智能仪器第4章 输出通道及数据通信接口技术

第四章输出通道及通信接口技术 4 1智能仪器输出通道信号种类 仪器1 仪器3 仪器2 仪器1 仪器2 仪器3 IIN VIN 4 2DAC工作原理及主要技术指标 DAC工作原理 VREF Vo A Rf R 2n R R 21 S0 S1 Sn d0 d1 dn IOUT 2DAC转换主要技术指标 2 1分辨率分辨率是指输入数字量的最小有效位 LSB 产生一次变化时 DAC输出变化的最小增量相对满刻度的百分比 2 2准确度 线性误差 准确度是指DAC的实际输出与理论值的最大偏差 是DAC各种误差之和 包括非线性误差 零点误差 增益误差和温度漂移等 2 2 1绝对精度常用LSB作为单位 2 2 2相对精度表示为满刻度输出值的百分数 2 3建立时间数字量从全 0 变为全 1 或从全 1 变为全 0 时 DAC输出模拟量达到终值1 2LSB误差范围之内所需要的时间 几种常用DAC芯片的技术指标 4 3DAC转换与接口 电流转换成电压 Vo A DAC A DAC VREF 单极性输出 双极性输出 RF RF R1 VOUT IOUT IOUT 2DAC芯片与微型计算机及接口 2 1DAC位数等于CPU数据总线位数接口时的接口 P1 7 P1 0 8031 DB7 DB0 Vef Vef I0 Rf A 580 5V V0 2DAC与微型计算机接口技术 2 2DAC位数大于CPU数据总线位数接口时的接口 Vo A DAC1210 Iout1 Voref AD508 8031 P1 0 P1 7 DB0 DB3 P2 0 P2 1 P2 7 WR DB4 DB11 BYTE1 BYTE2 CS XFER WR1 WR2 Iout2 Rfb 5V 2DAC与微型计算机接口技术 2 3多通道模拟量输出时的DAC接口 8031 接口 DAC DAC DAC 每路使用独立的DAC 8031 接口 DAC 2DAC与微型计算机接口技术 2 3多通道模拟量输出时的DAC接口 模拟开关 S H S H S H 多路共享一个DAC 2 4采用单片多路DA芯片实现多通道模拟量输出 MAX506 四路 八位DAC芯片 2DAC与微型计算机接口技术 2 5串行输入DAC与CPU接口串行数字输入DAC的数字量输入端可以使用很少几个引脚 从而使DAC的总管脚数达到很少 接口布线大为简化 占用印刷电路板的面积也很少 而且是用于远距离传输 但串行数字输入DAC的不利在于接收数据较慢 典型芯片 TLC5615是10位串行DA转换器 2 5串行输入DAC与CPU接口MAX515为低功耗 单5V电源 电压输出的10位DA转换器 2DAC与微型计算机接口技术 1 1阶梯波和锯齿波 1数字波形合成 4 4数字波形合成与V I转换电路 DAC输出的模拟电压或电流取决于DAC的输入数字量 利用程序的方法不断地给DAC输入不同的数字量 可以在DAC输出端得到连续变化的波形 这就是数字波形合成的基本原理 MOVA 0LOOP1 MOVP1 A 输出数码到DACADDA N 数码增加NCALLDELAYSJMPLOOP1 循环END 1 1阶梯波和锯齿波 DAP0 MOVR7 00H 置输出初值DAP1 MOVA R7 数字量送AMOVP1 A 送D A转换INCR7 修改数字量CJNER7 255 DAP1 数字量不等于255 转DAP1AJMPDAP0 重复下一个波形 1 2三角波 程序有错 数字波形形成 4 4数字波形合成与V I转换电路 DAS0 MOVR7 80H DAS1 MOVA R7 MOVP1 A INCR7 CJNER7 255 DAS1 DAS2 DECR7 MOVA R7 MOVP1 A CJNER7 80H DAS2 AJMPDAS0 1 3方波 数字波形生成 4 4数字波形合成与V I转换电路 LOOP4 MOVP1 HIGH 输出高电平到数码管DACCALLDT1 延时T1MOVP1 LOW 输出低电平到数码管DACCALLDT2 延时T2SJMPLOOP4 循环END T1 T2 1 4正弦波 数字波形生成 4 4数字波形合成与V I转换电路 SIN MOVR7 00H 置偏移量DAS0 MOVA R7 MOVDPTR TAB 设指针MOVCA A DPTR 