第7章过程通道

1、第七章,过程通道,概,述,在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的,控制，必须把现场的各种测试参数，如,T,P,F,等连,续变化的物理量或开关量，转换为计算机可识别的,数字量输入到计算机进行数据处理。处理结果又必,须转换为电压或电流,以推动执行机构工作。因此,在计算机和生产过程之间，必须设置信息传递和变,换装置，这个装置称为过程输入,输出通道,典型的单片机测控系统硬件组成框图,输入,输出通道,通,用,外,设,单,片,计,算,机,接口,接口,AD,DA,多路开关,传感器变送器,反多路开关,开关量输入,执行机构,接口,接口,生,产,设,备,或,过,程,开关量输出,7.1,输入,输出通道的结构,输入

2、,输出信号一般有两种类型：一种是随时间,连续变化的物理量，称为模拟信号；一种是只有开,和关,或,1,和,0,两种状态的量，称为开关量。因此计,算机控制系统中，输入,输出通道分模拟量通道和数,字量通道两类,信息种类,信息来源,通道类型,开关量输入,阀门的开、关，接点的通、断,电平的高、低,数字量,数据数码,各类数字传感器、控制器等,数字量输入通,道,脉冲量输入,长度、转速、流量测定转换等,中断输入,操作人员请求、过程报警等,模拟量,电流信号,压力、温度、液位、湿度、速,模拟量输入通,电压信号,度、质量、位移等,道,信息,来源,输出驱动,输出信息,种类,通道类型,阀门的开、关，触点的通,计,断，电

3、机的启、停等,开关量,数字量,算,输出通道,机,数,输,字,出,量,数字量（数字设备,数字量,的,执行器（电动、气动、液,电压或,模拟量,压执行器械,电流,输出通道,7.1.1,模拟量输入通道的结构,输入通道的一般结构,1,并行转换结构,来,自,采样,保持器,A/D,转换,现,I/O,场,的,接口,CPU,信,电路,号,采样,保持器,A/D,转换,2,共享转换结构,信号处理,放大器,S/H,A/D,信号处理,多,路,I/O,开,接口,CPU,关,电路,信号处理,逻辑控制,7.1.2,模拟量输出通道结构,输出通道的一般结构,1,多通道独立,D/A,转换形式,I/O,D/A,转换,隔离,放大,转换

4、,执行器,CPU,接口,电路,D/A,转换,隔离,放大,转换,执行器,2,多通道共享,D/A,转换形式,保持器,I/O,CPU,接口,D/A,转换,多路,电路,开关,保持器,7.2,模拟量输出通道接口技术,D/A,转换器是模拟量输出通道的主要组成部分，完成数字,量到模拟量的转换,D/A,转换器一般可分类如下,1,根据输出是电流还是电压，可以分为电压输出型和电流,输出型,2,根据输出端是串口还是并口，可以分为串行输出型和并,行输出型,3,根据内部是否有锁存器，可以分为无锁存器型和带锁存,器型,4,根据能否进行乘法运算，可以分为乘算型和非乘算型,7.2.1 DAC,的性能指标,1,分辨率：是,D/

5、A,转换器对输入量变化敏感程度的描述,2,转换精度：实际模拟输出和理论值的接近程度,3,非线性误差,是指实际转换特性曲线与理想转换特性,曲线之间的最大偏差,4,建立时间：建立时间是描述,D/A,转换速率快慢的一个,重要参数,7.2.2,并行,DAC,及接口技术,输入,寄,存,器,LE1,DAC,寄,存,器,LE2,D/A,转,换,器,V,REF,DI0,DI7,Rfb,Iout1,Iout2,AGND,ILE,CS,WR1,WR2,XFER,DAC0832,Vcc,DGND,1,引脚说明,D0,D7,8,位数据输入端，通常与,CPU,数据总线相连，用,于接收待转换的数字量,ILE,输入寄存器锁

