第四章计算机控制系统输入输出接口技术

第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术４.1模拟量输入接口技术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。第４章计算机控制系统输入输出接口技术用于过程控制计算机的输入输出接口可以分为模拟量输出接口、模拟量输入接口、开关量（数字量）输入输出接口。模拟量输入接口一般由接口电路、控制电路、模／数转换器和电流／电压（I/V）变换器等构成，其核心是模／数转换器，简称A／D。第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术４.1.1A／D转换器主要参数A／D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。常用的A／D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。逐次逼近式：转换时间短（几个微秒～几百个微秒），但抗干扰能力较差。双斜积分式：转换时间长（几十个毫秒～几百个毫秒），抗干扰能力较强。常用的逐次逼近式A/D换器有8位分辨率的ADC0809，12位分辨率的AD574等。常用的双斜积分式A／D转换器有3位半的MC14433，4位半的ICL7135等。第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术A／D转换器的主要技术指标:转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。即数字量的最低有效位（LSB）对应于满量程输入的l／2n。若n=8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压为：5.12V／28＝20mV。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或±1LSB。量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V～+5V，0～10V，0～5V等。对基准电源的要求：是否要外接精密基准电源。第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术４.1.2A／D转换器的外部特性表3.1所示各厂家的A／D转换器芯片的转换启动和转换结束信号命名。表3.1几种A／D转换器芯片的引脚对照表WRCSC芯片转换启动转换结束ADC0816（0809）STARTEOCAD570（571）B／＝0ADC0804·ADC7570START=1ADC11315CONVCMDSTATUS下降沿ADC1210AD574CE·（R／）=0DRCBUSYSCCCCSSTSINTR第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术在选择和使用A／D转换器芯片时，除满足转换速度和分辨率要求之外，要注意A／D转换器的连接特性，有以下几点：（1）A／D转换器芯片的转换启动信号是用电位启动还是脉冲沿启动。（2）A／D转换器芯片内是否带有三态门输出锁存器来输出数字量。（3）输出数字量的形式，是二进制还是BCD码。第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术４.1.312位A／D转换器芯片AD574AAD574A是分辨率为12位的A／D转换器芯片，下图为其原理结构框图.20VINMSBAGND逐位逼近寄存器(SAR)8711115VDD272625242322212019181716三态输出锁存缓冲器D7D6D5D4D3D2D1D0D11D10D9D82345620控制逻辑CS12/8A0R/CSTSECD/A转换器AD565A10V基准电源10VINREFINREFOUTBIPOFVEEVCCDGND101213149LSB时钟电路比较器+-10K5K5KAD574A结构框图第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术从使用的角度来看，任何一种A／D转换器芯片一般具有以下输出信号线：1．转换启动线（输入）：由系统控制器发出的控制信号，此信号有效，转换开始。2．转换结束线（输出）：转换完毕后由A／D转换器发出的状态信号，由它中断或DMA传送，或作查询之用。3．模拟信号输入线：来自被转换的对象，有单通道输入与多通道输入之分。4．数字信号输出线:由A/D转换器将数字量送给CPU的数据线。数据线的根数表示A／D转换器的分辨率。第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术10Vin、20Vin、BIPOFF：模拟电压信号输入线，BIPOFF引脚可接-5V（-5V～+5V输入信号）或-10V（-10V～+10V输入信号）。VDD、VEE：模拟电路电源输入线。AGND：模拟电路接地线。VCC：数字电路电源输入线。DGND：数字电路公共接地线。REFOUT：内部基准电源输出线。REFIN：A／D转换基准电压输入线。：转换结束输出信号线。DO0～DO11转换数据输出线，D0最低有效位LSB，D11最高有效位MSB。CE：片使能信号输入线。：片选信号输入线。STSCSAD574A各引脚特性如下：第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术/：读、起动转换控制信号输入线，当为高电平时；表示读取A／D转换数据，当为低电平时，表示起动A／D转换。12／：12位、8位数据读取方式选择输入线，当接在VCC上时，进行12位数据读取操作，当接在数字地上时，与A0信号配合，进行高8位、低4位数据读取操作。A0：字节选择控制输入线，在起动A／D转换时，为低电平，产生12位的转换，当为高电平时，只产生8位的转换。在读取数据操作时，此线为低电平，输出高8位的转换数据，当为高电平时，输出低4位的转换数据。接在VCC上，则不起作用。C8R第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术４.1.4模拟量输入接口设计1.AD574与ISA总线是前62根信号线的接口用软件延时方法实现定时间隔的A／D转换接口电路，如图下所示。当DIR=1时，即R／=1时，系统通过74LS245读AD574转换结果。当DIR=0，即R/＝0时，系统用假定外设操作来启动A／D转换。译码电路用A1～A9，和，AEN参加译码，0～n为读写端口，AEN为避开DMA操作时对AD574的误操作。