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仪器智能化技术 河北联合大学电气工程学院孙洁TEL mail本课程的性质 目的和任务 随着微电子学和计算机的飞速发展 传统的电子测量及仪器受到了巨大的冲击 目前生产实际应用中 传统的仪表测控已不多见 更多的是采用智能化仪表或者大型的计算机控制系统来实现不同的控制要求 作为自动化仪表专业的本科学生 我们不仅要将传统的仪表测控搞清 更要将先进的微电子和计算机技术与传统仪表测控融合起来 这样才能真正掌握现代控制技术 选用教材 赵茂泰编著 智能仪器原理及应用 电子工业出版社 1999 3 主要参考书目 1 杨吉祥 智能仪器 南京工学院出版社 1986 2 张乃国 新型电子示波器 中国计量出版社 1990 3 贾伯年 俞朴主 传感器技术 东南大学出版社 1992 2 4 谢剑英 微型计算机控制技术 国防工业出版社 1992 3 一 自动化的概念 自动化就是在工业生产的设备上配备自动化装置以代替工人的直接劳动 从而使生产在不同程度上自动地进行 那么 这些用自动化装置来管理和控制生产过程的方法则称为自动化 而用相应的自动化装置来管理和控制化工生产过程的则称为化工自动化 图1 2人工操作图 图1 3液位自动控制系统图 人工操作与自动控制比较图 二 自动化的主要内容 1 自动检测系统2 自动信号报警和联锁保护系统3 自动操纵及自动开停车系统4 自动控制系统 当工艺参数超过了允许范围 在事故即将发生以前 信号系统就自动地发出声光信号 告诫操作人员注意 并及时采取措施 如工况已到达危险状态时 联锁系统立即自动采取紧急措施 打开安全阀或切断某些通路 必要时紧急停车 以防止事故的发生和扩大 它是生产过程中的一种安全装置 自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作 自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤 将生产过程自动地投入运行或自动停车 在受到外界干扰 扰动 的影响而偏离正常状态时 自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内 三 自动控制系统的基本组成 自动控制系统的组成 组成 自动化装置 被控对象 测量元件与变送器 自动控制器 执行器 方块图中 x指设定值 z指输出信号 e指偏差信号 p指发出信号 q指出料流量信号 y指被控变量 f指扰动作用 当x取正值 z取负值 e x z 负反馈 x取正值 z取正值 e x z 正反馈 四 自动控制系统的方块图 液位自动控制的方块图 液位自动控制系统方块图 第一讲 智能仪器的典型结构 教学目标和要求 本课程是测控专业类等专业的主要专业课之一 选修课 通过这门课程的学习 使学生进一步掌握仪器智能化技术方面的基础知识及相关电工 电子学的一些基础知识 重点与难点 智能仪器的组成 特点 设计要点 智能仪器的现状和发展 1 1智能仪器的组成 一 硬件1 主机电路 CPU程序存储器数据存储器 2 模拟量输入输出通道 A D D A转换 模拟信号处理电路 3 人机联系部件与接口电路 键盘 显示器 4 标准通讯接口 RS 232C GP IB二 软件1 监控程序 系统软件 键盘分配 操作方式 工作参数设置等2 接口管理程序 用户程序 应用程序 1 2智能仪器通用结构框图 图1 1 1 3智能仪器的主要特点 与传统的测控仪表相比较1 智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式开关对仪器实现控制 有利于面板布置的功能部件的设置 2 智能仪器采用微处理器进行运算和逻辑判断 它按照一定的算法可以很方便地清除由于漂移 增益的变化和干扰的因素所引起的误差 如单片机温度 根数检测的信号误差 从而可以大大地提高仪器的测量精度 3 具有自诊断功能 4 人 机对话功能强 5 能方便地与其它仪器或计算机联用 构成多功能测控系统 1 4智能仪器的设计特点 智能仪器是以微处理器为核心的电子仪器 因此要求设计者不仅要熟悉电子仪器的工作原理 也就是要具备电子 电路的基本知识 而且要掌握微型计算机硬件软件的原理 因而其设计不能完全沿用传统电子仪器的设计方法和手段 设计 研制智能仪器的一般过程1 确定设计任务 根据仪器最终要实现的设计目标 编写设计任务书 明确仪器应具备的功能和应达到的技术指标 2 制定总体设计方案 选择微处理器芯片 该阶段 设计者应首先根据设计的要求和一些约束条件 提出几种可能的方案 每个方案应包括仪器的工作原理 采用的技术 关键元器件的性能等 同时要对各方案进行可行性论证 最后确定总体设计方案 注意 微处理器是核心部件 它的选择非常关键 3 确定仪器工作总框图 总体方案和微处理器确定之后 采用自上而下的方法 将仪器划分成若干个便于实现的功能模块 并分别绘制出相应的硬件和软件工作框图 4 硬件与软件的设计 调试 一旦仪器工作总框图确定以后 硬件电路和软件电路的设计工作就可以齐头并进 硬件设计 按模块分别对各单元电路进行电路设计 然后再进行硬件合成 绘制印刷电路板 装配与调试 软件设计 先分析仪器系统对软件的要求 然后在此基础上进行软件总体设计 模块化设计 流程图及编程语言的选择 最后是软件的分模块调试 