第4章 数据采集系统设计

第4章数据采集系统设计4.1概述4.2模拟量输入通道4.3模拟量输出通道4.4数字量输入输出通道4.5数据处理与滤波4.1概述4.1.1数据采集系统的构成数据采集与处理是每个计算机控制系统都必须具备的基本功能。对于数据采集系统而言，它的主要任务是把生产过程中反映生产状态的各种工艺参数(如温度、压力、流量等)送入计算机进行计算、处理。所得结果不仅作为操作指导信息输出显示，还可进行打印、存储、传送等操作。此外，数据采集系统还可以根据计算结果判断生产状态是否正常，如果发现异常，还会自动进行报警。数据采集系统根据其任务，一般应由以下几个部分组成：用于系统控制的计算机，完成数据输入输出任务的过程通道，连接计算机与过程通道的接口电路，实现数据显示、打印、存储等功能的输出与报警装置，用于系统控制与数据处理的应用软件等。计算机数据采集与处理系统的一般结构框图如图4―1所示。图4―1计算机数据采集与处理系统4.1.2过程通道的作用与分类在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，需要及时对被控对象的各种参数进行检测，并将其转换成计算机可以接收的数据形式送入计算机进行处理；处理后的结果还需变换成合适的控制信号输出至被控对象，以控制执行机构的动作。因此在计算机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转换的连接通道，即过程通道。

过程通道根据信息的来源和类型不同，可以分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道四种。过程输入通道是为了检测生产过程的状态而设置的检测通道。一般，反映生产过程状态的各种参数(如压力、流量、温度、速度、位置等)都是随时间变化的模拟量，它们可以过检测元件和变送器转换成相应的模拟电流或电压信号。但是由于计算机只能输入数字量，不能直接输入模拟量，所以它们必须通过模拟量输入通道转换成相应的数字信号后才能送入计算机。至于生产过程中的一些开关量、电平信号、脉冲量，以及一些数字传感器等产生的数字信号等，则应通过数字量输入通道。过程输出通道是控制信号的输出通道。由于计算机输出的控制信号是数字量，而很多生产过程的执行机构却要求提供模拟电压或电流，这就必须采用模拟量输出通道，将数字量转换成模拟电压或电流。如果执行机构只要求提供数字量(如开关量、脉冲量或其他形式的数字量)，则应采用数字量输出通道。4.2模拟量输入通道4.2.1信号的采样和量化在计算机控制系统中，要将各种模拟信号输入计算机，就必须先将其转换为数字信号。将模拟信号转换成数字信号的过程，是通过信号采样和量化实现的。1.信号采样1)采样过程信号采样就是将连续的模拟信号，通过采样开关按一定时间间隔的闭合和断开，将其抽样成一连串离散脉冲信号的过程，如图4―2所示。这一过程也称为离散化过程。图4―2采样过程图4―2中f(t)是被采样的模拟信号，它是时间和幅值都连续的函数。采样后的f(t)被以时间间隔T为周期闭合、断开的采样开关S分割成图中所示的时间上离散而幅值上连续的离散模拟信号f*(t)。离散模拟信号f*(t)是一连串的脉冲信号，又称为采样信号。采样开关两次采样(闭合)的间隔时间T称为采样周期，采样开关的闭合时间τ称为采样时间，0、T、2T…各时间点称为采样时刻。2)采样定理从信号的采样过程可知，采样后得到的离散模拟信号没有包括全部时间上的信号值，而只是取了某些时间点上的值。这样处理后的信号会造成信号的丢失吗？显然，采样周期T的合理选取是重要的，采样周期T越短，采样信号f*(t)就越接近连续信号f(t)。

采样后得到的离散模拟信号f*(t)，可以用下述数学表达式来描述：(4―1)式中，δ(t-nT)为t=nT处的单位脉冲函数(即δ函数)。根据傅立叶变换，该离散信号的频率特性可以表示为其中,ωs为采样角频率，ωs=2πfs=2π/T。这就是说离散信号的频谱以采样频率ωs为周期无限重复，如图4―3所示。图4―3离散信号F*(jω)的频谱图香农(Shannon)采样定理：为了使采样信号f*(t)能反映连续信号f(t)的变化规律，采样频率ωs(ωs=2πfs=2π/T)至少应该是信号f(t)频谱最高频率ωmax

的两倍，即

ωs≥2ωmax

(4―3)

当采样周期满足采样定理时，图4―3中的采样信号频谱就不会发生重叠效应，这时就可以通过理想的低通滤波器从采样信号f*(t)中完全恢复出f(t)来。事实上，由于理想滤波器不存在，所以要完全恢复出原来的信号是不可能的，工程上只要满足一定的要求即可。实际应用中，常取ωs≥(4～10)ωmax，过程惯性越大，倍数可取得越大。2.量化因为采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号，不能直接送入计算机，故还需经过量化，变成数字信号后才能被计算机接收和处理。量化就是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号的。将离散采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，其中进行量化处理的装置为模/数(A/D)转换器。模拟信号的特点是具有无穷多的数值，而一组数码的值却是有限的，因此用一定位数的数码来逼近模拟信号是一种近似的表示。如果用一个有n位的二进制数来逼近在fmin~fmax

