计算机控制过程通道和数据采集系统课件

第三章

过程通道和数据采集系统

1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。

计算机和工业现场信号无法进行直接传递，这就需要在二者之间进行信息传递和交换的装置，这就是过程通道，是本章的主要内容之一。

2本章主要内容3.1

概述3.2模拟量输入通道3.3

A/D与D/A转换技术3.4单片A/D转换器及其与微处理器的接口3.5数据采集系统3.6模拟量输出通道3.7本章总结3过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO）微机控制系统组成框图5

计算机控制系统的输入输出接口(经常被称作生产过程通道)是计算机与生产过程或外部设备之间交换信息的桥梁，也是计算机控制系统中的一个重要组成部分。工业过程控制的计算机，必须实时地了解被控对象的情况，并根据现场情况发出各种控制命令控制执行机构动作，如果没有输入输出接口的支持，计算机控制系统就失去了实用的价值。6接口的必要性速度不匹配，CPU速度快，外围设备速度不尽相同数据格式不同，CPU以字节为单位传送，外围通道字长可以是10位、12位等，有的要求串行传送信号形式不匹配，CPU现在多为TTL电平标准，而外围通道则有电子、机械、电磁等不同形式必须具有电平转换、字/字节转换、串/并转换，为CPU提供外围通道的状态信息，地址译码电路、中断申请、中断屏蔽电路等72)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:模拟量、数字量信号的输出通路:模拟量、数字量输入和输出通路的主要功能———实现模拟量与数字量之间的信号变换在微型机和生产过程之间起到了纽带和桥梁的作用

。9第二节Unit2模拟量输入通道AnalogInputInterface10本节主要内容模拟量输入通道的一般组成信号处理多路模拟转换开关可编程序放大器采样与保持A/D转换器控制电路11

模拟量输入通道的一般组成

模拟输入通道一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样保持器、A/D转换器和控制器组成

A/D通道或AI通道131.信号处理：是整个控制系统中很重要的一环，关系到整个系统的精度。信号处理主要包括：小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流/电压电平转换等2.多路转换器：由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选一的操作，将多路输入信号依次地切换14

目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。

多个信号要共用一个模拟通道输入微型机，需要多路转换器，这种方式主要适用于A/D转换芯片比较昂贵，信号路数比较多的情况，有些A/D转换芯片带有多路转换器：如ADC0809、ADC0816。多路转换器实际上就是多路开关。

所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。15

CD4051结构原理图

由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成1718扩展电路当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。

例题试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。分析：图示给出了两个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。193.可编程序放大器：当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，用同一增益的放大器去放大时，就有可能使低电平信号测量精度降低，而高电平信号则可能超出A/D转换器的输入范围。可编程序放大器是一种通用性比较强的高级放大器，根据需要用程序来改变放大系数。常用可编程放大器的两种形式1）放大器并联反馈电阻

通过调节反馈电阻R来改变增益,原理参见教材48页2）采用增益可调的仪表放大器：如LH0086、LH0084、AM-542AM-543，原理参见教材第49、50页

优点：共模抑制能力强，输入阻抗高，漂移低采用可编程序放大器，可通过程序来调节放大倍数，使A/D转信号满量程达到均一化，以提高多路数据采集的精度。21

4.采样与保持

当某一通道进行A/D转换时，由于A/D转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，而A/D转换都要花一定的时间才能完成转换过程。这样就会造成一定的误差。因为转换所得到的数字量不能真正代表发出转换命令的那一瞬间所要转换的电平，用采样保持器对变化的模拟信号进行快速“采样”，而在转换过程中“保持”该信号。为了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器，而当输入的模拟信号变化很缓慢，不用采样-保持器。

数据采样定理（第1章内容）

采样保持器（原理图见教材27页）22

零阶集成采样保持器--常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF198/298/398等，其内部结构和引脚如图(a)、(b)所示。这里，用TTL逻辑电平控制采样和保持状态，如AD582的采样电平为“0”，保持电平为“1”，而LF198的则相反。集成采样保持器

23技术指标：精度0.01%采集时间：5μs输入范围：±10v增益：±1.00孔径时间：50μs电源：±15V常用芯片：LF198/LF298/LF398高速采样—保持放大器:H0023/LH0043C/LH0053选择采样—保持器时，主要应考虑如下因素：

