计算机控制系统2016

1、CCS计算机控制系统计算机控制系统授课教师：授课教师： 陈陈 静静课程性质：学位课，课程性质：学位课，36学时学时/2学分学分班班 级：研究生级：研究生2016地地 点：西点：西41-203时时 间：间：5-13周周，周四，周四5-8节节第第3章章 输入输出接口与过程通道输入输出接口与过程通道 3.1 概述概述3.2 系统配置与系统扩展系统配置与系统扩展3.5 模拟量输入通道模拟量输入通道3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术 3.3 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 3.6 D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术 3.1 概述概述 1. 常规外围

2、设备常规外围设备，如键盘、，如键盘、 CRT显示器、打印机、磁盘机等显示器、打印机、磁盘机等 2. 被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等外设通过什么与外设通过什么与 CPU的总线相连的总线相连？ 为什么外围设备不能像存储器那样直接挂到主机为什么外围设备不能像存储器那样直接挂到主机 CPU的总线上呢？的总线上呢？ 一个实际的微型计算机控制系统的硬件，除主机外，通常一个实际的微型计算机控制系统的硬件，除主机外，通常还包括两类外设：还包括两类外设：输入输出（输入输出（IO）接口和输入输出（）接口和输入输出（IO）通道）通道存储器和外围设备各自不同的性质、特点存

3、储器和外围设备各自不同的性质、特点 3.1 概述概述 （1）存储器功能单一存储器功能单一（保存信息）、品种有限（保存信息）、品种有限（ROM、 RAM）、）、存取速度与存取速度与 CPU的工作速度基本匹配。因此，存储器可以直接挂的工作速度基本匹配。因此，存储器可以直接挂到到 CPU总线上，很方便总线上，很方便（2）外围设备种类繁多外围设备种类繁多，有机械式的、机电式的或电子式的；，有机械式的、机电式的或电子式的；有的作为输入设备、有的作为输出设备；有的既可作为输入设备，有的作为输入设备、有的作为输出设备；有的既可作为输入设备，又可作为输出设备；工作速度不一，外围设备的工作速度通常比又可作为输出

4、设备；工作速度不一，外围设备的工作速度通常比 CPU的速度低得多，且不同外围设备的工作速度往往又差别很大；的速度低得多，且不同外围设备的工作速度往往又差别很大；信息类型和传送方式不同，有的使用数字量，有的使用模拟量，信息类型和传送方式不同，有的使用数字量，有的使用模拟量，有的要求并行传送信息，有的要求串行传送信息。如此复杂的功有的要求并行传送信息，有的要求串行传送信息。如此复杂的功能，仅靠能，仅靠 CPU及其总线是无法承担的，必须增加及其总线是无法承担的，必须增加 IO接口电路接口电路和和 IO通道才能完成通道才能完成IO接口和接口和 IO通道是计算机控制系统不可缺少的组成部通道是计算机控制系

5、统不可缺少的组成部分分3.1 概述概述IO接口电路接口电路IO信号的种类信号的种类IO通道通道计算机和外部的通信方式计算机和外部的通信方式3.1 概述概述3.1.1 IO接口电路接口电路（1）IO接口电路也简称接口电路，主机和外围设备之接口电路也简称接口电路，主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）间交换信息的连接部件（电路）功能：功能：在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用（2）为什么要设置接口电路为什么要设置接口电路? 解决主机解决主机 CPU和外围设备之间的和外围设备之间的时序配合和通信联络时序配合和通信联络问题问题 解决

6、解决 CPU和外围设备之间的和外围设备之间的数据格式转换和匹配数据格式转换和匹配 问题问题 解决解决 CPU的负载能力和外围设备的负载能力和外围设备端口选择端口选择 问题问题 接口电路可实现端口的接口电路可实现端口的可编程功能以及错误检测可编程功能以及错误检测功能功能3.1 概述概述3.1.1 IO接口电路接口电路 解决主机解决主机 CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题和外围设备之间的时序配合和通信联络问题 主机的主机的 CPU是高速是高速处理器件，而处理器件，而外围设备的工作速度比外围设备的工作速度比 CPU的速度的速度慢得多慢得多。为保证。为保证 CPU的工作效率并适应各种外围设备

7、的的工作效率并适应各种外围设备的速度配合速度配合要求，要求，应使应使 CPU和外围设备异步工作，这就要在和外围设备异步工作，这就要在 CPU和外围设备之间进行和外围设备之间进行协调协调和通信和通信联络，这仅靠联络，这仅靠 CPU和外围设备本身往往是难于解决的，需借助于和外围设备本身往往是难于解决的，需借助于 IO接口电路接口电路 IO接口电路为完成接口电路为完成时序配合和通信联络功能时序配合和通信联络功能，通常都设有，通常都设有数据锁数据锁存器、缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路等。存器、缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路等。通过接口电路，通过接口电路， CPU采用查询或中断控制方式为慢速外围

