微机原理与控制技术-卢晓红4-77输入输出接口与过程通道-final.pptVIP

微机原理与控制技术 卢晓红 1 第四章：输入输出接口与过程通道 2 第四章：输入输出接口与过程通道 4.0 接口与过程通道的概念 4.1 数字量输入输出接口与过程通道 4.2 模拟量输入接口与过程通道 4.3 模拟量输出接口与过程通道 4.4 抗干扰技术 4.5 传感器与测量数据预处理技术 1、接口、接口技术和过程通道； 2、信号调理； 3、模拟量输入通道组成； 4、无源I/V变换，有源I/V变换电路图； 5、信号采样（采样周期、采样时间/采样宽度、采样频率）； 6、香农(Shannon)采样定理； 7、量化（量化、量化过程、量化单位q、量化误差）； 8、孔径时间（给出转换精度/转换误差，孔径时间 ，会计算允许转换正 弦波信号最大频率）； 9、采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道都需要采样保 持器？为什么？ 10、A/D转换器，会根据ADC的VIN，求取其输出结果；ADC0809； 11、D/A转换器，画DAC0832和PC总线工业控制机接口电路原理图， 并编写产生三角波、锯齿波的程序。 12、什么是串模干扰和共模干扰？如何抑制？ 13、计算机控制系统中一般有哪几种地线？请画出回流法接地和一点接 地示意图。 本节重点（一） 4 4.0 接口与过程通道的概念 4.0.2 接口与过程通道的概念 u接口：计算机与外部设备交换信息的桥梁； 包括输入接口和输出接口。接口技术是研究计 算机与外部设备如何交换信息的技术。 u过程通道：计算机和生产过程之间信息传送 和转换的连接通道。过程通道不能直接由主机 控制,必须由接口 传送相应的信息和命令。 过程通道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。 4.0 接口与过程通道的概念 I/O设备的状态 1）空闲态：设备被禁止或未被激活，空闲 状态不发生I/O； 2）忙状态：设备工作，I/O传输进行中； 3）完成态：设备就绪，I/O传输已完成。 6 4.0 接口与过程通道的概念 4.0.4 微机与I/O设备的同步 u盲周期法：软件简单等待一段固定的时间； u忙等待法：软件循环检查I/O的状态； u中断法：使用硬件触发特定的软件执行； u周期轮询法：使用时钟中断周期检查I/O状态； uDMA法：将数据直接传出或传入存储器。 4.1 数字量输入输出接口与过程通道 n数字量输入接口 u作用：隔离输入输出线路，输入缓冲。 n数字量输出接口 u作用：隔离输入输出线路，对输出进行锁存 8 4.2 模拟量输入接口与过程通道 n3）多路转换开关 u多路转换开关也称为多路转换器，是用来切换模 拟电压的关键元件； u将多路输入信号按一定顺序或随机地接到公用放 大器或A/D转换器； u理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时 的电阻为零； u其它要求：切换速度(快)，噪音(小)，寿命(长)， 可靠性(高)等； 常用的多路开关有：CD4051(或 MC14051)、AD7501、LF13508等 9 4.2 模拟量输入接口与过程通道 当INH为低电平时，可由A，B，C三个控制输入端输入3位二进制数，在 8个通道中选择一个，使输入和输出接通。 禁止输入 端INH 控制输 入端A， B，C nCD4051：8通道多路开关，有三个二进制的控制输入端A、B、C和一 个禁止输入端INH。当INH为高电平时，8个通道均不通。 例题2：利用DAC0832进行模拟量输出通道设计 采用DAC0832、运算放大器、CD4051、采样保持器等元器件与8086总线 工业控制机接口，设计8路模拟量输出系统，（1）画出电路原理图； DAC0832单缓 冲方式连 8086CPU CD4051 A B C D2 D1 D0 INH Y1 VDD VEE +5V X0 X1 X7 保持器 保持器 保持器 V/I V/I V/I I0 I1 I7 通过多路开关CD4051，将 DAC0832转换结果从8通道 中的任何一个通道中送出。 