第四讲-输入输出接口与过程通道3.ppt

ADC0809芯片及其接口 ADC0809芯片及其接口 ADC0809由三大部分组成 1 8路输入模拟量选择电路 8路输入模拟量信号分别接到IN0 IN7端 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 2 逐次比较式A D转换器 START为启动信号 其上升沿复位内部寄存器 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 当时钟频率取640kHz时 转换一次约需100 s时间 ADC0809所能容许的最短转换时间 3 三态输出缓冲锁存器 A D转换的结果由EOC信号上升沿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 这时便可读取结果 否则缓冲锁存器输出为高阻态 ADC0809芯片及其接口 假设8255A已经初始化 地址为2C0H 2C3H ADC0809PROCNEARMOVCX 8 计数CLDMOVBL 00H 模拟通道地址存BLLEADI DATABUFNEXTA MOVDX 02C2HMOVAL BLOUTDX ALINCDX 加1MOVAL 00000111B 输出启动信号 PC3置1OUTDX AL 送到控制寄存器NOP MOVAL 00001110B pc7置000000110B pc3置0OUTDX ALDECDXNOSC INAL DXTESTAL 80HJNZNOSC EOC 1 则等待NOEOC INAL DXTESTAL 80HJZNOEOC EOC 0 则等待MOVDX 02C0H A口地址INAL DXSTOSDATABUFINCBL 修改模拟通道地址LOOPNEXTA CX 1 CX 0 RETADC0809ENDP 2 5模拟量输出接口与过程通道 模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键 它的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号 以便驱动相应的执行机构 达到控制的目的 模拟量输出通道一般由接口电路 D A转换器 V I变换等组成 2 5 1模拟量输出通道的结构形式 模拟量输出通道的结构形式 主要取决于输出保持器的构成方式 输出保持器的作用 将前一采样时刻的输出信号保持到下一个采样时刻 重新得到新的连续输出信号 1 一个通道设置一个数 模转换器的形式2 多个通道共用一个数 模转换器的形式 图2 31一个通道一个D A转换器结构 图2 32共用D A转换器的结构 转换速度快 工作可靠 只适用于通路数量多且速度要求不高的场合 可靠性较差 8位D A转换器DAC0832它主要由8位输入寄存器 8位DAC寄存器 采用R 2R电阻网络的8位D A转换器 相应的选通控制逻辑四部分组成 2 5 2D A转换器及其接口技术 1 8位D A转换器接口 2 5 2D A转换器及其接口技术 1 8位D A转换器接口 该电路由8位D A转换芯片DAC0832 运算放大器 地址译码电路组成 图2 338位D A转换器接口 CS启动转换 锁存数据 转换为差动电流 单极性电压输出 2 5 2D A转换器及其接口技术 1 8位D A转换器接口 DAC0832工作在单缓冲寄存器方式 DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出 经过运算放大器A 将形成单极性电压输出0 5V 若要形成负电压输出 则需接正的基准电压 将数字量转换后得到的输出电流通过内部反馈电阻流到放大器的输出端 线性度 传感器的线性误差极限 线性误差 实测曲线与理想直线之间的偏差 用DAC0832实现8位D A转换程序框图 配合图2 33硬件接口 8位D A转换程序框图如图 若DAC0832的口地址为BASE 则8位二进制数7EH转换为模拟电压的接口程序为 MOVDX BASEMOVAL 7FHOUTDX ALRET 2 5 2D A转换器及其接口技术 2 12位D A转换器DAC1210图中是DAC1210的内部原理框图 其原理和控制信号功能基本上同DAC0832两点不同 它是12位的 有12条数据输入线可以用字节控制信号BYTE1 BYTE2控制数据的输入 2 5 2D A转换器及其接口技术 2 12位D A转换器DAC1210该电路采用12位D A转换芯片DAC1210 输出放大器电路组成 2 5 2D A转换器及其接口技术 图2 3412位D A转换器接口 A0 1 高8位写入A0 0 低4位写入 所有数据输入第二级寄存器 D A转换开始 端口地址译码器译出Y0地址为BASE 则D A高8位地址为BASE 1 低8位地址为BASE 0 则接口程序为 MOVDX BASE 1MOVAL dataH 送高8位数据OUTDX ALMOVDX BASE 0MOVAL dataL 送低4位数据OUTDX AL 12数据进行转换RET 2 5 3单极性与双极性电压输出电路 在实际应用中 通常采用D A转换器外加运算放大器的方法 把D A转换器的电流输出转换为电压输出 图2 35给出D A转换器的单极性与双极性输出电路如果参考电压为 5v 则Vout1为 0 5v Vout2为 5v 图2 35D A转换的单极性与双极性输出 2 5 3单极性与双极性电压输出电路 VOUT1为单极性输出 若D为输入数字量 VREF为基准参考电压 且为n位D A转换器 则有 VOUT2为双极性输出 则有 2 5 4V I变换 1 集成V I转换器ZF2B20 图2 36ZF2B20引脚图 