微机监测原理

第6章微机检测系统

微机与外围电路通过总线连接构成，并由程序控制完成测试功能的系统。

微机检测系统微机检测系统的设计内容体系:1.主机系统及外围通道的电路结构与设计2.接口技术3.总线技术7.1微机检测系统主机的组成

一、基于PC/工控机的主机电路

由于PC机性能的不断提高，而且价格不断降低，在检测及测控领域应用日益广泛。基于PC机的微机检测系统主要分为内插式、外接式和组合式3种。1、内插式

内插式是将输入和输出电路制成印刷电路板的插件形式，并直接插入PC主机箱内的扩展槽内，插件通过主机的各种系统总线与CPU交换信息。来自测量电路的测量信号通过插件与计算机打交道，主机与控制电路系统之间也是通过插件进行联系。特点：

构成简便、结构紧凑、成本低廉，可形成典型的个人仪器存在问题：扩展槽数量的限制，微机接口总线形式的限制，微机电源容量的限制（插件由PC机电源供电）

2、外接式

外接式是将输入和输出电路制成印刷电路板的插件形式，并安装于PC机箱外部的一个独立的专用电箱内。通过外部总线（如RS232C串行总线或IEEE-488并行总线等）与PC机进行通信和传递数据。特点：外部电箱独立供电，且不受PC机总线的限制，使用灵活方便，适合高速多通道检测系统。3、组合式输入输出接口电路插件接口板插件

组合式系统是将内插式和外接式两种方式有机结合起来，兼有两种方式的优点和特点。将输入和输出电路制成印刷电路板的插件形式，并安装于PC机箱外部的一个独立的专用电箱内，在PC机的扩展槽内也安装有接口板，测量信号和控制信号通过外接电箱以后，再通过接口板与计算机交换信息和数据。特点：

灵活方便、适用范围广检测微机接口板目前市场上有系列齐全的用于A/D、D/A、开关量I/O板，路数包括8路、16路、24路等，支持PCI或者ISA等总线。这些板卡使用方便，功能可以根据需要来进行设置。相关应用信息，请同学们通过网络查找公司产品。AC1020是一款多功能廉价A/D板，10位高速A/D转换器提供了比8位板卡更高的精度及更快的速度。AC1020具有16通道10位A/D，16入、16出数字量I/O口，二路8位D/A。可以方便地构成信号采样或控制系统。

AC1020板主要特点、性能

A/D转换器：160KHzTI公司的TLC1550。16路单端输入，输入阻抗>100M欧姆，输入量程：0－5V，0－10V，±5V。A/D分辨率：10位1LSB，精度：0.2%，AD转换器内置采样/保持器，输入通道建立时间<10us，转换时间：6us。

16路数字量输入，TTL电平（0－5V），吸入电流0.2mA/路。16路数字量输出，TTL电平（0－5V），下拉能力8mA/路。2路8位D/A，输出量程：0－5V，分辨率：8位，精度：1%

D/A输出建立时间<20us

尺寸：11.5X12cm价格：370元二、基于单片机的主机电路单片机是指在一块芯片上集成了计算机的基本部件，包括CPU、存储器、输入输出接口、定时器/计数器以及其它有关部件。一块芯片就构成一台计算机。特点：（1）可靠性高，按工业现场测控要求设计，硬件集成度高；（2）易扩展，有许多供扩展用的总线和串口；（3）控制功能强，丰富的指令可以完成相应处理功能；（4）存储容量小；（5）体积小；（6）开发周期短，成本低；适合小型检测系统和便携式检测仪器，目前单片机品种繁多，性能各异，8位单片机是主流机型。我国国内使用的主要是MCS-51系列单片机。基于单片机的微机检测电路（温控系统）设计包括：（1）硬件设计：测控通道设计人机通道设计通信通道设计（2）软件设计初始化程序、主程序、自诊断程序等开发软件：KeilC,Wave6000，LabwindowsCVI7.2接口技术及数据传送控制方式

接口就是微处理器CPU与外部连接的部件，是CPU与外部设备进行数据交换的中转站。微机接口技术是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部设备进行最佳的匹配，实现CPU与外部设备之间的高效、可靠的信息交换的技术。

接口技术可实现CPU与存储器、I/O设备、控制设备、测量设备、通信设备、A/D、D/A转换器等的信息交换。一、接口功能（1）数据缓冲功能：设置有数据寄存器或锁存器。（2）设备选择功能：一个接口往往会连接多个外设设备，需要通过接口的地址译码对外设进行寻址。（3）信号转换功能：CPU信号与外设信号的逻辑关系、时序匹配和电平转换等（4）提供信息交换的握手信号：接口电路要提供寄存器或锁存器“空”、“满”、“准备好”、“忙”、“不忙”等状态信息（5）中断管理功能：设置中断控制器（6）可编程功能：更改接口驱动程序就可以改变接口的工作方式二、接口信息（1）数据信息数据一般有8位、16位、32位：数字量、模拟量、开关量。