6、存允许信号，高电平有效,CS,芯片选择信号，低电平有效,WR1,输入寄存器写控制信号，低电平有效,WR2,DAC,寄存器写控制信号，低电平有效,XFER,数据传输控制信号，低电平有效,VREF,参考电压输入，要求外部接一个精密的电源，电压范,围,10V,10V,Rfb,内部反馈电阻引出端，可以直接连接外部运算放大器的,输出端,Iout1,模拟电流输出端,1,当输入数据为全,1,时，输出电流,最大；当输入数据为全,0,时，输出电流为,0,Iout2,模拟电流输出端,2,与,Iout1,之和为常数,Vcc,芯片工作电源,DGND,模拟信号地,AGND,数字信号地,2 DAC0832,的输出方式,V

7、,REF,DI,Rfb,Iout1,_,Iout2,A,V,out,AGND,单极性电压输出,V,out,Iout1,Rfb,D/2,8,V,REF,设,V,REF,5V,D,FFH,255,时，最大输出电压,Vmax,255/256,5V,4.98V,D,00H,时，最小输出电压,Vmin,0/256,5V,0V,D,01H,时，一个最低有效位,LSB,电,压,V,LSB,1/256,5V,0.02V,R,2,2R,R,3,2R,V,REF,DI,Rfb,Iout1,_,R,1,R,Iout2,_,A1,V,out1,AGND,A2,V,out2,双极性电压输出,Vout2,D,2,7,2,

8、7,V,REF,设,V,REF,5V,D,FFH,255,时，最大输出电压,Vmax,255,128,128,5V,4.96V,D,00H,时，最小输出电压,Vmin,0,128,128,5V,5V,D,81H,129,时，一个最低有效位电压,VLSB,129,128/128,5V,0.04V,3 DAC0832,的工作方式及与,MCS-51,的接口,工作方式,直通、单缓冲、双缓冲,例,根据下图分别输出锯齿波、三角波及方波信号,设选通地址为,FEH,ALE,MCS-51,单,片,机,P0,锁,存,器,DAC0832,译,FEH,码,CS,器,XFER,5V,ILE,V,REF,5V,Rfb,_

9、,V,out,Iout1,D0,D7,Iout2,WR,WR1,WR2,A,锯齿波程序,ORG 0100H,MOV,CLR,LOOP,INC A,NOP,NOP,NOP,SJMP LOOP,END,R0,0FEH,输入寄存器地址,A,转换初值,A,D/A,转换,转换值增量,延时,MOVX R0,三角波程序,ORG 0100H,MOV R0,0FEH,CLR A,DOWN,INC A,JNZ DOWN,MOV A,UP,DEC A,JNZ UP,SJMP DOWN,END,置下降段初值,MOVX R0,A,线性下降段,0FEH,置上升段初值,MOVX R0,A,线性上升段,方波程序,ORG 02

10、00H,MOV R0,0FEH,LOOP,MOV,A,00H,置上限电平,MOVX R0,A,ACALL DELAY,形成方波顶宽,MOV A,0FFH,置下限电平,MOVX R0,A,ACALL DELAY,形成方波底宽,SJMP LOOP,END,例,若,DAC0832,采用的是双缓冲单极性的接线方式，输入寄,存器的地址为,FEH,DAC,寄存器的地址为,FFH,试写锯齿波,的程序,5V,WR,DAC0832,WR,1,V,C,C,MCS-51,WR,2,I,L,E,锁,译,FFH,XFER,V,R,EF,P,FEH,R,f,0,0,P,0,7,存,码,CS,I,o,ut1,器,器,OA,

11、ALE,I,V,o,ut,o,ut2,DI,0,DI,7,AGND,DGND,EA,ORG,0050H,MOV A,00H,转换初值,LOOP,MOV R0,0FEH,输入寄存器地址,MOVX R0,A,转换数据送输入寄存器,INC R0,产生,DAC,寄存器地址,MOVX R0,A,数据送,DAC,寄存器并进行,D/A,转换,DEC A,转换值减少,NOP,延时,NOP,NOP,SJMP LOOP,END,7.2.3,串行,DAC,及接口技术,并行,D/A,转换芯片，转换时间短，通常不超过,10s,但它们的引脚较多，芯片体积大，与单片机连接时电路较复,杂。因此，在有些远距离通信中，为节省连结