ZF2B20是通过V I变换的方式产生一个与输入电压成比例的输出电流 它的输入电压范围是0 10V 输出电流是4 20mA 加接地负载 采用单正电源供电 电源电压范围为10 32V 它的特点是低漂移 在工作温度为 25 85 范围内 最大漂移为0 005 可用于控制和遥测系统 作为子系统之间的信息传送和连接 ZF2B20的输入电阻为10K 动态响应时间小于25 S 非线性小于 0 025 2 5 4V I变换 图2 37V I转换图 a 所示电路是一种带初值校准的0 10V到4 20mA转换电路 b 则是一种带满度校准的0 10V到0 10mA转换电路 2 集成V I转换器AD694 2 5 4V I变换 AD694是一种4 20mA转换器 适当接线也可使其输出范围为0 20mA AD694的主要特点是 输出范围 4 20mA 0 20mA 输入范围 0 2V或0 10V 电源范围 4 5 36V 可与电流输出型D A转换器直接配合使用 实现程控电流输出 具有开路或超限报警功能 图2 38AD694引脚图 2 集成V I转换器AD694 2 5 4V I变换 图2 39AD694的基本应用 图2 40DAC1210与AD694的接口 对于0 10V输入 4 20mA输出 电源电压大于12 5V的情况输出能驱动的最大负载为 2 5 5模拟量输出通道模板举例 图2 41PCL 726板卡组成框图 D A转换程序流程如下 以通道1为例 1 选择通道地址n 1 n 1 6 2 确定D A高4位数据地址 基地址 00 3 置D A高4位数据 D3 DO有效 4 确定D A低8位数据地址 基地址 01 5 置D A低8位数据并启动转换 2 D A转换程序流程 3 程序设计举例PCL 726的D A输出 数字量输入等操作均不需要状态查询 分辨率为12位 000H 0FFFH分别对应输出0 100 若输出50 则对应的输出数字量为7FFH 设基地址为220H D A通道l输出50 的程序如下 C语言参考程序段如下 outportb 0 x220 0 x07 D A通道l输出50 outportb 0 x221 0 xff 汇编语言参考程序如下 基地址为220H MOVAL 07H D A通道l输出50 MOVDX 0220HOUTDX AL MOVDX 0221H MOVAL 0FFH 2 6硬件抗干扰技术 2 6 1过程通道抗干扰技术2 6 2主机抗干扰技术2 6 3系统供电与接地技术 所谓干扰 就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素 克服干扰的措施 硬件措施 软件措施 软硬结合的措施干扰的来源 外部干扰和内部干扰 外部干扰主要是空间电或磁的影响 环境温度 湿度等气象条件 内部干扰主要是分布电容 分布电感引起的耦合感应 电磁场辐射感应 长线传输的波反射 多点接地造成的电位差引起的干扰 寄生振荡引起的干扰 甚至元器件产生的噪声 分布电容 除电容器外 由于电路的分布特点而具有的电容叫分布电容 分布电感 distributedinductance 2 6 1过程通道抗干扰技术 1 串模干扰及其抑制方法 1 串模干扰 2 串模干扰的抑制方法2 共模干扰及其抑制方法 1 共模干扰 2 共模干扰的抑制方法 变压器隔离 光电隔离 浮地屏蔽 采用仪表放大器提高共模抑制比 2 7 1过程通道抗干扰技术 1 串模干扰及其抑制方法 1 串模干扰 所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声 也称为常态干扰 图2 42串模干扰示意图 2 串模干扰的抑制方法 如果串模干扰频率比被测信号频率高 则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰 如果串模干扰频率比被测信号频率低 则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰 如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧 则应用带通滤波器 一般情况下 串模干扰均比被测信号变化快 故常用二级阻容低通滤波网络作为模 数转换器的输入滤波器 当被测信号变化较快时 应相应改变网络参数 以适当减小时间常数 图2 43二级阻容滤波网络 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时 用双积分式A D转换器可以削弱串模干扰的影响 因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量 而不是测量信号的瞬时值 若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍 则积分后干扰值为零 对测量结果不产生误差 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下 对被测信号应尽可能早地进行前置放大 从而达到提高回路中的信号噪声比的目的 或者尽可能早地完成模 数转换或采取隔离和屏蔽等措施 从选择逻辑器件入手 利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰 采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应 并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消 选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线 