第二章输入通道接口技术

第二章输入通道接口技术第一页，共七十一页，编辑于2023年，星期四输入通道接口技术2.1信号测量与传感器技术

2.2模拟信号输入通道接口

2.3键盘接口技术

2.4开关量信号输入接口

第二页，共七十一页，编辑于2023年，星期四输入通道包括：信号测量部分信号调理部分模拟多路开关A/D转换器计算机接口。输入通道接口技术第三页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.1信号测量与传感器技术传感器能将需要测量的各种参数转换为电信号，电信号经过调理、A/D转换后变为数字信号便于计算机处理。2.1.1温度测量传感器

温度测量方式有接触式和非接触式两大类。第四页，共七十一页，编辑于2023年，星期四测温方式类别原理典型仪表测温范围接触式测温膨胀类利用液体气体的热膨胀及物质的蒸气气压变化玻璃液体温度计100℃～600℃压力式温度计100℃～500℃利用两种金属的热膨胀差双金属温度计

80℃～600℃热电类利用热电效应热电偶200℃～1800℃电阻类固体材料的电阻随温度变化而变化铂热电阻260℃～850℃铜热电阻50℃～150℃热敏电阻50℃～300℃其他电学类半导体器件的温度效应集成温度传感器50℃～150℃晶体的固有频率随温度变化而变化石英晶体温度计50℃～120℃光纤类利用光纤的温度特性或作为传光介质光纤温度传感器50℃～400℃非接触式测温光纤辐射温度计200℃～4000℃辐射类利用普朗克定律光电高温计800℃～3200℃辐射传感器400℃～2000℃第五页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.1信号测量与传感器技术金属热电阻类传感器属于接触式温度测量传感器。其优点是：信号可以远传，灵敏度高，无须参比温度。当铂的纯度W100=R100/R0=1.3850，R0选用10和100两种阻值（分度号分别为Pt10和Pt100）时，铂热电阻温度测量范围为200℃～850℃，其电阻与温度的关系为：

当T≥0℃时 R(T)=R0(1+AT+BT2) 当T＜0℃时 R(T)=R0[1+AT+BT2+CT3(T100)] 式中，A=3.9083×103℃1,B=5.775×107℃2,

C=4.183×1012℃4。第六页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.1信号测量与传感器技术TPt100Pt10TPt100Pt10TPt100Pt10200℃18.521.852160℃161.0516.105520℃287.6228.762180℃27.102.710180℃168.4816.848540℃294.2129.421160℃35.543.554200℃175.8617.586560℃300.7530.075140℃43.884.388220℃183.1918.319580℃307.2530.725120℃52.115.211240℃190.4719.047600℃313.7131.371100℃60.266.026260℃197.7119.771620℃320.1232.01280℃68.336.833280℃204.9020.490640℃326.4832.64860℃76.337.633300℃212.0521.205660℃332.7933.27940℃84.278.427320℃219.1521.915680℃339.0633.90620℃92.169.216340℃226.2122.621700℃345.2834.5280℃100.0010.000360℃233.2123.321720℃351.4635.14620℃107.7910.779380℃240.1824.018740℃357.5935.75940℃115.5411.554400℃247.0924.709760℃363.6736.36760℃123.2412.324420℃253.9625.396780℃369.7136.97180℃130.9013.090440℃260.7826.078800℃375.7037.570100℃138.5113.851460℃267.5626.756820℃381.6538.165120℃146.0714.607480℃274.2927.429840℃387.5538.775140℃153.5815.358500℃280.9828.098860℃390.4839.048表2-3铂热电阻分度表第七页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.1信号测量与传感器技术热电阻结构分为普通型和铠装型两种。图2-1所示为铠装铂热电阻的结构。图2-1铠装铂热电阻的结构第八页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.1信号测量与传感器技术2.1.2压力测量传感器压电式压力传感器利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系，即： q=kSp

式中，q为电荷量，k为压电常数，S为作用面积，p为压力。图2-2为一种压电式压力传感器的结构示意图。第九页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.1信号测量与传感器技术图2-2压电式压力传感器结构示意图第十页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.1信号测量与传感器技术2.1.3流量测量传感器流体的流量是指在单位时间内流过某一个流通截面的流体的体积或者质量。流量计的种类繁多，分别适合于不同的工作场合。按检测原理分类的典型流量计列在表2-4中。

第十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.1信号测量与传感器技术类别仪表名称体积流量计容积式流量计椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等差压式流量计节流式流量计、匀速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、浮子流量计速度式流量计涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等质量流量计推导式质量流量计体积流量经密度补偿或者温度、压力补偿求得质量流量等直接式质量流量计科里奥利流量计、热式流量计、冲量式流量计表2-4流量计的分类