整体调试以及与硬件联调 5 整机联调 当软 硬件分别调试合格后 再对硬件和软件进行联调 不断地对软件 硬件进行合理的修改 直至合格 1 5本章的小结和作业 小结 本章介绍了智能仪器的典型结构 智能仪器的硬件组成框图 智能仪器的主要特性 智能仪器的设计特点等内容 为智能仪器的进一步学习奠定基础 作业 1 智能仪器是由哪几部分典型结构组成的 2 设计 研制智能仪器的一般过程主要有那些步骤 第二讲 智能仪器输入输出通道 教学目标和要求 本讲主要介绍了模拟量输入通道中A D转换的原理及与微机的接口 如逐次逼近式A D转换 双积分式A D转换 高速模拟量输入通道中的并行比较式A D转换等 模拟量输出通道中D A转换的原理及与微机的接口 数据采集系统中模拟多路开关及接口 模拟信号的采样与保存等等 通过对本部分学习 应使学生了解数字信号和模拟信号的相关知识 熟知各种A D D A转换的原理及与微机的接口技术 掌握各种A D D A转换的原理及与微机的接口电路设计的相关应用 重点与难点 各种A D D A转换的原理及与微机的接口电路的设计 数据采集系统的设计等实际应用 2 1A D转换器的技术指标 A D Analogtodigital 1 分辨率与量化误差 分辨率是衡量A D转换器分辨模拟量最小变化程度的技术指标 它取决于A D转换器的位数 量化误差是由于A D转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样 量化 而引起的误差 其大小在理论上是一个单位分辨率 所以 量化误差和分辨率是统一的 即提高分辨率可以减少量化误差 2 转换精度 它反映了一个实际A D转换器与一个理想A D转换器在量化值上的差值 用绝对误差和相对误差来表示 由于理想的A D转换器也存在着量化误差 因此 实际的A D转换器其转换精度所对应的误差指标是不包括量化误差在内的 3 转换速率 A D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数 它也可以表述为转换时间 即A D转换从启动到结束所需的时间 两者互为倒数 如 A D转换器的转换速率为5MHz 则其转换时间为200ns 4 满刻度范围 指A D转换器所允许输入电压的范围 如 0 5V 0 10V 5 5V等等 满刻度值只是个名义值 但实际的A D转换器的最大输入值总比满刻度小1 2n n是转换器的位数 这是因为0值也是2n各转换状态中的一位 如 12位的A D转换器 其满刻度值为10V 而实际的允许最大输入电压值为 1 1 4096 10 9 9976V 2 2A D转换器的种类及比较 逐次比较式的转换时间和转换精度比较适中 转换时间一般在 s级 转换精度在0 1 左右 适用于一般工业测量场合 双积分式的核心部件是积分器 因此速度较慢 转换时间在ms级或更长 但抗干扰能力较强 转换精度可达0 01 或更高 适用于数字电压表类仪器中使用 并行式又称闪烁式 由于采用并行比较 转换速率可以达到很高 转换时间可达ns级 但抗干扰性能较差 可用于数字示波器等要求转换速率较快的仪器中 改进型是在上述某种形式的基础上 为满足某种高性能指标而改进或复合而成的 如 余数比较式就是在逐次比较式的基础上加以改进 使其在保持原有较高转换速率的前提下精度可达0 01 以上 它主要用于已高精度数字电压表为基础的智能仪器中 2 3逐次比较式A D转换器 逐次比较型模数转换的基本原理的核心就在于 比较 它是用一套标准电压与被测电压逐次比较 不断逼近 最后达到一致 这样标准电压的大小就表示被测电压的大小 那么将这个和被测电压相平衡的标准电压以二进制的形式输出 就实现了模拟 数字的转换过程 一 该原理可以用天平称重的情景来模拟 例如一架天平有以下一套砝码 2mg 1mg 0 5mg 0 25mg 0 125mg 0 0625mg共六种砝码 某一物体的重量为3 5626mg 则我们可以作如下测量 1 将2mg的砝码放上 不够 留下并记为 1 2 再将1mg的砝码放上 不够 留下并记为 11 3 再将0 5mg的砝码放上 不够 留下并记为 111 4 再将0 25mg的砝码放上 超重 去掉并记为 1110 5 再将0 125mg的砝码放上 超重 去掉并记为 11100 6 再将0 0625mg的砝码放上 不够 留下并记为 111001 这样 将记为 1 的砝码的重量加起来 就是被测物体的重量 称出的重量是3 5625mg 而实际重量是3 5626mg 存在误差0 0001mg 若将砝码继续细分 则误差将趋近于零 二 对于电压我们同样也可以用这样的方法来进行测量 例如 设一套标准电压分别为 2 5V 1 25V 0 625V 0 3125V 1 210 2 5V共十一种电压 相邻两个电压为二进制关系 此时测量3V电压 1 将2 5V与3V比较 小则保留并记为1 2 将1 25V 2 5V与3V比较 超了去掉1 25V记为0 即10 3 将0 625V 2 5V与3V比较 超了去掉0 625V记为0 即100 4 将0 3125V 2 5V与3V比较 小则保留并记为1 即1001 依此类推 直到将1 210 2 5V 2 5V与3V比较 则可以得到10011001100的数字量 即用数字量10011001100来表示3V的模拟量 三 将一个模拟电压转换为数码表示的形式必须具备的条件 1 