第二章输入输出接口和过程通道

第二章输入输出接口与过程通道接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机，而计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。系统运行过程中，信息的交换是频繁发生的。过程通道是在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，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机，计算机经过计算和处理后所得的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生产过程的控制。在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统对重要组成部分。在微机的各种接口中，完成外设信号到微机所需数字信号转换的，称为模拟∕数字转换（A/D转换）器；完成微机输出数字信号到外设所需信号转换的，称为数字∕模拟转换（D/A转换）器。D/A转换器（DigitaltoAnalogConverter）是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件；A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter）则相反，它能把模拟量转换成相应的数字量。在微机控制系统中，经常要用到A/D和D/A转换器。它们的功能及在实时控制系统中的地位，如图2-1所示。图2-1单片机和被控实体间的接口示意2.1D/A转换器2.1.1D/A转换器的原理D/A转换器有并行和串行两种，在工业控制中，主要使用并行D/A转换器。D/A转换器的原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T型电阻网络。2.1.2D/A转换器的性能指标1.分辨率2.转换精度3.偏移量误差4.建立时间2.1.3典型的D/A转换器芯片DAC08321.DAC0832内部结构图2-2DAC0832原理框图2.引脚功能DAC0832芯片为20引脚，双列直插式封装。其引脚排列如图2-3所示。（1）数字量输入线D7~D0（8条）（2）控制线（5条）（3）输出线（3条）（4）电源线（4条）D7D6D0D1D2D3D4D58位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换电路RfVREFIout2Iout1RfILECSWR1WR2XFERDAC0832AGNDVCCDGNDLE1LE2M1M3M2CSWR1AGNDD7D6D0D1D2D3D4D5VREFRfDGNDVccILEWR2XFERIout2Iout1DAC08321109876543220141516171819131211图2-43DAC0832引脚图1．AC0832的技术指标DAC0832的主要技术指标：（1）分辨率8位（2）电流建立时间1µS（3）线性度（在整个温度范围内）8、9或10位（4）增益温度系数0．0002％FS/℃（5）低功耗20mW（6）单一电源+5~+15V因DAC0832是电流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，Rf为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图2-4所示。图2-4运算放大器接法2.2MCS-51和D/A转换器的接口2.2.1DAC0832的应用1.单极性输出在需要单极性输出的情况下，可以采用图2-5所示接线。-+OA.VoutRfIout1Iout2图2-5单极性DAC的接法2.双极性输出在需要双极性输出的情况下，可以采用图2-6所示接线。图2-6双极性DAC的接法图2-6中，运算放大器OA2的作用是将运算放大器OA１的单向输出转-+OAVoutRfIout1Iout2..VREFDAC0832.I1I3I2OA1OA2++__2R2RRVout1VoutAVREF8031VREFRfIout1Iout2......变为双向输出。表达式（2-3）的比例关系可以用图2-7来表示。图2-7双极性输出线性关系图2.2.2MCS-51和8位DAC的接口1.直通方式2.单缓冲方式所谓的单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出。单缓冲VVout+VREF-VREF00HFFH80HB方式接线如图2-8所示。图2-8DAC0832单缓冲方式接口3.双缓冲方式所谓双缓冲方式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。双缓冲方式DAC0832的连接如图2-9所示。图2-9DAC0832的双缓冲方式接口2.2.3MCS-51和12位DAC的接口-+OAVout........P0P2.7WR8051D7～D0DAC0832+5VVCCILEVREFRfIout1Iout2AGNDDGNDCSXFERWR1WR2AO1AO2++__2R2RVout.....+5VILEVccVREFRfIout1Iout2WR1DI0WR2XFERCSDI7~P0.0P0.7~ALEEA8031WR锁存器译码器FFHFEH.DAC0832R.DAC1208的内部结构和引脚结构DAC1208的内部结构如下图2-10所示，引脚结构如图2-11所示图2-10DAC1208内部框图图2-11DAC1208引脚图4位输入寄存器8位输入寄存器12位DAC寄存器12位D/A转换器Iout1Iout2VREFRfbDI11DI4DI3DI0BYTE1/BYTE2CSWR1WR2XFERLE1LE2LE3M3M2M1LE=1，输出跟随输入LE=0，输入数据锁存...CSWR1AGNDDI9DI8DI2DI3DI4DI5DI6DI7VREFRfbDGNDVccBYTE1/BYTE2WR2XFERIout2Iout1DAC1208110987654322014151617181913121124232221(LSB)DI0DI1DI11(MSB)DI108031和DAC1208的接线方式如图2-12所示。