且有良好接地 并对测量仪表进行电磁屏蔽 2 共模干扰及其抑制方法 所谓共模干扰是指模 数转换器两个输入端上公有的干扰电压 共模干扰也称为共态干扰 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着一定的电位差Ucm 图2 44共模干扰示意图 单端对地输入和双端不对地输入 对于存在共模干扰的场合 不能采用单端对地输入方式 因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压 如左图所示 所以必须采用双端输入不对地方式 如右图所示 ZS ZS1 ZS2为信号源US的内阻抗 ZC ZC1 ZC2为输入电路的输入阻抗 共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路 每个输入端A和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为 图2 45被测信号的输入方式 为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力 常用共模抑制比CMRR CommonModeRejectionRatio 来表示 即 Ucm是共模干扰电压 Un是Ucm转化成的串模干扰电压 显然 对于单端对地输入方式 由于Un Ucm 所以CMRR 0 说明无共模抑制能力 对于双端不对地输入方式来说 由Ucm引入的串模干扰Un越小 CMRR就越大 所以抗共模干扰能力越强 2 共模干扰的抑制方法 变压器隔离利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来 也就是把模拟地与数字地断开 以使共模干扰电压 cm不成回路 从而抑制了共模干扰 另外 隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源 切断两部分的地线联系 图2 46变压器隔离 光电隔离 光电耦合器的几个特点 1 由于密封在一个管壳内 或者是模压塑料封装的 所以不受外界光的干扰 2 由于靠光传送信号 切断了各部件电路之间地线的联系3 发光二极管动态电阻非常小 而干扰源的内阻一般很大 能够传送到光电耦合器输入端的干扰信号变的很小 4 光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比一般很小 即使在干扰电压幅值较高的情况下 由于没有足够的能量不能使发光二极管发光 从而有效抑制干扰信号 图2 46光电隔离 浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰 如图所示 这是利用屏蔽方法使输入信号的 模拟地 浮空 从而达到抑制共模干扰的目的 图2 48浮地输入双层屏蔽放大器 采用仪表放大器提高共模抑制比 仪表放大器具有共模抑制能力强 输入阻抗高 漂移低 增益可调等优点 是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件 仪表放大器将两个信号的差值放大 抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因 AD620 低功耗 低成本 集成仪表放大器 还有AD623等等 3 长线传输干扰及其抑制方法 1 长线传输干扰 长线的 长 是相对的 毫微秒级 1m 十毫秒级 几米 信号在长线中传输遇到三个问题 一是长线传输易受到外界干扰 二是具有信号延时 三是高速度变化的信号在长线中传输时 还会出现波反射现象 阻抗不连续 信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有 信号在这个地方就会引起反射 这种信号反射的原理 与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的 消除这种反射的方法 就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻 使电缆的阻抗连续 2 长线传输干扰的抑制方法 采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配 可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度 双绞线与同轴电缆双绞线的波阻抗一般在100至200 之间 绞花越密 波阻抗越低 终端匹配 采用终端阻抗匹配或者始端阻抗匹配 可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度 最简单的终端匹配方法如图2 50 a 缺点 时间上要延迟 图2 50 b 可以克服此缺点 图2 50终端匹配 2 长线传输干扰的抑制方法 始端匹配 在传输线始端串入电阻R 如图2 50所示 也能基本上消除反射 达到改善波形的目的 这种匹配方法的 优点 是波形的高电压不变缺点 是低电平会抬高 图2 51始端匹配 2 6 2主机抗干扰技术 计算机控制系统的CPU抗干扰措施 Watchdog 俗称看门狗 电源监控 掉电检测及保护 复位 MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能 MAX1232通过监控微处理器系统电源供电及监控软件的执行 来增强电路的可靠性 它提供一个反弹的 无锁的 手动复位输入 另外常用的集成电路还有X5045 IMP813等 1 MAX1232的结构原理 MAX1232引脚图 MAX1232内部原理图 2 MAX1232的主要功能 1 