范围内变化的采样信号，得到的数字量在0～2n-1之间，其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位，即(4―4)量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值大小的小数归整过程，采用的是四舍五入，因而存在量化误差，量化误差的最大值为±q/2。例如，模拟信号fmax

＝10V,fmin＝0V，取n＝8，则q=10V/(28-1)≈4mV，量化误差最大值

emax＝±q/2≈±2mV。

由以上分析可以看出，在A/D转换器的输出位数n足够多时，可以使量化误差达到足够小，就可以认为数字信号近似于采样信号。如果在采样过程中，采样频率也足够高，就可以用采样、量化后得到的一系列离散的二进制数字量来表示某一时间上连续的模拟信号，从而可以由计算机来进行控制计算和处理。4.2.2模拟量输入通道的组成模拟量输入通道由于应用要求和系统本身特点的不同，可以采用不同的结构形式。目前普遍采用的是多路通道共享采样/保持器(S/H)和A/D转换器的结构形式，其一般组成框图如图4―4所示。

图4―4模拟量输入通道的一般结构1.信号处理信号处理装置主要是对来自现场的多路模拟信号进行小信号放大、滤波、隔离、电平转换、阻抗匹配、非线性补偿和电流/电压转换等。在计算机控制系统中，传感器(如压敏元件、热敏元件、光敏元件等)输出的各种信号在进行A/D转换之前，都应转变成一定的电压或电流信号，如0～10mA、4～20mA的直流电流，或0～±5V的直流电压。这些需要通过信号放大、电平转换、电流/电压转换等电路实现。由于工业现场经常存在着多种干扰源，来自现场的模拟信号中常混杂有干扰信号，因此必须进行信号滤波。用有源滤波器或无源滤波器(如RC电路等)进行信号滤波，可有效滤除信号中的干扰成分。此外，也可以采用软件滤波，即数字滤波的方法。另外，有些检测信号与被测物理量之间会呈现非线性特性。例如，用热敏元件测量温度，由于热敏元件存在非线性，所得到的温度—电压曲线存在非线性特性。因此，测得的电压值不能反映温度的线性变化，应作适当处理，使之接近线性化。在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路的办法达到此目的。在软件上可以用线性插值等线性化处理程序来解决。2.多路开关采样开关也称为多路转换器或多路开关，它的作用是将输入信号按一定顺序或随机地接到放大器或采样保持器。为了提高过程参数的测量精度，一般对多路开关也提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为零。此外，还希望它切换速度快，噪音小，寿命长，工作可靠。在计算机控制系统中多采用集成电路多路开关，其种类、型号都比较多，有8通道、16通道、甚至32通道的。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、LF13508等。图4―5CD4051引脚图

CD4051是8通道多路开关，由逻辑电平转换、二进制译码器和8个开关电路组成。CD4051的引脚如图4―5所示，图中C、B、A是二进制的控制输入端，INH是允许输入端。当INH为高电平时，不论从A、B、C端输入何值，8个通道均不通；当INH为低电平时，允许由A、B、C端输入3位二进制数，在8路通道中选择一路将输入和输出接通。CD4051允许双向使用，改变图中IN/OUT和OUT/IN的接法，可以实现“多到一”或“一到多”的转换。

CD4051是计算机控制系统中广泛使用的模拟开关，直流供电电源为VDD=5～15V，输入电压UIN=0～VDD，它所能传送的数字信号电位变化范围为3～15V，模拟信号峰峰值为15V，当VEE

接负电源时，正、负模拟电压均可通过。接通电阻小，一般小于80Ω，断开电阻高，在VDD-VEE=10V时，泄漏电流的典型值为±10nA。

3.采样保持在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。如图4―6所示的正弦模拟信号，如果从t0时刻开始进行A/D转换，转换结束时已为t1，模拟信号已发生ΔU的变化。

因此，被转换的究竟是哪一时刻的电压就很难确定，此时转换延迟所引起的可能误差是ΔU。对于一定的转换时间，最大可能的误差发生在信号过零的时刻，因为此时dU/dt最大，孔径时间tA/D一定，所以ΔU最大。令U=Umsinωt，则式中，Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率。在坐标的原点图4―6由tA/D引起的不确定误差电压取Δt=tA/D，则得原点处转换的不确定电压误差为误差的百分数为(4―5)由此可知，对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和信号频率成正比。为了确保A/D转换的精度，使它不低于0.1%，不得不限制信号的频率范围。例如，一个10位的A/D转换器，若要求转换精度为0.1%，孔径时间10μs，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为因此，如果被采样的模拟信号的变化频率相对于A/D转换器的速度来说比较高，为了保证转换精度，就需要在A/D转换之前加上采样保持电路，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。采样保持电路由输入缓冲放大器A1、模拟开关S、保持电容CH和输出缓冲放大器A2组成，如图4―7所示。A1、A2是运算放大器，都接成了射极跟随器形式，使A2的输入阻抗很大，A1的输出阻抗很低。图4―7采样保持电路采样状态，由于A1的输出阻抗很小，输入放大器的输出端给电容CH快速充电，Uo输出跟随Ui而变化。为使电容电压跟随输入电压精确到0.05%之内，采样状态持续时间值应大于7～8倍RCH值。当模拟开关S断开时，进入保持状态，由于A2的输入阻抗很大，输入电流很小，CH的放电时间常数非常大，这样，CH可以保持开关S断开瞬间输入的电压值，使输出端Uo的电压值保持不变。由此可见，电容CH对采样保持精度影响很大，应选取漏电阻抗较大的电容，如聚苯乙烯或聚四氟乙烯等材料制作的电容，同时在保证采样速度的前提下，可适当增加CH的电容量。应当指出，在模拟量输入通道中，只有在信号变化频率较高而A/D转换速度又不高，以致孔径误差影响转换精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，才需要设置采样保持电路，对于一些变化缓慢的生产过程(如石油、化工等)可以不设置保持电路。4.2.3A/D转换器及其接口技术

