微机化测控系统第三章

第三章主机及其接口内容:主机电路、微机与A/D接口、微机与V/F接口、微机与D/A接口、功率接口、人机接口、通信接口。重点：微机与A/D接口、微机与D/A接口、人机接口、通信接口。难点：接口电路设计§3-1主机电路主机电路是指CPU及与其连接的存储器和接口电路。这是微机化测控系统的核心。测控系统采用的主机主要有PC机和单片机两种。3-1-1基于PC机的主机电路基于PC机的测控系统可分为：内插式、外接式、组合式三种一、内插式将I/O接口制成印刷电路板的插板，直接插在PC机扩展槽内。比如NI的采集卡主机电路特点：结构简单、紧凑、成本低、不用外接电源。扩展槽较少，灵活性差.注意总线结构：ISA、VESA、PCI、AGP,设计接口电路。图3-1-1内插式测控系统构成主机电路二、外接式特点：方便灵活、适用于多通道，单独供电，不紧凑接线：RS232、IEEE-488、USB图3-1-2外接式测控系统构成主机电路三、组合式形式：内插与外接组合特点：兼有两种方式图3-1-3组合式测控系统构成输入输出接口安装于PC机箱外部的专用电箱，内部也有扩展槽；特点是灵活方便、适用面广适合特殊场合。3-1-2基于单片机的主机电路构成：CPU、RAM/ROM、I/O、定时/计数器集成在一块芯片上。特点：可靠性高、易扩展、控制功能强、存储容量小、体积小、开发周期短、成本低。因此，常见的微机化测控系统、特别是小型测控系统和便携式测控仪器大多采用单片机。一、MCS-51单片机结构和引脚1、内部结构图3-1-4MCS51系列单片机片内部结构内部组成：①1个由运算器和控制逻辑组成的CPU;②1个128字节的RAM;③21个特殊功能寄存器;④2个优先级别的5个中断源⑤2个16位定时器/计数器;⑥1个全双工异步串行端口;⑦4个8位并行I/O端口。MCS51系列有三种基本产品：8031(片内不含ROM或EPROM)、8051(片内含ROM)、8751(片内含EPROM)。一、MCS-51单片机结构和引脚一、MCS-51单片机结构和引脚2引脚图3-1-5MCS51单片机引脚及总线路结构书P58图3-1-5一、MCS-51单片机结构和引脚各引脚功能如下XTAL1、XTAL2：内部振荡电路的输入端和输出端，在这两端接上晶体和电容，内部振荡器便自激振荡。RST/VPD：复位输入端。+5V电源通过RC微分电路接至复位端，可实现上电自动复电，也可采用按钮开关复位。/EA:内部和外部程序存储器选择端,当/EA为低电平时，对ROM的读操作限定在外不曾存储器；当/EA为高电平时对ROM操作从内部开始并可延伸至外部。ALE：地址锁存信号输出端。在ALE为高电平时，单片机P0输出低位地址信号。/PSEN：外部程序存储器读选通信号输出端（低电平有效）。P0、P1、P2、P3：4个8位I/O端口。P0口可驱动8个TTL门电路；P1、P2、P3口则只能驱动4个TTL门；P3口是双重功能口。单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入及用户I/O口外，其余引脚都是为实现系统扩展而设置的。单片机的外部扩展包括外部总线及接口扩展（常用器件有74LS37381558255等）外部程序存储器扩展（常用EPROM2732、2764、27128、27256、27512）外部数据存储器扩展（常用RAM6116、6264、62128、62256）一、MCS-51单片机结构和引脚二、外部存储器和外接I/O接口外部存储器原因：单片机存储容量小实现：P2输出外部存储器的高8位地址，P0口分时输出地址的低8位和传送指令字节和数据；工作时P0口先输出地址的低8位，在ALE有效时将该地址锁存到外部地址所存器中，然后P0作为传送指令字节和数据的数据总线使用。外部地址所存器常用器件74LS373。程序实现：P59外接I/O口74LS373，8255，81553-2测控接口及程序3-2-1A/D与微机接口及程序任务：处理启动转换、转换结束、控制信号等任务。主机读取A/D结果的方式：中断、查询、定时。工作条件：启动信号；转换结束信号；时序匹配3-2-2D/A与微机接口及程序任务：处理数字量输入锁存、D/A转换、控制信号等任务。ADC0809是逐位逼近型8通道、8位A/D转换芯片，CMOS工艺制造，双列直插式28引脚封装。图8.51给出了ADC0809芯片的内部结构框图及引脚图(图中给出的数据为对应的引脚号)。ADC0809片内有8路模拟开关，可输入8个模拟量，单极性输入，量程为0+5V。典型的转换时间为100s。片内带有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。是目前广泛采用的芯片之一，可应用于对精度和采样速度要求不高的数据采集场合或一般的工业控制领域。1．ADC08098位A/D转换器1817D02120198151416OE9ADDC23ADDB24ADDA25ALE22265IN743212827START6CLOCK108路模拟开关地址锁存与译码SAR控制与定时树状开关电阻网络三态输出锁存缓冲器11VCC13GND7EOCVREF(＋)128路模拟量选通输入部分三态数据输出锁存器IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0VREF(－)D1D2D3D4D5D6D7ADC0809的结构框图与引脚8位A/D转换器是逐次逼近式，由256R电阻分压器、树状模拟开关(这两部分组成一个D/A转换器)、电压比较器、逐次逼近寄存器SAR、逻辑控制和定时电路组成。其工作原理是采用对分搜索方法逐次比较，找出最逼近于输入模拟量的数字量。电阻分压器需外接正负基准电源VREF(+)和VREF(-)。CLOCK端外接时钟信号。A/D转换器的启动由START信号控制（被动控制）。转换结束时控制电路将数字量送入三态输出锁存器锁存，并产生转换结束信号EOC（主动产生）。三态输出锁存器用来保存A/D转换结果，当输出允许信号OE有效时，将打开三态门，使转换结果输出。ADC0809的内部逻辑IN0IN7——8路模拟量输入端。输入的地址信息与所选通的模拟通道之间存在一一对应的关系。