第十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口2.2.1模拟多路开关

在实际的计算机控制系统中，往往需要对多路信号或者多种信号进行测量，而计算机在任意时刻只能处理一路信号，因此，需要将各路信号分时地送给计算机处理。图2-3所示是实现这一过程的常用方案。

图2-3多路模拟信号检测框图第十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口公司型号通道数种类CD公司CD40518通道双向CD4052双4通道双向CD4053三重2通道双向CD406716通道双向CD4097双8通道双向AD公司AD75018通道单向AD7502双4通道单向AD75038通道单向AD750616通道单向AD7507双8通道单向MAX公司MAX3088通道双向MAX309双4通道双向MAX30616通道双向MAX307双8通道双向表2-5常用模拟多路开关芯片第十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口半导体模拟多路开关的一些主要特点：具有多种集成电路的封装形式（如DIP、SMD封装等），尺寸小，便于安排；直接与TTL（或CMOS）电平相兼容；可采用双极性输入；转换速度快，通常其导通或关断时间在1s左右，有些产品已达到几十ns；寿命长，无机械磨损；接通电阻较低，一般小于100，有的可达几。断开电阻高，通常达109以上。第十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口1．模拟多路开关CD4051CD4051是单端输入8通道多路开关，它带有3个通道选择输入端A、B、C和一个禁止输入端INH，输入端A、B、C的信号用来控制选择8个通道之一被接通。第十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口输入状态接通通道INHCBACD45010000000011001020011301004010150110601117表2-6CD4051真值表第十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期四图2-4CD4051的原理与引脚图第十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口2．CD4051多路开关的扩展应用图2-5所示为两个CD4051构成的16通道多路开关连接图。第十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期四图2-5CD4051的扩展电路第二十页，共七十一页，编辑于2023年，星期四表2-716通道选择真值表

输入状态选中通道号D3D2D1D0INi00000000110010200113010040101501106011171000810019101010101111110012110113111014111115第二十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口芯片1的多路开关接通工作时，芯片2的多路开关就全部断开；反之，芯片2的多路开关接通工作时，芯片1的多路开关就全部断开。通过改变通道选择线D3～D0的状态，即可选通IN0～IN15这16个通道之一。若需要通道数更多，两个多路开关扩展仍不能达到系统要求，此时，可通过译码器控制CD4051的控制端INH，把4个CD4051芯片组合起来，构成32通道或16通道差动输入系统。

第二十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口3．双16通道模拟多路开关ADG726ADG726是双16通道输入模拟多路开关（单向），输入信号可以是单端输入或双端输入。单端输入时两个16通道相互独立；双端输入时两个16通道组合使用。带有内部锁存器，4个通道选择输入端A3——A0，当CSA或CSB为逻辑0时，WR信号的上升沿将A3——A0锁存。EN是芯片工作使能端。第二十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期四第二十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口输入状态开关状态A3——A0ENCSACSBWRADG726XXXXX11维持以前开关状态XXXXX11X维持以前开关状态XXXX1000不工作00000000S1A-DA，S1B-DB00010000S2A-DA，S2B-DB00100000S3A-DA，S3B-DB00110000S4A-DA，S4B-DB01000000S5A-DA，S5B-DB11110000S16A-DA，S16B-DB表2-8ADG726真值表第二十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口2.2.2A/D转换器能将模拟信号转换成数字信号的器件，称为模数转换器，简称A/D转换器。按位数来分有8位、10位、12位、16位等几种。按结构而分，有单一的A/D转换器、内含多路开关的A/D转换器、多功能的A/D转换器等。第二十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口1．8位A/D转换器ADC0808/0809ADC0808/0809是8位逐次逼近型A/D转换器，芯片内还包含有8通道多路开关及与计算机兼容的控制逻辑。8通道多路模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个输入通道中任意接通一个通道的模拟信号。其原理框图如图2-7所示。第二十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期四图2-7ADC0808/0809原理框图第二十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2．ADC0808/0809的应用图2-8ADC0808/0809的应用原理图第二十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口图2-9ADC0808/0809进行A/D转换时各引脚时序图第三十页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口3．A/D转换器与微处理器的连接1）模拟量输入通道的连接2）数字量输出引脚的连接3）A/D转换器的启动方式A/D转换器启动方式分脉冲启动和电平启动两种。

