第2章b总线接口与过程通道.

第2章总线接口与过程通道计算机控制技术黄国宏广东工业大学信息工程学院应用电子系第2章总线接口与过程通道在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理后的结果还须变换成适合于对生产进行控制的信号量。这个在计算机和生产过程之间传递和变换信息的装置称为输入输出过程通道。过程通道第2章总线接口与过程通道计算机控制系统的过程通道分为四类：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。第2章总线接口与过程通道计算机控制系统组成框图第2章总线接口与过程通道2.5.1模拟量输入通道模拟量输入通道是计算机用于工业控制必需的模拟数据处理系统。它把各类传感器从现场检测到的模拟量信号如温度、压力等转换成计算机可以接收的数字量信号。建立模拟量输入通道的目的，通常是为了进行参数测量或数据采集。它的核心部件是A/D转换器及其微处理机的接口。第2章总线接口与过程通道1.模拟量输入通道的一般组成变送器信号预处理多路转换器前置放大器A/D转换器接口逻辑电路PC总线模拟输入通道采样保持器过程参数图模拟量输入通道的组成结构模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、前置放大器、采样保持器、模/数转换器和接口逻辑电路等组成。其核心是模/数转换器。第2章总线接口与过程通道2.模拟量输入通道中常用器件和电路①信号预处理信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信号进行处理，包括非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等。第2章总线接口与过程通道•无源I/V变换0～5VI1RRP0～10mAVRC图无源I/V变换电路无源I/V变换可以利用一个的精密电阻，将0～10mA的电流信号转换为0～5V的电压信号。例如:将4mA～20mA或0～10mA电流信号变为电压信号，将热电阻(Pt100或Cu50)的电阻信号经过桥路变为电压信号。第2章总线接口与过程通道•有源I/V变换VAI1R2RR4R0～10mARP3RfRC图有源I/V变换电路有源I/V变换是利用有源器件运算放大器和电阻组成。利用0～10mA电流在电阻R上产生的输入电压，若取，则时，产生2V的输入电压。该电路的放大倍数为200RA10mI1f1RRA若取，，则0～10mA输入对应于0～5V的电压输出。kR0011KΩ150fR第2章总线接口与过程通道②多路转换器多路转换器又称多路开关，多路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共放大器或A/D转换上。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、MAX354、LF13508等电平转化译码驱动电路XVSSVDDABC┇┅┇INHEEV0X1X7XCBAX接通0000X00001X1……0111X71×××全不通INH图CD4051原理图表7—1CD4051通道选择表第2章总线接口与过程通道③前置放大器IVIV11R12R13R14Rk15002501251S2S3S4S2359V152Ck104Rk106R1R5005002RV15V153Ck101A3AV151W3Rk105Rk102AV15V151234KAV15V512212212232411f0RREFV101VV154Ck102WV15OV4A131436789452019181716152825674LS14DAC121011DI4DIA/D0Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y6Y74LS138CBAG1GBWKV50D2D1D前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到转换的量程范围之内。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高电平和低电平的信号，就有可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出模/数转换器的输入范围。可设计可变增益放大器。图可变增益前置放大器第2章总线接口与过程通道④采样保持器KA2A1逻辑控制－＋INVOUTVCV＋－HC采样时，k闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，k断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT=VC保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。A1A3A2K5678CH32INININVOFFSETOV1R2R1V2V图集成采样保持器LF398的原理图图采样保持器的组成第2章总线接口与过程通道⑤A／D转换器A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间的接口。分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，若n＝8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压。转换时间：从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成n位转换所需要的时间。mV2/V12.58A／D转换器的主要技术指标第2章总线接口与过程通道转换精度：绝对精度指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值；相对精度指在满量程已校准的情况下，整个转换范围内任一数字量输出所对应的模拟量输入电压的实际值与理想值之间的最大差值。转换精度用LSB的分数值来表示。第2章总线接口与过程通道线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如1/2LSB、1/4LSB等。转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如0～5V，0~10V，－5V～十5V等。