12、导线，而且对,转换速度要求不是很高的场合，可以选用串行,D/A,转换芯片,虽然输出建立时间较并行,D/A,转换芯片长，但是串行,D/A,转,换芯片与单片机连接时所用引线少、电路简单，而且芯片体,积小、价格低,AD7543,是美国,AD,公司生产的,12,位电流,输出型串行输入的,D/A,转换器。建立时间为,2s,CMOS,工艺，功耗最大为,40mW,其数,字量由高位到低位逐次一位一位地输入,1,AD7543,结构及引脚功能,12,位,12,位,D/A,移,DAC,转,V,REF,位,寄,换,寄,存,SRI,存,器,Rfb,器,器,B,Iout1,A,Iout2,STB1,1,AGND,STB4

13、,STB3,STB2,1,Vcc,CLR,DGND,LD1,LD2,1,AD7543,与,MCS-51,单片机的接口电路如下图所示,AD7543,P1.0,LD2,V,10V,REF,RXD,SRI,Rfb,TXD,5V,STB3,I,_,MCS-51,CLR,OUT1,A,V,out,单,I,OUT2,片,LD1,机,STB1,STB2,STB4,注意,由于,AD7543,的,12,位数据是由高位至低位串行输入,的，而,MCS-51,单片机串行口工作于方式,0,时，其数据是,由低位至高位串行输出的。因此，在数据输出到,AD7543,之前必须对转换数据格式进行重新调整,7.3,模拟量输入通道接

14、口技术,在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常,需将检测到的连续变化的模拟量,如温度、压力、流量、速,度、液位和成分等,通过模拟量输入通道转换成单片机可以,接收的数字量信号，输入到单片机中进行处理,A/D,转换器,是模拟量输入通道的主要组成部分，完成模拟量到数字量的,转换,A/D,转换接口设计主要是根据用户提出的数据采集精,度及速度等要求，按一定的技术准则和经济原因合理的选择,通道结构和,A/D,转换器芯片，并配置多路模拟开关、前置放,大器、采样保持器、接口和控制电路等，实现模拟量到数字,量的线性转换，对被测信号进行采集和处理,A/D,转换器一般分类如下,1,按转换输出数据的方式，可分

15、为串行与并行两种,其中并行,ADC,又可根据数据宽度分为,8,位,12,位,14,位,16,位等,2,按输出数据类型可分为,BCD,码输出型和二进制输,出型,3,按转换原理可分为逐次逼近式、双积分式、计数,器式和并行式,7.4.1 A/D,主要技术指标,1,分辨率：用数字量的位数来表示，位数越高，分辨率越,高，对输入量的变化越灵敏,2,量程：所能转换的电压范围,3,转换精度：分绝对精度和相对精度。与分辨率不同,4,转换时间：转换时间是指启动,A/D,转换到转换结束所需,的时间,5,工作温度范围：能够保证精度的工作温度范围,6,对参考电压的要求：分内部参考电压源和外部参考电压,源,7.3.2,并

16、行,ADC,及接口技术,一,ADC0809,的内部结构,EOC,CLOCK,START,1N0,IN1,定时和控制,IN2,IN3,通道,IN4,选择,逐次逼近,IN5,IN6,开关,比较器,寄存器,SAR,8,位,三态,IN7,DAC,锁存,ADDA,地址锁存,缓冲器,ADDB,ADDC,和译码,ALE,ADC0809,Vcc,GND,V,REF(,V,REF(,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,OE,C,B,A,8,路通道切换控制,000,IN0,111,IN7,ALE,地址锁存，在上升沿将地址选择信号,ABC,锁入地,址寄存器,START,启动转换输入：上升沿清除,ADC,

17、内部寄存器,下降沿启动内部控制逻辑,EOC,转换结束标志，上升沿表示转换完毕,CLOCK,转换定时时钟输入，在时钟频率小于,640K,时,转换速度为,100uS,IN0IN7,8,路模拟信号的输入端,D0D7,8,位转换结果数据输出端,VR(,VR,参考电压输入端,输入电压与数字量关系,N,V,in,V,REF,8,V,REF,V,2,REF,当基准电压,V,REF(,5V,V,REF,0V,时,若输入模拟电压,V,in,1.5V,N,1.5,0,5,0,256,76.877,4DH,基准电压,VREF(,5V,VREF,5V,若输入模拟电压,V,in,1.5V,N,1.5,5,5,5,256

