单片机原理及接口技术 过程通道－数据采集系统设计

1、过程通道和数据采集系统的设计宋大雷中国海洋大学自动化系2007年6月内容提要概述模拟量输入通道D/A与A/D转换技术数据采集系统模拟量输出通道过程通道的抗干扰措施1 概述过程通道：单片机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。AI、AO、DI、DO单片机控制系统组成框图1 概述过程通道的组成和功能 数字量输入DI通道：把从控制对象检测得到的数字码、开关量、脉冲量或中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给单片机(检测通道)输 入调 理电 路输 入缓 冲器地址译码器生产过程PC总线1 概述 数字量输出DO通道：把从单片机输出的数字信号通过接口输出数字信号、脉冲信号或开关信号(控制通道,电

2、磁阀)输 出驱 动器输 出锁 存器地址译码器生产过程单片机总线1 概述模拟量输入AI通道：把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号如温度,压力,流量,液位等(1-10V,4-20mA)变换成二进制的数字信号，然后经接口送入到计算机(检测通道) 模拟量输出AO通道：把从单片机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象(控制通道,连续调节阀) AI、AO比较重要，有不少特殊问题要解决1 概述 信号转换中的采样、量化和编码 单片机控制系统，就必须首先解决模拟量和数字量之间的转换问题。转换过程大体上要解决如下3个问题： 采样Sample 量化Quantity 编码Coding2 模拟

3、量输入通道模拟量输入通道的一般组成 一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和A/D转换器组成2 模拟量输入通道 检测：把非电量的工艺参数如温度、压力、流量等通过传感器转换为电量一般为直流电压或电流 信号处理：包括信号滤波、小信号放大、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非先行补偿、电流/电压转换等2 模拟量输入通道 多路转换器 当多个信号共用一个A/D转换器时，就需要这个器件 理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。 两大类： 机械触点式, 干簧继电器, 机械振子继电器 电子开关式, 晶体管开关,集成电路开关, 场效应管 选择要求2 模拟量输入通道 选择要求 机械触点式

4、, 干簧继电器 接触电阻小, 断开电阻大; 寿命长106107; 工作频率400Hz; 小信号中速度(10400点/s) 电子开关式 工作频率高达1000点/s,体积小,寿命长.缺点导通电阻大, 小信号测量精度受影响 选择考虑因数: 通路多少;电平上下;单端/差动输入方式?;寻址方式;切换速率;切换时要多长时间才能稳定到要求精度2 模拟量输入通道放大器 A/D转换器的输入电压一般都有一定范围，而变送器过来的信号一般都是 MA 级的，所以必须经过放大(一般的A/D满度电压10V) 可编程序放大器是一种通用性强的高级放大器，可以根据需要用程序来改变它的放大倍数 当多路输入的信号源电平相差较大时,用

5、同一增益放大器去放大高/低电平信号,可能使得低电平信号测量精度降低,而高电平信号有可能超出A/D转换器的输入范围.采用编程序放大器,使A/D转换器满量程到达均一化,提高多路采集的精度.2 模拟量输入通道采样/保持器 作用：在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输出值不变。 最简单的采样/保持器是由开关和电容组成：2 模拟量输入通道采样中问题 A/D转换器完成一次转换过程的时间称为转换时间;转换期间将引起误差;误差估计: Vf=5V; 12位的A/D;基准电压10.24V; 量化误差为最低位的一半; 转换时间0.1ms.那么信号最高频率为2 模拟量输入通道转换(孔径)时间tA/D

6、：完成一次A/D转换需要的时间。转换(孔径)误差：采样时刻的最大转换误差。转换(孔径)误差的消除：采用采样保持器3 D/A与A/D转换技术D/A转换器Digital to Analog Converter，DAC是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件A/D转换器Analog to Digital Converter， ADC那么相反，它能把模拟量转换成相应的数字量。3 D/A与A/D转换技术A/D转换器的主要技术指标 分辨率 能对转换结果发生影响的最小输入量，通常用数字量的位数来表示(如: 8位或1/28=0.4%,LSB,) 分辨率越高，转换时对输入模拟信号的变化反响就越灵敏 量程 所能转换