8、设备提供服务，就可采用查询或中断控制方式为慢速外围设备提供服务，就可保证保证 CPU和外和外围设备间异步而协调的工作，既满足了外围设备的要求，又提高了围设备间异步而协调的工作，既满足了外围设备的要求，又提高了 CPU的利用率的利用率3.1 概述概述3.1.1 IO接口电路接口电路解决解决 CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配和外围设备之间的数据格式转换和匹配 问题问题 CPU是按是按并行处理并行处理设计的高速处理器件设计的高速处理器件 速率和电平要求匹配速率和电平要求匹配3.1 概述概述3.1.1 IO接口电路接口电路解决解决 CPU的负载能力和外围设备端口选择问题的负载能力和外围设备端口

9、选择问题 不能将各外围设备的数据线、地址线直接挂到不能将各外围设备的数据线、地址线直接挂到 CPU的数据总线和地址总线上的数据总线和地址总线上（a a）CPUCPU总线的负载能力的问题总线的负载能力的问题（b b）外围设备端口的选择问题）外围设备端口的选择问题 过多的信号线直接接到过多的信号线直接接到CPU总线上，必将总线上，必将超过超过 CPU总线的负载能力总线的负载能力采用接口电路可以分担采用接口电路可以分担 CPU总线的负载，总线的负载，使使CPU总线不致于超负荷运行，造成工作不总线不致于超负荷运行，造成工作不可靠可靠 所有外围设备的数据线都直接接到所有外围设备的数据线都直接接到 CPU

10、的数据的数据总线上，数据总线上的信号将是混乱的总线上，数据总线上的信号将是混乱的 无法区分是送往哪一个外围设备的数据还是来无法区分是送往哪一个外围设备的数据还是来自哪一个外围设备的数据自哪一个外围设备的数据3.1 概述概述3.1.1 IO接口电路接口电路 接口电路可实现端口的可编程功能以及错误检测功能接口电路可实现端口的可编程功能以及错误检测功能 一个端口通过软件设置既可作为输入口又可作为输出口，一个端口通过软件设置既可作为输入口又可作为输出口，或者作为位控口或者作为位控口 多数用于串行通信的可编程接口芯片都具有传输错误检测多数用于串行通信的可编程接口芯片都具有传输错误检测功能，如可进行奇偶校

11、验、冗余校验等功能，如可进行奇偶校验、冗余校验等3.1 概述概述3.1.2 IO通道通道 IO通道也称为过程通道，是通道也称为过程通道，是计算机和控制对象计算机和控制对象之间信之间信息传送和变换的连接通道息传送和变换的连接通道（1）功能功能 将从被控对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量（或将从被控对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量（或开关量）的形式，送人计算机开关量）的形式，送人计算机 计算机按某一数学公式计算后，又将其结果以数字量形式或计算机按某一数学公式计算后，又将其结果以数字量形式或转换成模拟量形式输出至被控制对象转换成模拟量形式输出至被控制对象3.1 概述概述3.1.2 IO

12、通道通道（2）IO接口和接口和 IO通道的联系通道的联系 接口和通道紧密相连接口和通道紧密相连：都是为实现主机和外围设备（包括：都是为实现主机和外围设备（包括被控对象）之间信息交换而设的器件被控对象）之间信息交换而设的器件 在电路上在电路上往往结合在一起了往往结合在一起了 解决解决微型计算机和外部（包括常规外围设备、被控对象和微型计算机和外部（包括常规外围设备、被控对象和系统的操作者）的系统的操作者）的连接问题连接问题，以使计算机和外部构成，以使计算机和外部构成一个整一个整体体，能正确、可靠、高效率的交换信息，能正确、可靠、高效率的交换信息3.1 概述概述3.1.3 IO信号的种类信号的种类（

13、1）数据信息数据信息数据信息、状态信息和控制信息数据信息、状态信息和控制信息 数字量数字量 模拟量模拟量 开关量开关量 脉冲量脉冲量 指由键盘、磁盘机、拨码开关、编码器等输指由键盘、磁盘机、拨码开关、编码器等输入的信息入的信息 主机送给打印机、磁盘机、显示器、被控对主机送给打印机、磁盘机、显示器、被控对象等的输出信息象等的输出信息 二进制码的数据或是以二进制码的数据或是以ASCll码表示的数据码表示的数据或字符（通常为或字符（通常为8位的）位的） 来自现场的温度、压力、流量、速度、位来自现场的温度、压力、流量、速度、位移等物理量也是一类数据信息移等物理量也是一类数据信息 一般通过传感器将这些物