一套相邻关系为二进制的标准电压 由一个称为解码网络的电路产生这套电压 2 一个比较鉴别器 将由解码网络来的每次试探的电压和被转换的电压进行比较 并判别出谁大谁小 以决定是否保留这位电压 3 一个数码寄存器 每次比较的结果1或0由它保存下来 4 一套控制线路 该控制线路完成两个任务 一是比较由高位开始 由高到低逐次比较 二是根据每次比较的结果 使相应位的数码寄存器记1或0 并由此来决定是否保留这位 解码网络 来的电压 注意 ATTENTION 解码网络 的输出电压由数码寄存器的状态决定 而这个电压反过来又要与输入的被转换电压进行比较 其比较的结果1或0决定这位数码寄存器的状态 因此 这是一个相互联系 相互依赖的过程 称之为电压反馈 而整个过程又是一位一位地进行的 故这种电压数字转换的方法总称为逐次比较电压反馈编码型 简称逐次比较型 2 4ADC0809芯片及其接口 一 ADC0809主要有三大部分组成 第一部分 8路模拟量选择电路 8路模拟量输入信号分别接到IN0 IN7端 每一路的选通由地址锁存器与译码器电路控制 A B C为输入地址选择线 地址信息由ALE的上升沿打入地址锁存器 第二部分 逐次逼近式A D转换器 START为启动信号 要求输入正脉冲信号 在上升沿 复位 逐次逼近寄存器 在下降沿 启动 A D转换 EOC为转换结束标志位 0表示正在转换 1表示一次A D转换的结束 CLOCK为外部时钟输入信号 时钟频率决定了A D转换器的转换速率 第三部分 三态输出缓冲锁存器 A D转换的结果由EOC信号打入三态输出缓冲锁存器 OE为输出允许信号 当向OE端输入一个高电平时 三态门电路被选通 这是便可读取结果 否则三态输出缓冲锁存器输出为高阻状态 二 ADC0809芯片简介 ADC0809是8路8位逐次逼近式A D转换器 它能分时地对8路模拟量信号进行A D转换 结果为8位二进制数据 ADC0809每一通道的转换约需66 73个时钟周期 当时钟频率取640kHz时 转换一次约需100 s 这是ADC0809所能容许的最短转换时间 三 ADC0809时序图 图2 5 四 ADC0809与单片机8031接口电路 图2 6 2 5实现A D转换所需软件的设计 根据A D转换器与微处理器连接方式以及智能仪器本身的要求的不同 实现A D转换所需软件的设计方法也不同 目前常用的控制方式主要有 程序查询方式延时等待方式中断申请方式 一 程序查询方式 所谓程序查询方式 就是首先由微处理器向A D转换器发出启动信号 然后读入转换结束信号 查询转换是否结束 若转换结束 可以读入数据 否则再继续读入转换结束信号进行查询 直至转换结束再读入数据 该程序设计方法比较简单 可靠性高 但由于微机将许多时间都消耗在 查询 上 因而效率低 实际应用中 许多系统对于消耗这点儿时间还是允许的 因此这种方法应用比较普遍 二 延时等待方式 所谓延时等待方式是指在向A D转换器发出启动信号后 先根据所采用的A D转换器所需的转换时间 如ADC0809为100 s 进行延时等待 延时程序执行完以后 A D转换过程也已结束 便可读入数据 该种方式中 为了保险起见 通常延时时间应略大于A D转换所需要的时间 占用了较多的时间 因而多用于微处理器处理任务比较少的场合 其优点是可靠性较高 不占用查询端口 三 中断申请方式 前两种方式 在A D转换的整个过程中 微处理器实际上一直处于等待方式 因而效率较差 中断方式则是当微处理器启动A D转换器后可转去处理其它事情 A D转换结束便向微处理器发出中断申请信号 微处理器响应中断后再来读入数据 这样 微处理器和A D转换器可以并行工作 大大的提高了工作效率 a 程序查询方式转换程序 MOVDPTR 0FEFFHMOVA 00HMOVX DPTR A 启动IN0通道转换MOVR2 320HDLY DJNZR2 DLY 延时 等待EOC变低WAIT JBP3 3 WAIT 查询 等待EOC变高MOVXA DPTRMOV30H A 结果存30H b 延时等待方式转换程序 MOVDPTR 0FEFFHMOVA 00HMOVX DPTR A 启动IN0O通道MOVXR2 40HWAIT DJNZR2 WAIT 延时约120 sMOVXA DPTRMOV30H A 转换结果存30H C 中断方式转换程序主程序 MAIN SETBIT1 选INT1为边沿出发SETBEX1 允许INT1中断SETBEA 打开中断MOVDPTR 0FEFFHMOVA 00H 启动A D转换 执行其他任务中断服务程序 INTR1 PUSHDPL 保护现场PUSHDPHPUSHAMOVDPTR 0FEFFHMOVXA DPTR 读转换结果MOV30H A 结果存30HMOVA 00HMOVXA DPTR 启动下一次转换POPAPOPDPHPOPDPLRETI 返回 2 6双积分式A D转换器 双积分式A D转换器是一种间接式A D转换器 其工作原理是先用积分器将模拟电压转换成中间量 时间T或频率F 然后再将中间量转换成数字 它的转换速率较慢 但转换精度高 抗干扰能力强 一 双积分式A D转换器工作原理 其工作原理框图如图2 1 图2 1中电阻R 电容C和直流放大器A组成积分器 输出电压V0为输入电压对时间的积分 积分器的输入电压有两个 一个为反映被测参数大小的未知电压VX 另一个为已知的标准电压Vr 积分器由开关S轮流与VX