第2章输入通道接口技术

计算机控制技术

ComputerControlledSystems2/4/20231第2章输入通道接口技术计算机控制技术第2章输入通道接口技术2.1信号测量与传感器技术2.2模拟信号输入通道接口2.3键盘接口技术2.4开关量信号输入接口

作业2/4/20232第2章输入通道接口技术2.1信号测量与传感器技术传感器是计算机控制系统的“感触器官”；传感器能将需要测量的各种参数转换为电信号，电信号经调理、A/D转换后变为数字信号，然后送给计算机进行处理。传感器有很多种类：温度传感器，压力传感器，流量传感器，等等。2/4/20233第2章输入通道接口技术2.2模拟信号输入通道接口一、模拟多路开关二、A/D转换器三、数据采集与处理方法2/4/20234第2章输入通道接口技术一、模拟多路开关在实际的计算机控制系统中，往往需要对多路信号进行测量，而计算机在同一时刻只能处理一路信号，因此需要将各路信号分时地送给计算机处理。2/4/20235第2章输入通道接口技术1、模拟多路开关CD4051*CD4051是8通道多路开关*带有3个通道选择输入端A、B、C，用于选择8个通道之一*一个禁止输入端INH，高电平时，禁止模拟信号输入；低电平时允许模拟信号输入⊥