18、,89.6,90,5AH,CLK,ALE,t,WE,ADDA,ADDC,START,t,WS,EOC,t,EOC,t,C,OE,D0,D7,ADC0809,操作时序图,例,如图所示，试用查询和中断两种方式编写程序，对,IN0,IN7,通道上的模拟电压数据进行一次采集，并将转换结,果送入内部,RAM 20H,单元开始的数据缓冲区中,D,Q,ADC0809,ALE,CP,Q,CL,IN0,G,K,IN1,IN2,P0,A0,ADDA,MCS-51,74LS,A1,ADDB,IN3,单片机,373,OE,A2,ADDC,IN4,IN5,IN6,D0,D7,IN7,WR,P2.7,1,ALE,STAR

19、T,RD,1,O,P1.0,E,EO,C,INT0,中断方式,主程序,START,MOV DPTR,7FFFH,MOV R2,08H,MOV R0,20H,MOV R1,00H,IN0,通道号,SETB EA,SETB EX0,SETB,IT0,ROT,MOV A,R1,MOVX DPTR,A,LOOP,SJMP LOOP,DJNZ R2,ROT,中断服务程序,ORG 1000H,MOVX A,DPTR,MOV R0,A,INC R1,指向下一个通道,INC R0,RETI,END,0,中断请求信号为下降沿触发,启动,A/D,转换,等待中断,读取,A/D,转换数据,存储数据,开外中断,若采用,

20、C,语言编程，清单如下,void int0sur(void) interrupt 0,includereg51.h,define uchar unsigned char,uchar xdata *adch,uchar data *addata,uchar i,void main(,adch=0 x7fff; addata=0 x0020,i=8,EA=1; EX0=1;IT1=1,adch=i,while(i,uchar j,j=*adch; *addata=j,addata,i,adch=i,7.3.3,串行,ADC,及接口技术,串行,ADC,具有输出占用的数据线少，转换后,的数据逐位输出，

21、输出速度较慢的特点，但,它具有两大优势：其一，便于信号隔离，在,数据输出时，只需少数几路光电隔离器件,就可以很简单地实现与单片机间的电气隔离,其二，在转换精度要求日益提高的前提下,使用串行,ADC,的性价比较高，且芯片小，引,脚少，便于线路板制作,MAX187,MAX187,转换器，其主要特点如下,由,Maxim,公司研制的,12,位逐次逼近型串行,A/D,1) 12,位分辨率,2,单,5V,电源供电,3,容,具有三线串行接口，且与,SPI,QSPI,和,Microwire,兼,4,式下电源电流,功耗低：正常模式下电源电流,210A,1.5,2.5mA,休眠模,5,内部自带采样,保持电路,6,

22、转换速率,5.5,8.5s,串行输出速率为,5MHz,以下,MAX187,引脚及功能,V,DD,1,8,SCLK,AIN,2,7,CS,SHDN,3,6,DOUT,V,REF,4,5,GND,图,7-30,MAX187,引脚图,VDD,电源端，接,5V,电源,AIN,模拟量输入,SHDN,工作模式控制，,1,为正常,工作模式，,0,为休眠模式，浮空,为选择外部基准电源,VREF,基准电压。接,4.7F,电容时,为内部基准电压,4.096V,外部基,准时可接,2.5V,VDD,的精密电压,GND,信号地,DOUT,数字量串行输出口,CS,使能端,SCLK,移位脉冲输入，最高频率,5MHz,由下降

23、沿触发，上升沿数,据稳定，单片机可以读入数据,例,编写令,MAX187,工作的程序段，并将,12,位,A/D,转换结果存入,内部,RAM 20H,和,21H,单元。设,21H,低,4,位存放,12,位数字量高,4,位,4.7,F,0.1,F,MCS-51,5V,单,P1.5,CS,V,DD,片,机,P1.6,SCLK,SHDN,P1.7,DOUT,AIN,0,V,REF,MAX187,GND,V,REF,4.7,F,图,7-31 MAX187,与,MCS-51,接口电路,ORG 0050H,ADC1,MOV 20H, #00H,MOV 21H, #00H,结果存放字节清零,CLR P1.5,将