14、理量转换成电压一般通过传感器将这些物理量转换成电压或电流或电流 要经过要经过AD转换变成数字量，最后送入计转换变成数字量，最后送入计算机算机 从计算机送出的数字量要经过从计算机送出的数字量要经过DA转换，转换，变成模拟量，最后控制执行机构变成模拟量，最后控制执行机构 模拟量代表的数据信息都必须经过变换才模拟量代表的数据信息都必须经过变换才能实现交换能实现交换 开关量表示两个状态，如开关的闭合和开关量表示两个状态，如开关的闭合和断开、电动机的启动和停止、阀门的打断开、电动机的启动和停止、阀门的打开和关闭等开和关闭等 只要用一位二进制数就可以表示只要用一位二进制数就可以表示 一个一个传送的脉冲列一

15、个一个传送的脉冲列 脉冲的频率和脉冲的个数可以表示某脉冲的频率和脉冲的个数可以表示某种物理量种物理量 如检测装在电机轴上的脉冲信号发生如检测装在电机轴上的脉冲信号发生器发出的脉冲，可以获得电机的转速和器发出的脉冲，可以获得电机的转速和角位移数据信息角位移数据信息3.1 概述概述3.1.3 IO信号的种类信号的种类（2）控制信息控制信息 控制信息随外围设备的不同而不同控制信息随外围设备的不同而不同 有的控制外围设备的有的控制外围设备的启动、停止启动、停止 有的有的控制数据流向控制数据流向，控制输入还是输出，控制输入还是输出 有的作为有的作为端口寻址信号端口寻址信号等等（3）状态信息状态信息 外围

16、设备通过接口向外围设备通过接口向CPU提供反映外围设备所处的工作状态信息，提供反映外围设备所处的工作状态信息，作为两者作为两者交换信息的联络信号交换信息的联络信号 输入时输入时：CPU读取准备好（读取准备好（READY）状态信息，检查待输入的数）状态信息，检查待输入的数据是否准备就绪，若准备就绪则读入数据，未准备就绪就等待据是否准备就绪，若准备就绪则读入数据，未准备就绪就等待 输出时输出时：CPU读取忙（读取忙（BUSY）信号状态信息，检查输出设备是否）信号状态信息，检查输出设备是否已处空闲状态，若为闲状态则可向外围设备发送新的数据，否则等待已处空闲状态，若为闲状态则可向外围设备发送新的数据，

17、否则等待3.1 概述概述3.1.4 计算机和外部的通信方式计算机和外部的通信方式（1）并行通信并行通信 计算机和外部交换信息又称为通信（计算机和外部交换信息又称为通信（Communication），），按数据传送方式分为并行通信和串行通信两种基本方式。按数据传送方式分为并行通信和串行通信两种基本方式。 把传送数据的把传送数据的 n 位数用位数用 n 条传输线同时传送条传输线同时传送 优点优点：传送速度快、信息率：传送速度快、信息率 高高 通常只要提供二条控制和状态线，称为握手信号线，就能完成通常只要提供二条控制和状态线，称为握手信号线，就能完成CPU和接口及设备之间的协调、应答，实现异步传输和

18、接口及设备之间的协调、应答，实现异步传输 缺点缺点：并行通信所需的传输线多，增加了成本，接线也较麻烦：并行通信所需的传输线多，增加了成本，接线也较麻烦 Intel系列的系列的8255A，都是可编程的并行，都是可编程的并行1O接口芯片接口芯片3.1 概述概述3.1.4 计算机和外部的通信方式计算机和外部的通信方式（2）串行通信串行通信 数据按位进行传送的数据按位进行传送的 每一位数据都占据一个固定的时间长度，一位一位的串行传送和接收每一位数据都占据一个固定的时间长度，一位一位的串行传送和接收 串行通信又分为串行通信又分为 全双工方式全双工方式 半双工方式半双工方式 同步方式同步方式 异步方式异步

19、方式 串行接口和外围设备间除公共地线外，串行接口和外围设备间除公共地线外，有二根数据传输线有二根数据传输线 串行接口可以同时输入和输出数据串行接口可以同时输入和输出数据 计算机可同时发送和接收数据计算机可同时发送和接收数据 信息传输效率较高信息传输效率较高 串行接口和外围设备间除公共地线串行接口和外围设备间除公共地线外，只有一根数据传输线外，只有一根数据传输线 某一时刻数据只能一个方向传送某一时刻数据只能一个方向传送 信息传输效率低些信息传输效率低些 将许多字符组成一个信息组，通常称将许多字符组成一个信息组，通常称为信息帧为信息帧 在每帧信息的开始加上同步字符，接在每帧信息的开始加上同步字符，

20、接着字符一个接一个地传输着字符一个接一个地传输 接收端在接收到规定的同步字符后，接收端在接收到规定的同步字符后，按约定的传输速率，接收对方发来的一按约定的传输速率，接收对方发来的一串信息些串信息些 每次传送一个字符每次传送一个字符3.2 系统配置与系统扩展系统配置与系统扩展硬件设计原则硬件设计原则软件设计原则软件设计原则扩展存储器的接口设计扩展存储器的接口设计3.2 系统配置与系统扩展系统配置与系统扩展3.2.1 硬件设计原则硬件设计原则 硬件电路包括系统扩展和系统配置两方面的问题，系统扩硬件电路包括系统扩展和系统配置两方面的问题，系统扩展和系统配置应遵循下列原则：展和系统配置应遵循下列原则：

