了具有自校零、自动极性、单基准电源等功能外，还有动态位扫描BCD码输出、自动量程控制信号输出等特点。

ICL7135是4位半A／D转换器，具有自校零、自动极性、自动量程控制、动态扫措BCD码输出等功能,ICL7109是12位二进制码输出的A／D转换器，带有一位极性位和一位溢出位。AD7555是5位半动态扫描、BCD码输出的高精度A／D转换器。逐次逼近式这类转换器的转换速度较快，其转换时间在几微秒至几百微秒之间。逐次逼近式A／D转换器是目前品种最多、应用最广的A／D转换器件。常用的芯片有：

ADC0801--ADC0805为8位MOS型A／D转换器，片内有三态数据输出锁存器，单通道输入，转换时间约100微秒。

ADC0808／0809是8位MOS型A／D转换器，具有8路模拟信号输入通道，片内有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等。转换时间约为100微秒。

ADC0816／0817除输入通道数增加至16个外，其它性能与ADC0808／0809基本相同。AD574A为l2位A／D转换器，转换时间为25微秒ADC1131为14位A／D转换器，转换时间为12微秒。ADC1140为16位A／D转换器，转换时间小于35微秒。ADC803为12位高速A／D转换器，转换时间500纳秒(8位)、670纳秒(10位)、1.5微秒(12位)ADC804为12位串行输出A／D转换器，适合于远距离传送数据。A／D转换硬件设计要考虑的问题1．分辨率与量化误差

A／D转换器的分辨率是指转换器所能感受到的模拟输入量的最小变化值。量化误差是由于A／D转换器的分辨率有限所引起的误差，其大小通常规定为土1／2LSB。2.精度A／D的转换精度是反映实际A／D转换器在量化值上与一个理想A／D转换器的差值可表示成绝对误差和相对误差。3．转换时间和转换速率

A／D转换器完成一次转换所需的时间叫转换时间。转换器按转换速度可分为三类:(1)低速：以双积分转换方式多见，其转换时间较长，一般要大于40一50ms。但由于双积分式A／D转换器外接器件少，使用十分方便，而且具有权高的性能价格比、因此在一些非快速的A／D转换通道中仍广泛使用，如用于智能仪器仪表等。(2)中速：转换方式多为逐次遏近式等。逐次逼近式A／D转换器是目前种类最多、数量最大、应用最广的A／D转换器件。逐次逼近式A／D转换器又有单片集成与混合集成两种集成电路形式，后者的主要性能指标均高于前者。这类器件的转换时间在1--200微秒之间，常用的多在几微秒到几十微秒之间，如ADC0808／0809为100微秒，AD574A为25微秒等。它们常用于一般自动控制。(3)高速：转换方式为并行或串并行。转换时间最短的为全并行式A／D转换器．转换时间为20一50ns。接口时注意的问题(1)模拟量输入信号的连接(2)输出数字量引脚的连接(3)A／D转换器的启动方式(4)判断A／D转换结束及读取数据程序查询方式中断方式软件延时方式等待方式提高系统精度措施(1)信号调整电路中的非线性；(2)动态响应引起的误差；(3)接地与去藕不当。D/A转换接口技术对两个比较重要的参数(1)D/A转换器的分辨率(2)电流稳定时间D/A转换接口设计中主要考虑的问题有下列几方面·选择合适的D／A转换芯片·数字量输入端与微机的连接·模拟量的输出极性·参考电源的配置·模拟电量输出的调整与分配

D／A转换芯片的种类很多，按其能否直接与CPU相连接可分为二类：

(1)D／A转换器内部不带输人数据锁存器，如DAC0800(8位)，AD7520(10位)，AD7521(12位)等;这类D／A转换器结构简单，价格便宜，但若通过CPU数据总线传送数字量时，必须外加锁存器或通过具有输出锁存功能的并行接口和单片机连接。