输入信号变化率，有时还考虑多路转换器的切换速度—确定时间应为多少才不会超过误差要求采样保持器的性能指标25第三节Unit3A/D与D/A转换技术

263.1.1D/A转换器原理及器件（1）D/A转换器工作原理

输入的数字量是二进制代码按数位的组合，如任一个8位数DATA=D020+D121+D222+D323+D424+D525+ D626+D727

其中，Di=0或1，20，21，…，27分别为对应数位的权码。D/A转换要将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其“权”的大小转换成相应的模拟量，然后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量。293.1.1D/A转换器原理及器件（2）D/A转换器的主要组成基准电压VREFT型（R-2R）电阻网络位切换开关BSi（i=0，1，…，n-1）运算放大器A输出电压VOUT与输入二进制数D0~Dn-1的关系

VOUT=－VREF（D020+D121+D222+…+Dn-12n-1）/2n303.1.1D/A转换器原理及器件（3）T型网络组成的D/A转换器原理图（P20）VOUT=－VREF（D020+D121+D222+…+Dn-12n-1）/2n31

假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、BS0全部与“1”端相连。根据电流定律，有：

由于开关BS3-BS0的状态是受要转换的二进制数D3、D2、D1、D0控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通式：32考虑到放大器反相端为虚地，故：选取Rfb=R，可以得到：

对于n位D/A转换器，它的输出电压VOUT与输入二进制数B(Dn-1～D0)的关系式可写成：

结论：由上述推导可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻

Rfb以及基准电压VREF有关。333.1.2D/A转换器芯片介绍D/A转换器的种类按数字量输入方式，有并行输入和串行输入按模拟量输出方式电流输出和电压输出按D/A转换的分辩率低分辩率、中分辩率和高分辩率348位转换器芯片DAC0832（1）主要组成部分8位输入寄存器8位DAC寄存器采用T型电阻网络的8位D/A转换器以及输入控制电路分辨率为8位，电流输出，稳定时间1微秒(μs)，20脚双列直插式封装358位转换器芯片DAC0832（2）内部原理框图36

DAC0832的原理框图及引脚如图所示。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。8位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存；

8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量；

8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。378位转换器芯片DAC0832（3）8位转换器芯片DAC0832引脚主要功能DI0~DI7

：数据输入线ILE、CS和WR1同时有效时，输入寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化而变化；当LE1端为低电平“0”时，原D端输入数据被锁存于Q端，D端电平的变化不影响Q端当WR2和XFER同时有效时，DAC寄存器LE2端为高电平“1”，此时将第一级８位输入寄存器Q端的状态锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便进行D/A转换。转换原理参见P233812位转换器芯片DAC1210（1）与8位DAC0832的两点区别分辨率为12位，有12条数据输入线（DI0~DI11），采用24脚双立直插式封装。可用字节控制信号BYTE1/2控制数据的输入该信号为高电平时，12位数据（DI0~DI11）同时存入第一级的两个输入寄存器；当该信号为低电平时，只将低4位数据（DI0~DI3）存入低4位输入寄存器。

DAC1210--是一个12位D/A转换器，电流输出方式，其结构原理与控制信号功能基本类似于DAC0832。由于它比DAC0832多了4条数据输入线，故有24条引脚，DAC1210内部原理框图如图所示，其同系列芯片DAC1208、DAC1209可以相互代换。3912位转换器芯片DAC1210（2）DAC1210原理框图40DAC1210内部有三个寄存器：

一个8位输入寄存器，用于存放12位数字量中的高8位DI11-DI4；一个4位输入寄存器，用于存放12位数字量中的低4位DI3-DI0；一个12位DAC寄存器，存放上述两个输入寄存器送来的12位数字量；12位D/A转换器用于完成12位数字量的转换。由与门、非与门组成的输入控制电路来控制3个寄存器的选通或锁存状态。其中引脚（片选信号、低电平有效）、（写信号、低电平有效）和BYTE1/（字节控制信号）的组合，用来控制8位输入寄存器和4位输入寄存器。41串行输入D/A转换器AD7543（1）AD7543是CMOS单片串行输入D/A转换电路，其数字量输入端仅有一条引线，12位数字量由高位到低位逐次一位位输入AD7543的组成一个12位串行输入并行输出移位寄存器12位输入寄存器12位D/A转换电路42串行输入D/A转换器AD7543（2）AD7543原理框图VREFIOUT2IOUT1RFBAGNDDGNDVCCSRI12位D/A转换器12位DAC寄存器12位串行输入移位寄存器STB4STB3STB2STB1LD1LD2CLR43