21、 尽可能选择典型电路，便于实现系统的标准化和模块化结构，尽可能选择典型电路，便于实现系统的标准化和模块化结构，也便于维修更换也便于维修更换 系统的扩展与外围设备配置的水平，在满足应用系统功能要系统的扩展与外围设备配置的水平，在满足应用系统功能要求的前提下，应留有余地，便于二次开发求的前提下，应留有余地，便于二次开发 硬件结构设计结合应用软件方案一并考虑，凡能用软硬件结构设计结合应用软件方案一并考虑，凡能用软件实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构，件实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构，降低成本降低成本 CPU与系统中相关器件的速度匹配和功能匹配应留有与系统中相关器件的速度匹配和

22、功能匹配应留有余地，保证系统正常运行余地，保证系统正常运行3.2 系统配置与系统扩展系统配置与系统扩展3.2.2 软件设计原则软件设计原则 可靠性可靠性 灵活性和通用性灵活性和通用性 实用性实用性 方便性方便性 只有高可靠性才能保证系统正常运行只有高可靠性才能保证系统正常运行 不仅要求硬件系统具有高的可靠性不仅要求硬件系统具有高的可靠性 软件系统的可靠性同样重要软件系统的可靠性同样重要 对规定的任务进行算法设计，挑选最适合这种具对规定的任务进行算法设计，挑选最适合这种具体应用的算法体应用的算法 采用模块化和子程序化方法编写个接口服务程序，采用模块化和子程序化方法编写个接口服务程序，最后完成系统

23、的监控和管理程序最后完成系统的监控和管理程序 便于程序的移植和修改，在硬件环境不便的情况便于程序的移植和修改，在硬件环境不便的情况下，仅对软件稍加改动就可实现其他功能，使系统下，仅对软件稍加改动就可实现其他功能，使系统具有较大的灵活性和通用性具有较大的灵活性和通用性 在测控对象允许的时间间隔内，对系统进行控制在测控对象允许的时间间隔内，对系统进行控制计算和处理计算和处理 系统上电后，直接进入工作程序系统上电后，直接进入工作程序 最大限度地减少人工干预，应编制自检和故障最大限度地减少人工干预，应编制自检和故障诊断程序诊断程序3.2 系统配置与系统扩展系统配置与系统扩展3.2.3 扩展存储器的接口

24、设计扩展存储器的接口设计 存储器容量的确定原则：存储器容量的确定原则：根据系统设计要求和根据系统设计要求和CPU的功能，的功能，确定选用存储芯片的型号及数量确定选用存储芯片的型号及数量 存储器与存储器与CPU的时钟匹配问题的时钟匹配问题 寻址方式寻址方式：线选和译码法：线选和译码法 外部地址译码器外部地址译码器74LS138/ 139 外部扩展外部扩展RAM 6264/62128/62256 外部扩展外部扩展ROM2764/27256/275123.2 系统配置与系统扩展系统配置与系统扩展3.2.3扩展存储器的接口设计扩展存储器的接口设计 存储器容量的确定原则：存储器容量的确定原则：根据系统设

25、计要求和根据系统设计要求和CPU的功能，的功能，确定选用存储芯片的型号及数量确定选用存储芯片的型号及数量 存储器与存储器与CPU的时钟匹配问题的时钟匹配问题 寻址方式寻址方式：线选和译码法：线选和译码法 外部地址译码器外部地址译码器74LS138/ 139 外部扩展外部扩展RAM 6264/62128/62256 外部扩展外部扩展ROM2764/27256/275123.2 系统配置与系统扩展系统配置与系统扩展3.2.3扩展存储器的接口设计扩展存储器的接口设计外部扩展RAM 6264/62128/622566264功能与工作方式功能与工作方式图3-2 6264功能图3.2 系统配置与系统扩展系

26、统配置与系统扩展地址译码电路的设计步骤：地址译码电路的设计步骤：（1）根据系统中实际存储器容量，确定）根据系统中实际存储器容量，确定存储器在整个寻址存储器在整个寻址空间中的位置空间中的位置 （2）根据所选存储芯片的存储容量，画出）根据所选存储芯片的存储容量，画出地址分配图或地址分配图或列出地址分配表列出地址分配表 （3）根据地址分配图或分配表确定译码方法并画）根据地址分配图或分配表确定译码方法并画出相应出相应的地址位图的地址位图 （4）选用合适器件，画出）选用合适器件，画出译码电路图译码电路图3.2.3扩展存储器的接口设计扩展存储器的接口设计思考题： 某微机系统地址总线为某微机系统地址总线为1