A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，是将模拟量转换成数字量的装置，采样和量化就主要是通过A/D转换器实现的。实现A/D转换的方法比较多，常用的有计数比较法、双斜率积分法和逐次逼近法。计数比较式器件简单、价格便宜，但转换速度慢，较少采用。双斜率积分式器件虽然转换速度较慢，但精度高，所以有时也采用。逐次逼近式A/D转换器能很好地兼顾速度和精度，在16位以下的A/D转换器中得到广泛使用。1.A/D转换器的主要技术参数

1)分辨率分辨率是指A/D转换器的最低输出位所具有的数值，通常用转换后数字量的位数表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率越高，转换时对输入模拟信号的反应就越灵敏。分辨率为8位表示它可以对满量程的1/28＝1/256的增量作出反应。2)量程量程是指所能转换的电压范围，如5V、10V等。3)转换精度转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度与相对精度两种表示。绝对精度常用数字量的位数表示，如绝对精度为±(1/2)LSB。相对精度用相对于满量程的百分比表示。例如，满量程为10V的8位A/D转换器，其绝对精度为1/2×10/28＝±19.5mV，而相对精度为1/28×100％≈0.39％。应该注意，精度和分辨率是两个不同的概念。即使分辨率很高，但由于温度漂移、线性不良等原因，也可以造成精度不是很高。4)转换时间转换时间是指启动A/D转换到转换结束所需的时间。不同型号、不同分辨率的器件，转换时间相差很大。一般是几μs到几百ms，逐次逼近式A/D转换器的转换时间为1～200μs。

2.8位A/D转换器ADC0809

ADC0809是一种带有8通道多路开关的8位逐次逼近式A/D转换器。1)主要性能·分辨率为8位；线性误差±(1/2)LSB。·转换时间为100μs左右。·模拟输入电压范围为0～5V，对应A/D转换值为00H～FFH。·内部带8路模拟开关，可以输入8路模拟信号；有输出锁存功能。·工作频率为500kHz；逻辑电平与TTL兼容。2)ADC0809的组成原理

ADC0809的逻辑结构如图4―8所示，从图中可以看出它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、8位逐次逼近A/D转换器和三态锁存输出缓冲器四部分组成。

ADC0809的8路模拟开关可以实现8选1操作。地址锁存与译码器的通道选择信号ADDA、ADDB、ADDC，用于选择8个输入通道中的一个，地址锁存允许信号ALE可将ADDA、ADDB、ADDC选中的输入通道与A/D转换器接通。

8位逐次逼近A/D转换器可将输入的模拟信号转换为8位二进制数，转换结果存入三态锁存输出缓冲器。正脉冲信号START可使A/D转换器启动转换，大约100μs后转换结束，转换结束后EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读取数据。三态锁存输出缓冲器用于存放转换结果，当输出允许信号OE为高电平时，8位转换结果由D0～D7输出，当OE为低电平时，数据输出线D0～D7为高阻状态。图4―8ADC0809原理框图3)ADC0809的引脚及功能

ADC0809采用28脚双立直插式封装，各管脚的功能如下：

IN0～IN7——8路0～5V模拟电压输入端。

D0～D7——8位数字量输出线，输出A/D转换结果。

START——启动A/D转换输入端，若在此引脚加一个正脉冲，脉冲的上升沿将内部寄存器清0；其下降沿启动A/D进行一次新的转换。

EOC——A/D转换结束输出信号，高电平有效。从启动A/D转换信号START有效开始EOC为0，表示A/D转换正在进行中；当转换一结束，EOC即为1。它可供CPU查询A/D转换是否结束，也可用来向CPU发中断请求信号。

OE——输出允许信号，高电平有效。当OE=1时，三态门打开，转换后得到的8位数字量输出到数据线

D0～D7上。

CLOCK——时钟脉冲输入端，频率为500kHz。ADDA、ADDB、ADDC——模拟量输入通道IN0～IN7的地址选择线，可以控制8路转换开关进行8选1接通。

ALE——地址锁存允许输入信号，锁存ADDA、ADDB、ADDC。VREF(+)、VREF(-)——参考电压端，提供A/D转换的基准电压。在单极性输入时，VREF(+)=5V，VREF(-)=0V；当模拟输入量为双极性时，VREF(+)、VREF(-)

分别接正、负极性的参考电压。

VCC

——+5V，工作电源。

GND——0V，电源地。4)ADC0809与PC机的接口电路由于ADC0809具有三态锁存输出缓冲器，因而可以直接与系统总线相连接。为了便于或简化接口电路设计，通常多通过通用并行接口芯片实现与系统的接口。图4―9所示电路是ADC0809通过可编程并行接口芯片8255A实现与PC机连接的电路。图4―9ADC0809与PC总线的接口下列过程是以图4―9所示接口电路为例，完成8路模拟数据采集的程序。假设主程序中已经完成对8255A的初始化编程，并已装填了ES和DS，使它们有相同的段基址，8255A分配的口地址为2C0H～2C3H。ADC0809PROCNEARMOVCX,8