7、的电压范围3 D/A与A/D转换技术 精度 转换后所得结果相对于实际值的准确度 有绝对精度和相对精度之分 常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位， 用百分比表示相对精度 转换时间 积分型 毫秒级，逐次比较 微秒级(1200)3 D/A与A/D转换技术 输出逻辑电平 多数与TTL电平配合(电平标准,0-2.2v) 应注意是否要对数据进行锁存等 工作温度 较好的 ，; 差的 对基准电源的要求 电源精度3 D/A与A/D转换技术D/A转换器的主要技术参数 分辨率：同A/D 稳定时间 输入数字信号的变化是满量程时，输出信号到达稳定离终值 1/2LSB所需的时间,ns 或ms 输出电平 不同型号其输出电

8、平相差很大,510v; 2430v或者20mA,3A 输入编码：二进制码、BCD码、双极性时的各种码等3 D/A与A/D转换技术调零和增益校准 大多数转换器都要进行调零和增益校准 一般先调零，然后校准增益，这样零点调节和增益调整之间就不会相互影响。 调整步骤：首先在“开关均关闭的状态下调零，然后再在“开关均导通的状态下进行增益校准3 D/A与A/D转换技术 D/A转换器的调整 调零：设置一定的代码(全零)，使开关均关闭，然后调节调零电路，直至输出信号为零或落入适当的读数 1/10LSB范围内 为止 增益校准：设置一定的代码(全1) ，使开关均导通，然后调节增益校准电路，直至输出信号读数与满度值

9、减去一个LSB 之差小于1/10LSB为止A/D转换技术 A/D转换器的调整 调零：将输入电压精确地置于使“开关均关闭的输入状态对应的输入值高于1/2LSB的电平上，然后调节调零电路，使转换器恰好切换到最低位导通的状态 增益校准：将输入电压精确地置于使“开关均导通的输出状态对应的输入值低于3/2LSB的电平上 ，然后调节增益校准电路，使输出位于最后一位恰好变成导通之处3 A/D转换技术满度10V,量程010V; 12bitA/D;LSB=10/212=2.44mV, 全1值=9.9976, LSB/2=1.22mV, A/D跃变点=全1值3 A/D转换技术继续: 增益校准: 当输入电压为:全1

10、值时, 调节校准电路使最后一位恰好导通, 读数从变成调零: 输入电压为时, 调节校准电路使最后一位恰好导通, 读数从0000000000000变成000000000001A/D转换器及其与单片机的接口8位AD转换器ADC0809 带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器 转换时间100us, 总的不可调误差为1LSB 可直接与微机相连，不需另加接口逻辑 输入、输出引脚电平与TTL电路兼容 当模拟电压范围为05v时可使用单一的5v电源 一般不需要调零和增益校准A/D转换器及其与单片机的接口 ADC0809引脚结构： 采用双列直插式封装，共有28条引脚 8条模拟量输入通道 地址输入和控制线4条

11、数字量输出及控制线11条 电源线及其他：5条 A/D转换器及其与单片机的接口 转换时序A/D转换器及其与单片机的接口MCS-51系列单片机和ADC0809的接口A/D转换器及其与单片机的接口12位A/D转换器AD574 单通道12位逐次逼近A/D转换器 转换时间25us(0809:100us), 误差1/2LSB(0809: 1LSB)，单极性或双极性输入，量程10V或20V 内部集成有转换时钟、参考电压源和三态输出锁存器，因此可直接和微机接口，不需要外接时钟电路 AD574的数字量的位数可以设定为8位，也可设定为12位A/D转换器及其与单片机的接口AD574引脚结构： 28脚双列直插式封装A