3.2.1A/D转换器原理及器件逐位逼近式A/D的工作原理从SAR输出的数码送至D/A，其输出电压Vf与模拟量输入Vin比较后，再控制SAR的数字逼近Vin模拟量输入数字量输出寄存器D/A转换器逐位逼近寄存器（SAR）控制时序和逻辑电路比较器－+Vf（反馈电压）逐位逼近式A/D转换器原理框图D0~D73.2.1.1逐位逼近法（1）44

逐位逼近法（2）理想的2位A/D转换器示意图VREF+VREF－1D1D0来自SAR01001S00S01S02S03S10S11V0VINVfD/A转换的输出电压Vf大小取决于正、负基准电压源（VREF+，VREF-）和开关树中各位开关Sij的状态(来自于SAR）45

逐位逼近法（3）对一个n位的逐位逼近式A/D转换输出的二进制数字量B与输入模拟电压VIN、正基准电压VREF+、负基准电压VREF-的关系为设A/D转换器为８位，VREF+=5.00V，VREF-=0V，则VIN为0V、2.5V、5.0V对应的数字量分别为00H、7FH、0FFH。463.2.2逐位逼近式A/D芯片介绍逐位逼近式A/D芯片品种很多，可满足各种需要8位A/D转换器芯片ADC080912位A/D转换器芯片AD1674473.2.2双积分式A/D转换器（1）双积分式A/D转换器特点是一种间接A/D转换技术。模拟电压先转换成积分时间，然后转换成计数脉冲数，最后将代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成BCD码输出。转换时间较长，一般需要几十毫秒。器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控制系统或精度要求较高的地方。483.2.2双积分式A/D转换器（2）双积分式A/D转换器的工作原理先对模拟输入电压Vin进行固定时间t1的正向积分，积分器的输出电压上升的速率与输入电压Vin成正比当固定时间t1到后，计数器清零，对积分器进行反向积分，并自动按一定的频率进行计数。积分器的输出电压，从正向积分结束时的VI开始以恒定的斜率下降，当反向积分使其积分器输出为零时，关闭计数器计数，完成一次A/D转换工作。493.2.2双积分式A/D转换器（3）双积分式A/D转换器示意图控制逻辑计数器时钟+比较器－+积分器－123积分电容VOVIK数据输出VinVREF

（基准电压）双积分式A/D转换的原理框图t1VOt2tAVOt1t3tBtt1VI积分输出t2t3AB双积分A/D的工作示意图50

3.2.2双积分式A/D转换器（4）常用双积分式A/D转换器芯片介绍MC14433其它芯片513.3A/D转换器的主要技术指标1.分辨率:

分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即：分辨率=满刻度值/2n

引起输出从一个数码增加（或减少）到下一个相邻数码的最小输入变化量522.量程：即所能转换的电压范围，一般片子有5V,10V切记：不能超过片子电压电源。

A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。所谓绝对误差，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（LeastSignificantBit)）来表示，1LSB=1／2n。3.精度：53注意：精度和分辨率是两个不同的概念。精度是指转换后所得相对实际结果的准确度。分辨率是指能对转换结果发生影响的最小输入量。一般情况下，二者相等，但受温度漂移，线性不良、噪声影响，有时二者不等。如ADC121112位分辨率10位精度545.输出逻辑电平：多为与TTL电平配合，有些与CMOS配合6.工作温度范围（略）7.对基准电源的要求：基准电源对精度产生影响，可外加精密电源4.转换时间：A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。55

D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用D/A芯片型号的依据。主要性能指标有：

（1）分辨率（2）转换精度（3）稳定时间（4）输出形式（5）输入编码3.4D/A转换器的主要技术指标56

分辨率--是指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。其分辨率与二进制位数n呈下列关系：分辨率

