第三章输入输出接口技术和输入输出通道

第二章输入输出接口技术和输入输出通道教学目的：本章属于回顾计算机接口及A/D、D/A转换器的使用，内容属于计算机控制的硬件部分，相对而言比较繁杂。主要为使学生在进入计算机控制软件设计之前对硬件系统先有一个较完整的了解，以便后面章节控制器软件设计及系统分析时有一个清晰的思路，对软件的控制作用有更深入的理解。

学习内容：I/O接口、I/O通道、及其功能I/O接口的控制方式I/O接口设计I/O通道及工作原理分析（包括模拟及数字量通道）D/A、A/D转换器原理及使用I/O通道的抗干扰措施教学内容及重点、难点：学习内容：1）I/O接口、I/O通道、及其功能2）I/O接口的控制方式3）I/O接口设计4）I/O通道及工作原理分析（包括模拟及数字量通道）5）D/A、A/D转换器原理及使用6）I/O通道的抗干扰措施教学内容及重点、难点：学习重点：I/O接口设计、模拟量I/O通道及工作原理分析、D/A、A/D转换器原理及使用。学习难点：I/O接口设计、D/A、A/D转换器原理及使用方法。输入输出接口技术：研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。输入输出接口：简称“接口”第一节概述1)I／O接口电路I／O接口电路：是主机和围设备之间交换信息的连接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完成信息交换。1、接口、通道及其功能

2)I／O通道I／O通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。信号的输入通路。信号的输出通路。输入和输出通路的主要功能

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实现模拟量与数字量之间的信号变换。本章学习目的:解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。

3)I／O接口功能（1）转换信息格式；例如串-并（2）提供联络信号；例如“忙”、“准备好”（3）协调速度差异；（4）进行地址译码、提高带载能力；例如74LS138译码器（5）实现接口电平转换；例如RS232-TTL(6)具备时序控制；有的接口电路具有自己的时钟发生电路，以满足微机和各种外设在时序方面的要求。（7）可编程的；用程序代码设置接口的某些功能。2、I／O信号的种类CPU外部设备数据状态控制通常有三类信息：数据信息数字量模拟量开关量状态信息控制信息CPUI/O接口外部设备地址总线数据总线控制总线状态数据控制

用来保存CPU和外设之间传送数据的数据寄存器称为数据端口；用来存放外设或者接口部件本身状态的状态寄存器称为状态端口；用来存放CPU发往外设的控制命令的控制寄存器称为控制端口。图5.3一个典型的I/O接口3、计算机和外部的通信方式并行通信：串行通信：把一个字符的各数位用几条线同时进行传输

数据按位进行传送的

串行通信全双工方式半双工方式同步通信异步通信在计算机的I/O接口中满足多位数据同时输入或输出的接口称为并行接口。常见的并行接口有8位或16位。基本结构如下图。CPU并行接口电路数据线地址线控制线外部信号/输出线典型的并行接口电路有8255、8155实现并行通信的接口--并行接口发送AK1K2B

接收接收发送发送A接收数据应答数据应答接收B发送全双工方式:数据信息能沿相反两个方向传送。

半双工方式:数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。

串行通信:同步通信：同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。单同步字符帧结构

+-----+------+-------+------+-----+--------+-------+-------+

|同步|数据|数据|数据|...|数据|CRC1|CRC2|

双同步字符帧结构

+-----+--------+------+-------+---+-------+-------+--------+

|同步|同步|数据|数据|...|数据|CRC1|CRC2|

它们均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。其中同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有1到2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。

同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。异步通信：异步通信中，数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。

接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑"0"（即字符帧起始位）时，确定发送端已开始发送数据，每当接收端收到字符帧中的停止位时，就知道一帧字符已经发送完毕。

在异步通行中有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率。第二节输人／输出的控制方式一、程序控制方式1.无条件传送方式

无条件传送是一种最简单的输入/输出控制方法，用于控制CPU与低速I/O接口之间的信息交换，例如，开关、继电器和速度、温度、压力、流量等变送器(即A/D转换器)。由于这些信号变化很缓慢，当需要采集这些数据时，外部设备已经把数据准备就绪，无需检查端口的状态，就可以立即采集数据。有条件传送方式又称为程序查询方式。这种传送方式在接口电路中，除具有数据缓冲器或数据锁存器外，还应具有外设状态标志位，用来反映外部设备数据的情况。比如，在输出时，若数据已准备好，则将该标志位置位；输入时，若数据已空(数据已被取走)，则将标志位置位。在接口电路中，状态寄存器也占用端口地址号。2.有条件（查询）传送有条件传送的优点是：能较好地协调外设与CPU之间的定时关系；缺点是：CPU需要不断查询标志位的状态，这将占用CPU较多的时间。为克服这一缺点，可以采用中断控制方式。查询传送的两个环节⑴查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询，直至就绪输入状态就绪？数据交换YN⑵传送环节寻址数据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据查询输入接口例程