；设置循环次数

CLD

；清除方向标志

MOVBL,00H；模拟通道地址存入BLLEADI,DATABUF；设置串操作目标地址NEXTA:MOVDX,02C2H

；DX置C口地址

MOVAL,BLOUTDX,AL

；输出模拟通道地址

INCDX；DX置8255A控制寄存器地址

MOVAL,00000111B

；输出启动信号

OUTDX,AL

；位操作，PC3置1

NOP

NOPNOPMOVAL,00001110B；位操作，PC7复位

OUTDX,ALDECDX；DX置C口地址NOSC:INAL,DXTESTAL,80H

JNZNOSC；EOC=1，则等待NOEOC:INAL,DXTESTAL,80H

JZNOEOC

；EOC=0，则等待

MOVDX,02C0

；DX置A口地址

INAL,DX

；读转换结果

STOSDATABUF；存转换结果

INCBL；修改模拟通道地址

LOOPNEXTARETADC0809ENDP

3.12位A/D转换器AD574AAD574A是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，可以直接与8位或16位微机总线进行接口。1)主要性能·分辨率为12位；12位转换结果可以一次或两次分时读出；线性误差为±(1/2)LSB。·一次A/D转换时间约为25μs。·采用单通道单极性或双极性模拟电压输入，单极性电压输入为0～10V或0～20V,双极性电压输入为±5V或±10V。图4―10AD574A引脚图·带有三态输出锁存缓冲器；输出电路与TTL电平兼容。2)AD574A的引脚功能芯片采用28脚双立直插式封装，引脚图如图4―10所示。

DO0～DO11——12位数据输出，均带三态输出锁存缓冲器。10VIN——模拟信号输入端，输入单极性信号0～10V，双极性信号±5V。

20VIN——模拟信号输入端，输入单极性信号0～20V，双极性信号±10V。

BIPOFF——双极性偏置端。当BIPOFF=0V时，输入单极性模拟信号；当BIPOFF=+10V时，输入双极性模拟信号。

REFIN、REFOUT——参考输入、输出端。

VLOGIC——逻辑电源+5V(4.5～5.5V)。VCC——正电源+15V(13.5～16.5V)。VEE——负电源-15V(-13.5～-16.5V)。AGND、DGND——模拟地、数字地。——片选信号，低电平有效。

CE——片使能信号，高电平有效。CE和必须同时有效，AD574A才能工作，否则处于禁止状态。

——读出和转换控制信号，当

时，启动A/D转换；当

时，允许读转换值。

A0——转换和读字节选择信号。决定转换位数时：A0=0，进行12位A/D转换；A0=1，进行8位A/D转换。读12位转换结果时：A0=0，读取转换结果中的高8位数据；A0=1，读取低4位数据。

——A/D转换值输出控制端。当时，12位转换值并行输出；当时，转换值按双8位形式输出。

STS——转换状态输出信号。启动A/D转换后STS=1，表示转换正在进行；A/D转换结束，STS=0。可以用它向CPU发出中断请求信号，或供CPU查询用。3)AD574A的工作方式输入AD574A的模拟电压，既可以是单极性的，也可以是双极性的。单极性输入模拟电压范围为0～10V或0～20V；双极性输入电压范围为±5V或±10V。

在单极性输入时，应将BIPOFF端接0V，电路连接如图4―11所示。图中的BIPOFF端通过100Ω电阻接地，通过RW1

还可以进行零点调整。双极性输入时，BIPOFF端接+10V，电路连接如图4―12所示。电路中的BIPOFF端通过100Ω电位器RW1与REFOUT端的+10V电压连接。图4―11单极性输入电路图4―12双极性输入电路4)AD574A与PC机的接口电路12位A/D转换器AD574A与8位A/D转换器ADC0809一样，既可以直接与总线相连，也可以通过并行接口与总线连接。图4―13给出了12位转换方式的AD574A通过8255A与PC总线接口的一个例子。图中AD574A的引脚与+5V连接，A0接地，使AD574A工作于12位转换和读出方式。CE、

和

与PC2～PC0连接，通过8255A的C口可以向它们输出控制信号。8255A的A口和B口都工作于方式0，A口、B口和C口的上半部分为输入方式，而C口的下半部分为输出方式。输入AD574A的模拟信号采用单极性输入方式，通过10VIN输入端输入0～10V的模拟电压。图4―13AD574A与PC总线的接口电路下面给出通过上述接口启动和读取AD574A数据的程序段，仍假定已完成对8255A的初始化编程，8255A的地址为2C0H～2C3H。…MOVDX,02C2H；使为低电平