=VREF/2n1.分辨率：572.转换精度

转换精度--是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。例如，满量程时的理论输出值为10V，实际输出值是在9.99V~10.01V之间，其转换精度为±10mV。对于分辨率很高的D/A转换器并不一定具有很高的精度。58

稳定时间--是描述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。显然，稳定时间越大，转换速度越低。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。3.稳定时间：594.输出形式；电压型5～10V高电压型24～30V电流型：20MA.3A5.输入编码：二进制、BCD码、偏移二进制码等60第四节Unit4单片A/D转换器及其与微处理器的接口61本节主要内容8位A/D转换器及其接口（以ADC0809

为例）12位A/D转换器及其接口62首先考虑以下问题A/D转换的精度:分辨率、相对精度A/D转换器的路数A/D转换器的片子与微处理器的接线方式634.18位A/D转换器ADC0809及其接口1．功能：8通道8位逐位逼近式A/D转换器可直接与微处理器相连，不需另加接口逻辑输入输出引脚电平与TTL电路兼容2.技术指标：

分辨率：8位1/28≈0.39%

无漏码转换时间100μs

单一电源：0~+5v

带有锁存控制逻辑的8通道多路开关。带有锁存器的三态输出采用28脚双立直插式封装643.管脚图65ADC0809内部结构及引脚66各引脚功能如下：

IN0～IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择见表3-2。START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。D0～D7：8位数字量输出。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。67CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作电源，5VDC。GND：电源地。68

表3-2被选通道和地址的关系CBA选中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN769

4.与Z80主机的典型连接方式工作过程1）选择输入通道,对ABC输入端进行编程2）输出指令启动A/D转换3）EOC变高电平作为转换结束中断请求信号4）输入指令读A/D转换结果704.212位A/D转换器及其接口

工作过程（以ADC1211逐次逼近式的A/D转换器为例）：1.微处理器发出负脉冲START启动转换，脉冲宽度大于一个时钟周期2.经100μs转换完成后，端由高变低，经由反相缓冲器CD4009反相，单稳DW延迟从端输出负脉冲到,作为中断请求信号。3.数据输出端经六反相缓冲器CH4009取反之后输出偏移二进制码，加缓冲器的作用是使电路可靠工作。Q0～Q5:PA0～PA5Q6～Q7:PA6～PA7Q8～Q11:PB0～PB371第五节Unit5数据采集系统72一、典型结构

数据采集系统的任务是把生产现场的工艺参数采集后以数字量的形式进行存储、整理、传送、显示或打印。完成这些任务的基本手段是模拟量输入通道，其核心部分是A/D转换器系统设计必须考虑：分辨率（精度）

通道数

采集速度

成本典型结构有：单通道与多通道73

1.单通道2.多通道1）采用单通道方案2）对采样—保持器进行多路转换3）对放大器的输入进行多路转换，注意抗干扰问题74二.数据采集的实例1.设计要求64路模拟量数据采集精度达到0.4%每隔10ms检测一路2.硬件设计(1)方案一以ADC0809为A/D转换器，需8片占有8个口地址方案二以CD4051组成多路转换（1）8片CD4051一级地址译码，占用8个口地址，再加上A、B、C三端选择75（2）8片CD4051二级地址译码，加一个8D锁存器和一个138译码器，用一个口地址。比较两种方案，方案二比较合理8D锁存器：74LS259373A/D转换器：8位ADC080412位ADC12118212：8位I/O缓冲器，数码寄存器：输入控制：器件选择T4LS138:4、5端Q2为低电平6端为高电平工作原理：64路模拟量经过多路转换部分转换为一路模拟量，再经采样保持器，A/D转换器再经数据缓冲器8212送到CPU总线。2硬件设计(2)76

2硬件设计(3)

1）地址译码：和或非输入8D锁存器:D0～D2:CD4051的A、B、C三端D3～D5：8个CD4051片选信号D6～D7：74LS138控制端2）A/D转换器选择:或非3）8212八位I/O接口：2片12根或8根数据线，一根状态信号根77

3.软件设计10ms检测一路：CTC定时，软件延时1）CTC定时（1）通道控制字：定时、自动启动、上升沿启动定标系数256允