－

＋

*VDD与VSS的电平差为－0.5~15V2/4/20236第2章输入通道接口技术2、CD4051多路开关的扩展应用在实际应用中，如果被测参数多于8路，可以采用将多个CD4051相连进行扩展。*由D0D1D2D3来选择16路通道之一*其中D3＝0，选中1＃*其中D3＝1，选中2＃2/4/20237第2章输入通道接口技术二、A/D转换器A/D转换器——能将模拟信号转换为数字信号的器件，称为模数转换器，即A/D转换器。2/4/20238第2章输入通道接口技术信号的采样以一定的时间间隔取得某一个连续变量值的过程，或者将连续时间信号转换成时间离散的脉冲序列的过程，称为采样过程。这些脉冲信号f*(t)即为采样信号。它是时间上离散、幅值上连续的信号。2/4/20239第2章输入通道接口技术信号的量化将采样信号转化为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置就是A/D转换器。量化单位：q=（ymax-ymin）/2n量化过程是一个小数归整的过程，因而一定存在量化误差。当然，当A/D转换器的字长n足够长时，量化误差就变得相当小了，数字信号可以近似采样信号。注意区别：线性误差——在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。2/4/202310第2章输入通道接口技术A/D转换器A/D转换器采用的转换原理：1、逐次逼近式——A/D转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在µs级，转换精度一般在0.1%左右，适用于一般场合；2、双斜积分式——A/D转换器的核心部件是积分器，因而速度较慢，其转换时间一般在ms级，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01%或更高，适用于在数字电压表类仪器中使用；3、并行式又称闪烁式——由于采用并行比较，因而转换速率较高，其转换时间一般在ns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位，主要用于一些转换速度较快的仪器中。2/4/202311第2章输入通道接口技术A/D转换器A/D转换器的主要技术指标：1、分辨率——分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。通常用数字量的位数n表示，它表示能对满量程输入的1/2n的增量做出反映。若n=8，满量程输入为5.12V，则数字量的最低有效位（LSB）=5.12/28=20mV即：低于20mV的量都被省略了（量化误差）。2、转换时间——完成一次由模拟量到数字量转换所需要的时间；3、线性误差——在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差（一般用LSB表示）。2/4/202312第2章输入通道接口技术1、8位A/D转换器ADC0809*芯片内包含有8通道多路开关及计算机兼容的控制逻辑*一个高阻抗斩波稳定比较器*一个带有模拟开关树组的256R电阻分压器*一个逐次逼近型寄存器SARADC0809是8位逐次逼近型AD转换器2/4/202313第2章输入通道接口技术ADC0809的引脚功能：*IN0－IN7:8个模拟量输入端*START：启动信号。当START为高电平时，A/D转换开始*EOC：转换结束信号。当A/D转换结束后，发出一个正脉冲，表示A/D转换完毕*OE：输出允许信号，高电平有效*CLOCK:实时时钟1、8位A/D转换器ADC08092/4/202314第2章输入通道接口技术1、8位A/D转换器ADC0809*ALE:地址锁存允许，高电平有效*CBA:选择通道*D0－D7:数字量输出端*VREF＋、VREF－:参考电压端子*VCC:电源端子，接＋5V*GND：接地ADC0809的引脚功能：2/4/202315第2章输入通道接口技术1、8位A/D转换器ADC0809ADC0809的主要技术指标：*单一电源＋5V，模拟量输入范围0—5V*分辨率为8位(n=8)*最大不可调误差：小于±1LSB(LSB即最低有效位＝1/2n)*转换时间在时钟频率640khz时，约为100µs*功耗为15mW2/4/202316第2章输入通道接口技术2、ADC0809的应用应用原理图：转换结束，EOC变成高电平，可作为中断请求信号。计算机发出一个允许命令，OE变高电平，则可读数据经A/D转换后的数字量2/4/202317第2章输入通道接口技术2、ADC0809的应用*启动脉冲START和地址锁存允许脉冲ALE的上升沿将地址锁存，将CBA所指定的通道信号送至A/D转换器t*在START正脉冲下降沿t时刻后，EOC变负，直至转换结束，EOC变正转换结束*此时，计算机发出一个允许命令，使OE变高电平，则可读出数据A/D转换时序图：2/4/202318第2章输入通道接口技术3、A/D转换器与微处理器的连接（1）模拟量输入通道的连接A/D转换器接受的模拟量大都为0－5V的标准电压信号（2）数字量输出引脚的连接A/D转换器数字量输出引脚和微处理器的连接方法与其内部结构有关：*若内部含有数据输出锁存器则可以直接与微处理器连接；*若内部无数据输出锁存器，一般通过I/O接口与微处理器连接。（3）A/D转换器启动方式*脉冲启动(ADC0809)*电平启动2/4/202319第2章输入通道接口技术3、A/D转换器与微处理器的连接（4）结束信号处理方法*中断方式将转换结束标志信号接到微处理器系统的中断申请引脚；*查询方式把结束信号送到微处理器数据总线或IO接口的某一位；微处理器向A/D转换器发出启动信号后，就开始查询AD转换是否结束。*软件延时方法微处理器启动AD转换后，就根据转换芯片完成转换所需要的时间，调用一段延时程序。2/4/202320第2章输入通道接口技术3、A/D转换器与微处理器的连接（5）参考电源的选择在A/D转换器中，参考电源的作用是作为标准电源，直接关系到AD转换的精度。*通常8位A/D转换器由外电源供给；*12位AD转换器内部设置有精密参考电源。（6）时钟信号的连接*一种是由芯片内部提供；*一种是由外部时钟提供，一般由系统时钟分频得到。（7）接地将A/D转换器的模拟地和数字地分别与系统的模拟地和数字地相连；整个系统中，模拟地和数字地只在一点接通。2/4/202321第2章输入通道接口技术4、8位A/D转换器控制程序设计*START（高5位地址）：10000故对应IN0－IN7：80H—87H；*EOC：01110*OE：011002/4/202322第2章输入通道接口技术4、8位A/D转换器控制程序设计利用查询法对模拟通道IN3，进行A/D转换，程序段：OUT83H,ALWAIT:INAL,70HTESTAL,01HJZWAITINAL,60H2/4/202323第2章输入通道接口技术4、8位A/D转换器控制程序设计2/4/202324第2章输入通道接口技术4、8位A/D转换器控制程序设计ADC0809与计算机的接口原理图_例2：AD转换的结束信号EOC作为状态信号，经三态门接入数据总线D7位；设各输入通道地址是200H－207H；（1）8个模拟通道的信号进行AD转换的程序（通过查询EOC）：2/4/202325第2章输入通道接口技术4、8位A/D转换器控制程序设计DATASEGMENTCOUNTEQU8

BUFFERDBCOUNTDUP(0)DATAENDSPROGSEGMENRT

MAINPROCFARASSUMECS:PROG，DS:DATASTART:PUSHDS PUSHAXPUSHBX MOVAX，DATA MOVDS，AX LEABX，BUFFER MOVDX,200H(接下页)

;数据段;为系统返回做准备;设置数据段基址;取测试数据存放区首地址;送通道IN0地址;子程序2/4/202326第2章输入通道接口技术4、8位A/D转换器控制程序设计(接上页)START1:SUBAX，AX

