第4章输入输出通道B

第四章过程输入、输出通道

1、过程输入输出通道的控制方式2、模拟量输出通道3、模拟量输入通道4、量化误差与字长选择

5、数据预处理6、数字量输入输出通道

本章主要内容4.1过程输入输出通道的控制方式4.1.1通道与CPU交换的信息类型(1)数据信息

(2)状态信息

(3)控制信息4.1.2过程通道的编址方式1过程通道与存储器统一编址方式

特点：又称存储器映像方式，它从存储器空间划出一部分地址空间给过程通道，把过程通道的端口当作存储单元一样进行访问，对I/O端口进行输入输出操作跟对存储单元进行读写操作方式相同，只是地址不同。

4.1.2过程通道的编址方式1过程通道与存储器统一编址方式

优点：无需专门的I/O指令，简化了指令系统的设计，并能省去相应的I/O操作的对外引线，而且CPU可直接对I/O数据进行算术和逻辑运算，指令丰富。

不足：I/O端口地址占用了一部分存储器空间；另外访问内存的指令长度一般比专用的I/O指令长，因而取指周期较长，又多占了指令字节。应用：采用这种方式的CPU主要有Intel8031和Intel80196系列单片机等。4.1.2过程通道的编址方式2过程通道与存储器独立编址方式

特点：将过程通道的端口地址单独编址，有自己独立的过程通道地址空间，而不是占用存储器地址空间。在过程通道地址空间中，每一个过程通道的端口有一个唯一对应的过程通道的端口地址。

控制：要求有专用的I/O指令(IN及OUT指令)用于CPU与过程通道端口之间的数据传输。地址总线配合存储器操作信号实现存储器的访问控制，而地址总线与I/O操作信号配合则可访问过程通道。

应用：典型的微处理器Z80和80X86，分别有存储器访问和I/O访问的指令及相应的控制信号。4.1.3CPU对过程通道的控制方式1程序查询方式

特点：传送前必须查询I/O通道的状态，准备就绪则传送，反之则等待。问题的产生：计算机的外围设备及过程通道种类繁多，它们的传送速率又不相同，因此输入输出将产生复杂的定时问题，也就是CPU采用什么控制方式向过程通道输入和输出数据。优点：能保证主机与输入输出通道之间协调工作，硬件线路简单，程序容易实现。缺点：需要重复查询输入输出通道是否“准备就绪”，从而浪费了CPU的时间。4.1.3CPU对过程通道的控制方式2中断控制方式

特点：CPU与I/0通道处于异步工作方式。当CPU与I/O通道需要传送数据时，过程通道做好准备后，主动向CPU请求中断,CPU响应这一请求，并暂停正在运行的程序。优点：通道需要传送数据时就向CPU发出中断请求信号，实时性比程序查询方式好。

缺点：CPU内部需要有一些线路来控制；每次执行“中断处理程序”，都要保护断点、恢复断点，浪费了很多不必要的CPU时间。

应用：一般较适合于过程通道传送少量数据的场合。4.1.3CPU对过程通道的控制方式3直接存储器存取(DMA)方式

特点：完全由硬件完成输入输出操作，I/O通道和存储器之间不通过CPU而直接进行数据交换。优点：速度快，数据传送速度只受存储器存取时间的限制。

缺点：需要一个专用的芯片——DMA控制器来加以控制、管理，硬件连接也稍显复杂一些。

所谓“可编程接口”就是指其功能可由程序指令(接口芯片功能设定的初始化程序)设定接口芯片的功能。4.1.4过程通道接口设计应考虑的问题

1

接口电路的基本任务

过程通道与CPU的桥梁

⑴控制信息的传递路径；⑵控制信息传送的顺序；2接口电路设计中应解决的问题⑴触发方式；

⑵工作时序；⑶带负载能力。

同步触发：指系统的许多相关部件或功能块在同一门控信号作用下完成要求的操作。异步触发：指各相关部件或功能块不需在同一信号控制下完成自己的操作，但一般需要按一定的顺序进行。4.2模拟量输出通道引言模拟量输出通道的任务--把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的;