MOVDX，S_PORT；DX指向状态端口STA:INAL，DX；读状态端口

TESTAL，80H ；测试标志位D7JZSTA ；D7＝0,未就绪,继续查询

MOVDX，D_PORT；D7＝1,就绪,DX指向数据端口

INAL，DX；从数据端口输入数据查询输出接口例程MOVDX，S_PORT；DX指向状态端口STA:INAL，DX ；读取状态端口的状态数据

TESTAL，80H ；测试标志位D7JNZSTA；D7＝1,未就绪,继续查询

MOVDX，D_PORT ；D7＝0,就绪,DX指向数据端口

MOVAL，BUF；变量buf送AL

OUTDX，AL

；将数据输出给数据端口

有条件和无条件传送都难以满足实时控制系统对I/O工作的要求。因为在查询方式中，CPU处于主动地位，外设接口处于消极被查询的被动地位。

而在一般实时控制系统中，外设要求CPU为它服务是随机的，而且外设可有几个甚至几十个，若采用查询方式工作，很难实现系统中每一个外设都工作在最佳工作状态。二、中断控制I/O方式1.中断控制I/O时应解决的问题中断是指：如果外部某一个接口或设备有紧急的事务要求CPU暂时中止处理当前的事务，它就可以立刻向CPU发出中断请求，CPU而转去执行优先的中断服务程序，等处理完这个紧急事务后CPU再回到刚才被打断的位置继续顺序执行。断点主程序中断服务程序中断请求对外设进行处理继续执行返回断点中断的特点：1）中断传送是一种效率更高的程序传送方式2）进行传送的中断服务程序是预先设计好的3）中断请求是外设随机向CPU提出的4）在一个具有多个外设的系统中，在同一时刻就往往不止一个外设提出中断请求时，可以中断优先权管理和中断嵌套等问题。三、直接存储器存取(DMA)控制方式

采用上述三种方式，传送信息需CPU执行传输程序来完成，都需CPU暂停执行当前程序。如果传输的数据量大，需占用大量的CPU时间如何处理?希望克服程序控制传送的不足：外设→CPU→存储器外设←CPU←存储器为了解决这个矛盾，微机都有不经CPU的干预，在专用硬件电路的控制下实现数据在I/O接口与存储器之间的直接高速传送数据功能。这种方法称为直接存储器存取(DirectMemoryAccess)。实现这种工作方式的专用接口电路，称为DMA控制器(DMAC)。例如，Intel公司的8237，Motorola公司的MC6844等，都是实现DMA方式的可编程DMA芯片。直接存储器存取DMA： 外设→存储器 外设←存储器CPU释放总线（LOCH、ESC指令），由DMA控制器管理

用DMA方式传送数据时，在存储器和外部设备之间，直接开辟高速的数据传送通路。数据传送过程不要CPU介入，只用一个总线周期，就能完成存储器和外部设备之间的数据传送。因此，数据传送速度仅受存储器的存取速度和外部设备传输特性的限制。DMA方式主要用于：(1)硬盘和软盘I/O。(2)快速通信通道I/O。(3)多处理机和多程序数据块传送。DMA控制方式的输入接口电路示意图

DMA控制方式的数据交换过程外设数据准备好后，通过RDY信号使DMA请求触发器置“1”,一方面锁存外设数据，另一方面向DMA控制器发出请求信号。DMA控制器收到外设的请求信号后，会向CPU申请总线控制权。CPU将总线控制权交出后，由DMA控制器掌握总线控制权。DMA控制器发出DMA应答信号和端口读信号，这两个信号一方面开通三态缓冲器，使外设数据出现在系统数据总线上，另一方面使DMA请求触发器清“0”。

DMA控制方式的数据交换过程DMA控制器发出存储器的地址信号和存储器写信号，将系统数据总线上的数据写到内存中，实现DMA数据传送操作。

数据传送结束后，DMA控制器将总线控制权交还给CPU。第三节I/O接口设计一、I／0接口的编址方式

I／0接口与存储器独立编址方式I／0接口与存储器统一编址方式1.I／0接口与存储器独立编址方式

在这种编址方式中，建立了两个地址空间，一个为内存地址空间，一个为I/O地址空间。内存地址空间和I/O地址空间是相互独立的，通过控制线M/IO来确定CPU到底要访问内存还是I/O端口。独立编址方式的优点：可寻址256个端口，执行I／O指令时间短，译码电路简单；程序清晰易读；硬件设计简单独立编址方式的缺点：这种编址要求CPU与I/O端口之间进行数据传输时，使用专用的输入指令INA，PORT和输出指令OUTPORT，A，不如访问内存指令丰富；00000HFFFFFH存储器I/OFFFFH0000H2．I／0接口与存储器统一编址方式I/O端口按照存储单元的编址方法统一编排地址号，I/O端口地址和存储单元地址共同构成一个统一的地址空间。例如，对于一个有16根地址线的微机系统，若采用统一编址方式，其地址空间的结构如下图所示。整个地址空间存储器I/O¶Ë¿Ú0000HXXXXHFFFFH(XXXX+1)HI/O端口二、I／0接口系统的连接微处理器8086/8088存储器RAM存储器ROMI/O接口外围设备地址总线AB控制总线CB数据总线DB典型的CPU的并行接口的硬件电路D0-7Y0Y1D0-7M/IOA7A6A5+A4A3A2ABCG2AG2BG1A1A0A1A0CSD0-7A1A0CSWRRDWRRDWRRDRESETRESETRESETA口B口A口B口C口C口接口芯片和CPU之间必须连接的信号有下列4类：数据信号D0～D7；读／写控制信号；片选信号和地址线；时钟、复位、中断控制、联络信号