电源监控 2 按钮复位输入 3 监控定时器 Watchdog 1 电源监控 电压检测器监控Vcc 每当Vcc低于所选择的容限时 5 容限时的电压典型时为4 62V 10 容限时的电压典型时为4 37V 就输出并保持复位信号 选择5 的容许极限时 TOL端接地 选择10 的容许极限时 TOL端接Vcc 当Vcc恢复到容许极限内 复位输出信号至少保持250ms的宽度 才允许电源供电并使微处理器稳定工作 2 按钮复位输入 MAX1232的端靠手动强制复位输出 该端保持tPBD是按钮复位延迟时间 当升高到大于一定的电压值后 复位输出保持至少250ms的宽度 一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动 无锁按钮输入至少忽略了1ms的输入抖动 并且被保证能识别出20ms或更大的脉冲宽度 该PBRST在芯片内部被上拉到大约100 A的Vcc上 因而不需要附加的上拉电阻 3 监控定时器 Watchdog 用于因干扰引起的系统 飞程序 等出错的检测和自动恢复 微处理器用一根I O线来驱动输入ST 微处理器必须在一定时间内触发ST端 其时间取决于TD 以便来检测正常的软件执行 如果一个硬件或软件的失误导致没被触发 在一个最小超时间间隔内 ST的触发只能被脉冲的下降沿作用 这时MAX1232的复位输出至少保持250ms的宽度 图2 54监控电路MAX1232的典型应用 如果中断继续 每一个超时限间隔内产生新的复位脉冲 直到ST触发 这个超时限间隔取决于TD输入的连接 当TD接地时 Watchdog为150ms 当TD悬空时 Watchdog为600ms 当TD接VCC时 Watchdog为1 2s 3 掉电保护和恢复运行 掉电保护 掉电信号由监控电路MAX1232检测得到 加到微处理器的外部中断输入端 软件中将掉电中断规定为高级中断 是系统能够及时对掉电做出反应 恢复运行 当电源恢复后 CPU重新上电复位 复位后应首先检查是否有掉电标记 如果没有按一般开机程序执行 如果有掉电标记 不应将系统初始化 恢复现场 2 6 3系统供电与接地技术 1 供电技术2 接地技术 从交流电网输入 直流输出的全过程 包括 1 输入滤波器 其作用是将电网存在的杂波过滤 同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网 2 整流与滤波 将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电 以供下一级变换 3 逆变 将整流后的直流电变为高频交流电 这是高频开关电源的核心部分 频率越高 体积 重量与输出功率之比越小 4 输出整流与滤波 根据负载需要 提供稳定可靠的直流电源 图2 55一般供电结构 2 电源异常的保护措施 计算机控制系统的供电不允许中断 一旦中断将会影响生产 为此 可采用不间断电源UPS UPS自身逆变器的输入直流总线和外接电池组均与用户原有的48V通信电源无任何直接的电气连接 所以不会对程控机产生任何传导干扰 输入电压偏高或偏低时 即转为电池放电 通过改进控制器的工作 可以减轻电池组放电的频率 减少电池损坏 图2 56具有不间断电源的供电结构 2 接地技术 1 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 在进行电磁兼容问题分析时 对地线使用下面的定义 地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径 在计算机控制系统中 一般有以下几种地线 模拟地 数字地 安全地 系统地 交流地 模拟地作为传感器 变送器 放大器 A D和D A转换器中模拟电路的零电位 数字地作为计算机中各种数字电路的零电位 应该与模拟地分开 避免模拟信号受数字脉冲的干扰 安全地的目的是使设备机壳与大地等电位 以避免机壳带电而影响人身及设备安全 通常安全地又称为保护地或机壳地 机壳包括机架 外壳 屏蔽罩等 系统地就是上述几种地的最终回流点 直接与大地相连 众所周知 地球是导体而且体积非常大 因而其静电容量也非常大 电位比较恒定 所以人们把它的电位作为基准电位 也就是零电位 交流地是计算机交流供电电源地 即动力线地 它的地电位很不稳定 接地理论分析 低频电路应单点接地 高频电路应就近多点接地 单点接地的目的 是避免形成地环路 地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰 地环路产生的原因 地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间 其产生的内在原因是设备之间的地线电位差 地线电压导致了地环路电流 由于电路的非平衡性 地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压 回流法单点接地 模拟地 数字地 安全地 机壳地 的分别回流法 回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线 汇流条是由多层铜导体构成 截面呈矩形 各层之间有绝缘层 采用多层汇流条以减少自感 可减少干扰的窜入途径 安全地 机壳地 始终与信号地 模拟地 数字地 是浮离开的 这些地之间只在最后汇聚一点 并且常常通过铜接地板交汇 然后用线径不小于300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下 2 低频接地技术 一点接地方式 两种接法 即串联接地 或称共同接地 和并联接地 或称分别接地 各自的优缺点 从防止噪声角度看 如图所示的串联接地方式是最不适用