第3章南邮IO接口与过程通道

第3章I/O接口与过程通道南京邮电大学电气信息工程系3.1输入输出与过程通道3.2模拟量输入通道3.3模拟量输出通道3.4D/A、A/D转换器的电源、接地与布线3.5硬件抗干扰技术OUTLINE3.1数字量输入输出通道数字量（开关量）信号：开关的闭合与断开继电器或接触器的吸合与释放马达的启动与停止阀门的打开与关闭用“0”和“1”表示1.数字量输入接口74LS244：隔离输入和输出起缓冲作用八个通道，可同时输入8个开关状态MOVDX,PORTINAL,DX生产过程的状态信息3.1.1数字量输入输出接口技术1A11Y11A21Y21A31Y31A41Y41A51Y51A61Y61A71Y71A81Y8输入接口D0D1D2D3D4D5D6D7PC总线2G1GCSIOR74LS2442.数字量输出接口控制状态需要保持，直到下次给出新的值为止MOVAL,DATAMOVDX,PORTOUTDX,AL可用锁存器74LS273对状态输出信号进行锁存数字量输出接口

D0CLKCLR74LS273D2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC总线输出接口基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号1、数字量输入通道结构输入调理电路输入缓冲器地址译码器生产过程PC总线3.1.2数字量输入通道输入调理电路－把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成计算机能够接收的逻辑信号小功率输入调理电路大功率输入调理电路2.输入调理电路－开关去抖电路图3.4采用积分电路（1）小功率输入调理电路RSQQ0110100111保持R—S触发器去抖电路（2）大功率输入调理电路大功率系统中，需从电磁离合等大功率器件的接点输入信号为使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压由于所带电压高，故高、低压之间，用光电耦合器进行隔离图3.6大功率信号输入电路输出驱动器输出锁存器地址译码器生产过程PC总线1、数字量输出通道结构3.1.3数字量输出通道小功率直流驱动电路大功率驱动电路2、输出驱动电路采用功率晶体管输出驱动继电器电路采用高压输出的门电路驱动图3.8继电器驱动电路（1）小功率直流驱动电路达林顿阵列输出驱动继电器电路（2）大功率驱动电路(a)直流固态继电器的结构可以利用固态继电器(SSR)等实现I/O接口+5V74LS04R(b)交流固态继电器的结构I/O接口+5V74LS04R数字(开关)量输入/输出通道模板举例PCL-730板卡组成框图3.2模拟量输入通道功能：把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机3.2.1模拟量输入通道的组成过程参数PC总线模拟量输入通道检测信号调理多路转换器采样保持器A/D转换器接口逻辑电路图3.10模拟量输入通道的组成结构信号调理部分将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号依据检测信号及受干扰情况的不同而不同是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压转换、滤波、线性化、共模抑制及隔离等3.2.2信号调理1、量程自动转换技术单参数测量系统传感器放大电路A/D转换微型机显示传感器多路转换开关放大电路A/D转换微型机显示传感器传感器传感器多参数测量系统量程自动转换：根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求可编程增益放大器(ProgrammableGainAmplifier)，简称PGA

可编程增益放大器有两种：组合PGA和集成PGA

仪用测量放大器电路A3A2A1图3.13组合PGA组合PGAMCP6S系列产品主要特点：8种可编程增益选择：+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16或+32V/V；SPI串行编程接口；级联输入和输出；低增益误差，最大：±1%；低漂移，最大：±275μV；高带宽频率，典型值：2～12MHz；低噪声，典型值：10nV/rtHz@10kHz低电源电流，典型值：1mA；单电源供电，2.5V～5.5V；集成PGA表3.2引脚说明引脚名称功能Vout模拟输出CH0～CH7模拟输入Vss负电源VDD正电源SCKSPI时钟输入SISPI数据输入SOSPI数据输出CSSPI片选VREF外部参考电压R1R2CIV+5V图3-19无源I/V变换电路精密电阻V=R2*I无源I/V变换2.I/V变换图3-20有源I/V变换电路A＋－R1R3R2R4R5CIVViA=1+R4/R3V=A*R1*I输入阻抗高，输出阻抗低输出限流，保护运放有源I/V变换2.I/V变换控制禁止端1：断开0：由ABC选通CD4051的原理电路图3.2.3多路转换器表3.4CD4051的真值表输入状态接通通道INHCBA