Vr接通 它是将一段时间内的模拟电压通过两次积分变换成与其平均值成正比的时间间隔 然后由脉冲发生器和计数器来测量此时间间隔而得到的数字量 该转换器是在一次测量过程中 用同一次积分器进行两次积分 一次是对被测电压VX的定时积分 另一次是对标准电压Vr的定值积分 因此称为双积分型A D转换器 二 转换原理图与工作波形图 图2 10 整个转换过程可以按以下三个阶段进行 1 预备阶段 逻辑控制电路发出复位指令 计数器清零 即将S4闭合 积分器输入输出都为零 2 定时积分阶段 在t1时刻 逻辑控制电路发出启动指令 使S4断开 S1逼和 于是积分器开始对输入电压Ui进行积分 同时打开计数门 计数器开始计数 当计数器计满N1时 t2时刻 计数器的溢出脉冲式逻辑控制电路发出控制信号使S1断开 于是 定时积分阶段T1结束 此时 积分器的输出电压位U01 2 1 3 定值积分阶段T2 逻辑控制电路在t2时刻令S1断开的同时 也使与输入电压Ui极性相反的基准电压接入积分器 图中设置了S2 S3两个开关 分别接 Ur和 Ur 如Ui为负值时 则令S2逼和 于是积分器开始对基准电压 Ur进行定值积分 积分器的输出电压从U01值向零点平倾斜 与此同时 计数器也重新从零开始计数 当积分器输出电压达到零点平时刻 即t3时刻 比较其反转 逻辑控制电路发出计数器关门信号 使计数器停止计数 此时 计数器保留的计数值为N2 定值积分阶段结束时 积分器输出电压为零 则 将公式2 12 2整理得 2 2 2 3 结论 T2与输入电压的平均值Ui成正比 如果在T2时间内对时钟脉冲进行计数 那么所得的时钟脉冲个数也与Ui成正比 从而也就完成了电压 数字的转换过程 设时钟脉冲的周期为T0 计数器的容量为N1 则 T1 N1T0 T2 N2T0 公式2 3可改写为 N2 N1 Ur Ui该计数值N2经寄存器输出 则完成了由模拟电压Ui向数字信号的转换 2 7模拟量输出通道 模拟量输出通道的作用主要是将经智能仪器处理后的数据再转换成模拟量送出 去控制现场的模拟设备 如电动执行器等 它也是许多智能设备 如X Y绘图仪 电平记录仪 波形发生器等 的重要组成部分 模拟量输出通道一般由D A转换器 多路模拟开关 采样 保持器等组成 本节重点讨论D A转换器及其与微处理器的接口 一 D A转换原理 D A转换器由电阻网络 开关及基准电源等部分组成 目前 采用最多的是R 2R梯形网络的D A转换器 图2 26给出了一个4位D A转换器的原理图 由图可见 D A转换器电阻网络中电阻的规格仅为R 2R两种 Ur为基准电压 它可有内部电子开关S3 S2 S1 S0在二进制码D D3D2D1D0的控制下分别控制4个支路 并使电流各自进入A3 A2 A1 A04个节点 二 R 2R梯形网络D A转换器原理图 图2 26 D0 20 D1 21 D2 22 D3 23 三 R 2R梯形网络的特点 该网络的特点是任何一个节点的三个分支的等效电阻都是2R 因此由任一个分支流入节点的电流都为I Ur 3R 并且I将在节点处被平分为相等的两部分 经另外两个分支流出 现假定数字输入D 0001 即S0闭合 S1 S2 S3断开 则基准电压Ur经开关S0流入支路所产生的电流为I Ur 3R 此电流经过A0 A1 A2 A3等4个节点 经4次平分得到1 16I注入运算放大电路 将电流信号转换位电压信号 若反馈电阻Rfb 3R 则运算放大器输出端产生的电压为 根叠加据原理 可以得出D为任意数时四位D A转换器的总输出电压 当UR为正时 D A转换器输出U0为负 反之为正 四 D A转换器的技术指标 1 分辨率 指的是当输入数字发生单位数码变化时所对应的模拟量输出的变化量 具体表达方式与A D转换器分辨率基本一致 2 转换精度 指的是在整个工作区间的输出电压与理想输出电压之间的偏差 可用绝对值或相对值来表示 转换精度包含了造成D A转换器误差的所有因素 其指标有时以综合误差方式来描述 有时又用分项误差的方式来描述 3 转换时间 指当输入的二进制代码从最小值突跳到最大值时 其模拟量电压达到与其稳定值之差小于1 2LSB所需的时间 也称为稳定时间 其值通常比A D转换器的转换时间要短的多 4 尖峰误差 指的是输入代码发生变化时刻而使输出模拟量产生尖峰所造成的误差 产生尖峰的原因是由于各个开关在切换过程中响应时间不一致和寄生参数所致 尖峰持续的时间虽然很短 但幅值可能很大 在某些应用场合必须施加措施予以避免 五 D A转换器与微机接口 1 DAC0832简介 DAC0832是含有双输入数据锁存器的八位D A数模转换器 其内部的LE为寄存命令 当LE为1时 寄存器的输出数据随输入变化 当LE为0时 数据被所存在寄存器中 而不再随数据总线上的数据变化而变化 其逻辑表达式为 LE 1 ILE CS WR1由此可见 当ILE为 CS和WR为 时 LE 1 为 允许数据输入 而当WR1为 时 LE 1 为 数据被锁存 能否进行D A转换 除了取决于LE 1 外 还有赖于LE 由图可见 当WR2和XFER均为低电平时 LE 为 此时允许数据通过去进行D A转换 否则当LE 为 时 将不允许数据通过并进行D A转换 2 DAC0832内部原理图 图2 30 3 DAC0832与微机的接口 在与微处理器接口时 可以采用双缓冲方式 两级输入锁存 也可以采用单缓冲方式 只用一级输入锁存 