27、6位，实际存贮器容量为位，实际存贮器容量为16KB, ROM和和RAM区各占区各占8KB。其中。其中ROM区采用区采用2KB的的EPROM芯片，芯片，RAM采用容量为采用容量为1KB的静态的静态RAM芯片。试设计该存芯片。试设计该存储器的地址译码器储器的地址译码器3.2 系统配置与系统扩展系统配置与系统扩展3.2.3 扩展存储器的接口设计扩展存储器的接口设计（1）根据系统中实际存储器容量，确定存储器在整个）根据系统中实际存储器容量，确定存储器在整个寻址空间中的位置寻址空间中的位置64KB : 0000HFFFFH16KB : 0000H3FFFHRAM(8KB) : 2000H3FFFH解：

28、EPROM(8KB) : 0000H1FFFH3.2 系统配置与系统扩展系统配置与系统扩展3.2.3 扩展存储器的接口设计扩展存储器的接口设计 （2）根据所选存储芯片的存储容量，画出地址分配图或列）根据所选存储芯片的存储容量，画出地址分配图或列出地址分配表出地址分配表芯片号芯片号类类 型型与容量与容量地址范围地址范围芯片号芯片号类型类型与容量与容量地址范围地址范围1ROM 2KB000007FFH7RAM 1KB28002BFFH2ROM 2KB08000FFFH8RAM 1KB2C002FFFH3ROM 2KB100017FFH9RAM 1KB300033FFH4ROM 2KB18001FF

29、FH10RAM 1KB340037FFH5RAM 1KB200023FFH11RAM 1KB38003BFFH6RAM 1KB240027FFH12RAM 1KB3C003FFFH3.2 系统配置与系统扩展系统配置与系统扩展3.2.3 扩展存储器的接口设计扩展存储器的接口设计 （3）根据地址分配图或分配表确定译码方法并画出相应的地址位图）根据地址分配图或分配表确定译码方法并画出相应的地址位图A15 A14A13 A12 A11A10A9A0 0 0 0 0 0 000007FFH （片（片1） 0 0 0 0 108000FFFH （片（片2） 0 0 0 1 0100017FFH （片（片3

30、） 0 0 0 1 118001FFFH （片（片4） 0 0 1 0 00200023FFH （片（片5） 0 011240027FFH （片（片6） 0 01 0 1028002BFFH （片（片7） 0 0112C002FFFH （片（片8） 0 01 1 00300033FFH （片（片9） 0 011340037FFH （片（片10） 0 01 1 1038003BFFH （片（片11） 0 0113C003FFFH （片（片12）RAM内译码内译码二次译码二次译码RAM片选译码片选译码ROM区区RAM区区ROM内译码内译码一次译码译码允许ROM片选译码片选译码 （4） 选用合适器件

31、，画出译码电路图选用合适器件，画出译码电路图 方法一：用方法一：用138译码器完成一次译码，用适当逻辑门（或门）译码器完成一次译码，用适当逻辑门（或门）完成二次译码，则得到地址译码电路完成二次译码，则得到地址译码电路 74LS138ABCAG2BG21G0Y(1)1Y(2)2Y(3)3Y(4)4Y5Y6Y7Y1 1 1 1 1 1 1 1 1(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)A11A12A13A14A15+5VA10. （4） 选用合适器件，画出译码电路图选用合适器件，画出译码电路图方法二：用方法二：用139和和138实现实现第三次课结束第三次课结束数字量（开关量）信号：数

32、字量（开关量）信号：开关的闭合与断开开关的闭合与断开继电器或接触器的吸合与释放继电器或接触器的吸合与释放马达的启动与停止马达的启动与停止阀门的打开与关闭阀门的打开与关闭“0”和和“1”表示表示3.3 数字量输入输出通道数字量输入输出通道数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术数字量输入通道数字量输入通道数字量输出通道数字量输出通道生产过程的状态信息 可用三态门缓冲器74LS244取得状态信息MOV DX, portIN AL, DX 数字量输入接口D074LS2441A2D1D2D3D4D5D6D71A11A31A51A41A61A71A81Y21Y11Y31Y51Y41Y61Y71Y8C

33、SIOR输输入入接接口口PC总总线线2G1G1 3.3 数字量输入输出通道数字量输入输出通道3.3.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术（1）数字量输入接口数字量输入接口 控制状态控制状态 需要保持，直到下次需要保持，直到下次给出新的值为止给出新的值为止MOV AL, DATAMOV DX, portOUT DX, AL 可用锁存器可用锁存器74LS273对状对状态输出信号尽心锁存态输出信号尽心锁存数字量输出接口数字量输出接口1 D0CLKCLR74LS273D2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC总总线线