（2）状态信息外部设备的数据是否准备好，外部设备是否已准备好接收数据等，都要通过一定的数据量来表示，才能实现计算机与外部设备之间的正确“握手”，如READY、EMPTY、BUSY、ACK等（3）控制信息控制信息主要是指启动、停止外部设备之类的接口信息。三、CPU与外围I/O电路之间的数据传送方式1.程序控制方式

（1）等待延时握手方式（2）查询方式（3）中断控制方式

2.

DMA（直接存储器存取）传送方式准备好？读取状态信息输入数据是否查询式输入程序流程图忙？读取状态信息输出数据否是查询式输出程序流程图查询方式中断控制方式的数据交换具有如下特点:(1)提高了CPU的工作效率;(2)外围设备具有申请中断服务的主动权;(3)CPU可以和外设并行工作;(4)可适合实时系统对I/O处理的要求。中断控制方式采用程序控制方式进行数据传送时，都是靠CPU执行程序指令来实现数据的输入/输出。采用程序控制方式时，数据的传输率不会很高。对于高速外设，如高速磁盘装置或高速数据采集系统等，采用这样的传送方式，往往满足不了其数据传输率的要求。必须采用DMA控制方式。例如，对于磁盘装置，其数据传输率通常在20万字节/秒以上，即传输一个字节的时间要小于5μs。程序控制方式的应用特点:对于通常的PC机来说，执行一条程序指令平均需要几μs时间。显然，采用程序控制不能满足这种高速外设的要求。DMA方式主要用于传送时间比CPU数据传送周期还要快的数据传送场合。由此产生不需要CPU干预(不需CPU执行程序指令)，而在专门硬件控制电路（DMA控制器，简称DMAC）控制之下进行的外设与存储器间直接数据传送的方式，称为直接存储器存取(DirectMemoryAccess)，简称DMA方式。DMA控制方式CPU外设存储器总线：执行程序指令的数据传送路径；：DMA方式的数据传送路径两种不同的数据传送路径内存外设DMAC输出输入外设外设DMAC内存内存DMACDMA传送的几种形式DMA控制器的基本功能

(1)能接收I/O接口的DMA请求，并向CPU发出总线接管请求信号；(2)当CPU发出总线回答信号后，并给出存取数据的个数及初始地址，DMAC接管对总线的控制，进入DMA传送过程；(3)能实现有效的寻址，即能输出地址信息并在数据传送过程中自动修改地址；(4)能向存储器和I/O接口发出相应的读/写控制信号；(5)能控制数据传送的字节数，控制DMA传送是否结束；(6)在DMA传送结束后，能释放总线给CPU，恢复CPU对总线的控制。(6)内存把数据送数据总线(7)接口锁存数据内存接口DMA控制器I/O设备8086和总线控制逻辑HOLDHLDA

(1)接口准备就绪，发DMA请求(2)发总线请求(3)总线允许(5)DMA请求得到确认(9)8086收回总线控制权(8)撤销总线请求(4)DMA控制器把地址送地址总线数据总线控制总线地址总线以DMA方式输出一个字节数据的工作过程若从外设往内存输入一个数据块(输入过程)，在单字节传输方式下，其主要工作过程为：(1)I/O接口向DMA控制器发送DMA请求信号；(2)DMA控制器向CPU发总线请求信号，当得到CPU送来的总线允许信号后，DMA控制器获得总线控制权；(3)DMA控制器将其地址寄存器的内容送到地址总线上；(4)DMA控制器往I/O接口发送DMA响应信号，并接着发出读I/O接口信号IOR，令I/O接口把数据送到数据总线上；(5)DMA控制器发出存储器写信号MEMW，将数据传送到由地址总线上的地址所指向的内存单元；(6)DMA控制器放弃对总线的控制权；(7)地址寄存器加1；(8)字节计数寄存器减1；(9)如果字节计数寄存器的值不为零，则返回第一步，否则结束。Intel8237是一种功能很强的可编程DMA控制器,广泛应用于微型计算机系统中。采用5MHz时钟时，其传输速率可达1.6M字节/秒；一片8237内部有四个独立的DMA通道，每个通道一次DMA传送的最大长度可达64K字节；7.3微机检测系统的总线技术