MOVAL,00HOUTDX,ALNOPNOP

MOVAL,04H；使CE=1，启动转换

OUTDX,AL

NOP

NOP

MOVAL,03H；使CE=0，

OUT

DX,ALPOLLING:INAL,DX；查询STS状态

TESTAL,80HJNZ

POLLING；STS=1，则等待

MOV

AL,01H；使

OUTDX,ALNOPMOVAL,05H

；使CE=1，允许读出

OUTDX,ALMOVDX,02C0H；读A口

IN

AL,DXAND

AL,0FH

；将DB11～DB8存入BH中

MOVBH,ALINC

DX

；读B口

INAL,DXMOVBL,AL；将DB7～DB0存入BL中

INCDXMOV

AL,03H；使CE=0，OUTDX,AL；结束读出操作…4.3模拟量输出通道模拟量输出通道的功能是，把计算机输出的运算结果(数字量)转换成模拟电压或电流，并且输出给相应的执行机构，驱动执行机构实现所要求的控制目的。模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、输出保持器、多路开关、低通滤波电路和功放电路等组成。4.3.1模拟量输出通道的结构形式由于计算机是分时工作的，输出的数据在时间上离散，因此D/A转换后的信号是离散的模拟信号。但是，实际上的执行部件往往要求连续的模拟信号，这样就需要有输出保持器。输出保持器可以使本次输出的控制信号在新的控制信号来到之前维持不变，从而将离散的模拟信号变为连续的模拟信号。模拟量输出通道的结构形式，主要取决于输出保持器的构成方式。输出保持器一般有两种方案，一种是数字保持方案，另一种是模拟保持方案，这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。

1.多个通路设置独立D/A转换器的结构形式

这是一种数字保持方案，其结构如图4―14所示。采用这种结构形式，每个通路输出的数据由独立的I/O接口的数据寄存器或D/A转换器的数据寄存器保持，可使前一时刻输出的数据一直供D/A转换器使用，直到下一时刻输出新的数据。这种方案的优点是转换速度快，精度高，工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其他通路的工作。其缺点是，如果输出通路数量很多，将使用较多的D/A转换器。但随着大规模集成电路技术的发展，这个缺点正在得到逐步克服，这种方案较易实现。

图4―14多通路独立D/A转换器结构

2.多个通路共享D/A转换器的结构形式

这种形式采用的是模拟保持方案。由于多个输出通路共用一个D/A转换器，因此每个通路应设置一个输出保持器，同时还应有一个多路转换开关，结构如图4―15所示。在输出数据时，D/A转换器在CPU的控制下分时工作，依次把输出的数据转换成模拟电压，通过多路开关传送给各路输出采样保持器。采样保持器通常采用零阶保持器，它可使前一时刻输出的采样值保持到下一输出时刻。图4―15多通路共享D/A转换器结构这种方案虽然节省了D/A转换器，但因为分时工作，只适用于通路数多且速度要求不高的场合。除此以外，它还要用多路开关，还要求输出保持器的保持时间与采样时间之比较大，因此可靠性较差。4.3.2D/A转换器及其接口技术

D/A转换器是将数字量转换成模拟量的装置，是模拟量输出通道的重要组成部分。

D/A转换器根据输出模拟量的形式分为电压型和电流型两种，对于电流型输出的D/A转换器，可以外接运算放大器将输出电流转换成电压，并提高带负载能力。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，通常都带两级缓冲寄存器。主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误差等。(1)分辨率：通常用D/A转换器输入二进制数的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。(2)稳定时间：是指输入数字信号的变化是满量程时，其输出达到稳定(一般稳定到与终值相差的模拟量范围)所需的时间，也称转换时间或建立时间，一般为几μs。(3)输出方式：一般为电平输出，其值在5～10V之间；还有电流输出，其值在20mA～3A之间。1.8位D/A转换器DAC0832DAC0832是一种具有两个输入锁存器的D/A转换芯片，能直接与计算机总线连接。其主要性能如下：分辨率为8位；单一电源供电(5～15V)；基准电压VREF工作范围为-10～+10V；电流稳定时间1μs；逻辑输入电平与TTL电平兼容。1)DAC0832的结构及工作原理

DAC0832的内部结构如图4―16所示，它主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器和选通控制逻辑四部分组成。图4―168位D/A转换器采用T型电阻网络实现D/A转换，输出的是与输入数字成比例的电流，需要外接运算放大器，才能得到模拟电压输出。Rfb

是外部运算放大器的反馈电阻，连接运算放大器的输出端，将Iout1

和Iout2

输出的电流变为电压。8位输入寄存器由8个D锁存器组成，作为输入数据的缓冲器。它的8位输入数据由控制其输入与锁存。当=1时，锁存器的输出Qi随输入DIi变化；当

=0时，输入数据被锁存。由三根引脚进行控制，当ILE=1,

时，；当，输入数据被锁存。8位DAC寄存器也是由8个D锁存器组成的，它的控制端为

。当

=1时，输出数据随输入变化；当

=0时，将第一级输出的数据锁存到DAC寄存器中。

的状态由两根引脚对其进行控制，当和均为0时，

=1。2)DAC0832的引脚

DAC0832为20条引脚双列直插式封装结构，其各引脚功能如下：——片选端，低电平有效。

ILE——数据允许锁存信号，高电平有效。——写信号1端，低电平有效。用于将输入数据锁存到输入寄存器中，

必须与ILE、

同时有效。——写信号2端，低电平有效。只有当和同时有效时，输入寄存器中的数据才能通过DAC寄存器进行D/A转换。——传送控制信号，低电平有效。用于控制。

DI0～DI7——8位数据输入线。

Iout1——模拟电流输出端1。当DAC寄存器全为1时，输出电流最大；全为0时，输出电流为0。

Iout2——模拟电流输出端2。Iout2

与Iout1为互补输出，即Iout1+Iout2=常数。

Rfb——反馈电阻连接端。用于连接运算放大器的输出端(反馈电阻固化在片内)。

VREF——基准电压输入端，接外部-10～+10V标准电源。

VCC——电源输入端，可选择5~15V电压。3)DAC0832的工作方式

DAC0832有以下工作方式：(1)直通方式。如果DAC0832的两个8位寄存器都处于直通状态(输出跟随输入变化)，即为直通方式。这时由DI7～DI0输入的数据可以直接进入DAC寄存器进行D/A转换。因此，和应当同时为1，即ILE=1，而、