输出端接保持器的作用是为了保 持D/A输出稳定，起到电压保护 作用。V/I变换输出420mA的 电流信号。 D/A 转换结果采用电流形式输出，通过一个高 输入阻抗的运算放大器实现电流到电压的转换 。 4.2 模拟量输入接口与过程通道 11 n信号采样 u采样过程：信号采样就是将时间上连续幅值上 也连续的模拟信号，通过采样开关按一定时间间 隔的闭合和断开，将其抽样成一连串离散脉冲信 号的过程。 f (t) t O f (t)Sf * (t) f * (t) t0T 2T4T6T (a) 被采样信号(b) 采样开关(c) 采样信号 n3）采样、量化及常用的采样保持器 12 4.2 模拟量输入接口与过程通道 f (t) t O f (t)Sf * (t) f * (t) t0T 2T4T6T (a) 被采样信号(b) 采样开关(c) 采样信号 u采样周期：采样开关两次采样(闭合)的间隔时间T； u采样时间/采样宽度：采样开关的闭合时间，代表采样开 关闭合的时间； u采样时刻：0、T、2T各时间点； 4.2 模拟量输入接口与过程通道 u香农(Shannon)采样定理：为了使采样信号 能反映连 续信号 的变化规律，采样频率 至少应该是信号 频谱最高频率 的两倍，即。 当采样周期满足采样定理时，采样信号频谱就不会发生重叠效应， 从而可以通过理想的低通滤波器从采样信号 中完全恢复出 来 。实际应用中，常取fs(510)fmax ，甚至更高。 14 4.2 模拟量输入接口与过程通道 n量化 u量化：用一组数码(如二进制码)逼近离散模拟信号的幅值 ，将其转换为数字信号； u量化过程：将离散采样信号转换为数字信号的过程；执行 量化动作的装置是模/数(A/D)转换器：； u量化单位（量化采样信号所用数码最低有效位所对应的模 拟量）：字长为n的A/D转换器把yminymax范围内变化的 采样信号，变换为数字0-2n-1，其最低有效位LSB（Least Significant Bit）所对应的模拟量q称为量化单位 u量化误差：量化过程中用量化单位q去度量采样值幅值大 小时由于小数归整(四舍五入)而引入的误差，其最大值为 q/2； 15 4.2 模拟量输入接口与过程通道 在A/D转换器的输出位数n足够多时，可以使量化误差 达到足够小，就可以认为数字信号近似于采样信号。如 果在采样过程中，采样频率也足够高，就可以用采样、 量化后得到的一系列离散的二进制数字量来表示某一时 间上连续的模拟信号，从而可以由计算机来进行控制计 算和处理。 例如：模拟信号ymax 10V, ymin 0V，取n8 量化单位q=10V/(28-1)40mV 量化误差最大值emax q/220mV 量化单位 16 n采样保持 u孔径时间：完成一次A/D转换所需的时间； u孔径误差：由孔径时间决定的对随时间变化的 模拟信号的每个采样时刻的最大转换误差； 4.2 模拟量输入接口与过程通道 如图所示的正弦模拟信号，如果 从t0时刻开始进行A/D转换，但 转换结束时候时已为t1，模拟信 号已发生 的变化。 4.2 模拟量输入接口与过程通道 对于一定的转换时间，最大可能的误差发生在信号过零的 时刻，因为此时 最大，孔径时间 一定，所 以 最大。 令U=Umsint，则： 在坐标的原点有： 取t=t A/D ，则得到误差的百分数为： Um为正弦信号的幅值。 4.2 模拟量输入接口与过程通道 对10位A/D转换器转换精度/转换误差为0.1%，孔径时间 =10s，问允许转换正弦波信号最大频率为？ 解：由 得到： 例题1： 4.2 模拟量输入接口与过程通道 A/D转换过程（即采样信号的量化过程）需要时间，这个时间称为 A/D转换时间。在A/D转换期间，如果输入信号的变化频率相对于 A/D转换器的速度来说比较高，就会引起转换误差。所以，一般情况 下采样信号都不直接送到A/D转换器转换，还需加采样保持器作信号 保持。保持器把t=kT时刻的采样值保持到A/D转换结束。 n采样保持电路 如果被采样的模拟信号的变化频率相对于A/D转换器的速度来说比 较高，为保证转换精度，需要在A/D转换之前加上采样保持电路， 使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。 