模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成--一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等;模拟量输出通道构成特点：一路输出对应一个D/A转换器；兼有信号保持作用，即把主机在上一时刻对执行机构的控制作用维持到下一个输出时刻

。

4.2模拟量输出通道4.2.1D/A转换器

D/A转换器是一种把数字量转换成模拟量的电子器件。

1D/A转换器的工作原理⑴原理框图：

⑵转换过程：虚地、电流分配、电流流向；⑶转换公式：链接动画①分辨率

指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，即当输入数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量，它取决于能转换的二进制位数，数字量位数越多，分辨率也就越高。分辨率与二进制位数n呈下列关系：分辨率=满刻度值/（2n-1）=VREF/2n

2.D/A转换器的性能指标

指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分辨率是两个不同的概念。对于分辨率很高的D/A转换器并不一定具有很高的精度。②转换精度③偏移量误差指输入数字量时，输出模拟量对于零的偏移值。此误差可通过D/A转换器的外接VREF和电位器加以调整。(4)D/A转换器的性能指标描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差1/2LSB时所需的时间。对于输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微秒，而输出是电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。④稳定时间

3.8位D/A转换器及其接口（1）DAC0832芯片

8位D/A转换器，电流输出方式，稳定时间为1s，采用20脚双立直插式封装。

链接动画

3.8位D/A转换器及其接口（2）DAC0832接口电路MOVDX，220HMOVAL，[DATA]OUTDX，AL链接动画

4.高于8位的D/A转换器及其接口（1）DAC1210芯片链接动画（2）DAC1210接口电路链接动画（2）DAC1210接口电路接口程序：DAC：MOVDX，0381HMOVAL，[DATA]OUTDX，AL；送高8位数据DECDXMOVAL，[DATA+1]OUTDX，AL；送低4位数据MOVDX，0384HOUTDX，AL；完成12位数据转换4.2.2D/A通道的输出电路

1.电压输出方式（1）单极性输出（2）双极性输出2.电流输出方式（1）普通运放V/I变换电路①010V/010mA转换电路

+-Vin0~10VAT1T2I0Vf+VsR1R2R3R4R5R6RfRL（1）普通运放V/I变换电路②15V/420mA转换电路

+-A1+-A2T2T1T3Vin1~5VR1R2RfRLR3CIfI2I0I1V1V2+VsV3（2）集成芯片V/I变换电路特点：单正电源供电，电源电压范围为10～32V，ZF2B20的输入电阻为10KΩ，动态响应时间小于25μS，非线性小于±0.025％。3.自动/手动输出方式（1）自动/手动状态下的V/I变换①当开关处于自动(A)状态时：电压跟随器

②当开关处于自动(A)状态时：保持器（反向积分）

（2）自动/手动双向无扰切换4.3模拟量输入通道

引言

4.3.1信号调理与放大

4.3.2多路模拟开关

4.3.3采样保持器

4.3.4A/D转换器工作原理

4.3.5逐位逼近式A/D转换器及其接口引言：模拟量输入通道的一般结构

4.3.1信号调理与放大

信号调理：主要包含信号滤波、光电隔离、电平转换、过电压保护、反电压保护、电流/电压变换、放大等。1.信号调理电路（a）无源I/V变换电路；（b）有源I/V变换电路2.前置放大器（1）同相放大与反相放大

（a）同相放大；（b）反向放大链接动画2.前置放大器（2）经典测量放大器：

链接动画2.前置放大器（3）可变增益放大器：

链接动画4.3.2多路模拟开关

1.CD4051芯片作用：实现多选一的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。链接动画2.多路模拟开关的扩展电路

链接动画4.3.3采样保持器

主要作用：保证A/D转换器进行转换期间，输入电压保持不变，以免引起A/D的转换误差。采样状态：其输出能跟随输入电压的变化而变化，故该状态亦称跟踪状态。保持状态：其输出将保持在进入保持状态瞬间的输入电压的值不变。1.工作原理