和均为0。(2)单缓冲方式。当两个寄存器中的一个始终处于直通状态，另一个处于受CPU控制的状态，即为单缓冲方式。例如，若，使DAC寄存器处于直通状态，CPU则可以通过ILE、

控制输入寄存器，使DAC0832工作于单缓冲寄存器的工作方式。(3)双缓冲方式。如果两个8位寄存器都处于受控方式，即为双缓冲方式。在这种方式下CPU分别控制两个缓冲寄存器的工作状态，数据输出要通过两步操作才能完成。例如，当DAC0832工作于双缓冲工作方式，它在DAC寄存器输出前一个数据的同时，可将下一个数据送入输入寄存器，能有效地提高转换速度。此外，两级缓冲方式还能够在多个转换器分时进行D/A转换时，同时输出模拟电压，达到同步输出的目的。这种方式多用于2路以上模拟输出，其中每一路都有独立的D/A转换装置，并且要求同步输出转换结果的电路。4)DAC0832与PC机的连接

DAC0832以单缓冲方式与8086CPU相连接的电路如图4―17所示。由于DAC0832内部有8位数据输入寄存器，可以锁存CPU输出的数据，因此数据总线直接连接到DAC0832的DI0～DI7上。按单缓冲方式工作，ILE接+5V，

接CPU的写信号，接地址译码器的，使输入寄存器处于受控方式；将WR2

和直接接地，DAC寄存器处于直通方式。通常将AGND和DGND接在一起，接到数字地上。图4―17DAC0832与CPU的连接

DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出(Iout1

和Iout2)，经运算放大器A形成单极性电压Uo输出。若VREF

为-5V，Uo为0～5V；若VREF为-10V，Uo为0～10V；若要输出负电压，VREF

则应接正的基准电压。在上述电路中，只要对地址执行输出指令，就可以使、变为低电平，由数据线D0～D7输出的数据就可以进行D/A转换，经Uo输出。当变为高电平后，数据被锁存在输入寄存器中，因此D/A转换的输出保持不变。假设DAC0832的地址为300H，则将8位二进制数7FH转换成模拟电压的接口程序为：START：MOVDX，300HMOVAL，7FHOUTDX，AL

HLT2.12位D/A转换器DAC12101)DAC1210的性能及内部结构

DAC1210(与DAC1208、DAC1209同一系列)与DAC0832结构相似，其D/A转换的控制方法也相似，可直接与8位或16位微机的总线连接。其主要性能指标如下：12位数字分两次输入；分辨率为12位；电流建立时间1μs；单电源供电，供电电压为5～15V；基准电压VREF范围为-10～+10V。DAC1210的内部结构如图4―18所示。

图4―18DAC1210内部结构框图由图4―18可见，12位输入寄存器分成一个8位和一个4位并联，为的是便于和8位CPU总线连接。在和8位数据总线连接时，数据要分两次输出，先送高8位，再送低8位，然后12位一次输出进行D/A转换。两级缓冲锁存控制由4根输入控制线完成。第一级两个输入寄存器由和来控制。为了区分数据是输入8位还是4位，增加了一条高/低字节控制线BYTE1/。当BYTE1/=1时，选中8位输入寄存器(低4位寄存器也被选中)；当它为0时，只选中低4位寄存器。因此分两次输入12位数据时，必须先送高8位，再送低4位。第二级12位的DAC寄存器由和共同控制，实现双缓冲功能。2)DAC1210的引脚

DAC1210是双列直插式24引脚集成电路芯片，大部分引脚功能与DAC0832相同，其中主要引脚功能如下：——片选端，低电平有效。——写信号1端，低电平有效。用于将输入数据锁存到输入寄存器，当为高电平时，输入锁存器中的数据被锁存。

BYTE1/——字节顺序控制信号。当该信号为高电平时，同时开启高8位和低4位两个输入锁存器，CPU可将数据同时送入两个锁存器中；当该信号为低电平时，仅开启低4位输入锁存器，CPU只能输入数据的低4位。——写信号2端，低电平有效。只有当和

同时有效时，输入寄存器中的数据才能通过12位DAC寄存器进行D/A转换。——传送控制信号，低电平有效。用于控制

。

DI0～DI11——12位数据输入线。其中DI4～DI11

为高8位，DI0～DI3为低4位。3)DAC1210与PC机的连接

DAC1210与PC总线的连接如图4―19所示，由于片内有两级缓冲锁存器，可以直接与PC总线连接。DAC1210的高8位数据输入线DI4～DI11

连接数据总线的D0～D7，低4位DI0～DI3连接数据总线的D4～D7。电流型输出接运算放大器A1，使之输出负极性电压，经运算放大器A2进行极性变换，变为正极性电压输出。写选通信号直接与PC总线的连接，片选信号接地。图4―19DAC1210与PC总线的连接MOV