取数据MOVP1 A 送D A转换INCR7 修改偏移量CJNER7 64 DAS0 AJMPSIN TAB DB80H 83H 86H 8DH 90HDB93H 96H 99H 9CH 9FH 0A2HDB0A5H 0A8H 0ABH 0AEH DB6FH 72H 76H 79H 7CH 80H 64个数据 2V I转换电路 b 取 则当时 4 5开关量输出 开关量输出通道的一般结构 1 隔断微机与执行机构之间的电气联系防止电位差 外界电磁等干扰 2 防止执行错误 3 防止仪器自身损坏 注意 所有进出智能仪器的信号线全部加隔离 1 1光电耦合器件1 输出信号与输入信号电气完全隔离 抗干扰能力强 隔离电压可达几千伏以上 2 无触点 寿命长 可靠性好 3 响应速度快 易与TTL电路配合使用 4 驱动能力差 开关量的隔离 光电耦合电路 数字输出隔离 1 2继电器隔离电路 继电器驱动电路 继电器触点分类 电磁式继电器是一种电流通断控制大电流通断的常用开关控制器件 2数字输出驱动 TTL三态门缓冲器 74LS240 244 245 IOH 15mA IOL 24mA 注意 它们没有锁存 集电极开路 OC 门 7406 07 38 IOL 40mA VOH 30V 可实现高压输出 门电路外加晶体管驱动 可实现高压大电流输出 OC门输出驱动电路 晶体管输出驱动电路 2数字输出驱动 2 4达林顿晶体管阵列驱动 MC1416内部结构 MC1416驱动七个继电器电路 达林顿晶体管阵列驱动器芯片适用于多路开关量中功率驱动电路 1 每路输出电流可达500mA 但是每一块双列直插芯片总的输出电流不得超过2 5A 输出端截止时耐压可达100V 输出端可与多种TTL及CMOS电路兼容 当总输出电流较大时 必须加散热片 3固态继电器 SSR 随机型和过零型固态继电器波形图 固态继电器结构简图 固态继电器既有放大驱动作用 又有隔离作用 很适合于驱动大功率开关式执行器件 固态继电器是一种四端有源器件 其中的两端为输入控制端 功耗很小 易与TTL CMOS兼容 另外两端是输出端 内部设有输出保护电路 输入电路与输出电路之间采用光电隔离 绝缘电压可达2500V 单向直流固态继电器的输出端与直流负载适配 双向交流固态继电器的输出端与交流负载适配 交流固态继电器分为过零触发型 零通 零断 和随机开启型 随机通 零断 当输入端施加有效控制信号时 随机固态继电器输出端立即导通 而过零固态继电器则要等到负载电压过零区域时才导通 关断时间是一样的 都是小于维持电流时关断 随机开启继电器容易造成电网污染 除非要求快速响应 调压 变压器等感性负载控制 一般不用 3固态继电器 SSR 直流电源驱动直流电感负载 交流电源驱动直流电感负载 交流电源驱动交流电感负载 1 小电流负载SSR内部除去输入电路之外的所有其它电路都是由输出端供电的 因此 即使在输出关断状态下 SSR仍存在关断电流 为使负载可靠地关断 流过负载的开启电流至少应该是SSR关断电流的10倍 如果负载电流低于这个值 负载上需要并联一个电阻 提高开启电流数值 2 电感式负载直流感应式负载 必须使用DCSSR 负载上并联续流二极管保护SSR 直流感应式负载使用交流负载电源时 应外接全桥整流其变为直流 交流电感式负载 必须使用ACSSR SSR输出端并联压敏电阻以保护SSR 4 6串行数据通信接口 概念 1 1波特率 每秒串行发送和接收的二进制位 bit 数 单位为bps 每秒比特数 它是衡量数据快慢的指标 也是衡量传送通道频宽的指标 1 2串口工作方式1 单工方式 只允许数据单方向传播 2 半双工方式 发送和接收的数据分时地使用同一条传送线 即在某一时刻只能有一个方向的数据在进行传送 3 全双工方式 用两根传送线来连接两个设备 数据的发送和接收可同时进行 单工方式 半双工方式 全双工方式 1 3串口通信方式及规程 1 3 1同步通信方式 发送和接收方使用同一个时钟 同步通信数据转移率比异步方法快 但硬件电路更为复杂 pc机的串口是异步设备 因此只支持异步串行通信 不易于长线传输 1 3 2异步通信方式 发送和接收方使用自己的时钟 如果不给每个字符设置起始和停止标志 两个时钟的差异可能导致接收方辨认传送信号是比特错位 0D1D2D3D4 Dn0 110 异步传送格式 异步传送的每个字符必须 