34、输输出出接接口口3.3 数字量输入输出通道数字量输入输出通道3.3.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术（2）数字量输出接口数字量输出接口接受外部装置或生产过程的状态信号接受外部装置或生产过程的状态信号地址译码器地址译码器输入输入缓冲缓冲器器输入输入调理调理电路电路PC总总线线来来自自生生产产过过程程数字量输入通道结构3.3 数字量输入输出通道数字量输入输出通道3.3.2 数字量输入通道数字量输入通道（1）数字输入通道的结构数字输入通道的结构 基本功能基本功能: :电压、电流、开关的触点电压、电流、开关的触点状态信号的形式：状态信号的形式：小功率输入调理电路+5VR1R2C0.1u

35、FK(a) 采用积分电路采用积分电路+5VR3R4K(b) 采用采用R-S触发器触发器&QQTTL电平电平1RSR S Q Q0 1 0 11 0 1 01 1 保持保持3.3 数字量输入输出通道数字量输入输出通道3.3.2 数字量输入通道数字量输入通道（2）输入调理电路输入调理电路 将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机可以接收的逻辑信号可以接收的逻辑信号+5VR3K+48VR1R2大功率输入调理电路返回本节首页3.3 数字量输入输出通道数字量输入输出通道3.3.2 数字量输入通道数字量输入通道数字量输出通

36、道结构输出输出锁存锁存器器输出输出驱动驱动器器地址译码器地址译码器PC总总线线去去生生产产过过程程3.3 数字量输入输出通道数字量输入输出通道3.3.3 数字量输出通道数字量输出通道3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术模拟输入通道设计中应考虑的问题模拟输入通道设计中应考虑的问题A/D转换器转换器A/D转换器接口技术转换器接口技术3.4.1 模拟输入通道设计中应考虑的问题模拟输入通道设计中应考虑的问题集成传感器，带微处理传感器集成传感器，带微处理传感器 逐次逼近式逐次逼近式 双积分式（双积分式（抗干扰性能更好抗干扰性能更好） 全并行式全并行式 V/F转换转换 串行串行A/D3.4

37、A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术（1）信号的拾取和调整信号的拾取和调整(滤波，放大，隔离等滤波，放大，隔离等)（2） A/D转换基本原理转换基本原理主要就是转换精度和转换速度原则：原则：转换精度：转换精度：偏差，量化误差，偏移(零植)误差，满度误差，非线性误差分辨率分辨率:选择A/D芯片位数比总精度位数多1位转换速度：转换速度：3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.1 模拟输入通道设计中应考虑的问题模拟输入通道设计中应考虑的问题（3）转换方式的选择转换方式的选择 逐次逼近式：逐次逼近式： s级级 双积分式：双积分式： ms 全并行式：全并行式： ns级级 V/F转

38、换转换 串行串行A/D 某测温系统某测温系统0100, 要求要求 ： 测量精度测量精度1，转换时间，转换时间 1ms 测量精度测量精度0.2，转换时间，转换时间 0.5s 选择选择A/D芯片芯片100150011002 .0 7位可以满足，选位可以满足，选8位逐次逼近式或串行位逐次逼近式或串行A/D 选选10位以上。选双积分抗干扰能力强位以上。选双积分抗干扰能力强解：解：3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.1 模拟输入通道设计中应考虑的问题模拟输入通道设计中应考虑的问题例：例：ADC0809的原理结构 8路路模模拟拟开开关关比较器比较器地址地址锁存锁存与与译码译码ABCA

39、LESAR开关树开关树256RT型型电阻网络电阻网络控制逻辑与时序控制逻辑与时序三态输三态输出锁存出锁存缓冲器缓冲器VXVCEOC START CLKIN7IN0D7D0OE Vref（+） Vref（-）DAC输出允许输出允许转换结束转换结束三位地址三位地址地址锁存地址锁存8位数位数据输出据输出8路路模拟量模拟量输入输入启动启动 时钟时钟3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.2 A/D转换器转换器（1） 8位位A/D转换器转换器ADC0809ALESTARTEOCDO70tOEDATAOUTC.B.A3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.2 A/D转换

40、器转换器（2） ADC0809的转换时序的转换时序3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.3 A/D转换器接口技术转换器接口技术ADC08098255A分频分频GNDCLKVCCIN0.IN7Vref(-)Vref(+)+5VD7D0.PA0PA7OEEOCSTARTALECBAPC7PC3PC2PC0PC1CLK接接PC总总线线+5V3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.3 A/D转换器接口技术转换器接口技术 假定在主程序中完已成对假定在主程序中完已成对8255A的初始化编程，并已装填了的初始化编程，并已装填了ES和和DS，使它们有相同的段值，系统分配给

41、使它们有相同的段值，系统分配给8255A的地址为的地址为2C0H2C3H。8255A的的A组和组和B组都工作于方式组都工作于方式0，端口，端口A为输入口，端口为输入口，端口C上半部分为输入而上半部分为输入而下半部分为输出口下半部分为输出口特征位(D7=0) 不用（D5D4D3) C口位选择(D3D2D1) 置位/复位（D0） ADC0809采集采集8路模拟量的程序设计路模拟量的程序设计 8255A按位置位按位置位/复位命令字：复位命令字：3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.3 A/D转换器接口技术转换器接口技术 ADC0809采集采集8路模拟量的程序设计路模拟量的程序设计

