智能仪器第4章 输出通道及数据通信接口技术

第四章输出通道及通信接口技术4.1智能仪器输出通道信号种类

DC电流信号长距离传送、负载串联、0~10mA或

4~20mA、抗干扰强DC电压信号短距离、负载并联、0~5V或1~5V越限报警比较被测量与所设定的高低限值，根据比较结果以开关量的形式驱动声光报警装置实现越限报警，并输出给控制设备采取措施。开关量控制某些被控对象采用位执行机构或开关式器件进行自动控制，它们的动作是用于开关信号的控制的，如电磁阀、继电器、接触器等。按控制的开关信号的电气接口形式分为有源和无源两类。指示工作状态让上位机或操作人员了解智能仪器自动或手动、正常或故障等的工作状态。数字量输出信号数字量的输出信号分为串行和并行两种。其中串行用于较远距离数据传输，并行传输速度快，但需要导线多一般用于近距离传输。仪器1仪器3仪器2仪器1仪器2仪器3IINVIN4.2DAC工作原理及主要技术指标

DAC工作原理VREFVo-+A••••••RfR/2nRR/21S0S1Snd0d1dnIOUTVo=-IOUTRf=-(d+d×21+•

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d×2n)VREFRRf2DAC转换主要技术指标

2.1分辨率

分辨率是指输入数字量的最小有效位（LSB）产生一次变化时，DAC输出变化的最小增量相对满刻度的百分比。2.2准确度(线性误差)

准确度是指DAC的实际输出与理论值的最大偏差，是DAC各种误差之和，包括非线性误差、零点误差、增益误差和温度漂移等。2.2.1绝对精度

常用LSB作为单位。2.2.2相对精度

表示为满刻度输出值的百分数。2.3建立时间数字量从全“0”变为全“1”（或从全“1”变为全“0”）时，DAC输出模拟量达到终值1/2LSB误差范围之内所需要的时间。

位数建立时间µs非线性误差工作电压V基准电压V功耗mW输出数据总线接口路数DAC0832810.2%FSR+5～+15-10～+1020I并行1AD752480.50.1%FSR+5～+15-10～+1020I并行1MAX50686±1LSB+5或±50～5或±525V并行4MAX51886±1LSB+50～512.5V串行2MAX5031025±1LSB+52.048（内）1.25V并行1MAX5151025±1LSB+50～30.7V串行1AD7520100.50.2%FSR+5～+15-25～+2520I并行1DAC12101210.1%FSR+5～+15-10～+1020I并行1MAX5381225±1LSB+50～30.7V串行1几种常用DAC芯片的技术指标4.3DAC转换与接口

电流转换成电压Vo-+ADAC-+ADAC-VREF单极性输出双极性输出RFRFR1VOUTIOUTIOUT2DAC芯片与微型计算机及接口2.1DAC位数等于CPU数据总线位数接口时的接口P1.7P1.0～8031DB7DB0～Vef（+）Vef（-）I0RfA-+580+5VV02DAC与微型计算机接口技术2.2DAC位数大于CPU数据总线位数接口时的接口Vo-+ADAC1210Iout1Voref(+)AD5088031P1.0P1.7DB0~DB3P2.0P2.1P2.7WRDB4~DB11BYTE1/BYTE2CSXFERWR1WR2Iout2Rfb+5V2DAC与微型计算机接口技术2.3多通道模拟量输出时的DAC接口8031接口DACDACDAC每路使用独立的DAC8031接口DAC2DAC与微型计算机接口技术2.3多通道模拟量输出时的DAC接口模拟开关S/HS/HS/H多路共享一个DAC2.4采用单片多路DA芯片实现多通道模拟量输出：MAX506:四路、八位DAC芯片。2DAC与微型计算机接口技术2.5串行输入DAC与CPU接口

串行数字输入DAC的数字量输入端可以使用很少几个引脚，从而使DAC的总管脚数达到很少，接口布线大为简化，占用印刷电路板的面积也很少，而且是用于远距离传输。但串行数字输入DAC的不利在于接收数据较慢。典型芯片：TLC5615是10位串行DA转换器。

2.5串行输入DAC与CPU接口MAX515为低功耗、单5V电源、电压输出的10位DA转换器。2DAC与微型计算机接口技术1.1阶梯波和锯齿波1数字波形合成4.4数字波形合成与V/I转换电路

DAC输出的模拟电压或电流取决于DAC的输入数字量，利用程序的方法不断地给DAC输入不同的数字量，可以在DAC输出端得到连续变化的波形，这就是数字波形合成的基本原理。

MOV A,#0 LOOP1: MOV P1,A ;输出数码到DAC

ADD A,#N ;数码增加N CALL DELAY SJMP LOOP1 ;循环 END1.1阶梯波和锯齿波DAP0: MOV R7,#00H ;置输出初值

DAP1: MOV A,R7 ;数字量送A MOV P1,A ;送D/A转换

INC R7 ;修改数字量 CJNE R7,#255,DAP1 ;数字量不等于255，转DAP1 AJMP DAP0 ;重复下一个波形1.2三角波（程序有错）数字波形形成4.4数字波形合成与V/I转换电路