另一级始终直通 还可以接成全直通的形式 再外加锁存器与微机接口 因此 这种D A转换器使用非常灵活方便 a DAC0832与8031单片机连接成单缓冲方式的接口电路 该种方式主要应用于只有一路模拟量输出 或有几路模拟量输出但不需要同步的场合 该种方式下 两级寄存器的控制信号并接 即将WR1和WR2同时于8031的WR端口相接 CS和XFER相连接到P2 0 使DAC0832作为8031的一个外部I O装置 口地址为 FEFFH 这样 8031对它进行一次写操作 输入数据便在控制信号的作用下 直接打入0832内部的DAC寄存器中 并由D A转换成输出电压 其相应的程序段如下 MOVDPTR 0FEFFH 给出0832的地址MOVA DATA 欲输出的数据装入AMOVX DPTR A 数据装入0832并启动D A转换 单缓冲方式接口电路图如图2 31 4 DAC0832与8031单片机连接成双缓冲方式的接口电路 若需要两路以上的模拟量同步输出 则DAC0832必须按双缓冲方式连接 其接口电路图如图2 32 按图中连接 两片0832输入寄存器的地址分别为FEFFH和FDFFH DAC寄存器的地址都是FBFFH 设欲输出的数据置于R2 R3中 可编制相应的程序段如下 MOVDPTR 0FEFFHMOVA R2MOVX DPTR A 数据送1 0832输入寄存器MOVDPTR 0FDFFHMOVA R3MOVX DPTR A 另一数据送2 0832输入寄存器MOVDPTR 0FBFFHMOVX DPTR A 1 2 D A转换器同时输出 双缓冲方式接口电路图 P39图2 32 2 6小结 本讲介绍了模数转换ADC 模数转换的种类 主要任务 转换原理及实现过程 重点讲授了逐次比较型和双积分型A D转换器 ADC0809与微机的接口以及模拟量输出通道中DAC0832及与微机的接口等方面的相关知识 作业 1 逐次逼近式A D转换器ADC0809与微机接口电路及A D转换的实现 2 DAC0832D A转换器与微机接口是怎样实现的 第三讲 智能仪器人机接口 教学目标和要求 本讲主要介绍了智能仪器人机接口的相关知识 如键盘与接口 LED显示与接口 CRT显示与接口 微型打印机接口的相关技术 通过对本部分学习 应使学生掌握诸如键盘与接口 LED显示与接口 CRT显示与接口 微型打印机接口的相关技术 重点与难点 键盘与接口 LED显示与接口 CRT显示与接口 微型打印机接口的相关技术 3 1键盘与接口 操作者对智能仪器进行状态干预和数据输入 智能仪器向报告运行状态和处理结果 例如 键盘 显示器 打印 键盘与微处理器的接口包括硬件与软件两部分 硬件 键盘的组织 即键盘结构及其与主机的连接方式 软件 按键操作的识别与分析称为键盘管理程序 它主要包括识键 译键和键值分析三部分 识键 判断是否有键按下 译键 识别出哪一个键被按下 并指出被按下键的键值 键值分析 根据键值找出对应处理程序的入口并执行 3 1 1键盘的组织 编码式键盘 由按键键盘和专用键盘编码器两部分组成 当键盘中某一按键按下时 键盘编码器会自动产生相对应的按键代码 并输出一选通信号与CPU进行信息联络 键盘编码器是用很方便 目前市场上已有数种大规模集成电路的键盘编码器出售 例如 MM5740AA芯片就是一种专用于64键电传打字机的键盘编码器 其输出位ASC 码 非编码式键盘 非编码式键盘不含编码器 当某键按下时 键盘只能送出一个简单的闭合信号 对应的按键代码的确定必须借助于软件来完成 显然 非编码式键盘的软件是比较复杂的 并且要占用较多地CPU时间 这是它的不足之处 但非编码键盘可以任意组合 成本低 使用灵活 因而智能仪器大多采用非编码式键盘 3 1 2键盘的工作方式 智能仪器中CPU对键盘进行扫描时 要兼顾两方面的问题 一是要及时 以保证对用户的每一次按键都能做出相应的响应 二是扫描还不能占用CPU过多的时间 CPU还有大量的其它任务去处理 因此 要根据智能仪器中的CPU忙 闲情况 选择适当的键盘工作方式 键盘有三种工作方式 编程扫描方式中断工作方式定时扫描方式 1 编程扫描方式 该方式也称查询方式 它是利用CPU在完成其它工作的空余 调用键盘扫描程序 以相应键输入的要求 问题是当CPU在运行其它程序时 它就不会再响应键输入的要求 因此 选择该方式编程时 应考虑程序是否能对用户的每次按键都会作出及时的响应 2 中断工作方式 在这种工作方式下 当键盘中有键按下时 硬件会产生中断申请信号 CPU响应中断申请后对键盘进行扫描 并转入相应的键功能处理程序 该方式的优点是 由于在无键按下时不进行键扫描 因而可以提高CPU的效率 同时也能确保对用户的键操作作出迅速的反应 3 定时扫描方式 该方式利用一个专门的定时器来产生定时中断申请信号 CPU响应中断申请后便对键盘进行扫描 并在有键按下时转入相应的键功能处理程序 由于每次按键按下的持续时间一般为100ms左右 所以为了不漏检 定时中断周期一般应小于100ms 3 1 3键抖动及消除 1 键抖动的概念 键盘的按键一般都采用触点式按键开关 当按键被按下或释放时 按键触点的弹性会产生一种抖动现象 即当按键按下或释放时 触点不是迅速可靠的接通或断开 而是经过一段时间的抖动才能稳定下来 抖动时间的长短随按键材料的不同而不同 一般在5ms 10ms之间 键抖动的波形图如图3 2 2 键抖动的消除 