20 n采样保持电路有两个工作状态：采样状态和保持状态 u采样状态：模拟开关S闭合，输入放大器的输出端给电容CH 快速充电 ，U0输出跟随Ui变化。 u保持状态：模拟开关S断开，进入保持状态。由于A2的输入阻抗很大 ，CH可以保持开关S断开瞬间输入的电压值，使输出端U0的电压值保持 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。 4.2 模拟量输入接口与过程通道 u在模拟量输入通道中，只有在信号变化频率较高 而A/D转换速度又不高，以致孔径误差影响转换 精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，才 需要设置采样保持电路，对于一些变化缓慢的生产 过程(如石油、化工等)可以不设置保持电路； 4.2 模拟量输入接口与过程通道 22 4.2 模拟量输入接口与过程通道 4.2.2 A/D转换器及其接口技术 nA/D转换器：将模拟量转换成数字量的器件。 u技术指标 分辨率：A/D转换器的分辨能力，通常用转换后数字量的 位数表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率越高， 转换时对输入模拟信号的反应就越灵敏。分辨率为8位表示 可以对满量程的1/281/256的增量作出反应； 量程：所能转换的电压范围，如05V、-5V+5V等; 转换精度：A/D转换结果相对于实际值的准确度; 绝对精度：常用数字量的位数表示，如(1/2)LSB 相对精度：用相对于满量程的百分比表示，例如满量程为 10V的8位A/D转换器，其绝对精度为1/210/28 19.5mV， 相对精度为1/281000.39。 转换时间：完成一次A/D转换所需的时间； 23 4.2 模拟量输入接口与过程通道 nA/D转换实现方法 u计数比较法：器件简单、价格便宜，转换速 度慢，较少采用； u双斜率积分法：器件转换速度较慢，但精度 高，时有采用； u逐次逼近法：对速度和精度兼顾性好，在16 位以下A/D转换器中广泛使用； 24 nADC0809：8位逐次逼近式A/D转换器。 具有8个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意通道进 行A/D转换，得到8位二进制数字量。 4.2 模拟量输入接口与过程通道 主要性能 分辨率为 8位； 转换时间为100s左右； 电源电压：6.5V 模拟输入电压范围为05V，对应A/D 转换值为00HFFH； 内部带 8 路模拟开关，可以输入8 路模拟信号； 有输出锁存功能； 时钟频率640kHz 25 ADC0809逻辑结构 4.2 模拟量输入接口与过程通道 u在START上收到一个启动转换命令后开始转换。转换时间100s左右。转 换结束后，EOC由低变高，通知CPU读数据。 u由8路模拟开 关、地址锁存与 译码器、8位逐 次逼近式A/D转 换器、输出缓冲 器组成。 u通道选择信号 ADDA、ADDB 、ADDC用于在 8个输入通道中 选择一个。 uA/D转换器将 输入的模拟信号 转换为8位二进 制数。 26 4.2 模拟量输入接口与过程通道 8位A/D转换器ADC0809 uADC0809的量化单位： 通常基准电压 =5.12V， =0V，此时 如 =2.5V时，则转换结果为？ 例题2： 01111101B 27 4.2 模拟量输入接口与过程通道 nA/D转换器到微机的接口 uADC0809与系统总线的连接 模 拟 量 输 入 接 基 准 电 压 8位数字量输出 结果，接DB IN0 IN1 IN7 VREF(+ ) VREF(-) GND CLOCK ALE START OUTPUT ENABLE EOC ADDA ADDB ADDC D0 D7 分频 CLOCK 产生锯齿波 MOV AL, 00H AA1: OUT DX, AL CALL DELAY INC AL JMP AA1 DELAY: PUSH CX MOV CX, 0010H AA2: PUSH AX POP AX LOOP AA2 POP CX RET CODE ENDS END START ; 产生 三角波 START: MOV DX, 600H MOV AL, 00H AA1: OUT DX, AL CALL DELAY INC AL JZ AA2 JMP AA1 AA2: DEC AL JZ AA1 OUT DX,AL CALL DELAY JMP AA2 12、什么是串模干扰和共模干扰？