0000000011001020011301004010150110601117CD4051的真值表1.信号的采样采样过程（简称采样）是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程图3.22信号的采样过程3.2.4信号的采样和量化采样频率由香农（Shannon）采样定理确定：ωs≥2ωmax

一般取：ωs≥(4～10)ωmax2.量化量化：采样信号经整量化后成为数字信号的过程量化过程就是用一组数码（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，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，其表达式为：3.2.5采样保持器

孔径时间和孔径误差的消除采样保持原理3.2.5采样保持器采样保持器的主要作用：

(1)保持采样信号不变，以便完成A/D转换(2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量(3)减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间(4)把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/389图3.23LF198/298/398原理图及引脚(a)LF198/298/398原理图(b)LF198/298/398的引脚排列3.2.6A/D转换器A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件A/D转换方法有逐次逼近式、双积分式、并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈式等常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0801、ADC0809等，12位分辨率的AD574A等；常用的双积分式A/D转换器有3位半（相当于2进制11位分辨率）的MC14433等1、A/D转换器的主要指标A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间分辨率：分辨率表示A/D转换器对模拟信号的反应能力，通常用数字量的位数n（字长）来表示量程：即所能转换的电压范围1、A/D转换器的主要指标精度：精度有绝对精度和相对精度输出逻辑电平：多数为TTL电平，有并行和串行两种输出形式工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标基准电源的精度将对整个A/D转换结果的输出精度产生影响(1)8位A/D转换器ADC0809ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装表3.5C、B、A与通道关系表CBA所选通道000VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN72、常用的A/D转换器图3.25AD574内部结构图(2)12位A/D转换器AD574A表3.2AD574A控制信号状态表CER/12/A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X一次读取12位输出数据10100输出高8位输出数据10101输出低4位输出数据尾随4个0AD574A引脚功能硬件连接设计软件程序设计模拟量输入信号的连接、数字量输出引脚的连接、参考电平的连接、控制信号的连接主要包括控制信号的编程，如：启动信号、转换结束信号以及转换结果的读出3.2.7A/D转换器接口设计

1．硬件设计模拟量输入信号的连接数字量输出引脚的连接参考电平的连接时钟的选择A/D转换器的启动方式转换结束信号的处理

1．硬件设计转换结束信号的硬件连接有三种形式：①中断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上。②查询方式：把转换结束信号经三态门送到PC数据总线或I/O接口的某一位上。③转换信号悬空：即该管脚与其它管脚之间无电气连接。2．软件设计启动A/D转换，中断、查询或延时等待转换时间后根据数据输出格式读出转换结果(1)启动A/D转换(2)转换结果的读出。①中断方式：②查询方式：③软件延时方法：D0D1D2D7～D0++图3.27ADC0809与PC总线的连接3.2.8A/D转换器与PC接口1．ADC0809与PC总线工业控制机接口一次A/D转换操作分两步进行：(1)启动ADC0809，并锁存通道地址(2)判断A/D转换结束并读出转换结果START：MOVAL，00H；设定通道数OUT220H，AL；送通道地址、启动A/D转换CALLDELAY；等待转换完成IN AL，220H；读取A/D转换结果设ADC端口地址为220H，要把0通道的模拟量转换成数字量，利用软件延时方式实现图3.28AD574A通过8255A与PC总线的连接图2．AD574A与PC总线工业控制机接口首先进行8255A的初始化实现一次A/D转换包括A/D转换的启动、检测转换是否结束、数据的读出采用查询方式2．AD574A与PC总线工业控制机接口(1)8255A初始化设置INIT：MOVAL，9AH；设置A、B口及C口的工作方式MOVDX，2D3H；8255A的控制寄存器OUTDX，AL；方式字送控制寄存器(2)启动A/D转换START：MOVAL，00HMOV DX，2D2H ；8255A的端口COUT DX，AL ；使=0，启动A/D转换(3)检测转换是否结束及数据的读出LOOP：MOVDX，2D2H；8255A的端口C INAL，DX ；查询STS的状态 TEST AL，80H JNZLOOP；转换未完成则等待 MOV AL，01H；置位，即=1 OUT DX，AL DEC DX；指向8255A的端口B IN AL，DX；读入端口B高8位数据 MOV [BX+1]，AL ；数据保存 DEC DX；指向8255A的端口A IN AL，DX；读入端口A数据 ANL AL，0F0H ；屏蔽低四位数据MOV [BX]，AL ；数据保存3.3.1模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、采样保持器、V/I变换等组成。1、一个通路设置一个D/A转换器的形式接口D/AD/AV/I转换器V/I转换器PC总线通道1通道n图3.29一个通路一个D/A转换器的结构3.3模拟量输出通道2、多个通路共用一个D/A转换器的形式接口D/A多路开关采样保持器采样保持器V/I转换器V/I转换器通道1通道nPC总线图3.30多个通路共用一个D/A转换器的结构