键抖动可能导致计算机将一次操作识别为多次操作而连续出现一个键多次重复地出现的误操作现象 为克服这种由于键抖动所致的误判断 常采用以下的消除方法 硬件电路消除法 利用RS触发器来吸收键的抖动 其硬件电路如图3 3所示 一旦有键按下时 触发器就立即翻转 触点的抖动便不会再对输出产生影响 同样释放时也如此 软件延时法 当判定按键按下或释放时 用软件延时10ms 20ms 等待键稳定 即可靠的接通或断开 后重新再判定一次 以躲过触点的抖动期 从而消除键抖动所带来的误操作 软件流程图如下 3 1 4键连击 1 键连击的概念 当按键按下时 对应的功能便会通过键盘分析程序得以执行 如果在操作者释放键之前 对应的功能得以多次执行 如同操作者在连续不断的操作按键一样 这种现象就成为键连击 2 键连击的消除 键连击现象可用图3 4所示流程图的软件方法来解决 当某键按下时 首先进行软件延时去抖处理 确定键被按下后 便执行对应的功能 执行完后不是立即返回 而是等待键释放之后再返回 从而使一次按键只被响应一次 避免连击现象的发生 图3 4a图3 4b 3 2键盘的接口 前面提到键盘按其工作原理可分为编码式键盘和非编码式键盘两大类 编码式键盘是由按键键盘和专用键盘编码器两部分组成 当键盘中某一按键按下时 键盘编码器会自动产生相对应的按键代码 并输出一选通信号与CPU进行信息联络 键盘编码器使用很方便 主要应用于各类电传打字机中 而非编码式键盘不含编码器 当某键按下时 键盘只能送出一个简单的闭合信号 对应的按键代码的确定必须借助于软件来完成 非编码键盘可以任意组合 成本低 使用灵活 因而智能仪器大多采用非编码式键盘 非编码式键盘按照它与主机的接口方式又分为独立式键盘和矩阵式键盘两种 3 2 1独立式键盘接口方法 独立式键盘结构的特点是一键一线 即每一个按键单独占用一根检测线 可以直接与单片机I O线相连接或通过输入口与数据线相接 结构很简单 这些测试线相互独立无编码关系 因而键盘软件不存在译码问题 一旦检测到某测试线上有键闭合 便可直接转入到相应的键功能处理程序进行处理 其接口电路如图3 5 图中的上拉电阻R用来保证按键断开时 检测线上有稳定的高电平 当某一按键按下时 对应的检测线就变成了低电平 而与其它键相对应的的检测线仍为高电平 从而很容易的识别出被按下的按键 其优点是键盘结构简单 各测试线相互独立 按键识别容易 缺点是按键较多时占用的检测线也较多 不便于组成大型键盘 其键盘软件的流程图如图3 6 采用查询的方式进行软件编程 首先判断有无键按下 若检测到邮件按下 就延时10ms避开抖动的影响 查询是哪一键被按下并执行相关的操作 然后再用软件查询等待按键的释放 当判明键释放后 用软件延时10ms在返回 一方面避开按键释放时抖动的影响 另一方面防止键连击的产生 独立式接口软件流程图 图3 6 在上述查询扫描工作方式下 CPU经常处于空扫描状态 为进一步提高CPU的工作效率 可采用中断工作方式 即只有当键盘中有键被按下时 才执行扫描工作 图3 7给出了采用中断工作方式处理8只按键的电路图 当无键按下时 8条测试线均为高电平 经8与非门及反相器后仍为高电平 因而不会产生中断 当其中任一按键按下时 中断信号INT0变为低电平 向8031申请中断 8031响应中断后便进入中断服务程序 用扫描的方法寻找到申请中断的按键 并执行相应键功能处理程序 图3 7 3 2 2矩阵式键盘接口方法 矩阵式键盘结构特点是把检测线分为两组 一组为行线 一组为列线 按键放在行线和列线的交叉点上 每一按键都通过不同的行线和列线与主机相连 4 4矩阵共有16只按键 但只需要8条检测线 m n矩阵键盘与主机相连只需要m n条检测线 显然 键盘规模越大 矩阵式键盘的优势越显著 一般键盘数大于8时 大多采用矩阵式键盘 当采用矩阵式键盘时 为了编程方便 一般将矩阵键盘中的每一个按键按一定的顺序编号 这种按顺序排列的编号叫顺序码 也称键值 键值求取的方法有行扫描法和线路反转法 1 行扫描法 图3 8为4 8矩阵组成的32键键盘与单片机接口电路 芯片8155的端口C工作于输出方式 用于行扫描 端口A工作于输入方式 用于读入列值 其中 8155的命令 状态寄存器 端口A 端口B和端口C的地址分别为 0100H 0101H 0102H和0103H 采用编程扫描工作方式的行扫描法的步骤如下 判是否有键按下 其实现方法是使端口C所有的行输出均为低电平 然后从端口A读入列值 如无键按下 读入值为FFH 如有键按下 则不是FFH 有键按下 延时10ms 再判断是否确实有键按下 确实有键按下 求键值 实现方法是对键盘进行逐行扫描 即先令PC0为0 读入列值 若列值为FFH 则该行无键按下 在令PC1为0 对下一行进行扫描 若列值不是FFH 则该行有键按下 求其键值 此时设置行值寄存器和列值寄存器 每扫描完一行 无键按下 行值寄存器加08H 有键按下 行值寄存器保持原值 求相应的列值 求列值方法为 将列值右移 每移位一次 列值寄存器加1 直至移出位为低电平为止 最后将行值和列值相加即得十六进制的键值 为保证按键每闭合一次 CPU只做一次处理 程序需等闭合的按键释放后再对其处理 2 线路反转法 该方法识别键值的速度较快 但必须借助于可编程的通用接口芯片 如采用单片机 则可直接与单片机的I O口相接 下面以图3 9所示的4 4键盘电路为例说明线路反转法的原理 整个识别过程分为两步 