24、,CS,置,0,启动转换,ACALL DELAY,等待转换结束,REC2,CLR P1.6,SETB P1.6,MOV C, P1.7,SETB P1.6,MOV R2, #04H,REC1,CLR P1.6,SETB P1.6,MOV C, P1.7,MOV A, 21H,RLC A,MOV 21H, A,DJNZ R2, REC1,MOV A, 21H,ANL A,#0FH,MOV 21H, A,MOV R2,#08H,MOV A, 20H,RLC A,MOV 20H, A,DJNZ R2, REC2,CLR P1.6,时钟恢复为低,第,13,个时钟下降沿,SETB P1.5,CS,置高电

25、平,RET,DELAY,MOV R3, 0AH,DJNZ R3,10sRET,7.3 V / F,压频转换器和频压转换器,F/V,可以把模拟电压或电流转换成与逻辑电平,压频转换器,简称,VFC,一般用,V/F,表示,为,TTL,兼容的脉冲串或方波，其输出频率与输,通常,入模拟量成精确比例关系。输出频率连续地跟,踪输入信号，直接响应输入信号的变化而不需,要外部同步时钟,具有与,频压转换器,VFC,相反的作用，可接受各种周期波形,简称,FVC,一般用,F/V,表示,并产生与输入频率成比例的模拟量输出。通过,适当调整阈值、增益等,似,V / F,换的另一种形式,A/D,转换器和,压频转换器和频压转换

26、器,D/A,F/V,功能类,转换器，属于,A/D,D/A,转,常用,V/F,和,F/V,转换器件及实用电路,V/F,转换器件的种类很多，这里仅介绍,NS,公司,LMX31,系列,V/F,转换器件，其中包括,LM131,LM231,LM331,此类芯片是压频互换的通用型芯片，都,可由外接线不同来实现,V/F,和,F/V,这两种相反,的转换,1 LM331,的引脚及功能,OUTi,1,8,V,CC,V,REF,2,f,LM331,7,U,IN,OUT,3,6,U,T,GND,4,5,R/C,图,7-38,LM331,引脚图,OUTi,电流源输出端,VREF,增益调整,fOUT,频率输出端,GND,

27、为电源地,R/C,为定时比较器正相输入端,UT,阈值电压,UIN,被测电压输入端,VCC,工作电源端，,5V,15V,2.LM331,的,V/F,和,F/V,转换电路,V,C,C,R,t,8,6.8k,C,V,t,IN,100k,7,R,IN,C,LM331,5,0.1F,IN,0.0,1F,1,10k,5V,V,C,C,6,3,f,OUT,C,L,R,L,22k,1F,100k,4,2,12k,47,R,S,V,5k,C,C,图,7-39,V/F,转换外部接线,V,C,C,R,t,10k,6.8k,10k,8,6.8k,7,C,t,470pF,LM331,5,0.0,1F,f,IN,6,V,

28、3,OUT,1,C,L,R,1F,100k,L,4,2,12k,R,S,5k,图,7-40,F/V,转换外部接线,3 LM331,的应用,LM331,与,8031,连接电路,例,利用定时器,T0,的,100ms,中断程序读入外部计,数器,T1,压频转换脉冲个数。若单片机系统时钟,是,6MHz,则程序如下,主程序,MOV TMOD,51H,T1,为方式,1,计数,T0,为方式,1,定时,MOV TH0,3CH,T0,定时,100ms,时间初值,MOV TL0,0B0H,MOV TH1,00H,MOV TL1,00H,T1,清零,SETB TR1,SETB TR0,SETB ET1,SETB ET