图2-128031和DAC1208的连接2.3A/D转换器2.3.1逐次逼近式A/D转换器的工作原理逐次逼近式A/D转换器是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的方法，逻辑框图如图2-13所示。-+OA8031EAALEP0.3P0.0~P0.7P0.4~WR地址锁存器Q0Q1Q7译码器1111111B1111110BBYTE1/BYTE2XFERCSWR1WR2RfbIout1Iout2VoutDI11DI8DI7DI4DI3DI0~~~DAC1208.-+OA模拟输入Vx数字输出启动CKDONE控制逻辑N位寄存器N位D/A转换器Vc比较器图2-13逐次逼近式A/D转换器逻辑框图2.3.2A/D转换器的性能指标1.转换精度2.转换时间3.分辨率4.电源灵敏度2.3.3典型的A/D转换芯片ADC08091.ADC0809的内部逻辑结构8路A/D转换器8路模拟量开关ADC0809的内部逻辑结构如图2-14所示。地址锁存.8031ADC0809ALEP0.7P0.0P2.7WRRDINTCKDQQA0A1A2D0D7ABCCLKSTARTALEOEEOC.IN0IN1IN7IN6IN5IN4IN3IN2++图2-14ADC0809内部逻辑结构2.引脚结构ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。其引脚结构如图2-15所示。图2-15ADC0809引脚图引脚结构（1）IN7~IN0：8条模拟量输入通道（2）地址输入和控制线：4条（3）数字量输出及控制线：11条IN5D7D6D0D1D2D3D4D5Vref(+)OEGNDVccADDCADC08091109876543220141516171819131211IN3IN4IN7IN6STARTEOCCLOCKVref(-)ALEADDAADDBIN0IN1IN22827262524232221（4）电源线及其他：5条表2-1被选通道和地址的关系2.4MCS-51和A/D转换器的接口2.4.1MCS-51和ADC0809的接口ADC0809和8031的接线如图2-20所示。图2-20ADC0809和8031接线图地址锁存.8031ADC0809ALEP0.7P0.0P2.7WRRDINTCKDQQA0A1A2D0D7ABCCLKSTARTALEOEEOC.IN0IN1IN7IN6IN5IN4IN3IN2++2.4.2MCS-51对AD574的接口（1）引脚功能AD574为28脚双列直插式封装，引脚排列如图2-22所示。图2-22AD574引脚图（2）结构特点①AD574内部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，因此使用方便，可直接和微机接口，不需要外接时钟电路。②ADC0809的输入模拟电压为0～+5V，是单极性的。而AD574的输入模拟电压既可是单极性也可是双极性。③AD574的数字量的位数可以设定为8位，也可设定为12位。(3)8031和AD574的接口图2-23表示出了AD574与8031单片机的接口电路。图2-23AD574与8031接口电路2.5数据的采样及保持2.5.1多路转换开关1.CD4051CD4051是单边8通道多路调制器/多路解调器。其引脚结构如图2-25所示。图2-25中，C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可....P0.7P0.0EAALEWRRDP1.03239313016171803174LS373D7D0Q0Q774LS00&123181714131516191282569347333435363738111115121013271426252021222324191617281826543978-15V+15V±±模拟输入+5V增益补偿100ΩΩ100D10D9D8D0D1D2D3D4D5D6D7D11CESTS12/8A0CSR/C10VINBIFOFFREFOUTREFINAGNDDGNDVssVcc20VINVL..AD574.........以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通。改变图中I/OUT0~7及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。其真值表如表2-3所示。图2-25CD4051引脚图表2-3CD4051真值表IN/OUT19876543210111413121516{{IN/OUT{IN/OUT12304567OUT/ININHVssVccVDDABC2.多路转换开关的扩展当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联起来，组成8×2或16×2的多路开关。下面以CD4051为例说明多路开关的扩展方法。两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法，如图2-26所示。图2-26用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图2.5.2数据采样定理离散系统的采样形式有周期采样、多阶采样和随机采样。周期采样应用最为广泛。所谓周期采样就是以相同的时间间隔进行采样。图2-27给出了采样前后波形的变化。OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{模拟输入（18）模拟输入（916）~~模拟输出.....X(t)X(t)*ST(t)ttt0002T1T3T4T5T6T-2T-1T-3T-4T-5TX*（t）图2-27采样前后波形的变化2.5.3采样/保持器采样/保持器的作用是：在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输出值不变。其输入输出特性如图2-28所示。图2-28采样/保持器的输入输出特性1.采样/保持器的工作原理采样保持VinVoutS/HVinVout工作方式最简单的采样/保持器是由开关和电容组成，如图2-29所示。图2-29最简单的采样/保持器2.常用的采样/保持器随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采样/保持器。如用于一般目的有AD582、AD583、LF198/3