42、ADC0809 PROC NEAR MOV CX, 8 CLD MOV BL, 00H LEA DI, DATABUF NEXTA: MOV DX, 02C2H MOV AL.BL OUT DX,AL INC DX MOV AL, 00000111B OUT DX, AL NOP NOP NOP MOV AL, 00000110H OUT DX, AL DEC DXNOSC: IN AL,DX JEST AL, 80H JNZ NOSC NOEOC: IN AL, DX TEST AL, 80H JZ NOEOC MOV DX, 02C0H IN AL, DX STOS DATABUF INC

43、 BL LOOP NEXTA RETADC0809 ENDP第四次课结束第四次课结束3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.4 MCS-51和和ADC0809的接口的接口 硬件电路硬件电路 地地址址锁锁存存.8031ADC0809ALEP0.7P0.0P2.7WRRDINTCKDQQA0A1A2D0D7ABCCLKSTARTALEOEEOC.IN0IN1IN7IN6IN5IN4IN3IN2+3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.4 MCS-51和和ADC0809的接口的接口 接口程序接口程序 试用查询和中断两种方式编写程序，对数据进行采集试用查询和中断两种

44、方式编写程序，对数据进行采集IN5通道通道上的，并将转换结果送入内部上的，并将转换结果送入内部RAM20H单元单元ORG0000HMOVDPTR，7FF5H ； 0111111111110101MOVXDPTR，A ；启动启动A/D转换转换SETBEA ；中断允许中断允许EA=1SETBEX1；开外中断开外中断1 SETB IT1；外中断请求信号为下跳沿触发方式外中断请求信号为下跳沿触发方式LOOP：SJMPLOOP；等待中断等待中断 END 解：中断方式程序清单：中断方式程序清单：3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.4 MCS-51和和ADC0809的接口的接口 接口程

45、序接口程序 解：ORG0013H；外中断外中断1的入口地址的入口地址LJMP1000H；转中断服务程序的入口地址转中断服务程序的入口地址ORG1000HMOVX A，DPTR；读取读取A/D转换数据转换数据MOV20H，A ；存储数据存储数据RETI ；中断返回中断返回中断服务程序：中断服务程序：3.4 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.4 MCS-51和和ADC0809的接口的接口 接口程序接口程序 解：ORG 0000H MOV DPTR，#7FF5H MOVX DPTR，A ；启动启动A/D转换转换LOOP： JBP3.3，LOOP ；等待转换结束等待转换结束MOVX A

46、，DPTR ；读取读取A/D转换数据转换数据 MOV 20H，A ；存储数据存储数据 END 查询方式程序清单：查询方式程序清单：3.5 模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成信号调理电路信号调理电路多路转换器多路转换器模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计变变送送器器多路多路转换转换器器A/D转换转换器器采样采样保持保持器器接口接口逻辑逻辑电路电路PC总总线线.过过程程参参数数模拟量输入通道的组成结构3.5 模拟量输入通道模拟量输入通道3.5.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成将现场物理量变将现场物理量变换为电信号换为电信号抑制干扰、保证抑制干扰、保证A

47、/D转换精度转换精度实现多选一实现多选一将输入信号放大到将输入信号放大到A/D可接受的范围可接受的范围保持、保证保持、保证A/D精度精度进行地址译码，产生片进行地址译码，产生片旋信号和写信号旋信号和写信号信信号号调调理理前前置置放放大大器器核心，实现核心，实现A到到D的转换的转换3.5 模拟量输入通道模拟量输入通道3.5.2 信号调理电路信号调理电路 在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器，当它们的输出信号为型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA或或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压法把现场传的电流信号时，

48、一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下是两种变换电路。送来的电流信号转换为电压信号，以下是两种变换电路。3.5 模拟量输入通道模拟量输入通道R1R2CIV+5V无源无源I/V变换电路变换电路精密电阻精密电阻V=R2*I3.5.2 信号调理电路信号调理电路+取值取值: : 输入输入0- 10 mA，输出为输出为0 -5 V ，R1=100，R2=500 输入输入4 -20 mA，输出为输出为1 - 5 V，R1=100，R2=2503.5 模拟量输入通道模拟量输入通道3.5.2 信号调理电路信号调理电路 AR1R3R2R4R5CIVViG=1+R4/R3V=G*R1*I输

49、出限流，保护运放输出限流，保护运放有源有源I/V变换电路变换电路输入输入0 10 mA ，输出输出0 5 V：R1=200，R3=100k，R4=150k输入输入4 20 mA ，输出输出1 5 V：R1=200，R3=100k，R4=25k3.5 模拟量输入通道模拟量输入通道电平电平转化转化译码驱动电路译码驱动电路.VDDVSSINHABCVEEX7X1X0.XCD4051原理图控制禁止端控制禁止端1：断开断开0：由由ABC选通选通ABC0000011113.5.3 多路转换器多路转换器v设计要求：设计要求：8通道模拟量输入通道模拟量输入8位分辨率位分辨率输入量程为单极性输入量程为单极性05