使用译码器的目的：解决I／O端口的编址、选址问题。

三、I／O接口扩展1.地址译码器的扩展

常用可编程I／O接口电路（如8255A可编程的并行通信接口；825lA可编程的串行通信接口；8253可编程计数器/定时器；8259可编程化中断控制器芯片；A/D或D/A以及DMA等）。当接口和内存不够用时，需要扩展I／O接口及内存容量。I／O接口扩展包括：负载能力的扩展地址译码器的扩展译码器：常用的译码器有：四中选一、八中选一、十六中选一。2/4；3/8和4/16译码器

74LSl38译码器

G2A

G2BG1CBAY7～Y0有效输出00100011111110YO=0，其余=100100111111101Y1=0，其余=100101011111011Y2=0，其余=100101111110111Y3=0，其余=100110011101111Y4=0，其余=100110111011111Y5=0，其余=100111010111111Y6=0，其余=100111101111111Y7=0，其余=1其它值XXX11111111无效74LS138的真值表译码电路的特性：1）每次只能有一位为低电平，其余都为高电平；2）A、B、C三位输入决定了8种输出选择；3）输出状态由A、B、C、G1、G2A、G2B的逻辑组合而决定；D7~D0A11~A0CSY0Y174LS138(1)A16A15A14ABCG1G2AG2BM/IOA19~17地址总线数据总线偶(3)D15~D8A11~A0CS奇(4)OEWEOEWED15~D0A0A19A18A17+G2BA13~A1&&RDWRM/IO

&BHE&&&D15~D8A11~A0CS奇(2)OEWED15~D8A11~A0CS偶(1)OEWE74LS138在存储器（RAM）扩展中的逻辑电路设计D0-7Y0Y1D0-7M/IOA7A6A5+A4A3A2ABCG2AG2BG1A1A0A1A0CSD0-7A1A0CSWRRDWRRDWRRDRESETRESETRESETA口B口A口B口C口C口74LS138在I/O接口扩展中的逻辑电路设计1)应用总线收发器提高总线驱动能力总线收发器——Intel8286－A0B0－－A1B1－－A2B2－－A3B3－－A4B4－－A5B5－－A6B6－－A7B7－－/OET

－82862.负载能力的扩展A0A1A2A3A4A5A6A7B0B1B2B3B4B5B6B7VCCGNDDIRG允许G方向控制DIR操作LLHLHX（无效）B数据到A数据总线A数据到B数据总线隔离74LS245(8286)引脚图74LS245真值表地址总线74LS373数据总线CLKREADYRESET8284时钟发生器RESVCCMN/MXVCCAD0AD7AD8AD15AD16AD19BHEALED0D7D0D7D0D5D4GGG74LS245QQQOEOEOEDENDTR/RDIRGRDWRM/IOINTRINTABHEA16~A19A8~A15A0~A7A0~A19D8~D15D0~D7D0~D15控制总线总线图2-78086CPU最小模式硬件电路图74LS373引脚图D0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7VCCGNDOEG允许G控制端OED输出QHHLX（无效）LLLHHLXXHLQ=Q0Z74LS373真值表2)应用接口芯片常用的：74LS373(74LS273)三态输出锁存器1)了解外围设备或被控设备与CPU之间信息交换的要求；2)考虑硬件和软件的功能实现；3)进行I／O端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配；4)I／O接口硬件电路的扩展设计；

5)I／O接口控制软件设计；6)进行接口硬件和软件联调。

四、I／O接口设计的方法、步骤及设计举例1.I／O接口设计的方法、步骤根据系统和对象的要求,应考虑一下几个问题:I／O接口扩展的方案选择(硬件设计):1)购置多功能I／O接口板2)自行设计I／O接口电路:采用通用的集成电路接口芯片扩展I／O接口电路(设计者熟悉的电路)

设计8086CPU微机系统I／O接口电路，有8组8位的数字量外部输入，8组8位的控制和显示数据输出到外部。设计要求：2、I／O接口设计举例一

1)8组8位的数字量外部输入硬件电路设计D0-7Y0Y1D0-7M/IOA7A6A5+A4A3A2ABCG2AG2BG1A1A0A1A0CSD0-7A1A0CSWRRDWRRDWRRDRESETRESETRESETA1口B1口A2口B2口C1口C2口A3口B3口C3口D0-7CSY2A1A0RDWRRESET口地址80H～83H口地址84H～87H口地址88H～8BH设计方法灵活多样，原则是接口电路的选择为设计者熟悉并满足控制系统的要求，选用的接口电路安全可靠，设计简单，价格适中。如上例中可满足要求的接口电路有8155，74LS373，74LS273等电路。同样上例中的输出部分也可以用3个8255或8个74LS373，74LS273来实现。接口地址的安排可以由设计者自己定，不要出现接口地址重复即可。设计要求3、I／O接口设计举例二