DX，300H

；送高8位数据

MOVAL，DATAHOUTDX，ALINCDX；送低4位数据

MOVAL，DATALOUTDX，ALMOVDX，302H；12位数据进行转换

OUTDX，ALHLT…4.4数字量输入输出通道在计算机控制系统中，除了模拟信号外还有一类基本的输入输出信号，即数字量信号。这些信号包括各种开关信号，如开关的闭合与断开、继电器或接触器的吸合与释放、指示灯的亮与灭、电动机的启动与停止、阀门的打开与关闭等，它们都可以用逻辑值“1”和“0”表示。此外，还包括各类数字传感器、控制器产生的编码数据和脉冲量等。因此，计算机控制系统中还应设置数字量输入输出通道。4.4.1数字量输入通道1.输入调理电路来自控制装置或生产过程的各种开关量，首先要进行电平转换，将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题。图4―20所示的输入信号调理电路，可以用于过电压、过电流和反压保护，还可进行RC抗干扰滤波。稳压管VD2

把过电压和瞬态尖峰电压钳位在安全电平上，串联二极管VD1

防止反向电压输入，电阻R1和电容C构成抗干扰的RC滤波器，电阻R1是输入限流电阻，R2为过流熔断保护保险丝。图4―20图4―21双稳态消抖电路开关和继电器触点等在闭合和断开时常存在抖动问题，解决这一问题的方法很多，图4-21所示就是一个双稳态消抖电路。该电路主要由两个R―S触发器构成，当开关S处于常闭位置时，1端为低电平，输出端A则为高电平；此时3、4端均为高电平，输出端B则为低电平，2端被锁定。这样，开关触头即使在常闭端产生振颤，但只要不和常开端连接，B端(2端)电位不变，则输出端A始终处于高电平。同理，开关处于常开位置时也是如此。因此，该电路在开关闭合或断开时只产生一个脉冲，触点抖动现象被消除。2.防干扰隔离电路现场开关与计算机输入接口之间一般有较长的传输线路，容易引入强电和干扰。因此信号输入端多采用具有安全保护和抗干扰双重作用的隔离电路，对此一般多采用光电耦合器。光电耦合器是通过光传输信号，当输入端有电流输入时发光源会发光，由于光敏效应受光器会产生电流，使输出端产生相应的电信号。因为器件的输入和输出在电气上是绝缘的，故可以起到隔离干扰的作用。图4―22所示的输入电路采用了光电隔离器，其输入、输出之间通过光耦合。当开关S闭合时，发光二极管导通发光，光耦合作用使光敏三极管导通，对应“0”状态输入；反之，开关S打开，则发光二极管不发光，光敏三极管截止，对应“1”状态输入。图4―22光电隔离及电平转换电路4.4.2数字量输出通道1.数字量输出通道的结构数字量输出通道主要由输出锁存器、光电隔离器、输出驱动器、地址译码器等组成，如图4―23所示。其中输出锁存器用于锁存CPU输出的数据；光电隔离器是为保证计算机安全、可靠地工作，将CPU与驱动电路的强电及干扰信号隔离；输出驱动器是用以驱动继电器或执行机构的功率放大器。图4―23数字量输出通道结构图4―24功率晶体管输出驱动继电器2.输出驱动电路输出驱动电路一般采用功率晶体管输出驱动继电器的电路，如图4―24所示。因为继电器线圈是感性负载，所以继电器线圈J两端必须并联反电势保护用续流二极管VD。除此以外，目前还较多采用达林顿阵列输出驱动继电器的电路。4.5数据处理与滤波4.5.1线性化处理在数据采集与处理系统中，一般总希望系统的输出和输入呈简单的线性关系，这样当用仪表来检测和显示系统中的某个物理量时，能得到均匀的刻度，不仅读数看起来清楚方便，而且仪表在整个范围内灵敏度一致。但是在实际工程中，计算机从模拟量输入通道得到的现场信号与该信号所代表的被测物理量之间不一定是线性关系，经常存在着非线性关系。例如在温度测量中，热电阻及热电偶与温度之间就存在着非线性关系；在流量测量中，流经孔板的差压信号与流量之间也是非线性关系。为了保证这些参数能有线性输出，需要引入非线性补偿，将输出信号与被测物理量之间的非线性转化为线性关系，这种转化过程称为线性化处理。

在用计算机进行线性化处理时，对于可以用解析式明确表示的非线性函数关系，可按公式进行计算，实现对非线性的补偿；此外还可以将事先计算好的结果存放在数据表中，然后通过查表的方式进行线性化处理。如果非线性关系不能用数学公式精确表达，还可以根据线性插值原理进行线性化处理。1.线性插值原理设传感器的输入输出特性曲线如图4―25所示。由图可知，输入x和输出y之间存在非线性关系y=f(x),当已知某一输入值x后，要求出其对应的y值并不容易。为此，可将该曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻两点用直线连接起来(如图中虚线所示)。用连接成的直线段代替该曲线，即可求出任意输入值x所对应的输出值y。图4―25分段线性插值法例如，设x在(xi，xi+1)区间内，则其对应的逼近值为(4―7)(4―6)或式中,，为第i段直线的斜率。对于这种方法，只要n取得足够大，即分段足够多，就可获得良好的非线性转换精度。2.线性插值的计算机实现步骤线性插值的计算机实现步骤如下：(1)用实验法测量输入输出的非线性关系曲线y=f(x)。一般应反复测量多次，以便求出一条比较精确的输入输出曲线。(2)将测量得到的曲线进行分段，选择插值基点。分段方法要根据曲线的变化情况确定，这样选取的基点将更合理。分段方法主要有等距分段法和非等距分段法两种。