D/A转换器：将数字量转换成模拟量的元件或装置，其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比例输入输出关系：

V＝Vref×D/(2n－1)

常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器3.3.2D/A转换器1.D/A转换器的主要技术指标主要技术指标有分辨率、建立时间、非线性误差等分辨率：用D/A转换器数字量的位数n(字长)来表示建立时间：指D/A转换器中代码有满度的变化时，其输出达到稳定(离终值±1/2LSB相当的模拟量范围内)所需要的时间非线性误差：实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量

输出信号：不同型号的DAC输出信号相差较大，如0～5V、0～10V、0～30V、0～3A等输入编码：一般为并行或串行二进制码输入，也有BCD码输入2.D/A转换器

8位D/A转换器DAC08324图3.33DAC1210的内部结构12位D/A转换器DAC1210

3.3.3D/A转换器接口技术D/A转换器应用接口的设计，主要包括数字量输入信号的连接以及控制信号的连接D/A编程相对简单，包括：选中D/A转换器、送转换数据到数据线，启动D/A转换1.数字量输入信号的连接数字量输入信号连接时要考虑数字量的位数，D/A转换器内部是否有锁存器。2.控制信号的连接片选信号、写信号及转换启动信号图3.34DAC0832与PC总线接口电路3.3.4D/A转换器与PC接口1、8位D/A转换器DAC0832与PC的连接若DAC0832的地址为：200H，则8位二进制数56H转换为模拟电压的接口程序如下：CONVERT：MOVDX，200H ；DAC0832地址MOVAL，56H；要转换的立即数OUTDX，AL；CS/=WR1/=0，启动D/A转换DAC1210与PC总线的连接2.12位D/A转换器与PC的连接CONVERT：MOVAL，68H；高8位数据 MOV DX，220H； OUT DX，AL；=0，=1，=0，高8位数据送数据线 INC DX ；修改地址指针，指向221H MOV AL，0F0H；低4位数据 OUT DX，AL；=0，=0，=0，低4位数据送数据线 INC DX；修改地址指针，指向222H OUT DX，AL；启动12位数据开始转换转换12位二进制数68FH，则程序如下3.3.5D/A转换器的输出形式D/A转换器的输出有电流和电压两种方式一般电流输出需经放大器转换成电压输出电压输出可构成单极性电压输出和双极性电压输出电路单极性电压输出指输入值只有一个极性(或正或负)，D/A的输出也只有一个极性双极性电压输出指当输入值为符号数时，D/A的输出反映正负极性D/A转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，而与其位数无关利用DAC0832实现的单、双极性输出电路图3.36单、双极性输出电路R1=2RR3=2RR4=RR2=R根据上面两式，对于8位D/A转换器，有：D=0时，D=80H时，D=FFH时，实现了双极性输出1、V/I变换电路图3.37V/I转换电路3.3.6V/I变换2、集成V/I变换器ZF2B202、集成V/I变换器ZF2B20集成V/I转换器AD694集成V/I转换器AD6943.4D/A、A/D转换器的电源、接地与布线数据采集系统中，接地点分为两类：逻辑电路的返回端(数字地)和模拟公共端(模拟地)模拟电源和数字电源分别接地，所有器件的模拟地和数字地也要分别连接，然后，再把这两种“地”用一根导线连接起来在全部电路中的数字地和模拟地仅仅连在一点上，在芯片和其它电路中不可再有公共点图3.39正确的地线连接3.4D/A、A/D转换器的电源、接地与布线接地电源D/A、A/D转换电路中，供电电源电压的不稳定会影响转换结果一般要求纹波电压小于1%，可采用钽电容或电解电容滤波。