设计8086最小模式系统接口电路，采用8255A作为连接打印机的接口，指定8255A的A、B、C和控制端口的地址号分别为FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH。设计：以程序控制方式设计设计要求：8255与打印机连接的硬软件，查询式（程序控制），用C口的一些位做工作状态（灵活应用！）由8255控制打印机工作，8255的口地址可以按要求设计。

在使用中打印机的很多控制线中只使用少数的几个控制信号就可以满足正确打印的要求，其它信号线可以不要。8255PA0PA1PA7PC6PC1系统总线D0D1D7BUSYSTROBE打印机STROBE：告诉打印机是否能发数据。BUSY：=1，数据被打印机取走，=0，数据被打印机取走。注意口地址的要求！A1A2A0A1打印程序如下：INIT55：MOVDX，FFFEH；控制口地址

MOVAL，13H；A方式0、输出、B方式0，输入

OUTDX，AL；C7-4输出、C3-0输入

MOVAL，0DH；C6置1OUTDX，AL；给打印机一个接受数据信号

PRINT：MOVAL，BLAK；BLAK为要打印的数据长度

MOVCL，AL；数据长度送到CL保存

MOVSI，OFFSETDATA1：取打印数据存放地址

GOON：MOVDX，FFFCH

；设C口地址

PWAIT：INAL，DX；取回C口的内容

ANDAL，02H；判断C1位，打印是否准备好

JNZPWAIT；C1=0ZF=0则转去继续查询等待

MOVAL，［SI］；准备好，取一个字符

MOVDX，FFF8H；送打印字给A口

OUTDX，AL；送数据MOVDX，FFFEHMOVAL，0CH：C6置0，使该位有跳变

OUTDX，AL；按位置位控制字

MOVAL，0DH；C6置1，给打印机一个接受数据信号

OUTDX，AL；送脉冲

INCSI；打印数据区地址移到下一个数据位置

DECCL；数据长度减1JNZGOON；全部数据打印完吗？没完返回继续打印

RET；全部数据打印完，返回主程序在此例中，为了保证打印机正确的接收到数据，先给出一个查询信号STROBE，在打印机接到这个信号后并且处在“闲”状态时，就回答给出BUSY=1，CPU就可以将要打印的数据送到A口，同时发出STROBE信号，告诉打印机，要发送下一个数据。第四节I／O通道模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道

I／O通道分为：

模拟量接口数字量接口定时/计数接口

I/O通道在计算机和生产过程之间起到起桥梁的作用

一、模拟量输入通道主要组成：

信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、A／D转换器控制电路。任务：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。组成：标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。标度变换器：作用：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号。滤波电路：作用：滤掉或消除干扰信号，保留或增强有用信号。线性化处理：有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。所以必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。

电参量间的转换电路：

主要进行电信号之间的转换。

1、信号处理装置注:在实际应用中信号处理装置购置满足要求的标准设备作用：把各路模拟量分时接到A／D转换器进行转换，实现CPU对各路模拟量分时采样。组成：开关矩阵及逻辑控制电路。

开关矩阵——模拟开关的组合

逻辑控制电路——在软件或通道控制电路的控制下，以一定速度，按顺序输入被测模拟信号。2、采样单元模拟开关电路CD405l组成：逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路。

主要特性：

直流供电电源：VDD＝+5V～+15V，数字信号电位变化范围：3～15V

输入电压：UIN＝0～VDD，模拟信号峰峰值：15V作用：多个通路共用一个数模转换器。在实际应用中,当系统的输入或输出的模拟量信号很多时，为了节省模拟转换电路，把各路模拟量分时接到A／D转换器进行转换，实现CPU对各路模拟量分时采样。多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如D4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。双向，既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；单向只能完成多到一的切换。在实际应用中根据控制系统的要求选择合适的模拟开关。CD4051结构原理图0S2S3S4S5S6S7S1S动驱码译换转平电ABCINHmS当禁止端INH为“1”时，前后级通道断开，即S0-S7端与Sm端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0-S7中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、A=111时，通道S7选通。其真值表如表3-1所示。CD4051应用扩展电路两个CD4051扩展为1×16路模拟开关的电路。数据总线D3～D0作为通道选择信号，D3用来控制两个多路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S0～S7通道；当D3=1时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S8～S15通道。如此，组成一个16路的模拟开关。图3-4多路模拟开关的扩展电路采样保持电路：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中保持模拟信号。

★采样状态★保持状态3、采样保持两个工作状态：采样保持集成芯片LFl98主要特性：供电电源：±5V～±18V；信号获取时间：<10ns；可以和TTL、PMOS、CMOS逻辑输入兼容；典型保持电容：1000pF、0.01μF。