(2)转换器片内有输入数据寄存器，如DAC0832和AD7524等，可以和单片机直接接口，把这类D／A转换器作为单片机的外部I／O扩展器件，硬件设计简单、方便。D／A转换芯片DAC0832引脚图(1)D0-D7数据输入线。(2)CS片选信号,低电干有效。(3)ILE：输入寄存器选通信号，高电平有效(4)WR1：写输入寄存器信号，低电平有效。(5)WR2：写8位DAC寄存器信号，低电平有效。(6)XFER：允许8位DAC寄存器数据送到8位D／A转换器。(7)Iout1DAC输出电流1、当8位DAC寄存器为全1时，此时输出电流最大,全0时时,输出电流最小。(8)Iout2：DAC输出电流2，Iout2＝常数-Iout1。(9)Rfb：反馈电阻引出端，即片内在Rh与Ioutl之间制作了一个反馈电阻。(10)Vref：参考电压输入端。该电压精度直接影响D／A转换精度。(11)Vcc：电源电压,可接+5--+15V。(12)AGND：模拟地。(13)DGND：数字地。DAC0832引脚图（续）DAC0832内部结构DAC0832的主要特性(1)分辨率为8位。(2)转换时间为1微秒。(3)可单缓冲、双缓冲或直接数字输入。(4)只需在满量下调整其线性度。(5)逻辑电平输入与TTL兼容。(6)单一电源供电(十5一十15v)。(7)低功耗0.2mw。本电路参考电压选为十5v，则对输入的数字量在00H—FFH变化时a点输出电压为-5V--0V，b点输出电压为-5--+5V双路异步输出电路双路同步输出电路数据传送方式

程序信息传输是指在程序控制下进行信息的传输，也即是通过CPU进行信息传输在计算机与外设之间信息传输方式的种类如下1）同步传输

如果外围设备的时序已经知道，可采用同步传输。采用这种方式时，外设必须在处理机规定的指令时间内准备就绪，并完成数据的接收或发送．同步传输是所有传输方式中最直接的一种，所需硬件和软件较少。同步传输线路方框图 一旦发出设备地址和输入或输出（读或写）选通信号，即进行数据传输，不需其他准备工作2）询间方式传输

由CPU向外设询间准备情况，准备好时再进行数据传输其典型步骤为：（1）CPU取进外时设的状态码，即询问;（2）判别是否准备好,如未准备好再询问，直至准备好时，执行下一步骤；（3）进行数据传输;（4）传输结束，外设脱机。执行上述传输过程的基本电路如下所示：询问方式查询 其中1号设备是需进行数据交换的外设，2号设备是1号设备的状态触发器。位线4的数代表回号设备的准备状态，如”1”表示准备好，“0”表示来准备好询问方式查询执行步骤：（1）计算机以同步传送方式选入2号设备的数据（2）判别位线4的数是否为“1”。如为“1",则进行数据传输，否则重复步骤（1），（2）

询问方式传输可以确保协调外设与CPU之间的同步，但在询问过程中，CPU不能进行其他工作，这一段时间对外设进行等待、这不仅造成计算机时间的浪费，而且有时是不允许的。如在等待传输的时间里，需要CPU对设备进行控制，就难以实现、此时，可采用程序中断传输。3）程序中断传输 程序中断传输是由外设启动的．当外设准备好时，发出中断请求，CPU响应中断后，进行数据交换。程序中断传输的步骤如下：

（1）外设做好准备需要传送数据时，发出中断申请；

（2）

CPU允许接受中断（现行指令执行完开中断，INTE＝l）响应中断，发出INTA＝0

（3）保留程序计数器内容（即断点）。程序转移到中断服务程序的入口地址，执行中断服务程序、入口地址在计算机制造好时已规定好，存放在内存指定单元中，而入口地址内存的内容则是中断服务程序的第一条指令，这是由用户规定的；

（4）CPU保存现场，将累加器和寄存器内容压入堆栈，并进行信息传输；

（5）中断服务程序结束，返回断点，继续执行程序。

当有多种外部设备，都提出中断申请时，如何区别是谁提的？如同时提出，先响应谁这就需要对中断进行分级。如8051机中断共分八级；

INT7总清RESETINT6面板管理

INT5输入机

INT4输出机