1总线定义总线是计算机两个或两个以上的模块(部件或子系统)之间相互连接与通信的公共通路。总线不仅仅是一组传输线，它还包括一套管理信息传输的规则(协议)。在计算机系统中，总线可以看成一个具有独立功能的组成部件。总线通常包括一组信号线，主要的信号线有：(1)数据线和地址线：这一类信号线决定了数据传输的宽度和直接寻址的范围。(2)控制、时序和中断信号线：这一类信号线决定了总线功能的强弱以及适应性的好坏。(3)电源线和地线：这一类线决定了电源的种类及地线的分布和用法。(4)备用线：这一类线是厂家和用户作为性能扩充或作为特殊要求使用的信号线。2总线分类

微型计算机的总线按功能和规范可分为三大类型：

(1)片总线(ChipBus,C-Bus)又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路。(2)内总线(InternalBus,I-Bus)又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。包括地址、数据和控制总线。(3)外总线(ExternalBus,E-Bus)又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路，如EIARS-232C、IEEE-488等。上述三类总线在微机系统中的地位及相互关系下图所示。微型计算机控制部件寄存器组ALUC-Bus存储器I/O接口I/O接口存储器I-BusE-Bus设备Modem仪器仪器三类总线在微机系统中的地位和关系微处理器CPUROMRAMI/O接口外设地址总线AB数据总线DB控制总线CB微型机组成框图3总线标准为了充分发挥总线的作用，每类总线标准都必须有具体和明确的规范说明，通常包括以下几个方面的技术规范或特性：(1)机械特性：规定总线插件的机械尺寸，总线插头、插座的规格及位置等；(2)电气特性：规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等；(3)功能特性：给出各总线信号的名称及功能定义；(4)规程特性：对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明。总线标准的产生通常有两种途径：(1)某计算机制造厂家(或公司)在研制本公司的微机系统时所采用的一种总线，由于其性能优越，得到用户普遍接受，逐渐形成一种被业界广泛支持和承认的事实上的总线标准。(2)在国际标准组织或机构主持下开发和制定的总线标准，公布后由厂家和用户使用。4串行通信总线和并行通信总线（1）串行通信信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式称为串行通信。常见的串行标准是RS232/422/485。（2）并行通信并行通信是在两个设备之间同时传输多个数据位，它主要用于近距离通信。仪器与计算机之间常用的并行通信总线标准有GPIB、PCI、CAN等

串行通信基本方式构成数据的每个二进制数据位,依照一定的顺序逐位进行传送的通信方式。串行通信分为:同步通信和异步通信。

同步通信:传输速度快,实用性差,容易出错。

异步通信:传输速度较慢,出错率低。串行通信协议串行数据帧由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成：

4.1串行通信在异步通信中,接受和发送双方必须保持相同的传送速率即波特率。波特率:每秒传送的二进制数(比特/秒)。典型:1200,2400,4800,9600,19200bit/s等。RS-232C标准联结图一、RS-232C标准25针的连接器,最常用的是9个通信信号①基本数据传送信号②调制解调器控制信号基本数据传送信号TXD:发送数据信号.RXD:接受数据信号.GND:地信号.Modem控制信号从计算机到Modem信号:DTS:数据终端就绪信号.RTS:请求发送信号.从Modem到计算机信号DSR:数据装置就绪信号.CTS: 允许发送信号.DCD:数据载波检测信号.RI:振铃指令信号.(以前)台式PC机一般至少有两个RS－232串行口COM1和COM2，通常COM1使用的是9针DB形连接器，而COM2使用的是老式的DB25针连接器。RS-232C标准使用负逻辑‘1’在-3V~-15V;‘0’在+3V~+15V.不与TTL兼容,必须进行电平转换.

电平转换器：传输线驱动器MC1488;传输线接受器MC1489.其它转换芯片有MAX232,ICL232等。RS232C与TTL电平变换器最高传输速率：20KB/SRS-232C缺点：只能一对一地通信，不借助于Modem时数据传输距离仅15米；其接口电路是单端驱动，单端接收，如下图所示。

数据总线缓冲器读/写控制逻辑电路调制/解调控制电路接收控制电路串－并转换发送缓冲器缓冲器并－串转换发送控制电路RESETCLKC/DRDWRCSDSRDTRCTSRTSD7-D0内部总线TXDRXDTXEMPTYTXCRXRDYRXCSYNDETTXRDY发送器接收器8251A内部结构框图接收可编程串行通信接口8251A二、RS-422总线有四根信号线，其接口采用平衡驱动差分接收发送电路

这种接口电路形式还使得一个驱动器能同时接多个接收器，因此可利用RS-422实现多台计算机的互连，构成主、从式通信网络。

如下图所示。三、RS-485总线

RS-485是RS-422的变型，采用二线制；在发送端增加了使能控制。下图为两个RS-422接口改接成RS-485方式互连。

区别：RS-422支持全双工方式通信；而RS-485只能用半双工方式通信。

RS-232C／RS-422／RS-485转换原理示意图：

RS232C：MAX232、传输距离；<=15m,抗干扰差RS485：MAX484;传输距离；>1000m；抗干扰强RS422：MAX488;传输距离；>1000m；抗干扰强4.2并行通信一、GP-IB标准接口系统概述GP-IB(GeneralPurposeInterfaceBus)---是国际通用的仪器接口标准。1、GP-IB标准接口系统的基本特性该标准包括接口和总线两部分.