4、数据放大器把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的A／D转换器输入电平。5、A／D转换器把通道输入的模拟量转换成数字量，通过I/O接口电路送入CPU。f(t)Kf*(t)T二、采样与量化用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。1．采样过程：香农(Shannon)定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为ωmax，只要按照采样频率ωS≥2ωmax进行采样，那么取出的样品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢复)f(t)。采样定理X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a)采样开关(b)连续信号(c)开关函数（1）采样过程与数学描述X*(t)kT05T3TT7T1(d)采样信号调制器X(t)X*(t)P(t)(e)采样过程x*(t)=p(t)x(t)因τ0＜＜T所以分析时可近似认为τ0为0，以单位脉冲函数δ(t)代替p(t)。单位脉冲序列：δT(t)kT0数学表达式：单位脉冲函数定义：理论表达形式：δ(t)＝0∞

t=0t≠0工程表达形式：δ(t)＝01

t=0t≠0采样过程数学描述:考虑物理上可实现，又可近似为：可见，x*(t)具有离散信号的特性。采样定理（不同的描述）

对于角频率范围为（）的连续信号进行采样，当采样频率时，采样器的输出信号x*(t)就能充分表征原始的连续信号x(t)，换言之，为使采样信号的频谱能无失真地恢复原来的连续信号的频谱，采样周期T必须小于输入信号变化最小周期的1/2，即：由于被控对象一般具有低通滤波特性，因而x(t)的带宽是有限的，其的振幅谱图如下：（1）（2）（2）采样周期选择（1）加于生产过程的扰动程度；（2）被控过程的动态特性；（3）使用的控制方式和执行机构的类型；（4）被控过程所要求的控制品质指标。影响采样周期选择的因素：（3）采样周期选取的一般原则：（1）系统受扰动情况。若扰动和噪声都较小，采样周期T应选大些；。对扰动频繁和噪声大的系统，采样周期T应选小些；（2）被控系统动态特性。滞后时间大的系统，采样周期T应选大些；。对于快速系统，采样周期T应选小些；（3）控制品质指标要求。若超调量为主要指标，采样周期T应选大些；。若希望过渡过程时间短些，采样周期T应选小些；2、量化过程

用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。fmax：转换信号的最大值；fmin：转换信号的最小值；i：转换后二进制数的位数。

量化单位为：三、

模拟量输出通道功能：把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中的控制回路上，完成对执行机构的控制动作。输出保持器的作用：将前一采样时刻的输出信号保持到下一个采样时刻，重新得到新的输出信号。组成：D／A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路。输出保持方案：数字量保持方案；模拟量保持方案。1、一个输出通路设置一个D／A转换器的结构形式

2、多个输出通路共用一个D／A转换器的结构形式零阶输出保持器Y(t)Y(t)tt00无保持有保持Gh(S)h1(t)h2(t)h1(t)t0h2(t)t0零阶输出保持器的目的是在计算机采样的间隔使其输出维持上一采样的结果，使输出的结果变为连续的阶梯信号。一般D/A都带保持器。微机数据监测与控制系统示意图四、模拟量输入输出通道工作过程分析D0--D7ADC0809和DAC0832与8255相连接的硬件电路图D0-D7IOUT1IOUT2_+XFERRFBWR2DGNDWR1CSPA0PA7D0-D7PB0PB7PC2PC1PC0PC4PC5PC6ADDCADDBADDAEOCSTARTALEOEIN0IN1IN6IN7ILE+5VPC7CLKD0-D7CSRDWRA0A1模拟量输出模拟量输入825508320809CSPC3t模拟信号A8H96H7BH数字信号的量模拟量的幅值和数字量的值之间是一一对应的关系，区别是模拟信号是时间连续的,数字信号是时间不连续的,是一脉冲序列。完成上述功能的过程为模拟量到数字量的转换。图10-15模拟信号与数字信号的关系模拟信号和数字信号的转换关系:VOUT01H02H03H32H68HtT1T2T3T4图中时间坐标的最小分度ΔT是相邻的两次输出数据的时间间隔，模拟量坐标的最小分度是1LSB。但如果D/A转换器的分辨率较高，ΔT很短，那么这条曲线的台阶就很密，基本上就是光滑的连续信号。数字信号和模拟信号的转换关系:五、数字量输入输出通道

编码数字：多个开关的开与闭按二进制方式计算其实际值，如常用的给定量拨码器。开关量（数字量）：开关的开与闭，表现为0或1。表现外部开关的状态。脉冲列：用于对外部时间或脉冲信号计数。如定时/计数器。数字输入信号分三类：数字量或开关量根据其实际应用中信号源的不同，为了适合计算机接口电平的要求，在使用中一般需做必要的信号的转换。常用的电平转换电路：

由数字电路实现的电平转换，常用于行程开关或按钮由继电器隔离的电平转换，用于行程开关或按钮由光电隔离的电平转换，用于行程开关或按钮光电隔离处理光电耦合器工作原理光电耦合器的电平转换光电耦合器的目的是将外部的电信号与计算机系统隔离，避免外部的高压信号进入计算机。常用的计算机控制系统都用光电耦合器来实现隔离。光电耦合器有开关信号和模拟信号信号之分。数字量输出通道的结构特点：直接和并行接口电路的输入输出口连接，加光电隔离电路。并行接口可根据需要选用8255，8155，74LS273，74LS373等。脉冲或定时器可选用8253，8254等。+5V直接和并行接口电路的输入口连接。WRRDPB7WRY4…..+5V…..RDK0K7D0~D7CSA1A074LS138CBAG1G2AG2BA7A6A5A4A3A2A1A0PA0PA7M/IO到CPU数据总线PB0PB1L0L1L7光电偶合光电偶合数字量输入接口电路数字量输出接口电路接口电路外加硬件计数器。

