机电一体化5.6.1-5.6.2节.ppt

1,5.6 机电接口设计,在机电一体化系统中，由于机械系统与计算机控制系统在性质上有很大差别，要在二者之间建立信息采集和控制就必须通过计算机控接口对信息进行变换、调整、匹配、缓冲，因此计算机控制接口有着重要的作用。 计算机控制接口包括信息采集接口和控制输出接口； 下面对常用的信息采集接口、模拟量输入、输出接口、开关型功率接口等计算机控制接口进行详细介绍。,2,一、信息采集接口,在模拟量信息采集通道中，先利用传感器将从信号源检测的非电量转换为电量，并进行信号处理（主要是放大），再经采样保持器，将模拟信号变换成时间上离散的采样保持信号后，送A/D转换器将模拟保持信号转换成数字信号，送入计算机。,图5-2 数据采集通道的一般组成,3,在实际中，生产过程涉及的信号源往往不止一个，对多个信号源的数据采集通道有下面几种结构形式： （1）多路A/D通道 从每个信号源检测的信号都有各自独立的采集通道，即每个通道都有独自的采样保持器和A/D转换器。,常用于需要同步高速采集、同步转换的计算机系统,4,（2）多路同时采样、分时转换采集通道,从多路信号源来的数据经各自的采样-保持器后，经模拟多路开关，共用一个A/D转换器，此结构使用模拟多路开关进行多路选择，使多路信号按一定的顺序切换到共用A/D转换器上进行模数转换。,5,（3）多路信号源共享采样-保持器和A/D转换器,从多路信号源来的数据先经多路开关按某种顺序切换到具有采样保持器和A/D转换器的通道上。如图5-3c，此结构共用一套采样保持器和A/D转换器，节省硬件成本，但转换速度更慢，常用于分时采样，分时转换的控制系统。,6,图5-3 几种采集通道的结构形式,7,2.常用A/D转换器,1、8位A/D转换器ADC0808/0809 （1）电路组成及转换原理 ADC0808/0809都是含8位A/D转换器、8路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。,8,图5-4 ADC0808/0809原理图,A/D转换器,9,在A/D转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带模拟开关树组的256电阻分压器组成的A/D转换器，以及一个逐次逼近型寄存器。 8路的模拟开关的通/断由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号。,10,（2）ADC0808/0809的引脚功能,CLOCK：实时时钟，可通过外接RC电路改变时钟频率。 VREF（+），VREF（-）：参考电压端子。用以提供A/D转换器权电阻的标准电平。对于一般单极性模拟量输入信号，VREF（+）5.00V，VREF（-）0.00V。 VCC：电源端子。接+5V。 GND：接地端。,11,START：启动信号。 C，B，A：通道号选择端子。C为最高位，A为最低位： ALE：地址锁存允许，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C，B，A所示的通道被选中，并把该通道的模拟量接入A/D转换器 IN7IN0：8个模拟量输入端。,12,EOC：转换结束信号。当A/D转换结束后，发出一个正脉冲，表示A/D转换完毕。此信号可作为A/D转换是否结束的检测信号或中断申请信号 D7D0：数字量输出端。 OE:输出允许信号。高电平有效，当此信号有效时，允许从所存器中读取数字量；此信号可作为ADC0808/0809的片选信号。,13,图5-5 ADC0808/0809时序图,14,（3）时序图,选通道：从图5-5可以看出，启动脉冲START和地址锁存允许脉冲ALE的上升沿将地址送给地址总线，模拟量经C，B，A选择开关所指定的通道送至A/D转换器。 转换过程：在START信号下降沿的作用下，逐次逼近过程开始，在时钟的控制下，一位一位地逼近，此时，转换结束信号EOC呈低电平状态。 读取数据：由于逐次逼近需要一定的过程，所以，在此期间内模拟输入值维持不变。比较器需一次一次进行比较，直到转换结束（EOC呈高电平）。此时，若计算机发出一个允许命令（OE呈高电平），则可读出数据。,15,单一电源，+5V供电，模拟输入范围为05V，分辨率为8位。 最大不可调误差： ADC08081/2LSB。 ADC08091 LSB。 功耗为15mW。,（4）ADC0808/0809的技术指标,16,转换速度取决于芯片的时钟频率。 时钟频率范围：101280kHz。当CLOCK等于500kHz时，转换速度为128s。 可锁存三态输出，输出与TTL兼容。 无需进行零位及满量程调整。 温度范围为-40+85。,17,ADC0808/0809具有较高的转换速度和精度，受温度影响较小，能较长时间保证精度，重现性好，功耗较低，且具有8路模拟开关，所以对于过程控制它是比较理想的器件。,18,若指定8路传感器信号输入端口地址为78H7FH。转换结束信号以中断方式与CPU联络。,（5）与计算机的接口电路,19,由于ADC0808/0809的数据输出带三态输出门，故可直接接到CPU数据总线上。按图5-6所示接线，74LS138的译出的地址范围正好是78H7FH。 低3位地址线A2A0直接分别接到ADC0808/0809的采样地址输入端C、B、A上，用于选通8路输入通路中的其中一路.,20,CONTV1：MOV AL，00H； （可以是不为00H的其它数字） OUT 78H，AL； 选通IN0通路并开始转换 IN AL，78H 读转换的结果 CONTV7：MOV AL，00H； OUT 7FH，AL； 选通IN7通路并开始转换 ,那么用一条输出指令即可启动某一通路开始转换,21,转换结束，ADC0808/0809从EOC端发出一个正脉冲信号，通过中断控制器8259A向CPU发出中断请求，CPU响应中断后，转去执行中断服务程序。