如何抑制？ 13、信号在长线中传输中会遇到哪些问题？如何抑制长线传输干扰？ 14、计算机控制系统的CPU抗干扰措施有哪些？ 15、地线有安全地和信号地，计算机控制系统中一般有哪几种地线？ 16、系统误差，调零电路 17、标度变换： 本章重点（二） 线性变换 20、A/D转换器的字长选择 21、D/A转换器的字长选择 50 4.4 抗干扰技术 u干扰：有用信号以外的噪声或破坏设备正常工作的因 素； u外部干扰：由外界环境因素决定，与系统结构无关； 空间电磁、环境温度、湿度、气体、粉尘等的影响 u内部干扰：由系统内部结构、部件及制造工艺决定； 分布电容电感耦合感应、电磁场辐射感应、长线传输波反射、 多点接地电位差、寄生振荡、元器件噪声 u硬件抗干扰：效率高，但增加系统设备投资及设备体 积； u软件抗干扰：投资低，但以CPU的开销为代价，降低 系统工作效率； 51 4.4 抗干扰技术 4.4.1 过程通道抗干扰技术（串模干扰+共模干扰 ） n1 串模干扰 u串模干扰就是叠加在被测信号上的干扰信号， 也称为常态干扰 52 4.4 抗干扰技术 n2 共模干扰 u共模干扰是指模/数转换器两个输入端公有的干 扰信号，也称为共态干扰 u被测信号到检测设备两个输入端上公有的干扰 信号。 被测信号US的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往 存在一定的电位差Ucm。对于A/D转换器的两个输入端，分别有 US+Ucm和Ucm两个输入信号。Ucm是共模干扰电压。 53 4.4 抗干扰技术 双绞线：100200欧 同轴电缆：50100欧 n3 长线传输干扰 信号在长线中传输的问题：1）易受外界干扰；2）具有信号 延时；3）高速度变化的信号长线传输时，还会出现波反射 现象。 波阻抗：由分布电容C0和分布电感L0决定的传输线特性阻抗 波阻抗 计算公式 n长线传输干扰的抑制方法：阻抗匹配 为了进行阻抗匹配，必须事先知道传输线的波阻抗RP。 54 4.4 抗干扰技术 n波反射抑制方法：阻抗匹配 u采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配可消除长线传输 中的波反射或将其抑制到最低限度 最简单的终端匹配方法：如果传输线的波阻抗为RP，当 R=RP时，就实现了终端匹配，消除了波反射。 （1）终端匹配 55 4.4 抗干扰技术 （2）始端匹配 在传输线的始端串入电阻R，传输线的波阻抗为RP，当 R=RP-RSC时，也可以基本消除波反射。 RSC 4.4 抗干扰技术 n软件抗干扰技术 u为了提高工业控制系统的可靠性，采用软件抗干扰措 施，与硬件抗干扰措施一起构成双道抗干扰防线。 u常用软件抗干扰措施技术有：数字滤波技术、开关量 的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱技术、多 任务监视技术等。 n1)数字滤波技术：通过一定的计算或判断程序减少干 扰在有用信号中的比重。实质是程序滤波。 算术平均值法（适用于周期性干扰） 中位值滤波法 限幅滤波法 惯性滤波法/数字低通滤波器（适用于高频及低频的干扰） 4.4 抗干扰技术 n软件抗干扰技术 n2）开关量软件抗干扰技术 u 开关量（数字量）输入抗干扰措施 干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，因此，多次重复采 集某一开关信号，直到连续两次或两次以上结果完全一致 为有效。 u 开关量（数字量）输出抗干扰措施 重复输出同一个数据，外设接收到一个被干扰的错误信 息后，还来不及作出反应，一个正确信息又到了，可防止 错误动作的产生。 