第2章总线接口与过程通道8位A／D转换器ADC08098路模拟开关IN0VIN1VIN2VIN3VIN4VIN5VIN6VIN7V2628271234525242322ABCALE地址锁存与译码1113ccVGND12RDFVRDFV16256RT型电阻网络DAC开关树比较器SAR控制与时序A/D6107171415818192021(LSB)DO01DO2DO3DO4DO5DO6DO(MSB)DO7OE9三态输出锁存缓冲器EOCSTARTCLOCK图ADC0809的原理框图及引脚START启动转换；EOC通知CPU读结果；OE高电平时输出第2章总线接口与过程通道⑥A／D转换器与计算机的接口8位A/D转换器与PC总线工业控制机接口图7－17ADC0809与PC总线工业控制机接口设8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A为输入口，端口C上半部分为输入而下半部分为输出口。ADC0809的ALE与START引脚相连接，将PC0～PC2输出的3位地址锁存入0809的地址锁存器并启动A/D转换；ADC0809的EOC同OE输入控制端相连接，当转换结束时，开放数据输出缓冲器；EOC信号还连接到8255A的C口，CPU通过查询PC7的状态而控制数据的输入过程。7PA0PA3PC2PC1PC0PC7PC8255ACLKVCCD7CBAOEEOCSTARTALECLKGNDIN7IN0+5V+5V分频接PC总线D0ADC0809REFVREFV第2章总线接口与过程通道3.模拟量输入通道设计如果模拟输入电压已满足A/D转换量程要求，就不必再用前置放大器，前置放大器可分为固定增益和可变增益两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器；如果在A/D转换期间，模拟输入电压信号变化微小，且在A/D转换精度之内，也就不必选用采样保持器。第2章总线接口与过程通道A/D转换器位数的选择主要取决于系统测量精度。A/D转换器的转换时间或转换速率的选择取决于使用对象。采样保持器(S/H)的选用取决于测量信号的变化频率，原则上直流信号或变化缓慢的信号可以不用采样保持器。第2章总线接口与过程通道确定A/D转换器位数的方法有以下两种：①输入信号的动态范围设输入信号的最大值和最小值分别为(mV)2(mV))12(0minmaxxxn式中n为A/D转换器的位数，为转换当量，则动态范围为12minmaxnxx因此，A/D转换器位数为minmax21logxxn第2章总线接口与过程通道②输入信号的分辨率有时对A/D转换器的位数要求以分辨率形式给出，其定义为121nD如果所要求的分辨率为D0，则位数0211logDn例如，某温度控制系统的温度范围为0℃至200℃，要求分辨率为0.005（相当于1℃），可求出A/D转换器的位数65.7005.011log11log202Dn因此，取A/D转换器的位数n为8位。第2章总线接口与过程通道以PC总线工业控制机的模拟量输入通道模板设计为例第2章总线接口与过程通道该模板采集一组数据的过程如下：（1）通道选择将模拟量输入的通道号写入8255A的端口C低4位，使LF398的工作状态受AD574A的STS控制，A/D未转换期间，STS=0,LF398处于采样状态。（2）启动AD574A进行A/D转,换通过8255A的端口C的PC4～PC6输出控制信号启动A/D。在A/D转换期间，STS=1，LF398处于保持状态。第2章总线接口与过程通道（3）查询AD574A是否转换结束读8255A的端口A，了解STS是否已由高电平变为低电平。（4）读取转换结果若查询到STS由1变为0，则读8255A的端口A和B，便可得到转换结果。第2章总线接口与过程通道2.3.2模拟量输出通道第2章总线接口与过程通道2模拟量输出通道中常用器件和电路①D/A转换器D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统之间的接口。D/A转换器的主要技术指标分辨率：D/A转换器的分辨串定义为基准电压与之比值，其中n为D/A转换器的位数。REFVn2稳定时间：输入二进制数变化量是满刻度时，输出达到离终值时所需的时间。LSB2/1第2章总线接口与过程通道转换精度：其中绝对精度是指输入满刻度数字量时，D/A转换器的实际输出值与理论值之间的最大偏差；相对精度是指在满刻度己校准的情况下，整个转换范围内对应于任一输入数据的实际输出值与理论值之间的最大偏差。转换精度用最低有效位LSB的分数来表示，如土1/2LSB、土1/4LSB等。线性度：理想的D/A转换器的输入输出特性应是线性的。在满刻度范围内，实际特性与理想特性的最大偏移称为非线性度，用LSB的分数来表示，如土1/2LSB、土1/4LSB等。第2章总线接口与过程通道8位D/A转换器DAC0832图DAC0832的内部结构图•主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、采用R—2R电阻网络的8位D/A转换器、相应的选通控制逻辑四部分组成。•DAC0832的分辨率为8位，电流输出，采用20脚双立直插第2章总线接口与过程通道8位输入寄存器(MSB)1516171819204511DI10DI9DI8DI7DI6DI5DI4DIDQDQDDDDQQQQDACD/A3DI2DI1DI0DI(LSB)CSXFER2WR1WRLEDQLE0LE1LEDQ当时,;当时,锁存数据1014131131224REFVOUTIOUT1IfbRfbRAGNDGNDccV4位输入寄存器678923122122BYTE2/BYTE112位寄存器12位转换器图DAC1210内部结构图12位D/A转换器DAC1210第2章总线接口与过程通道②D/A转换器与计算机的接口8位D/A转换器与PC总线工业控制机接口接PC总线译码器DAC0832+5VVRADGNDAENAGNDCCVREFVOV0Y0A1A9AIOWfbROUT1IOUT2IXFER1WR2WR0DI1DI6D7D0D1D6DI7DICS图DAC0832与PC总线工业控制机接口DAC0832工作在单缓冲寄存器方式；DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出，经过运算放大器A，将形成单极性电压输出0～＋5V；若要形成负电压输出，则需