OUTDX，AL PUSHDX MOVDX，220HSTART2:INAL，DX TESTAL，80H JZSTART2 POPDX INAL，DX MOV[BX]，AL INCBX INCDX LOOPSTART1 RET……

;启动AD转换;AX清零;取EOC的地址;读入EOC值;比较;为零则返回;为1，取通道IN0地址;读取AD转换结果;存入数据区;指向下一存储单元;指向下一通道;循环程序，取下一通道采样数据;通道IN0地址入栈2/4/202327第2章输入通道接口技术4、8位A/D转换器控制程序设计（2）利用延时方法进行8个模拟通道的AD转换的程序： …… MOVDX，200HSTART1:SUBAX，AX OUTDX，AL CALLDELAY0 INAL，DX MOV[BX]，AL INCBX INCDX LOOPSTART1…… ;送通道IN0地址;启动AD转换;延时，等待转换结束;读取AD转换结果;存入指定数据区;程序循环，转向下一个通道采样2/4/202328第2章输入通道接口技术在工业控制和工业测量中，经A/D转换器采样得到的数据，必须经过计算机的加工处理后才能得到相应的准确结果。这个加工处理的过程可以包括数字滤波、标度变换等步骤。——克服现场干扰标度变换数字滤波——获得直观数据三、数据采集与处理方法——获取现场数据采样、量化2/4/202329第2章输入通道接口技术采样与量化模拟信号到数字信号的转换包含采样和量化两个过程。信号的采样执行采样动作的是采样器K，K每隔一个时间间隔T，闭合一个时间τ。T称为采样周期；τ称为采样宽度。时间和幅值均连续的模拟信号y(t)通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号y*(t)。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。2/4/202330第2章输入通道接口技术采样与量化时间和幅值均连续的模拟信号y(t)通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号y*(t)。信号的采样过程：采样信号y*(t)是否能如实地反映模拟信号y(t)的所有变化与特征呢？采样定理：当采样频率f≥2fmax(模拟信号的最高频率），那么采样信号y*(t)就能唯一地复现y(t)。实际应用中，常取f≥（5~10）fmax。2/4/202331第2章输入通道接口技术采样与量化信号的量化采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号y(t)幅值上的变化，也反映在y*(t)上。而计算机只能接受在时间上离散、幅值上也不连续的数字信号，所以，采样信号仍不能进入计算机。2/4/202332第2章输入通道接口技术采样与量化将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把ymin---ymax范围内变化的采样信号，变换为数字0---2n-1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。量化过程实际是一个用q去度量采样幅值高低的小数归整过程。

由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差是±q/2，或±q。

当A/D转换器的字长n足够长，量化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号。2/4/202333第2章输入通道接口技术数字滤波数字滤波——为了减小甚至消除叠加在采样数据中的随机信号值的影响，利用程序对多次采样信号所得到的数据进行加工处理，以保证采样数据的准确性及精度。数字滤波，可以简化硬件设计，参数调整方便，多通道共用。常用的数字滤波算法（1）程序判断滤波（2）中值滤波（3）算术平均值滤波（4）加权平均值滤波（5）滑动平均值滤波（6）低通滤波（7）复合数字滤波2/4/202334第2章输入通道接口技术（1）程序判断滤波所谓程序判断滤波，就是根据经验，确定出两次采样之间可能出现的最大偏差ΔE。*如果采样得到的值与上次采样值之差超过ΔE，则表明该采样数据中存在较大的干扰信号，应予以剔除；*如果采样得到的值与上次采样值之差小于ΔE，则本次采样值为正常值。程序判断滤波分为两种：限幅滤波、限速滤波2/4/202335第2章输入通道接口技术（1）程序判断滤波限幅滤波：把两次相邻的采样值相减，求出其差值(以绝对值表示)，然后与两次允许的最大差值ΔE进行比较。若小于等于ΔE，则本次采样值有效；若大于ΔE，则取上一次采样值。*ΔE的选取非常重要（通常可根据经验数据获得）ΔE太大无法剔除各种干扰；ΔE太小又有可能使正常值丢失，影响测量的实时性。*限幅滤波主要用于变化比较缓慢的参数，如温度等。2/4/202336第2章输入通道接口技术（1）程序判断滤波限速滤波：是限幅滤波的一种折中，既考虑了采样的实时性，又照顾到采样值变换的连续性。①设按时间顺序t1、t2、t3的三个采样值分别为y1、y2、y3；②当|y2－y1|≤ΔE时，y2有效，取值y2；③当|y2－y1|>ΔE时，如果当|y3－y2|≤ΔE时，则y3有效，取值y3；否则，取值(y3+y2)/2.*ΔE的选取不太灵活，不能反映采样点数大于3时各采样值受干扰的情况。