12、/D转换器及其与单片机的接口 单、双极性应用：单极性时BIP OFF接0V，双极性时BIP OFF接10VA/D转换器及其与单片机的接口 转换结果输出：引脚12/8=1：D11-D0并行输出；引脚12/8=0：D11-D8和D7-D0分时输出； 转换进行：STS为高电平 转换结束：STS从高电平转为低电平A/D转换器及其与单片机的接口 控制逻辑CECSR/C12/8A0操作功能100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X输出12位数字10100输出高8位数字10101输出低4位数字0XXXX无操作X1XXX无操作A/D转换器及其与单片机的接口 转换时序： 启动A/D转换器及其与单片

13、机的接口 转换时序：读A/D转换器及其与单片机的接口8031与AD574的接口A/D转换器及其与单片机的接口 、 、 的状态由地址锁存器74LS373锁存 单片机的读写信号 、 相与非后送入CE 直接接地，使输出变换结果格式采用分高8位低4位两次读取的方法 STS接单片机的一条静态端口线，单片机采用查询的方法，待STS为低后再读A/D变换结果 编写程序，使AD574进行12位A/D转换，并把转换后的12位数字量存入内部20H和21H单元。设20H单元存放高8位，21H单元存放低4位A/D转换器及其与单片机的接口 程序如下： ORG 0000H MOV R0，#20H ；数据区首址 MOV DP

14、TR，#0FF7CH MOVX DPTR，A ；启动A/D转换 LOOP：，LOOP；转换是否结束，未结束，等待 MOV DPTR，#0FF7DH MOVX A，DPTR ；读高8位数据 MOV R0，A ；存高8位数据 INC DPTR INC DPTR MOVX A，DPTR ；读低4位数据 ANL A，#0FH ；屏蔽高4位随机数 INC R0 MOV R0，A ；存低4位数据 END数据采集系统数据采集系统的结构方案数据采集系统 任务：把生产现场的工艺参数采集后以数字量的形式进行存储、处理、传送、显示或打印。 核心部件：A/D转换器 考虑因素：分辨率和精度，要采集的模拟量通路数，每个通

15、路的采样速度、数据显示、打印或绘图的输出速率以及本钱等 数据采集系统 典型的结构方案： 1单通道结构 采集现场单一信号，只需考虑是否要对信号进行滤波、变换，是否要进行前置放大，是否要用采样保持器等 选择分辨率满足要求的A/D转换器来实现数据采集系统 2多通道结构： 采用单通道结构方案，各个模拟信号分别转换，然后把各通路A/D转换器的输出直接挂在微处理器的总线上，再用译码器进行选择，实现多路转换 对采样保持器的输入进行多路转换，共用采样保持器和A/D转换器，各模拟信号可以分别进行信号处理 对放大器的输入进行多路转换，各通路共用放大器、采样保持器和A/D转换器数据采集系统数据采集系统实例：64路温

16、度测量系统数据采集系统 采用共用采样保持器和A/D转换器的方案 系统组成 温度传感器采用Pt100快速响应薄膜铂电阻 变送器电路可并行或串行 并行：可同时对多点温度进行测量，但由于需要多个变送器，整个系统本钱高，整机所耗功率较大 串行：多个铂电阻共用一个变送器，整机本钱低，功耗小，但系统响应时间长 数据采集系统 多路转换器采用8片CD4051，用8位锁存器和74LS138译码器进行地址锁存和译码，选通64路开关 采样保持器选用LF398 A/D转换器选用ADC0809，通过两片8212与微处理器接口 口地址分配：8位锁存器地址为01H，A/D转换器地址为02H，接口片82121地址为03H，8

17、2122地址为04H，采样保持器地址为05H数据采集系统 软件程序 由主程序和中断效劳程序组成 从功能上分包括数据采集、显示程序、打印程序等模拟量输出通道任务：把单片机机输出的数字量转换成模拟量核心部件：D/A转换器要求： 可靠性高，满足一定的精度 具有保持功能模拟量输出通道多路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：在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变 两种根本结构形式： 一个通路设置一个D/A转换器 多个通路共用一个D/A转换器模拟量输出通道 一个通路设置一个D/A转换器 优点：转换速度快，工作可靠 缺点：使用较多的D/A转换器模拟量输出通道