对于重要的输出设备，最好建立输出反馈检测通道， CPU可以检测通道来确定输出结果的正确性。 58 4.4 抗干扰技术 n3）指令冗余技术：减少CPU程序弹飞的次数，避免程序混乱 多采用单字节指令 在关键位置重复书写单字节指令 NOP指令的使用 n软件抗干扰技术 CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作 指令码来执行，引起程序混乱。当程序弹飞 到某一单字节指令上时，便自动纳入正轨。 59 4.4 抗干扰技术 n4）软件陷阱技术 u所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向 特定的错误处理程序，在那里有一段专门对程序出错进行处理 的程序。软件陷阱由三条指令组成： NOP NOP JMP ERR u软件陷阱安排在以下四种地方/程序正常执行不到的地方： 未使用的中断向量区 未使用的大片程序ROM区 表格区 其它程序空白区 n软件抗干扰技术 指令冗余使弹飞的程序安定下来是有条件的 ：首先，弹飞的程序必须落在程序区；其次 ，必须执行到冗余指令。 ；为了加强捕获效果，增加两条NOP指令。 4.4.2 CPU抗干扰技术 计算机控制系统的CPU抗干扰措施有：Watchdog （看门狗）、电源监视（掉电检测及保护）、复位 这些方法可用微处理器监控集成电路MAX1232来实现 4.4 抗干扰技术 61 4.4 抗干扰技术 4.4.3 系统供电与接地技术 n接地技术 u地线系统分析 什么是地线？ 地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安 全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电路正 确工作所设置的地线，造成电路干扰现象的主要是信 号地。 62 4.4 抗干扰技术 n接地技术 u地线系统 计算机控制系统中，有哪几种地线？ 63 4.4 抗干扰技术 n接地技术 u地线系统 在过程控制计算机中，一般采用分别回流法单点接地 。回流线多采用横向和纵向汇流条（多层铜导体，各 层间绝缘），以减少公共阻抗的影响。 考究的系统中,往往分 别使用横向和纵汇流 条,在空间上将数字地 汇流条和模拟地汇流 条间隔开，以避免通 过汇流条间电容产生 耦合。 安全地始终与信号地 （模拟地、数字地） 浮离开的，这些地在 最后汇聚一点，深埋 地下。 64 4.5 传感器与测量数据预处理技术 n传感器性能指标静态特性 传感器的静态特性指当被测量的值处于稳定状态时的输入-输出对应关系。只考 虑静态特性时，输入输出量之间的关系式中不含有时间变量。 u静态指标 线性度：传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。静态校准曲 线笔直程度。 灵敏度：传感器的输出量增量与引起输出量增量的输入量增量的比值 。m= y/ x 重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得 特性曲线不一致的程度。 迟滞特性：传感器在正反行程期间其输入输出特性曲线不重合的现象 。 漂移：漂移是指被测量不变，而其输出量却发生了不希望有的改变。 漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时 间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。时漂指在规定条件下，零点或 灵敏度随时间的缓慢变化。温漂则是温度变化引起漂移。 n传感器性能指标动态特性 动态特性是指其输出随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化（是 时间的函数）时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系用动态特性来 表示。 对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应（