4）转换结束信号的处理方法微处理器检查判断A/D转换结束的方法有以下3种：

①中断方式②查询方式③软件延时方法5）参考电源的选择6）时钟信号的连接7）接地问题第三十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口4．8位A/D转换器控制程序设计

图2-10ADC0809与计算机的接口原理图A/D转换的结束信号EOC作为状态信号，经三态门接入数据总线的D7位。第三十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口2.2.3数据采集与处理方法1．数字滤波为了减小乃至消除叠加在采样数据中随机干扰信号值的影响，可以利用计算程序，对多次采样信号所得的数据进行加工处理（也就是数字滤波），以保证控制的精度和系统工作的可靠性。数字滤波的优点1、2、3、4下面介绍几种常用的数字滤波算法。第三十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口1）程序判断滤波根据实践经验，确定出相邻两次采样之间可能出现的最大偏差E。如果采样得到的值超过E，则表明该输入信号中存在较大的干扰信号，应予以剔除；如果采样得到的值小于偏差值E，则本次采样值为正常值。可分为限幅滤波和限速滤波两种。第三十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口1）程序判断滤波——限幅滤波所谓限幅滤波，就是把相邻两次采样值相减，求出其增量的绝对值，然后与最大允许偏差ΔE进行比较，如果小于或等于ΔE，则取为本次采样值；若大于ΔE，则仍取上一次的采样值作为本次的采样值。即：|Yn-Yn-1|≤ΔE，则Yn＝Yn|Yn-Yn-1|＞ΔE，则Yn＝Yn-1

式中，Yn为第n次采样值，Yn-1为第n-1次采样值。

第三十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口1）程序判断滤波——限速滤波设相邻的采样时刻t1，t2，t3的采样值为Y1，Y2，Y3，则限速滤波的算法为：若|Y2-Y1|≤ΔE，则以Y2作为滤波输出值;若|Y2-Y1|＞ΔE，则不采用Y2，但仍保留其值，再取第三次的采样值Y3；若|Y3-Y2|≤ΔE，则以Y3作为滤波输出值;若|Y3-Y2|＞ΔE，则以(Y3+Y2)/2作为滤波输出值。第三十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期四限速滤波是一个折中方案，既照顾了滤波输出值的实时性，又照顾了其变化的连续性。程序判断滤波可以用于变化比较缓慢的参数，如温度、湿度、液位等。其关键在于最大允许误差ΔE的选取，ΔE太大，干扰会“乘机而入”，ΔE太小，又会使某些有用的信号被“拒之门外”，使采样效率变低。通常ΔE根据经验数据获得，必要时可由实验得出。

第三十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2）中值滤波中值滤波是指对被测参数连续采样n次(n≥3，且为奇数)，再将这n个采样值从小到大(或从大到小)排序，最后取中间值作为本次采样值。中值滤波能有效地滤去脉动性质的干扰，对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，但对快速变化过程的参数则不宜使用(如流量)。程序中只要改变n值，就可以对任意采样值进行中值滤波。2.2模拟信号输入通道接口第三十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口3）算术平均值滤波把N次采样值进行相加，然后取其算术平均值为本次采样值。算术平均值法适用于对压力、流量等周期脉动信号的平滑，这种信号的特点是往往在某一数值范围附近作上、下波动，有一个平均值。这种算法对信号的平滑程度取决于平均次数N，当N较大时平滑度高，但灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高，应该视具体情况选取N值。第三十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期四4）加权平均值滤波

在算术平均滤波中，N次采样值在结果中所占的比重是均等的，即每次采样值具有相同的加权因子1/N。但有时为了提高滤波效果，往往对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子。这种方法称为加权平均滤波法2.2模拟信号输入通道接口第四十页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口5）滑动平均值滤波

动态保留N个最近的采样数据，每采样一个新数据，便将保留时间最长的采样数据移走一个，随后按算术平均值滤波方法或加权平均值滤波方法计算出有效的采样值。

对周期性干扰有良好的抑制作用第四十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口6）低通滤波消除高频周期性干扰低通RC滤波器电路，=RC为滤波器的时间常数。其传递函数可写为：

离散化后，可得差分方程第四十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口6）低通滤波消除高频周期性干扰低通RC滤波器电路，=RC为滤波器的时间常数。其传递函数可写为：

第四十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口6）低通滤波式中,Xn为第n次采样值；Yn-1为上次滤波输出值；Yn为第n次采样后的滤波输出值；α为滤波平滑系数，α≈T/τ；τ为滤波环节的时间常数；T为采样周期。通常，采样周期T远小于滤波环节的时间常数τ，τ和T的选择可根据具体情况确定，只要使被滤波的信号不产生明显的波纹即可。第四十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口