链接动画2.集成采样保持器(a)AD582；(b)LF198/LF298/LF398保持器在采样期间，不启动A/D转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换时的模拟输入电压恒定，以确保A/D转换精度。4.3.4

A/D转换器的工作原理

1.逐位逼近式A/D转换原理链接动画优点：精度高、转换速度快，且转换时间是固定的。缺点:抗干扰能力不够强。2.双积分式A/D转换原理优点：消除干扰和电源噪声的能力强、精度高。缺点：转换速度较慢。3.A/D转换器的性能指标

(1)分辨率

分辨率=满刻度值/2n(2)转换精度

绝对误差是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。

相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数(LSB)表示，1LSB=1/2n。(3)转换时间4.3.5

逐位逼近式A/D转换器及其接口

1.8位A/D转换器及其接口（1）ADC0809芯片链接动画1.8位A/D转换器及其接口（1）ADC0809芯片1.8位A/D转换器及其接口（2）接口电路功能：主要解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动A/D转换，如何判断A/D完成一次模数转换，如何读入并存放转换结果的。

链接动画链接动画接口程序：

MOVBX，BUFF；置采样数据区首址MOVCX，08H；８路输入START：OUTPA，AL；启动A/D转换REOC：INAL，PB；读EOCRCRAL，01；判断EOCJNCREOC；若EOC=0，继续查询INAL，PA；若EOC=1，读A/D转换数MOV[BX]，AL；存A/D转换数INCBX；存A/D转换数地址加1INCPA；接口地址加1LOOPSTART；循环2.高于8位的A/D转换器及其接口（1）AD574A芯片2.高于8位的A/D转换器及其接口（1）AD574A芯片2.高于8位的A/D转换器及其接口（1）AD574A芯片2.高于8位的A/D转换器及其接口（1）AD574A芯片2.高于8位的A/D转换器及其接口（2）接口电路4.5量化误差与字长选择

4.5.1量化误差1量化误差的概念

①量化单位：

②量化过程：

③截尾误差：

④舍入误差：

2量化误差的来源

(1)A/D转换的量化效应2量化误差的来源

（2）控制规律计算中的量化效应

浮点运算一般量化误差通常很小，可以忽略；

单片机等采用定点运算时，乘或除运算产生量化误差。（3）控制参数的量化效应

（4）D/A转换的量化效应类似A/D的量化效应

4.5.2A/D、D/A字长的选择依据:无论是A/D转换还D/A转换，总是用一个范围为2n-1内的整数与转换的模拟量相对应，则转换的分辨率可表示为例1:某温度控制系统的温度范围为0至600℃，要求分辨率0.5℃,求A/D转换器字长?例2：某执行机构的最大输入值为umax=20mA，最小输入值为umin=4mA，灵敏度为=0.05mA,求D/A转换器的字长。

4.6

数据预处理

4.6.1系统误差的自动校准系统误差：指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值(包括大小、符号)保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。特点是有规律。

4.6.2标度变换标度变换的任务是把计算机系统检测的对象参数的二进制数值还原变换为原物理量的工程实际值。链接动画1线性式变换

链接动画2非线性式变换根据不同的情况建立不同的非线性变换式，但前提是它们的函数关系可用解析式来表示。链接动画3多项式变换原理：用插值多项式来进行标度变换，插值多项式是用一个n次多项式来代替某种非线性函数关系的方法。3多项式变换为了提高逼近精度，且不占用过多的机时，较好的方法是采用分段插值法。分段插值法是将被逼近的函数根据其变化情况分成几段，然后将每一段区间分别用直线或抛物线去逼近。4

查表法

把事先计算或测得的数据按照一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。它是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据的补偿、计算、转换等各种工作。（1）顺序查表法针对无序排列表格或短表格

（2）计算查表法要求有序表格中各元素在表中的排列格式及所占用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列。其关键在于找出一个计算表地址的公式。（3）对分查表法

要求有序表格从大到小或从小到大的排列顺序。