18、多个通路共用一个D/A转换器 优点：节省了D/A转换器 缺点：微机分时工作，工作可靠性差模拟量输出通道8位D/A转换器DAC0832：电流输出型 主要特点： 可与各种微处理器直接接口 输入为8位二进制码， 所有引脚(20个)与TTL兼容 具有双缓冲、单缓冲和直通数据输入3种工作方式 电流稳定时间1 S，满量程误差为1LSB 5V15V单一电源，低功耗20 mW 参考电压为10V10V模拟量输出通道 因为DAC0832是电流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，Rf为运算放大器的反响电阻端。运算放大器的接法如以下图所示：模拟量输出通道 单极性输出方式模拟量输出通道

19、双极性输出方式模拟量输出通道 双极性输出方式模拟量输出通道 运算放大器OA2的作用是将运算放大器OA的单向输出转变为双向输出，用图形表示如下：模拟量输出通道DAC0832与MCS-51的接口 直通方式： 指DAC0832内部的两个存放器都处于不锁存状态，数据一旦到达输入端就直接被送到D/A转换器转换成模拟量 所有控制信号都接成有效形式， ， ， 和 接地， 接 +5V电源 模拟量输出通道 单缓冲方式：指DAC0832的两个存放器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式；或者两级存放器同时锁存模拟量输出通道 上述DAC0832采用的是单缓冲单极性的接线方式，它的选通地址为7FFFH 实现

20、D/A转换的程序如下： MOV DPTR，#7FFFH；输入0832口地址 MOV A，#data；读取数据 MOVX DPTR，A ；执行D/A转换 SJMP $模拟量输出通道 双缓冲方式：把DAC0832的两个存放器都接成受控锁存方式模拟量输出通道 上述DAC0832采用的是双缓冲双极性的接线方式，输入存放器的地址为FEH，DAC存放器的地址为FFH 实现D/A转换的程序如下： MOVR0，#0FEH；输入存放器地址 MOVX R0， A；转换数据送输入存放器 INCR0；产生DAC存放器地址 MOVX R0， A；数据送入DAC存放器并进行D/A转换 SJMP $过程通道的抗干扰措施干扰

21、的来源 从系统电源或电源引线包括地线侵入的干扰 从系统的信号输入输出传输通道引入的干扰 空间电磁干扰 静电噪声 其它环境因素引起的干扰过程通道的抗干扰措施干扰的分类 不管什么样的干扰源，对计算机的干扰总是通过传导和直接辐射两种途径进入计算机控制系统的，其耦合的方式有静电耦合、互感耦合、共阻抗耦合、电磁场辐射耦合等 按干扰的作用方式不同，可以分为常态和共态干扰两种过程通道的抗干扰措施 常态干扰：叠加在被测信号上的干扰噪声，又称为串模干扰过程通道的抗干扰措施 共态干扰：A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压，又称为共模干扰 过程通道的抗干扰措施常态干扰的抑制 假设常态干扰频率比被测信号频率高，那么

22、采用输入低通滤波器来抑制高频常态干扰；假设常态干扰频率比被测信号频率低，那么采用输入高通滤波器来抑制低频常态干扰；假设常态干扰频率落在被测信号频谱的两侧，那么应用带通滤波器较为适宜 过程通道的抗干扰措施 当尖峰型常态干扰成为主要干扰源时，用双斜率积分式A/D转换器可以削弱常态干扰的影响 (输入信号的平均值, 非瞬时值) 在常态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，或者尽可能早地完成A/D变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常态干扰过程通道的抗干扰措施 假设常态干扰的变化速度与被测信号相当，那么可采取下述方法： 从根本上消除产生常态干扰的原因，对测量仪表进行良好的电磁屏蔽 利用数字滤波技术对已进入计算机的带有常态干扰的数据进行处理过程通道的抗干扰措施共模干扰的抑制 为了衡量一个输入电路抑制干扰的能力，常用共模抑制比CMRRCommon Mode Rejec