CIORIOWYYC第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术100Ω+5V+12V-12VAD574D7D6D0100ΩD11D4CSY0Y1YnIOWAENA1～A9≥1OE74LS245DIR译码器&……CE12/8REFINBIPOFF+15VISA总线-15V10VIN5VREFOUTR/CD5D4D3D2D1A0IORB7B0……A7A0……A0D3D2D1D0D7D61D5D10D9D8AD574与ISA总线前62芯插槽的连接第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术系统地址A0接AD574的A0，当用偶地址假写AD574时，启动进行12位A／D转换；否则，进行8位A／D转换，当用偶地址读AD574时，读出高8位，否则读出低4位。采集程序如下：MOVDX，n；n为偶地址OUTDX，AL；假写外设操作，启动12位A／D转换CALLDELAY；调用延时100μs（＞35μs或转换时间）的子程序MOVDX，n；n为偶地址INAL，DX；读高8位MOVAH，AL；MOVDX,n；n为奇地址INAL，DX；从数据总线D4～D7位读入低4位YYYYYY第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术2.AD574与ISA总线的接口（查询方式）1）12/接+5V，A/D转换的12位数据一次读出；2）采用如下图查询方式或中断方式实现A/D转换，转换结束信号STS从D0位读入；3）为通知ISA总线进行16位I／O读写操作，须将译码器输出，送AD574的端，输入端。0为查询口，1为AD574的片选，同样用地址线A0配合1分别产生相应的奇地址和偶地址。8CS16OCS/IYCSYY第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术AD574STS1100Ω1CSY01Y11IOW1AEN1D11～D81174LS2441译码器&1CE112/81REFIN+15V1ISA总线-15V110VIN10～10V1REFOUTR/C1A01IOR1A0A1～A91D7～D01D11～D81D7～D0174LS2441IOR1+5V1BIPOFF1-15V1+15V1100K1100Ω1100K1+15V1-15V1I/OCS161D01AD574与ISA总线的连接第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术MOVDX，1；1为偶地址OUTDX，AL；假写外设操作，启动12位A/D转换YYLOOP1：INAL，0Y；读入STSANDAL，01H；JNZLOOP1；如果=1，未转换完，则循环MOVDX，1；INAL，DX；从数据总线D0～D11一次读入12位二进制数据STSY查询采集程序如下：第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术４.1.5模拟量输入通道模拟量输入通道的一般结构如下图所示I/V多路程控采样A/D接口逻变换器转换器放大器保持器转换器辑电路PC总线模拟量输入通道的组成结构第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术无源I／V变换电路⑴无源I／V变换如下图所示。对于4～20mA输入信号：取Rl＝100Ω，R2＝250Ω,（R2为精密电阻）当输入的I值为4～20mA时，输出的V值为1～5V。CR3R1R2IDV+5V1.I／V变换⑵有源I／V变换如下图所示。取R1＝200Ω，R3＝100KΩ，R4＝25KΩ，则4～20mA输入对应于1～5V的电压输出。V+-CR4R3R1R5AR2I有源I／V变换电路第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术2.多路转换器多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。CD4051的原理如下图所示，通道选择表如下。译码电路电平转换电路IN0/OUT013IN1/OUT114IN2/OUT215IN3/OUT312IN4/OUT41OUTC/INC16IN6/OUT62IN7/OUT7487VDDVSSVEEABCINH3IN5/OUT55611109CD4051原理图INHCBAON0000S00001S10010S20011S30100S40101S50110S60111S71×××无4051真值表第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术3.可编程放大器通用数据采集系统均支持多个模拟通道，每个模拟通道的不一致，所以需引入可编程放大器。在MUX改变其通道序号时，放大电路也由相应的一组数字序列控制改变放大倍数。K1+-RARfR1RfAR1～K2K3K4RB3RB2RB1RB0A0A1A2A3单运放可编程放大器第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术ViVoS/H方式控制VoVi采样保持采样／保持器的工作原理必要性：A／D转换器都需要一定的时间完成量化及编码的操作。在转换过程中，如果模拟量变化，将直接影响转换精度。在同步系统中，几个并联的量均需要取同一瞬时的值。作用：使输入到A／D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变。但转换之后，A／D变换器的输入信号能够跟踪模拟量的变化。理想的采样／保持器工作原理如下图所示。4.采样／保持电路第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术最简单的采样／保持电路是由一个电容器和一个开关组成，如图a所示；典型的采样／保持器电路如图b所示。ViVoRCViVo++--A。最简单的采样/保持电路B。使用运放的典型采样／保持电路第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术采样／保持器的作用如下：⑴稳定地保持模拟信号以便能够完成A／D转换。⑵在测量中同时对若干个模拟输入量采样（每个输入需要一个采样／保持电路）。⑶消除A/D转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。1）采样／保持器的作用第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术正弦信号受A／D转换时间的影响第４章计算机控制系统输入输出接口技术计算机控制技术解决的方法：就是在A／D转换之前加采样／保持器。将采样和转换分开，采样用极短的时间以保证信号的精度，A／D转换在保持期间进行，以便有足够的时间完成。采样定理：只有采样频率大于最高信号频率的2倍，采样信号和连续信号（输入信号）的频谱才是相等的。连续信号和采样信号第４章计算机控制系