先从P1的高4位输出0电平 从P1的低4位读取键盘的状态 如某键 E键 被按下 此时从P1的低4位输入的代码为1101 显然 0对应着被按下键所代表的劣 但只找到列的位置还不能识别按键 还必须找到它所在的行 进行线路反转 即从P1的低4位输出0电平 从P1的高4位读取键盘的状态 此时从高4位输入的结果应为0111 其中 0对应着被按下键所代表的行位置 将两次读入的数据和合成一个代码 即可确定被按下键的位置 3 3LED显示及接口 LED即发光二极管 它是由某些特殊的半导体材料制成的PN结 由于掺杂浓度很高 当正向偏置时 会产生大量的电子 空穴复合 把多余的能释放变为光能 LED显示器具有工作电压低 体积小 寿命长 约十万小时 响应速度快 小于1 s 颜色丰富 红 黄 绿等 等特点 LED的正向工作压降一般在1 2V 2 6V 发光工作电流在5mA 20mA 发光强度基本上与正向电流成正比 故电路需串联适当的限流电阻 LED很适于脉冲工作状态 在平均电流相同的条件下 采用脉冲工作状态比直流工作状态亮度增加20 3 3 1LED显示器原理 LED显示器有单个 七段和点阵式等几种类型 1 单个LED显示器 常用于仪器的状态指示 图3 16位单个LED显示器的接口电路 仪器内微处理器经数据总线D0 D7输出待显示的代码 送至输出接口 当其输出端Q0为低电平时 LED显示器正向导通并发亮 反之则熄灭 74LS374能同时驱动八个LED显示器 表示一仪器的八种状态信息 图3 16 2 七段LED显示 由多个LED发光二极管组成数字阵列并封装于一个标准的外壳中 最初始的 日 字 七段LED显示器 可以组成0 9数字和多种字母 加上小数点 也可为八段 为适应不同的驱动电路 它有共阴极和共阳极两种结构形式 为了显示某个字或者字符 就要点亮相应的段 此时就需要将数字信号进行译码 将BCD码转换为七段字型码 简称段码 译码又分为硬件译码和软件译码两种 硬件译码 其译码显示电路如图3 18 BCD码转换为对应的七段字型码的工作由七段译码 驱动器74LS47完成 该种方法的优点是计算机时间的开销较小 但硬件成本高 图3 18 软件译码 软件译码显示电路如图3 19 与硬件译码显示电路相比省去了硬件译码起 其BCD码转换为对应的段码这项工作由软件来完成 微处理器有较强的逻辑控制能力 采用软件译码并不复杂 采用软件译码不仅可使硬件电路简化 而且其译码逻辑可随编程设定 不受硬件译码逻辑的限定 所以智能仪器中使用较多的是软件译码方式 3 点阵式LED显示器 七段LED显示器只能显示数字和部分字符 而且字符现实的形状与印刷体相差还较大 识别比较困难 更不要说显示文字了 点阵式LED显示器是以点阵格式进行显示的 因而显示的符号比较逼真 并且还可以显示文字 图形等 这是点阵显示器的优越之处 其不足就是接口电路和控制程序较复杂 点阵式显示器的格式一般有4 7 5 7 7 9等几种 最常用的就是5 7点阵 5 7点阵字符显示器由35只LED显示单元排成5列 7行矩阵格式 每一行有5个LED显示单元按共阳极连接 每一列上有7个 按共阴极连接 其结构图如图3 20所示 2020 3 18 87 可编辑 列1 列2 列3 列4 列5 注意 图3 20所示的形式很适合于按扫描方式动态显示多个字符 例如 显示字母 A 我们将图中所示的字形代码 或称列码 并行依次送入 同时依次选通对应的列 只要不断的重复进行 便可在显示器上得到稳定的显示字符 A 3 3 2七段LED显示及接口 七段LED显示按显示的方式可分为静态显示和动态显示 静态显示系统中 每位显示器都应有各自的锁存器 译码器 若采用软件译码 译码器可省去 和驱动器 用以锁存各自待显示数字的BCD码或反码 因此 静态显示系统在每一次显示输出后能够保持显示不便 仅在待显示数字需要改变时 才更新其数字显示器中锁存的内容 该种显示其优点是 占用机时少 显示稳定可靠 缺点是当显示的位数较多时 占用的I O口较多 动态显示系统中 微处理器或控制器定时地对各个显示器进行扫描 显示器件分时轮流工作 每次只能使一个器件显示 但由于人眼的视觉暂留现象 仍感觉所有的器件都在同时显示 此种现实的优点是使用的硬件少 占用I O口少 缺点是占用机时长 只要不执行显示程序 就立刻停止显示 目前 随着大规模集成电路的发展 已有能自动地对显示器进行扫描的专用显示芯片 使电路既简单又少占用机时 一 静态显示及其接口图3 21给出的是采用四位软件译码的静态显示电路原理图 其中 七段LED显示器采用共阳极连接 即发光管的阳极都接 5V电源 由于TTL电路在低电平时带负载能力较强 发光管的阴极经限流电阻直接接到锁存器的输出端 74LS244为总线驱动器 每个LED显示器均由一个锁存器74LS273来锁存待显示的数据 锁存器的选通取决于地址译码器74LS138各输出位的状态 P73图3 21 二 动态扫描显示及接口图3 23给出了采用动态扫描方式的六位LED显示器接口电路 其中 LED显示器采用共阴极连接 接口芯片采用8155 PA口用于输出段码 PB口用于输出位选码 其地址分别为FD01H和FD02H 设显示缓冲区为30H 35H 先取出一位要显示的数 十六进制数 利用软件译码的方法求出待显示的数所对应的段码 送至8155的A口 然后再将位码送至8155B口 于是选中的显示器点亮 将各位显示器从左到右依次进行显示 