2/4/202337第2章输入通道接口技术（2）中值滤波中值滤波：对某一参数连续采样N(奇数)次，然后把N次采样的值从小到大或从大到小排列，再取中间位置上的值作为本次采样值。*可以克服偶然因素引起的波动干扰，或者采样器本身不稳定引起的脉动干扰；*只适用物理量变化较慢的工作场合。2/4/202338第2章输入通道接口技术（3）算术平均值滤波*算术平均值滤波主要用于对压力、流量等周期脉动参数采样值进行平滑加工，已使所测数据相对稳定，不适宜于克服随机性干扰。将作为这个采样周期内的采样值。算术平均值滤波的方法是：在一个时间段内，对被测物理量采样N次，得到N个采样值y1，y2，……，yN，求这N个数的平均值2/4/202339第2章输入通道接口技术（4）加权平均值滤波算术平均值滤波中N个采样值对滤波结果的影响因子是相同的，而加权平均值滤波则对N个采样值y1，y2，……，yN，考虑不同的加权系数，得A1，A2，……，AN为加权系数，满足2/4/202340第2章输入通道接口技术（5）滑动平均值滤波滑动平均值滤波方法是，动态保留N个最近的采样数据，每采样一个新数据，便将保留时间最长的采样数据移走一个，随后按算术平均值或加权平均值方法计算出有效的采样值。*对周期性干扰有抑制作用，减少了总的采样次数，提高了采样速度。*不适用脉冲干扰比较严重的场合。2/4/202341第2章输入通道接口技术（6）低通滤波在工业控制系统中，大部分被测信号都是低频信号，比如温度、流量等等，而脉冲干扰信号属于高频信号，因此采用低通滤波的方法，可以消除高频干扰对测量精度的影响。传递函数：其中为RC滤波器的时间常数。将上式离散后得差分方程：为第k次采样值；为第k次滤波结果的输出值；为滤波平滑系数；为采样周期。2/4/202342第2章输入通道接口技术（7）复合数字滤波复合数字滤波，也称为多级数字滤波，就是将两种或以上的数字滤波方法联合起来使用，其目的是进一步提高滤波效果。*算术平均值滤波与加权平均值滤波能较好地消除脉动干扰，而中值滤波则能较好地消除随机脉冲干扰。将两者结合起来的方法是首先把采样值从小到大排列，去掉最大值和最小值，将余下的采样值求平均。2/4/202343第2章输入通道接口技术标度变换将测量得到的二进制数据转换成对应的实际数值和单位，这一转换过程称为标度变换。（1）线性参数标度变换（2）非线性参数标度变换2/4/202344第2章输入通道接口技术（1）线性参数标度变换当被测参数值与A/D采样值成线性关系时，采用线性参数标度变换方法。转换公式：分别是测量仪表的下限值、上限值和当前测量值；分别是测量仪表对应的A/D采样器的下限值、上限值和当前测量值。2/4/202345第2章输入通道接口技术（1）线性参数标度变换例题：某温度测量仪表，其量程为10°C—50°C，采用的是8位A/D转换器，在某次测量过程中，A/D采样值经数字滤波后得到的数值为7BH，试求这次测量的实际温度值。解：已知测量仪表的8位A/D转换器的对应值8位A/D转换器的当前值为：利用公式：所以，这次测量的实际温度值为29.3°C。2/4/202346第2章输入通道接口技术（2）非线性参数标度变换有些参数的测量，对于A/D采样值，除了需要进行线性标度变换外，还需要经特定的公式计算才能得到测量结果。当这些特定的公式是非线性的时候，这样的计算过程被称为非线性参数标度变换。2/4/202347第2章输入通道接口技术2.3键盘接口技术一、独立式按键二、行列式键盘