DAS0: MOV R7,#80H ;DAS1: MOV A,R7 ; MOV P1,A ; INC R7 ; CJNE R7,#255,DAS1 ;DAS2: DEC R7 ; MOV A,R7 ; MOV P1,A ; CJNE R7,#80H,DAS2 ; AJMP DAS0 ;1.3方波数字波形生成4.4数字波形合成与V/I转换电路

LOOP4: MOV P1,#HIGH ;输出高电平到数码管DAC CALL DT1 ;延时T1 MOV P1,#LOW ;输出低电平到数码管DAC CALL DT2 ;延时T2 SJMP LOOP4 ;循环 END

T1T21.4正弦波数字波形生成4.4数字波形合成与V/I转换电路

SIN: MOV R7,#00H ;置偏移量DAS0: MOV A,R7 ; MOV DPTR,#TAB ;设指针 MOVC A,@A+DPTR ;取数据 MOV P1,A ;送D/A转换 INC R7 ;修改偏移量 CJNE R7,#64,DAS0 ; AJMP SIN ;TAB: DB 80H,83H,86H,8DH,90H DB 93H,96H,99H,9CH,9FH,0A2H DB 0A5H,0A8H,0ABH,0AEH … DB 6FH,72H,76H,79H,7CH,80H(64个数据)2V/I转换电路（b）取

，则当

时，

。4.5开关量输出开关量输出通道的一般结构1.隔断微机与执行机构之间的电气联系防止电位差、外界电磁等干扰。

2.防止执行错误。3.防止仪器自身损坏。注意：所有进出智能仪器的信号线全部加隔离！1.1光电耦合器件1.输出信号与输入信号电气完全隔离，抗干扰能力强，隔离电压可达几千伏以上。2.无触点，寿命长，可靠性好。3.响应速度快，易与TTL电路配合使用。4.驱动能力差。开关量的隔离光电耦合电路数字输出隔离1.2继电器隔离电路继电器驱动电路继电器触点分类电磁式继电器是一种电流通断控制大电流通断的常用开关控制器件。2数字输出驱动TTL三态门缓冲器：74LS240、244、245，IOH=-15mA，IOL=24mA。注意：它们没有锁存。集电极开路（OC）门：7406、07、38，IOL=40mA，VOH=30V。可实现高压输出。门电路外加晶体管驱动：可实现高压大电流输出。OC门输出驱动电路晶体管输出驱动电路2数字输出驱动2.4达林顿晶体管阵列驱动

MC1416内部结构MC1416驱动七个继电器电路达林顿晶体管阵列驱动器芯片适用于多路开关量中功率驱动电路。1.每路输出电流可达500mA，但是每一块双列直插芯片总的输出电流不得超过2.5A。输出端截止时耐压可达100V。输出端可与多种TTL及CMOS电路兼容。当总输出电流较大时，必须加散热片。3固态继电器(SSR)随机型和过零型固态继电器波形图固态继电器结构简图固态继电器既有放大驱动作用，又有隔离作用，很适合于驱动大功率开关式执行器件。固态继电器是一种四端有源器件，其中的两端为输入控制端，功耗很小，易与TTL、CMOS兼容；另外两端是输出端，内部设有输出保护电路。输入电路与输出电路之间采用光电隔离，绝缘电压可达2500V。单向直流固态继电器的输出端与直流负载适配，双向交流固态继电器的输出端与交流负载适配。交流固态继电器分为过零触发型（零通、零断）和随机开启型（随机通、零断）

。当输入端施加有效控制信号时，随机固态继电器输出端立即导通，而过零固态继电器则要等到负载电压过零区域时才导通，关断时间是一样的，都是小于维持电流时关断。随机开启继电器容易造成电网污染，除非要求快速响应、调压、变压器等感性负载控制，一般不用。3固态继电器(SSR)直流电源驱动直流电感负载交流电源驱动直流电感负载交流电源驱动交流电感负载（1）小电流负载SSR内部除去输入电路之外的所有其它电路都是由输出端供电的。因此，即使在输出关断状态下，SSR仍存在关断电流。为使负载可靠地关断，流过负载的开启电流至少应该是SSR关断电流的10倍。如果负载电流低于这个值，负载上需要并联一个电阻，提高开启电流数值。（2）电感式负载直流感应式负载，必须使用DCSSR，负载上并联续流二极管保护SSR。直流感应式负载使用交流负载电源时，应外接全桥整流其变为直流。交流电感式负载，必须使用AC