8253与CPU的外部接口电路图CLK110KHZ8253CLK210KHZOUT2CLK0时钟GATE0OUT0GATE1OUT1GATE2DB0--DB7RDWRA0A1CS与8086相连作用：把数字量转换成模拟量。此内容为微机原理与接口技术课程内容第五节D／A转换器1、D／A转换器的性能指标1）分辨率定义：当输入数字量变化1位时，输出模拟量变化的大小。对于一个N位的D／A转换器其分辨率为：例如：对于满刻度值5.12V，单极性输出，8位D／A的分辨率为：5.12V/27＝20mVl0位D／A的分辨率为：5.12V/29=5.12V/1024＝5mV12位D／A的分辨率为：5.12V/211=5.12V/4096＝1.25mV分辨率是一个非常重要的指标，在控制系统中决定着系统的控制精度。(重要指标)

D/A转换器的位数越高,转换的分辨率越高.在实际应用中,选择多少位的D/A要根据控制精度确定.定义：在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差。一般用最低有效位LSB的分数来表示。为0.01％～0.8％。(重要指标)

较好的D／A转换器工作温度范围为一40～85℃，较差的为0～70℃。(军品的温度范围大)(重要指标)

3)线性误差定义：数据变化量是满刻度时，达到终值±1/2LSB时所需要的时间。一般D/A的转换时间很短,一条指令的时间即可完成。

2)稳定（转换）时间4)工作温度范围例如：满足速度、精度、分辨率及经济性能要求的有：►通用、廉价的D/A转换器：AD1408、AD7524、AD558。►高速、高精度D/A：AD562、AD7541。►高速D/A：AD561、DAC-08。►高分辨率D/A：DAC1136、DAC1137等。为了应用的灵活性，有：►可选择输出电压双极性的：AD7524、AD7542。►芯片内带有数字寄存器可与CPU数字总线直接相连的AD558、AD7524。常用的D/A转换器芯片及其接口电路

1）外部结构特征采用20引脚、双列直插式集成电路芯片。主要参数：分辨率8位，电流稳定时间1μs，电流输出，与TTL电平兼容；功耗20mW。1、常用的8位DAC0832及接口电路DAC08321D3RfbDGNDVCCWR2XFER2345678910D2D1D0VREF11121314151617181920CSWR1AGNDILED4D5D6D7IOUT2IOUT1图10-7DAC0832内部结构图8位输入寄存器11932010VREFIOUT2IOUT1RfbAGNDVCC(+5V或+15V)DGND191217ILELE18位DAC寄存器D0D7输入数据CS+WR118WR2XFERLE2812Rfb(模拟地)(数字地)8位D/A变换网络&&D0～D7：8条输入数据线；ILE：输入寄存器选通命令，它与CS

、WR1

配合使输入寄存器的输出随输入变化；ILE=1：

CS=0,WR1=0时LE1=1,数据线上的数据被锁存到输入寄存器后不在变化。8位输入寄存器11932010VREFIOUT2IOUT1RfbAGNDVCC(+5V或+15V)DGND191217ILELE18位DAC寄存器D0D7输入数据CS+WR118WR2XFERLE2812Rfb(模拟地)(数字地)8位D/A变换网络&&WR2=0,XFER=0时LE2=1,数据输入寄存器的内容到DAC寄存器，WR2

上升沿时，将输入寄存器中的数据被锁存在DAC寄存器中。CS

：片选信号；WR1

：写输入寄存器信号；WR2

：写转换寄存器信号；XFER：允许输入寄存器数据传送到变换寄存器；VREF：参考电压输入端，其电源电压可在-10～+10V范围中选取；IOUT1、IOUT2：D/A变换器差动电流输出；Rfb：反馈端，接运算放大器输出；AGND：模拟信号地；DGND：数字信号地；VCC：电源电压，可用+5V(或+15V)。注意：D/A转换器没有形式上的启动信号。实际上后一级寄存器的控制信号就是D/A转换器的启动信号。另外，它也没有转换结束信号。D/A转换的过程很快，一般还不到一条指令的执行时间。参考技术资料！D/A芯片将数字量转换为模拟量时有两种输出形式，即电流型与电压型。①单极性输出电路，为反相输出电路，其输出电压为：(3)DAC0832的几种典型输出连接方式常用的一种典型电路!D/AVOUT－＋RR1R2D/A－＋Iout1UOUTRIout2RfbD0D7