为改善高频特性，还应用高频滤波电容电路板设计时，每个芯片的电源线与地线之间要加旁路电容，并应尽量靠近D/A、A/D转换芯片，一般选用0.01～0.1µF的电容布线印刷电路板布线的一般原则：尽量缩短传输导线长度；数字信号与模拟信号尽量远离；电源线和地线的电流密度不应太大，以减少电源线和地线引入的干扰；印刷电路板中导线宽度与电流关系一般为2A/mm模拟量输出通道模板举例PCL-726板卡组成框图3.5硬件抗干扰技术干扰就是有用信号以外的噪声或造成计算机或设备不能正常工作的破坏因素外部干扰指与系统结构无关，由外界环境决定的影响系统正常运行的因素，如空间或磁的影响，环境温度、湿度等的影响等内部干扰指由系统结构、制造工艺等决定的影响系统正常运行的因素，如分布电容、分布电感引起的耦合、多点接地引起的电位差、寄生振荡引起的干扰等串模干扰(常态干扰)：串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声共模干扰(共态干扰)：共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压3.5.1过程通道抗干扰技术1、串模干扰的抑制(1)滤波法图3.40RC滤波器3.5.1过程通道抗干扰技术(2)对于电磁感应产生的串模干扰，应对被测信号尽可能早的进行信号放大，以提高电路中的信号噪声比；或者尽可能早的完成A/D转换再进行长线传输；或者采用隔离和屏蔽等措施(3)从选择元器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰，如采用双积分A/D转换器；也可以采用高抗干扰度的逻辑器件，通过提高阈值电平来抑制低频噪声的干扰；此外，也可以人为地附加电容器，以降低某个逻辑器件的工作速度来抑制高频干扰(4)利用数字滤波技术对已进入计算机的串模干扰进行数据处理，可以有效地滤去难以抑制的串模干扰共模干扰示意图2、共模干扰的抑制(1)利用双端输入的放大器作前置放大器，如AD521等(2)利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载和数字信号隔离，即“模拟地”与“数字地”断开，被测信号通过变压器或光电耦合器获得通路，而共模干扰不能形成回路而得到抑制图3.42输入隔离(3)采用双层屏蔽—浮地输入方式该方法是将测量装置的模拟部分对机壳浮地，从而达到抑制干扰的目的3、数字量传输通道的干扰抑制

(1)数字信号负逻辑传输提高输入信号的电压等级(2)提高数字信号的电压等级(3)通过光电耦合隔离(4)提高输入端的门限电压图3.46提高门限电压的抗干扰电路图3.47一般供电结构过压、过流保护措施，在重要的场合要配有UPS不间断电源3.5.2系统供电与接地技术1、接地分类(1)安全接地：保护接地、保护接零(2)工作接地：浮地方式、直接接地方式、电容接地方式(3)屏蔽接地2．接地技术(1)浮地—屏蔽接地(2)一点接地(3)多点接地(4)屏蔽接地(5)设备接地图3.48一点接地的两种方法基于串行总线的计算机控制系统硬件技术基于RS-485的分布式