SSR，SSR输出端并联压敏电阻以保护SSR。4.6串行数据通信接口概念1.1波特率：每秒串行发送和接收的二进制位（bit）数，单位为bps（每秒比特数）。它是衡量数据快慢的指标，也是衡量传送通道频宽的指标。1.2串口工作方式1）单工方式：只允许数据单方向传播。2）半双工方式：发送和接收的数据分时地使用同一条传送线，即在某一时刻只能有一个方向的数据在进行传送。3）全双工方式：用两根传送线来连接两个设备，数据的发送和接收可同时进行。单工方式：半双工方式：全双工方式：1.3串口通信方式及规程1.3.1同步通信方式：发送和接收方使用同一个时钟。同步通信数据转移率比异步方法快，但硬件电路更为复杂。pc机的串口是异步设备,因此只支持异步串行通信。不易于长线传输。

1.3.2异步通信方式：发送和接收方使用自己的时钟，如果不给每个字符设置起始和停止标志，两个时钟的差异可能导致接收方辨认传送信号是比特错位。0D1D2D3D4……

Dn0/110异步传送格式异步传送的每个字符必须①由起始位：（一位“0”）开始；②数据位：7位或8位，低位在先、高位在后；③停止位：（一位、一位半或两位“1”）表示字符结束。一位奇偶校验位为可选位。从起始位开始到停止位结束组成一帧信息，停止位后面也可能不立刻紧接下一字符的起始位，这是停止位后面一直维持“1”状态，这些称为空闲位。2RS-232C标准串行接口总线2.1RS-232C总线描述数据线、控制线、地共9根线。数据线采用负逻辑，控制线采用正逻辑。数据发送端：逻辑“0”：+5V~+15V。逻辑“1”：-5V~-15V。数据接收端：逻辑“0”：>+3V。逻辑“1”：<-3V。噪声容限为2V。

RS-232是美国电子工业协会EIA公布的串行通信标准，目前广泛应用于计算机与外围设备的串行异步通信接口中。2.1RS-232C总线描述2.1.125针接口2.1.29针接口功能信号引脚功能数据TxD3发送数据-ORxD2接收数据-I握手RTS7请求发送-OCTS8允许发送-IDSR6DCE就绪DCD1载波检测-IDTR4DTE就绪-O公共端Com5--其它RI9振铃指示-IDCE就绪-IRS-232C总线25针接口RS-232C总线9针接口功能信号引脚功能数据TxD2发送数据-ORxD3接收数据-I握手RTS4请求发送-OCTS5允许发送-IDSR6DCE就绪DCD8载波检测-IDTR20DTE就绪-O公共端Com7--其它RI22振铃指示-IDCE就绪-I2.2RS-232C接口的常用系统连接（半双工）2RS-232C标准串行接口总线1.A设备发送RTS信号给A设备MODEM，请求发送数据。2.A设备MODEM发CTS信号给A设备，允许其发送数据。3.A设备发送数据给A设备MODEM。4.A设备MODEM发送载波振铃（RI）信号给B设备MODEM。5.B设备MODEM收到载波信号，给B设备发送DCD信号，表示线路上有载波振铃信号。6.B设备发送DTR信号给B设备MODEM，表示B设备准备好接收数据。7.B设备MODEM发送DSR信号，应答B设备的DTR信号，接收线路上的载波数据信号。8.B设备MODEM将数据发送给B设备。早期带有通信设备的RS-232信号功能TxD发送数据-ORxD接收数据-IRTS请求发送-OCTS允许发送-IDSRDCD载波检测-IDTRDTE就绪-ODCE就绪-I2.2RS-232C接口的常用系统连接（全双工）2RS-232C标准串行接口总线全双工标准系统连接全双工最简系统连接全双工标准系统略去两个MODEM（DCE设备），用导线直接相连接，导线即为DCE设备。1.DTR与DSR为固定有效电平，在传输过程中不变。2.CTS、RTS和DCD相连，可随时发送数据不用等待DCE设备的应答。MOVSBUF,AJNBTI,$CLRTIJNBRI,$CLRRIMOVA,SBUF4RS-485标准串行接口总线RS-485标准串行总线在要求通信距离为几十米到上千米时被广泛采用。RS-485采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。通常RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，可并联32台驱动器和32台接收器，甚至更多。操作方式最大传输距离最大传输速率可连接的台数驱动器输出电压(无负载)驱动器输出电压(有负载)接收器输入灵敏度接收器输入阻抗RS-232单端15m20kbps1台驱动1台接收±15V±5～±15V±3V3～7kΩRS-485差分1200m10Mbps32台驱动32台接收±5V±1.5V±0.2V≥12kΩ实践证明，在构成RS-485总线网时，要系统有较高的可靠性，通常需要考虑以下几点：1.传输线选择和阻抗匹配。2.隔离。3.抗静电放电冲击。4RS-485标准串行接口总线4.1传输线选择和阻抗匹配RS-485总线多站互连原理图在差分平衡系统中，一般选择双绞线作为信号传输线。信号在线上传送时，当遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象，并且