(b)同相输出

(a)反相输出；

②双极性输出电路。在某些微机应用系统中，要求D/A的输出电压是双极性的，例如要求输出-5～+5V。在这种情况下，D/A的输出电路要做相应的变化。下图为DAC0832双极性输出电路的实例。双极性输出电路D/AVOUTVREF－＋A1RfbV1R2R3－＋A2R4VREF(3)DAC0832与8086微处理器的连接用D/A产生锯齿波的程序DAOUT：MOVDX，口地址；端口地址送DXLOOP1：MOVAL，FFH；准备起始输出数据

ROUND：OUTDX，ALDECALJNZROUND；循环形成周期锯齿波

JMPLOOP1ttVoutVout单极性输出波形双极性输出波形DAC0832与8086总线连线图8086DAC0832VCCILERFBIOUT1DGNDAGND74LS138CBRF＋5VVOUTD7～D0

WRM/IO

G2A

G2BG1A

Y7

Y0

Y1

CSRW＋－IOUT£²

WR12WRXFERD7～D0地址线0832与8255的连接方式82558086PA0~PA7PB4PB3PB2PB1PB0D0~D7ILECSWR1WR2XFERVREFRFBIOUT1IOUT2+5V-+V0这种设计方法占用8255的两个口,不直接与CPU连接,常用于接口电路较多时,可以减少总线的驱动负载,为一种最常用的0832的硬件连接方式。对五个控制信号的要求为：只要ILE为高，其它为低就可以工作。WR1、WR2、XFER可以直接接地。DAC0832与8255的连接图用上图设计的0832硬件电路实现的锯齿波发生器程序设计1）8255初始化MOVDX，0203H；8255的方式字；A口方式0，输出MOVAL,80H；B口方式0，输出OUTDX，AL；8255B口DAC转换MOVDX，0201HMOVAL,10H；置ILE（PB4）为高，并且CS=0就可以）OUTDX，AL接上面的锯齿波发生器程序段，注意口地址的变化！！！CPU与DAC0832的接口2、12位D／A转换器DAC12101）DAC1210的主要性能及特点★特点：

►线性规范只有零位和满量程调节；►和所有的通用微处理机直接接口；►单缓冲、双缓冲或直通数字数据输入；►与TTL逻辑电平兼容。

★主要技术指标：

►输入数字为12位二进制数字；

►分辨率12位；►电流建立时间1μs；►供电电源+5～+15V(单电源供电)；►基准电压VREF范围-10～+10V。2）DAC1210引脚说明第六节A／D转换器常用的A／D转换器有：计数器式双积分式逐次逼近式组成：计数器、D／A转换器及比较器工作过程：特点：结构简单，价格便宜，但转换速度比较慢。1、A／D转换器原理

1)计数器式A／D转换器组成：逐次逼近寄存器D／A转换器比较器时序（时钟）置数选择逻辑工作过程：如果Ui≥UO，应予保留；如果Ui<UO，应予清除。2)逐次逼近式A／D转换器工作原理：1）当START由0变为1有效时，逐次逼近寄存器的输出缓冲器清0，当START变为1时，转换开始。2）逐次逼近寄存器如（天平称重），从最高位试探性的置1（是满量程的一半），比较VO和VI的大小，决定1的走向，然后继续比较，直到VO=VI。D0~D7控制电路逐次逼近寄存器D/A转换DAC输出缓冲器CLKEOCSTARTVIVO比较器逐次逼近的工作原理D0~D7控制电路逐次逼近寄存器D/A转换DAC输出缓冲器CLKEOCSTARTVIVO比较器3）当比较器的输出为0，即：输入和逐次逼近后的值相等时，转换完成，同时使EOC为高电平，表明一次转换完成。1）必须要有一个启动转换开始的信号(START)，一般为一个信号的跳变，先使其由0变为1时，所有内部寄存器清零,清除留在转换器中上次转换的值。然后再由1变为0，启动转换。2）转换完成后有一个信号指示出本次转换完成，没有新的启动信号，转换器就一直保存上次转换的数据做为输出。转换时间清0开始转换转换完成转换期间保持低电平STARTEOC开始新的转换A/D转换的两个关键过程：3)双积分式A/D转换器方法：测量模拟输入电压向电容充电的固定时间及测量在已知标准电压下放电所需的时间。工作过程：优点：

消除干扰和电源噪声的能力强，精度高。缺点：

转换速度慢。2、A／D转换器的主要技术参数是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。n位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。量程是指所能转换的电压范围。1）分辨率2）量程

►绝对精度常用数字量的位数表示。►相对精度用相对于满量程的百分比表示。

如10位A／D转换器，满量程为10V。►绝对精度为1/2×10/29=±4.88mV，►相对精度为l／29×100％≈0.1％。

3）转换精度

转换时间是指启动A／D到转换结束所需的时间。较好的转换器件工作温度为-40～85℃差的只有0～70℃。4）转换时间5）工作温度范围1）8位A／D转换器ADC809主要特点：

分辨率8位；转换时间100s；温度范围-40～+85℃；可使用单一的+5V电源；可直接与CPU连接；输出带锁存器；逻辑电平与TTL兼容。3、常用A／D转换器（1）ADC0809引脚如图所示。其中：D0-D7：输出数据线；IN0-IN7：8路模拟电压输入端；ADDA，ADDB，ADDC：地址输入，ADDA是最低位，ADDC是最高位；START：启动信号输入端，上升沿清零，下降沿有效；