由起始位 一位 0 开始 数据位 7位或8位 低位在先 高位在后 停止位 一位 一位半或两位 1 表示字符结束 一位奇偶校验位为可选位 从起始位开始到停止位结束组成一帧信息 停止位后面也可能不立刻紧接下一字符的起始位 这是停止位后面一直维持 1 状态 这些称为空闲位 2RS 232C标准串行接口总线 2 1RS 232C总线描述数据线 控制线 地共9根线 数据线采用负逻辑 控制线采用正逻辑 数据发送端 逻辑 0 5V 15V 逻辑 1 5V 15V 数据接收端 逻辑 0 3V 逻辑 1 3V 噪声容限为2V RS 232是美国电子工业协会EIA公布的串行通信标准 目前广泛应用于计算机与外围设备的串行异步通信接口中 2 1RS 232C总线描述 2 1 125针接口 2 1 29针接口 DCE就绪 I RS 232C总线25针接口 RS 232C总线9针接口 DCE就绪 I 2 2RS 232C接口的常用系统连接 半双工 2RS 232C标准串行接口总线 1 A设备发送RTS信号给A设备MODEM 请求发送数据 2 A设备MODEM发CTS信号给A设备 允许其发送数据 3 A设备发送数据给A设备MODEM 4 A设备MODEM发送载波振铃 RI 信号给B设备MODEM 5 B设备MODEM收到载波信号 给B设备发送DCD信号 表示线路上有载波振铃信号 6 B设备发送DTR信号给B设备MODEM 表示B设备准备好接收数据 7 B设备MODEM发送DSR信号 应答B设备的DTR信号 接收线路上的载波数据信号 8 B设备MODEM将数据发送给B设备 早期带有通信设备的RS 232 DCE就绪 I 2 2RS 232C接口的常用系统连接 全双工 2RS 232C标准串行接口总线 全双工标准系统连接 全双工最简系统连接 全双工标准系统略去两个MODEM DCE设备 用导线直接相连接 导线即为DCE设备 1 DTR与DSR为固定有效电平 在传输过程中不变 2 CTS RTS和DCD相连 可随时发送数据不用等待DCE设备的应答 MOVSBUF AJNBTI CLRTI JNBRI CLRRIMOVA SBUF 4RS 485标准串行接口总线 RS 485标准串行总线在要求通信距离为几十米到上千米时被广泛采用 RS 485采用平衡发送和差分接收 具有抑制共模干扰的能力 总线收发器具有高灵敏度 能检测低至200mV的电压 故传输信号能在千米以外得到恢复 通常RS 485采用半双工工作方式 任何时候只能有一点处于发送状态 因此 发送电路须由使能信号加以控制 RS 485用于多点互连时非常方便 可以省掉许多信号线 应用RS 485可以联网构成分布式系统 可并联32台驱动器和32台接收器 甚至更多 实践证明 在构成RS 485总线网时 要系统有较高的可靠性 通常需要考虑以下几点 1 传输线选择和阻抗匹配 2 隔离 3 抗静电放电冲击 4RS 485标准串行接口总线 4 1传输线选择和阻抗匹配 RS 485总线多站互连原理图 在差分平衡系统中 一般选择双绞线作为信号传输线 信号在线上传送时 当遇到阻抗不连续的情况 会出现反射现象 并且信号在电缆上是双向传输的 因此通常在传输线始端和末端各接一个120 终端电阻进行阻抗匹配 注 一般情况下不需要增加终端电阻 只有在485通信距离超过300米 尤其是485总线上设备数量较少的情况下 要在485通讯的开始端和结束端增加终端电阻 其阻值要求与传输电缆的特性阻抗相匹配 当设备数量较多时 如超过22台 一般不需增加终端电阻 因为终端电阻会降低485总线的负载能力 当需要增加终端电阻时 只要将控制器上面的终端电阻跳线置位既可 4 2隔离 4RS 485标准串行接口总线 光电隔离的RS 485总线 RS 485总线在多站联网时 相距较远的不同站之间的地电位差可能很大 各站若不加隔离直接联网很有可能导致接口芯片的损坏 尤其是接收芯片 可以将各站的串行通信接口电路与其他站进行电气隔离来解决此问题 隔离电路可以用分立的高速光耦器件 隔离DC DC电源变换器与RS 485收发器组合而成或采用专门的带隔离收发芯片 4RS 485标准串行接口总线 4 3抗静电放电冲击 RS 485接收器差分输入端对地的共模电压范围为 7 12V 超过此范围时器件可能受损 接口芯片在安装和使用