每位显示10ms 循环重复 则可得到连续的显示结果 p75图3 23 3 3 3点阵LED显示 实现点阵显示的原理如图3 25所示 图中字符ROM是一个很关键的部件 字符ROM中存放着所有被显示字符的字形代码 其地址线分别接系统的数据线和五分频计数器的输出端 其数据线接到点阵显示器的7条行线上 五分频计数器的输出同时接到字符ROM的低位地址线上和显示器的译码器上 用作两者的同步信号 P76图3 25 3 3 4CRT显示及接口 CRT显示图文并茂 显示功能非常强大 是一种较为完善的显示器 但这种显示器体积大 成本较高 目前主要用于必须显示图形和表格的大 中型智能仪器中 CRT显示器的显示原理可分为光栅扫描式和随机扫描式两种类型 光栅扫描式与电视的扫描方式相同 因此又被称为电视式 光栅扫描式还可以进一步分为字符工作模式和图形工作模式 随机扫描式与示波器的扫描方式相同 所以又称为示波器式 光栅扫描式显示器控制灵活 可以生成多种色彩高度逼真的图形 随着半导体器件价格的降低 它的应用范围越来越广 随机扫描式显示器划线速度快 分辨率高 但较难生成多种辉度和色彩 一 光栅扫描式CRT字符显示系统 光栅扫描包括行 水平 扫描和场 垂直 扫描 由视频信号控制的电子束 在行扫描偏转信号和场扫描偏转信号的共同作用下 从左上角开始作横过荧光屏的水平扫描 当电子束到达荧光屏的右端时被消隐 并返回左上角的起始端 然后进行下一行的横向扫描 行扫描过程在垂直偏转信号的作用下 从上到下扫过整个屏幕 当电子束扫到右下角又被消隐 并返回左上角的起始端 开始下一帖的扫描过程 在上述电子束扫描过程中 含有字符信息的点阵码 视频信号 控制着电子束的强弱 使屏幕中各像素点以亮点代以黑点的方式出现 使屏幕出现待显示字符信息 光栅扫描式CRT字符显示系统主要有显示RAM 字符发生器ROM 并 串移位器 混合电路以及逻辑定时电路等几部分组成 其组成原理图如图3 26 显示RAM 为了保持显示稳定并且没有闪烁 应以一定速率 一般为50 60Hz 循环调用待显字符点阵信息 反复的对CRT进行扫描 因而需要一个显示缓冲存储器RAM 显示RAM 提供一帖所需要的全部字符信息 字符ROM 为了减少显示RAM的容量 显示RAM不保存字符的点阵信息 而保存字符的ASC 码 因此为了在屏幕上形成字符点阵 还要求有一个贮存字符点阵信息的字符发生器 通常称为字符ROM 各种字符的ASC 码从显示RAM中读入送到字符ROM作为选择 对应这个字符点阵码的字符ROM的地址 并 串转换 从字符ROM中取出的点阵码是并行比特 而送给CRT的数据应该是串行比特 为此还应有一个移位寄存器将并行的代码比特转换成串行代码比特输出 混合电路 另外 串行代码的输出还应与光栅扫描同步 以保证每个字符都在屏幕的确定位置上出现 因此还要使串行代码与水平 垂直同步信号经混合电路混合 最后才能形成视频输出 二 光栅扫描CRT图形显示系统 在字符显示系统中 显示RAM中存放的是字符的ASC 码 所以必须经字符发生器变成相应的点阵码才能传送至显示器 而在图形显示系统中 显示RAM存放的是由软件形成的图形点阵 显示RAM中每个存放单元中的每个数位都与显示屏上的某一个像素点一一对应 因此 图形显示系统中不再需要字符发生器 图3 32给出了两种显示系统其显示RAM的内容与显示器的显示相对应的关系 P82图3 32 光栅扫描CRT图形显示系统其原理框图如图3 33 微处理器系统通过地址缓冲器依次寻址 使显示RAM各存储单元通过数据缓冲器顺序地写入已由软件生成的待显图形的点阵数据 更新其中的显示信息 显示过程中 在字时钟的作用下 通过字时钟计数器和行计数器形成的地址依次寻址显示RAM的各存储单元 按直接访存方式顺序地按字节读出其中的数据信息供给移位寄存器 这些信息是由字时钟并行地装入移位寄存器 又由点时钟将它串行移出 这样依次逐行地顺序装入 再经并 串转移 便可反复的刷新显示屏上的图形了 光栅扫描CRT图形显示系统也可以处理文字 不同的是这里的文字是当作图形来处理的 即以点阵码的形式直接存储在RAM中 再按与上述相同的原理进行处理即可 三 随机扫描CRT图形显示系统 随机扫描CRT图形显示是采用示波器的X Y显示原理 即分别向CRT水平和垂直输入端加以连续变化的电压信号 通过控制电子束的偏转 便可形成连续的各种形状的光迹 在栅极上加上适当的消隐脉冲 则可构成不连续线条 形成各种字符和图形 图3 35给出的是适用于单值脉冲函数信号波形的CRT显示系统 图3 35 该显示系统中 待显示的连续的时间函数波形信号A t 首先经A D转换器按一定的速率将其转换为离散的数字信号A n 然后通过对地址缓冲器依次寻址显示RAM内的存储单元 将A n 写入显示RAM中 显示过程中 定时与控制电路产生的时钟计数码 一方面用于依次寻址显示RAM内各存储单元 并读出其中存储的波形数据共给与其级联的D A转换器 以产生垂直偏转信号Y t 另一方面 该组计数码同时供给与CRT水平偏转相级联的D A转换器 形成水平偏转信号X t X t 和Y t 都与显示时钟同步 它们共同决定电子束在荧光屏上移动所形成的波形 注意 为了使显示的图形稳定不闪烁 显示时钟的频率应该足够高 3 4微型打印机接口 就打印机而言 针式打印机 喷墨打印机 激光打印机 而对智能仪表需要的是微型打印机 它结构简单 体积小 打印机的大部分工