等距分段法就是沿x轴等距离选取插值基点。这种方法的主要优点是使公式(4―6)中的xi+1-xi为常数，从而使计算变得简单，并节省内存。但该方法的缺点是，当函数曲率和斜率变化较大时，将会产生较大的误差。否则，必须把基点分得很细，这样将占用更多的内存，并使计算时间加长。非等距分段法的特点是，函数基点的分段不是等距离的，而是根据函数曲线的形状及其变化曲率的大小来修正插值间的距离。曲率变化大的，插值间距取得小一点，反之可将插值间距取得相对大一点。(3)确定并计算出各插值点的xi、yi值及两相邻插值点间拟合直线段的斜率ki,并在程序中以数据表的形式存放。(4)通过查表找出x所在的区间，取出该段直线的斜率ki和基点值xi、yi。

(5)根据插值公式y=yi+ki(x-xi)，计算出x点所对应的y值。线性化处理程序比较简单，关键是查表找出x所在的区间，从表中读取ki、xi、yi的值。如果采用的是等距分段法，很容易通过计算查表。即使采用无规则的非等距分段法，用常用的查表法(如对分搜索查表法)查找相应的ki、xi、yi值也并不困难。4.5.2标度变换生产过程中的各种参数都有不同的量纲和数值变化范围，如电压的单位为V，电流的单位为A，温度的单位为℃，压力的单位为Pa等。这些参数经传感器和A/D转换后得到一个数字量，该数字量仅表示一个代表参数大小的数值，并不一定等于原来带有量纲的参数值，故需将其转换成带有量纲的数值后才能进行运算、显示或打印输出，这种转换称为标度变换。

1.线性参数的标度变换所谓线性参数,是指参数值与A/D转换结果之间为线性关系，是最常用的变换方法。它的变换公式如下：(4―8)式中，Yx表示参数测量值，Ym表示参数量程的最大值，Y0表示参数量程的最小值，Nm表示量程最大值Ym对应的A/D转换输出值，N0表示量程起点Y0对应的A/D转换输出值，Nx表示测量值Yx对应的A/D转换值。其中Ym、Y0、Nm、N0对于某个特定的被测参数来说都是常数，不同的参数有着不同的值。为了使程序简单，一般把被测参数的起点Y0所对应的A/D转换值N0取为0，这样标度变换公式又可改写为：(4―9)例如，已知某热处理炉温度测量仪表的量程为200～800℃，在某一时刻计算机经采样、数字滤波后得到的数字量为CDH。设该仪表的量程是线性的，在Y0=200℃时，N0为0；Ym=800℃时，Nm=FFH=(255)10；Nx=CDH=(205)10。因此，根据公式(4―9)，此时的温度为：2.非线性参数的标度变换当传感器测出的数据与实际被测参数之间不是线性关系时，其标度变换公式应根据具体问题具体分析。首先应求出它们之间所对应的函数关系，如果这种函数关系可以用解析式来表示，就可以直接求出它所对应的标度变换公式进行计算。例如，在流量测量中，从差压变送器来的信号ΔP与实际流量G成平方根关系，即式中，K为刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关。由于流体的流量与被测流体流过节流装置时前后的压力差成正比，于是根据上式，测量流量时的标度变换公式为：可求得(4―10)式中，Gx为被测量的流量值；Gm为流量仪表的上限值；G0为流量仪表的下限值；Nx为差压变送器所测得的差压值(数字量)；Nm为差压变送器上限所对应的数字量；N0为差压变送器下限所对应的数字量。该式为流量测量中标度变换的通用表达式。对于流量测量仪表，一般下限均取0，所以此时G0=0，N0=0，故上式变为(4―11)许多非线性传感器并不像上面讲的流量传感器那样，可以写出一个简单的公式，或者虽然能够写出公式来，但是计算相当困难。这时可以采用多项式插值法、线性插值法或查表进行标度变换。4.5.3数字滤波由于工业控制对象的环境一般比较恶劣，干扰源较多，如强电磁场干扰、环境温度变化较大等，因此为了减少对采样值的干扰，提高系统的性能，一般在进行数据处理之前先要对采样值进行数字滤波。所谓数字滤波，就是通过一定的计算程序减少干扰信号在有用信号中的比重。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比有以下几个优点：(1)由于数字滤波是用程序实现的，因而不需要增加硬件设备，很容易实现。同时，多个输入通道还可以共用一个滤波程序。(2)由于数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高,稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。(3)数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。(4)通过改写数字滤波程序，可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，它比改变模拟滤波器的硬件方便得多。1.程序判断滤波

当采样信号由于随机干扰、误检或者变送器不稳定等原因引起严重失真时，可以采用程序判断滤波。程序判断滤波的方法是，根据经验确定出两次采样