10-19ADC0809引脚图2)8位A/D变换器芯片ADC0809ADC0809的工作时序EOC通道地址ADDA-CCLKSTARTALEOE数据D0-D764个时钟周期转换时间ALE：地址锁存，用来锁存ADDA～C的地址输入，上升沿有效；EOC：转换结束信号，高电平表示一次变换已结束；该信号可以作为转换完成后的中断信号线，给8259的IRN。OE：读允许信号，高电平有效，为高时转换结果到数据线上；ADC0809的工作时序EOC通道地址ADDA-CCLKSTARTALEOE数据D0-D764个时钟周期转换时间CLK：时钟输入端，由外部提供，其频率决定转换时间的长短，时钟频率的范围为10KHZ-1.2MHZ；当时钟频率为1.28MHZ时，转换时间为50μS；当时钟频率为64KHZ时，转换时间为100μS

（2）ADC0809与CPU的硬件电路设计方法：ADC0809与CPU的硬件电路接口图IOR=M/IO+RDIOW=M/IO+WREOCCS（3）连接方式

直接连接上图为典型的0809与CPU的总线连接硬件电路，可以满足不同型号的CPU连接，要注意的问题有：1）在上图中可以不要EOC信号指示转换完成，但在程序中必须给出足够的转换时间，否则CPU读回的数据是上一次的转换值。2）启动信号START和地址锁存信号ALE可以连接在一起，两者的时序相同。3）读取信号可以用CPU的读信号RD和M/IO的组合来完成读操作。4）片选信号可以用译码输出选通，0809就有一个专用的口地址，这个地址即可实现读转换好的数据，又可做为启动信号，使0809实现转换启动。也可以直接接地，由其它的地址译码后控制START和OE，来实现对0809的启动和读控制用ADC0809对8路模拟信号进行循环采样，各采集100个数据分别存放在数据段内的8个数据区中，采用无条件传送方式。接口电路如上图所示。设图中通道IN0-IN7的地址依次为380H387H，则信号采集程序如下：

DATA SEGMENT COUNT EQU100 BUFF DBCOUNT*8DUP(？) DATA ENDS STACKSEGMENT stack DW 200DUP(?) STACK ENDS CODE SEGMENTASSUMECS：CODE，DS：DATA，SS：STACKSTART：MOVAX，DATAMOVDS，AX；设置数据段的段地址MOVAX，STACKMOVSS，AX；设置堆栈段的段地址MOVBX，OFFSETBUFF；设置存放数据区首地址MOVCX，COUNT；设置采样次数OUTL：PUSHBXMOVDX，0380H；指向通道0MOVAL，00H；启动0通道，（转换那个通道由给定地址；决定）INLOP：OUTDX，AL；启动指定通道开始转换MOVAX，50000

；(最大65535)延时，等待转换结束利用软件延时等待转换时间

WT：DECAX；软件延时,不用EOC的状态来判断是否转换好

NZWTINAL，DX ；读取转换结果

MOV[BX]，ALADDBX，COUNT ；指向下一个通道的存放地址

INC DX ；指向下一个通道的地址

CMPDX，0388H

；8个通道都采集了一遍吗？

JZINLOP；没完，返回继续；都采样一次,则开始下一；轮的采样.POPBX ；弹出0通道的存放地址

INCBX ；指向0通道的下一个存放地址

LOOPOUTL；CX-1=0?所要求的采样次数完吗?没完返；回继续。。。。。CODEENDSENDSTARTADC0809与8255的硬件连接应用举例在使用中0809可以与8255相连接，此时，0809无指定的地址口，它的工作过程完全由8255控制。IN7在实际应用时这两个信号可以连接在一起，转换完成就可读出。IN0IN1IN2ADDCADDBADDACSOEEOCPB0-7PC2PC1PC0PC3PC4PC582550809D0-D7STARTALECLKPC6外部时钟信号上图的设计中注意的问题1、启动信号和地址锁存信号一般连接在一起2、读控制信号OE与8255连接时，OE=1后，才可由8255的A口读转换完的数据，如果OE与EOC相连接，则只要有EOC=1，就可读出转换的数据，如图虚线所示。3、转换完成由8255的PC5（EOC）的状态决定，要判断该位的状态。4、选择那个通道作为模拟量输入，由PC0-2决定，可以通过软件对8255C口的控制来实现。5、对8255实现操作时，PC3（CS）必须始终保持为低电平。6、位操作不影响C口其它位的状态，即不影响其它位的工作。程序设计如下：循环程序（8255口地址：70H-73H）8255MOVSI，OFFSETDATA；采样数据存放区首地址MOVAL，1XXX1010B；8255口A任意，C口PC4-6输入OUT（73H），AL；PC3-0输出，B口方式0，输入CAIYANG：MOVAL，XXXX0000B；C口输出，选0通道IN0，CS=0OUT（72H），AL；CS=0，送数据到C口，MOVAL，0XXX1100B；8255位控，PC6=1，清0809OUT（