作业三、软键盘与触摸屏接口2/4/202348第2章输入通道接口技术一、独立式按键独立式按键是指直接用输入端口线构成的单个按键电路。设8255A的端口A连接8个按键，初始化设置为输入。*当无键按下时，PA0—PA7输入状态均为1（高电平）；*当有键按下时，则按键对应的端口线输入为0（低电平）。适用于按键比较少的系统，按键之间互不影响。A2/4/202349第2章输入通道接口技术二、行列式键盘行列式键盘(矩阵式键盘)由行线和列线组成，按键设置在行、列结构的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端。A列线－输出行线－输入判断有无键按下：*若C口的低四位全为高电平(即0FH)，则无键按下；*若C口低四位不全为高电平，则说明有键按下。（先使A口输出均为低电平）（再定时从PC端口读入行值）2/4/202350第2章输入通道接口技术1、定时扫描法（1）定时扫描键盘，判断有否按键按下？先使A口输出(列)均为低电平，再定时从PC端口读入行值，监视有无键按下：*若C口的低四位全为高电平(即0FH)，则无键按下；*若C口低四位不全为高电平，则说明有键按下。2/4/202351第2章输入通道接口技术1、定时扫描法（2）消除按键抖动如果有按键按下，则延时10－20ms后，再次从C口读入行值，如果此时仍有键按下，则确认键盘有键按下。2/4/202352第2章输入通道接口技术1、定时扫描法（3）求按键键值首先对键盘逐列扫描(即逐列输出低电平)。*首先令PA0＝0，然后由C口读入行值，是否等于0FH？若等于0FH，说明该列无键按下；*再令PA1＝0，然后由C口读入行值，是否等于0FH？若不等于0FH，说明该列有键按下，则求按键键值。假设，列输出值为0FDH(11111101)，而行读入值为0EH(00001110)，即所按键值为1。2/4/202353第2章输入通道接口技术1、定时扫描法（4）等待按键释放为保证按键每闭合一次，计算机只作一次处理，程序需等待按键释放后，才作下一按键的处理。2/4/202354第2章输入通道接口技术1、定时扫描法K_CHK PROCNEAR ；检查有无按键子程序 MOVDX,800H ；送A口地址 MOVAL,00H ；列输出线全为0 OUTDX,AL MOVDX,802H ；送C口地址 INAL,DX ；从C口读入行值 ANDAL,0FH ；行值与0FH相与 CMPAL,0FH ；相与值再与0FH相减 RET ；返回主程序K_CHKENDP 设8255A的4个口分别为800H－803H，初始化时已设A口为输出，C口为输入，则键盘扫描程序：(1)检查有无按键子程序(K_CHK）(2)求按键键值子程序(3)按键处理子程序相减为0，则无键按下；相减不为0，则有键按下。2/4/202355第2章输入通道接口技术1、定时扫描法设8255A的4个口分别为801H－803H，初始化时已设A口为输出，C口为输入，则键盘扫描程序：(1)检查有无按键子程序(K_CHK）(2)求按键键值子程序(3)按键处理子程序KEY PROCNEAR ；求按键键值子程序KSCAN: CALLK_CHK ；检查键盘有无按键 JNZKS0 ；有键按下，转KS0 RETKS0: CALLDLY10MS ；调用延时程序，防抖动 CALLK_CHK ；再次确认有无按键 JNZKS1 ；有键按下，转KS1 RET KS1: MOVAH,0FEH ；第一列扫描值,PA0=0 MOVAL,AH MOVDX,800H ；送A口地址KS2: OUTDX,AL MOVDX,802H ；送C口地址 INAL,DX ；从C口读入行值 ANDAL,0FH CMPAL,0FH ；读入的值与0FH比较 JNZKS3 ；不为0即有键按下转KS3 ROLAH,1 ；第二列扫描值 MOVAL,AH MOVDX,800H ；送A口地址 ANDAL,01H ；8列是否已扫描完成？ JNZKS2 ；没有，继续检查下一列 RETKS3: MOVBH,AL ；保存按键值到BHKS4: CALLDLY10MS ；调用延时程序 CALLK_CHK ；检查键盘有无按键 JNZKS4 ；等待按键释放

CALLKEYP ；调用按键处理子程序 RETKEY ENDP*按键的行值、列值分别在BH、AH寄存器中2/4/202356第2章输入通道接口技术1、定时扫描法设8255A的4个口分别为801H－803H，初始化时已设A口为输出，C口为输入，则键盘扫描程序：(1)检查有无按键子程序(K_CHK）(2)求按键键值子程序（KEY）(3)按键处理子程序*按键的行值、列值分别在BH、AH寄存器中KEYP PROCNEAR ；按键处理 子程序 MOVBL,0 ；KP1: INCBL ； SHRAH,1 ； JCKP1 ； DECBL ；BL得到第几列

ANDBH,0FH

；取低4位 MOVCL,0 ； KP2:

INCCL ； SHRBH,1 ；

JCKP2 ； DECCL ； MOVBH,CL

；BH得到第几行 MOVAL,08H MULBH ；行值×8 ADDAL,BL ；得到实际按键值

SHLAL,1 ； MOVBX,AX ； JMPK_TAB[BX] ；根据按键值转移K_TAB: JMPSHORTKEY00 ； JMPSHORT