接口部分：由各种逻辑电路组成，与各仪器装置安装在一起，用于对传送的信息进行发送、接受、编码和译码。

总线部分：是一条无源的多芯电缆,用作传输各种信息。要进行联络至少有讲者、听者、控者三类装置.讲者:是通过总线发送仪器消息的仪器装置。如测量仪器、数据采集器、计算机等。听者:是通过总线接受由讲者发出消息的装置。如打印机等.控者:是数据传输过程中的组织者和控制者。如计算机。

对于系统中的某一台装置可以具有三要素(讲者,听者,控者)中的一个，二个或全部。GP-IB系统中的计算机一般同时具有讲者、听者、控者的功能。2.GP-IB标准接口的总线结构24芯电缆：其中16条被用做信号线，其余被用做逻辑地线及屏蔽线。总线上传递的各种信息通称为消息，见下图：接口消息和仪器消息接口消息:管理接口部分完成各种接口功能的信息，它由控者发出，只被接口部分所接受和利用。仪器消息:与仪器自身工作密切相关的信息，只被仪器部分接受和利用。GP-IB标准接口总线中的16条线按功能可分为三组：（1）8条双向数据总线（2）3条数据挂钩联络线(三线挂钩原理)控制数据总线的时序，保证数据总线正确地传输数据，称为三线挂钩技术DAV:数据有效线NRFD:数据接受未就绪线NDAC:数据未收到线（3）5条接口管理控制线作用是控制GP-IB接口的状态。ATN:注意线IFC:接口清除线REN:远程控制线SRQ:服务请求线EOI:结束或识别线三线挂钩原理GP-IB标准接口系统自动测试系统框图20世纪80年代初期，IBM在推出自己的微机系统IBMPC/XT时，就定义了一种总线结构，称为XT总线。这是8位数据宽度的总线。随着IBM采用80286CPU，推出IBMPC/AT微机系统，又定义了与XT总线兼容的16位的AT总线。ISA总线(IndustrialStandardArchitecture)即AT总线，它是在8位的XT总线基础上扩展而成的16位的总线体系结构。二、ISA总线介绍在很长一段时间内，大多数Pentium系列的PC机主板上仍保留3～4个ISA总线扩充槽，即可以插入8位ISA卡，又可以插入16位ISA卡。

ISA总线插槽（1）ISA总线插槽有一长一短两个插口.（2）长插口有62个引脚，以A31～A1和B31～B1表示，分别列于插槽的两面；（3）短插口有36个引脚，以C18～C1和D18～D1表示，也分别列于插槽的两面。D18D1C18C1B31B1A31A1ISA总线插槽详细内容参见教材7.4虚拟仪器技术

虚拟仪器（VirtualInstrument简称VI）是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器——模拟式仪表、第二代仪器——分立元件式仪表、第三代仪器——数字式仪表、第四代仪器——智能化仪器之后的新一代仪器。1．虚拟仪器的功能

检测仪器的内部功能可划分为：输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结果的显示四个部分。虚拟仪器也不例外，但是实现上述功能的方式不同，下面按三个部分来叙述。（1）信号采集与控制功能

虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成的硬件平台，实现对信号的采集、测量/转换与控制。硬件平台由两部分组成：1、计算机可以是笔记本计算机、PC机或工作站；2、仪器硬件：可以是插入式数据采集板（含信号调理电路、A／D转换器、数字I／O、定时器、D／A转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB仪器、VXI仪器、RS－232仪器等)。

(2)数据分析处理功能

虚拟仪器充分利用了计算机的存储、运算功能，并通过软件实现对输入信号数据的分析处理。处理内容包括进行数字信号处理＼数字滤波\统计处理、数值计算与分析等。虚拟仪器比传统仪器以及以微处理器为核心的智能仪器有更强大的数据分析处理功能。(3)测量结果的表达

虚拟仪器充分利用计算机资源如内存、显示器等，对测量结果数据的表达与输出有多种方式，这也是传统仪器远不能及的。例如，虚拟仪器可以实现：通过总线网络进行数据传输；通过磁盘、光盘硬拷贝输出；通过文件存于硬盘内存中；计算机屏幕显示。2、虚拟仪器（VI）构成虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构