50、VA/D转换时间为转换时间为25us应答方式为中断应答方式为中断3.5 模拟量输入通道模拟量输入通道3.5.4 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计3.5 模拟量输入通道模拟量输入通道3.5.4 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计 8031和和ADC0809的接口如图所示，编程对的接口如图所示，编程对8个模拟通道上的模拟电个模拟通道上的模拟电压进行一遍数字采集，并将采集结果送入内部压进行一遍数字采集，并将采集结果送入内部RAM以以30H单元为始地单元为始地址的输入缓冲区址的输入缓冲区 8031EAALEP0.7 P0.0WR地地址址锁锁存存器器译译码码器器EOCAALEOESTARTCLOC

51、KD79ADC0809P3.2RDCBD0P0.0P0.2P0.1622710M1M21F0H.IN0IN1IN7IN6IN5IN4IN3IN2.2+3.5 模拟量输入通道模拟量输入通道3.5.4 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计 ORG 0000H MOV R0，#30H ； 数据区起始地址存在数据区起始地址存在R0 MOV R6，#08H ；通道数送通道数送R6 MOV R7，#00H ； IN0地址送地址送R7 MOV IE，#84H ；开中断开中断 SETB IT1 ；外中断请求信号为下跳沿触发方式外中断请求信号为下跳沿触发方式 MOV R1，#0F0H ； 送端口地址到送端口地址

52、到R1 MOV A, R7 ； IN0地址送地址送A MOVX R1，A ； 启动启动A/D转换转换LOOP: SJMP LOOP接口程序如下：接口程序如下：3.5 模拟量输入通道模拟量输入通道3.5.4 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计ORG 0013H ；外中断外中断1的入口地址的入口地址AJMP 1000H ； 转中断服务程序入口地址转中断服务程序入口地址ORG 1000HMOVX A，R1 ；读入读入A/D转换数据转换数据MOV R0，A ；将转换的数据存入数据区将转换的数据存入数据区INC R0INC R7MOV A，R7 ；新的模拟通道号送新的模拟通道号送A MOVX R1，A

53、 ；启动下一通道启动下一通道D/A转换转换 DJNZ R6，LOOP1 ；8路采样未路采样未结束结束，则转，则转LOOP1 CLR EX1 ；8路采样结束，关中断路采样结束，关中断LOOP1: RETI ；中断返回中断返回 中断服务程序：中断服务程序：3.6 D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术D/A转换器转换器D/A转换器接口技术转换器接口技术 模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道设计模拟量输出通道设计3.6 D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术D7D6D0D1D2D3D4D58位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换电路RfVREFIout2Iout1RfILECSWR

54、1WR2XFERDAC0832AGNDVCCDGNDLE1LE2M1M3M21: Q=D 0:锁存数据，启动D/A1: Q=D 0:锁存数据11WRCSILELE传送控制信号输入锁存允许信号3.6.1 D/A转换器转换器3.4 D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.4.3 D/A转换器接口技术转换器接口技术+5VD7D0IOW地址地址总线总线地址地址译码译码320H321H+5VILEVREFDI7DI0DAC0832VCCRfbIOUT1IOUT2WR1uWR2CSXFERAGNDDGND_+DAC 0832与与8位微处理器的连接位微处理器的连接V03.4 A/D转换器及其接口技术转

55、换器及其接口技术3.4.3 A/D转换器接口技术转换器接口技术v 设设CS的端口地址为的端口地址为320H，XFER的端口地址为的端口地址为321H。编写数据通。编写数据通过过DAC0832进行进行D/A转换输出的程序段。转换输出的程序段。 MOV DX，320H MOV AL，DATA OUT DX，AL INC DX OUT DX，AL;指向输入寄存器指向输入寄存器;DATA为被转换的数据为被转换的数据;数据打入输入寄存器数据打入输入寄存器;指向指向DAC寄存器寄存器;选通选通DAC寄存器，启动寄存器，启动D/A转换转换3.6 D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术REF8outV2V

56、数字码+5VVR1LEVREFVCC ARfbV0IOUT1_+IOUT2AGNDXFERWR1WR2DGNDD0D1.D6D7译译码码器器.A0A1A9AENIOWY0CSDI0DI2DI1.DI7DI6DAC0832接接PC总总线线MOV DX, PORTMOV AL, DATAOUT DX, AL3.6.2 D/A转换器接口技术转换器接口技术3.6 D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术3.6.3 模拟量输出通道模拟量输出通道3.6 D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术共用共用D/A转换器的结构转换器的结构通道通道1通道通道n接接口口D/AV/I和自动和自动/手动切换手动切换V/I和自动和自动/手动切换手动切换.PC总线总