29、0,SETB EA,HERE,AJMP HERE,等待中断,中断服务程序,MOV TH0,3CH,T0,定时,100ms,时间初值,MOV TL0,0B0H,CLR TR1,禁止,T1,计数,MOV B,TH1,高位进入,B,寄存器,MOV A,TL1,低位进入,A,寄存器,MOV TH1,00H,MOV TL1,00H,T1,清零,SETB TR1,允许,T1,计数,RETI,本程序将计数结果高位放入,B,低位放入,便后面程序进一步处理,A,以,7.5,开关量输入输出通道,7.5.1,开关量输入通道,开关量输入通道的主要任务是将现场的开关信号或,仪表盘中各种继电器接点信号有选择地传送给计算机

30、,在控制系统中主要起以下作用,1,随时检测系统的启动、停止、暂停按钮状态，以做相,应的处理,2,定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是,否在运转、阀门是否开启、行程开关是否到位等,3,对生产过程中的某些状态进行定时检查，以保证生产,顺利进行，如是否过温过压、料位是否超限、是否发生,故障等,这些开关量信号的电平状态通常无法满足单片机控,制系统中,I/O,接口的工作电平，因此在开关量输入通道中,需要完成电平转换任务，同时为了系统的安全、可靠,还需考虑信号的消抖、滤波和隔离等问题,1,输入信号调理电路,D1,R1,R2,来自现场,C1,数字信号,D2,_,2,防抖动输入电路,5V,3.6K,

31、双稳态电路,输出信号,3.6K,5V,斯密特电路,5V,输出信号,3,防干扰输入隔离及电平转换,利用光电隔离及电平转换,P1.0,可以应用于计数、位置状,D,T,态、转速等多方面的测试,8031,5V,24V,R1,X,C1,C2,R2,D T,L_,电平转换电路,光电传感器在产量计数中的应用,图中，红外发光二极管和红外接收三极管分别安装在产品,流水线传送带的两边，每当传送带上有一个产品经过，就会遮,挡红外光线一次，使红外接收三极管输出一个脉冲电平信号,单片机对输入的脉冲信号进行计数，就可以对产品的产量进行,统计,光电传感器在位置检测中的应用,图中，当移动的物体一旦挡住红外光线，红外接收三,极

32、管就会输出一个脉冲信号。此装置可以用来检测物体的,有或无，可以作为运动物体的限位检测电路，可以作为外,人侵入的报警检测电路，也可以作为自动门的控制电路,利用电磁感应隔离及电平转换,除了光电传感器外，还有电感式接近开关,下图是电感式接近开关的应用原理图,感应线圈产生高频振荡信号形成一交变磁场，当有金属,类物体接近时，在金属物体内产生涡流并吸收振荡器的能量,使振荡信号变弱或停止振荡，在检波放大器和输出电路的作,用下，产生一个开关信号输入单片机的,P1.0,端口，用于有无,物体接近的检测。因此电感式接近开关可以和红外光电管一,样，用于有无物体接近或对经过物体进行计数，或者用于物,体的位置状态进行检测

33、,利用继电器隔离及电平转换,继电器,R,5V,12V,X,D,C,L_,现场的开关触点控制小型继电器，由继电器触点经电,平转换电路得到逻辑电平再输入到接口,7.4.2,开关量输出通道,在工业过程控制系统中，对被控设备的驱动常采用模拟,量输出驱动和开关量输出驱动两种方式，其中模拟量输出是,指其输出信号,电压、电流,可变，根据控制算法，使设备在,零到满负荷之间运行，在一定的时间,T,内输出所需的能量,P,开关量输出则是通过控制设备处于“开”或“关”状态的时,间来达到运行控制目的。如根据控制算法，同样要在,T,时间,内输出能量,P,则可控制设备满负荷工作时间,t,即采用脉宽,调制的方法，可达到相同的要求。开关量输出控制已越来越,广泛地被应用，由于采用数字电路和计算机技术，对时间控,制可以达到很高精度。因此，在许多场合开关量输出控制精,度比一般的模拟量输出控制高，而且利用开关量输出控制往,往无须改动硬件，而只需改变程序就可用于不同的控制场合,2,光电耦合接口,光电耦合接口是通过光电元器件来实现的，光电元器件由,发光二极管和光电三极管构成。可应用于信号隔离、开关电路,数模转换、逻辑电路、长线传输、过载保护、高压控制和电路,变换,5V,5V,8031,P1.0,200,3