中断服务程序中，执行一条输入指令，即可读取转换后数据。 如执行IN AL，78H，即可将以启动转换的IN0通路的转换数据读入AL中。因为执行这条指令时，使片选信号和读信号同时出现有效低电平， ADC0808/0809的输出允许信号OE端出现一开门正脉冲，使输出三态门开启，CPU可读取转换后的数据。,22,212位AD转换器AD574 （1）AD574结构及原理,图5-8 AD574结构原理图,23,（2）AD574的引脚功能,图5-9 AD574引脚图,AD574各个型号都采用28引脚双列直插式封装。,24,25,26,27,28,AD574有单极性输入和双极性输入两种工作方式。图5-10给出了单极性输入工作方式。模拟量从0-+10V（或0-+20V）端子输入（根据量程决定），参考输入电平REF IN=10.00V（REF OUT=10V）。,（3）AD574的输入方式,29,（4）AD574的主要技术指标 1）分辨率 12位 2）非线性误差 1/2LSB 3）模拟输入 双极性 5V，10V 单极性 010V，020V 4）供电电源 VLOGIC 逻辑电平 +4.5V +5.5V VCC 供电电源 -13.5V-16.5V 5）内部参考电平 10.000.1（max）V 6）转换时间 1535s 7）存放温度 -60150,30,如图5-12所示为AD574与计算机接口电路。输入模拟电压信号是双极性，按双极性输入接线。 通过运算放大器放大后的输入直流电压的线性变化范围为-55V，从10VIN端输入。AD574的CE端固定接5V，恒为“1”。 那么当按74LS138译码器给AD574已得的一个偶地址执行一条输出指令时，有CS=0、A0=0、R/C=0，就可启动AD574按12位转换。,（5）与计算机的接口电路,31,转换结束信号STS接到系统并行接口8255A的某一输入线上，CPU可以检测该输入线的状态，当检测到该输入线的状态由“1”变为“0”时，表示转换已结束，因128端接DGND端，则CPU连续执行两条输入指令即可读取转换后数据 第一条 输入指令按启动转换时的偶地址（A00）操作，读入的是转换后的高8位数据。 第二条 输入指令应按启动转换时的偶地址加1后的奇地址（A01）操作，读入的是转换后的低4位数据后跟4个“0”,32,二、模拟量输出接口,在机电一体化产品中，很多被控制对象要求用模拟量作控制信息，而计算机是数字系统，不能输出模拟量，这就要求控制输出接口能完成D/A转换，且必须具有保持功能，这就是因为计算机控制是分时的，每个输出回路只能周期的在一个时间段内得到输出信号，为了使执行部件在两个输出信号的间隔时间内能得到输出信号，就必须有输出保持器。,33,图(a）数字量保持方式 图(b)模拟量保持方式 图5-13 D/A转换通道的几种结构形式,D/A转换通道依据输出保持器与D/A转换器的位置关系有两种结构形式。如图5-13。,1 D/A转换通道结构形式,34,如图（a）所示，各路输出上均有一个D/A 转换器，每个通路的输出数据由D/A转换器的数据寄存器保持，由于保持的信息为数字量，所以是一种数字保持方式，即使其中有一路D/A转换处故障，其他也可以工作，但是该结构D/A转换器的个数较多，成本高，一般用于需要统一时刻D/A转换的场合。,35,图(b)为多路通道公用一个D/A转换器，在CPU的控制下，D/A转换器分时工作，依次将D/A转换器换成的模拟电压或电流，通过多路切换开关，传送给各路模拟量输出保持器，由于保持的是模拟量，故是一种模拟量保持方式，由于只用一个D/A转换器，节省了硬件设备，但必须在问及控制下分时工作，影响了速度，多用于速度要求不高的场合。,36,图5-14 DAC 0832原理框图及引脚,1DAC 0832结构及原理,DAC 0832是具有两级输入数据寄存器(或称输入数据缓冲器)的8位D/A转换器，其内部结构如图5-14所示，它主要由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器、具有R-2R T型电阻解码网络的8位D/A转换器、输入控制电路等部分组成,37,不易实现,38,2DAC0832的引脚及功能,IOUT1，IOUT2，为两个模拟电流输出端，这两个输出信号常作运算放大器差动输入信号，并且IOUT1+ IOUT2=常数。 Rfb反馈电阻接出端，可接一电阻作为外接运算放大器的反馈电阻。VREF、VCC、AGND、DGND分别为+10-10V的参考电压、+5 +15V的电源电压、模拟地、数字地。VREF电压稳定性好，模拟输出精度就高，外部标准电压通过VREF与T形电阻网络相连,。,39,为片选信号，输入线，低电平有效，常常与地址译码器相连来控制对8位输入数据寄存器的选择。 ILE是允许输入锁存信号，输入线，高电平有效。,40,、 是两个写信号，均为输入线，低电平有效。因为DAC 0832有两级输入数据寄存器，在双缓冲工作方式时，要进行两级写操作， 控制第一级输入数据寄存器， 控制第二级DAC寄存器。,41,在DAC0832中有两级锁存器；第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号XFER。因为有两级锁存器，所以DAC0832可以工作在双缓冲器方式下，,即在输出模拟信号的同时，可以采集下一个数据。这样可以有效地提高转换速度。另外，有了两级锁存器以后，可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存