如当ADDC、ADDB、ADDA=000时，IN0选通；ADDC、ADDB和ADDA——地址输入端，以选通IN7IN08路中的某一路信号。ALE——地址锁存允许信号，当地址锁存信号ALE有效时，3位地址ADDC、ADDB和ADDA进入地址锁存器CLOCK——外部时钟输入端。允许范围为101280kHz。时钟频率越低，转换速度就越慢。START——A/D转换启动信号输入端。有效信号为一正脉冲。在脉冲的上升沿，A/D转换器内部寄存器均被清零，在其下降沿开始A/D转换。2)引脚定义EOC——A/D转换结束信号。在START信号上升沿之后不久，EOC变为低电平。当A/D转换结束时，EOC立即输出一正阶跃信号，可用来作为A/D转换结束的查询信号或中断请求信号。OE——输出允许信号。当OE输入高电平信号时，三态输出锁存器将A/D转换结果输出到D7D0。D7D0——数字量输出端。D0为最低有效位(LSB)，D7为最高有效位(MSB)。VCC与GND——电源电压输入端及地线。VREF(+)与VREF(-)——正负基准电压输入端。中心值为(VREF(+)+VREF(−))/2(应接近于VCC/2)，其偏差不应该超过0.1V。正负基准电压的典型值分别为+5V和0V。2)引脚定义ADC0809的数字量输出值D(十进制数)与模拟量输入值VIN之间的关系如下：)1(2VVVVD2VVVVD8)REF()REF()REF(IN8)REF()REF()REF(IN通常VREF(−)=0V，所以625VVD)REF(IN当VREF(+)=5V，VREF(-)=0V，输入的单极性模拟量从0V到4.98V变化时，对应的输出数字量在0到255(00HFFH)之间变化。ADC0809与8031接口数据地址口线分别与单片机接口，不复用数据、地址分时复用（P0口），采集方式等待延时，轮流采样中断采样查询采样数据地址分开控制不复用C程序-0809工作子程序voidad0809(){oe=0;//输出禁止；//以下三条指令为起动AD0809st=0;//P3_6=1;？st=1;//P3_6=0;st=0;//P3_6=1;delaynms(1);while(!eoc);//等待转换结束oe=1;//取出读得的数据x[number]=P0;//将单片机采得数据送入相关数组//delaynms(300);oe=0;}地址数据总线复用接法之一—等待延时图3-2-1ADC0809的等待延时方式接口P0口地址数据总线复用必备器件-74LS373当三态允许控制端/OE为低电平时，Q0~Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当/OE为高电平时，Q0~Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。当LE为低电平时，Q被锁存在已建立的数据电平ADC0809具有输出三态锁存器，8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相连，以选通IN0～IN7中的一个通道。将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号/WR和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动。由于ALE与START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址于373中的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号/RD和P2.7引脚经一级或非门后产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。等待延时接口电路解释地址数据总线复用接法之—中断、查询采集方式：2、中断方式3、查询方式图3-2-2中断或查询方式接口具体程序见P633-2-3、D/A与微机接口及程序D/A芯片分类：无输入锁存的DAC与微机接口无输入锁存的DAC与微机接口必须外接锁存器来保存计算机给D/A的待转换数据。当DAC的位数与计算机总线位数相同时，只需要一片锁存器就可以，否则需要两级锁存器。有输入锁存的DAC与微机接口单缓冲方式接口（AD558，AD7524）。双缓冲方式接口（DAC0832）D/A转换器的作用和主要技术指标D/A转换器的作用是将二进制的数字量转换为相应的模拟量。主要技术指标•分辨率•稳定时间•输出电平•绝对精度•相对精度•线性误差•温度系数1、DAC0832的内部结构DAC0832是一个8位的数/模转换芯片，输出的是电流信号内部由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。D/A转换器为T型转换网络，其内部结构图如图所示。8位D/A转换器－DAC0832芯片1．DAC0832的内部结构图11-5DAC0832逻辑结构框图CSWR1ILEDI7～DI0LE1LE2IOUT2VREFIOUT1Rfb模拟地DGNDAGNDVCC数字地8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器WR2XFER2、DAC0832的引脚功能DI7～DI0：8位数字量输入信号，其中DI0为最低位，为DI7为最高位。CS:片选输入信号，低电平有效。WR1：数据写入信号1，低电平有效。ILE：输入寄存器的允许信号，高电平有效。XFER：同步传送控制信号，低电平有效。WR2：数据写入信号2，低电平有效。IOUT1：电流输出1，当DAC寄存器中全为“1”时，输出电流最大IOUT2：电流输出2，它与IOUT1的关系是：IOUT1＋IOUT2＝常数Rfb：内部反馈电阻引脚，用以电流变电压的，该电阻在芯片内VREF：参考电压输入端，可接正负电压，范围为-10～+10V。VCC：芯片电源，+5~+15V，典型值为+15V。AGND：模拟地，芯片模拟信号接地点。DGND：数字地，芯片数字信号接地点。分辨率为8位；可采用双缓冲、单缓冲或直通三种工作方式；电流稳定时间为1μs；所有引脚