7）复合数字滤波

将两种或两种以上的数字滤波方法联合起来使用，其目的是进一步提高滤波效果。算术平均值滤波法+中值滤波法：消除脉动干扰和脉冲干扰两级或两级以上低通滤波第四十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期四上面介绍了几种常用的数字滤波方法，它们各有特点。一般来说，对于变化缓慢的参数(如温度)，可选用程序判断滤波和一阶滞后滤波；而对变化较快的信号(如压力、流量等)，则可选用算术平均值滤波；对要求较高的系统可选用复合滤波。如果不适当地应用数字滤波(例如把真实的参数波动也滤掉了)，反而会降低控制效果，以致适得其反。2.2模拟信号输入通道接口第四十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口2．标度变换生产过程中的各种参数都有不同的量纲和数值变化范围，如电压的单位为V，电流的单位为A，温度的单位为℃，压力的单位为Pa等。这些参数经传感器和A/D转换后得到一个数字量，该数字量仅表示一个代表参数大小的数值，并不一定等于原来带有量纲的参数值。为了显示、记录、打印和便于操作人员监控，必须把二进制表示的数字量转换成对应的实际数值和单位。这一转换过程就称为标度变换。第四十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口1）线性参数标度变换指参数值与A/D转换结果之间为线性关系式中，Rx表示参数测量值，Rm表示参数量程的最大值，R0表示参数量程的最小值，Sm表示量程最大值Rm对应的A/D转换输出值，S0表示量程起点R0对应的A/D转换输出值，Sx表示测量值Rx对应的A/D转换值。第四十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期四

例如，已知某温度测量仪表的量程为10～50℃，采用8位A/D转换器，在某一时刻计算机经采样、数字滤波后得到的数字量为7BH，测得的温度是多少？设该仪表的量程是线性的，在R0=10℃时，S0为0；Rm=50℃时，Sm=FFH=255；Sx=7BH=123。因此，根据公式，此时的温度为：

℃第四十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口2）非线性参数标度变换

当传感器测出的数据与实际被测参数之间不是线性关系时，其标度变换公式应根据具体问题具体分析。首先应求出它们之间所对应的函数关系，如果这种函数关系可以用解析式来表示，就可以直接按它所对应的标度变换公式进行计算。

例如，在流量测量中，从差压变送器来的信号ΔP与实际流量G成平方根关系，即

式中，K为刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关。第五十页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.2模拟信号输入通道接口

根据式（2-3）测流量时，计算机处理程序应包含以下3个步骤：①对A/D采样值进行数字滤波；②利用式（2-2）对数字滤波后的数值进行线性参数标度变换，求得流量计节流装置两边的压差值；③将求得的压差值代入式（2-3）计算，求得测量结果流量。第五十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期四许多非线性传感器并不像上面讲的流量传感器那样，可以写出一个简单的公式，或者虽然能够写出公式来，但是计算相当困难。这时可以采用多项式插值法、线性插值法或查表进行标度变换。2.2模拟信号输入通道接口第五十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.3键盘接口技术2.3.1独立式按键独立式按键是指直接用输入端口线构成的单个按键电路，常用于需要少量几个按键的计算机控制系统。图2-11具有8个独立式按键的硬件连线图第五十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.3键盘接口技术2.3.2行列式键盘行列式键盘由行线和列线组成，按键设置在行、列结构的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端。行列式键盘与计算机的连接多采用I/O接口芯片，如8155、8255等。有时为了简单起见，也采用锁存器，如74LS273、74LS244、74LS373等。根据计算机进行扫描的方法可分为定时扫描法和中断扫描法两种。第五十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.3键盘接口技术1．定时扫描法下图所示为采用8255端口构成的4×8矩阵键盘。第五十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.3键盘接口技术

定时扫描法的工作过程如下：1）定时扫描键盘，判断是否有键按下2）消除按键抖动3）求按键键值4）等待按键释放

第五十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期四第五十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.3键盘接口技术

2．中断扫描法

为了节省CPU时间，键盘处理可以采用中断扫描法。图2-15所示为中断扫描法硬件原理图。中断扫描法节省了CPU的时间，但增加了硬件资源，多占用了中断资源。第五十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.3键盘接口技术图2-15中断扫描法硬件原理图第五十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.3键盘接口技术2.3.3软键盘与触摸屏接口所谓软键盘，就是以图形显示方式形成的键盘图案，而非物理键盘。1．电阻式触摸屏的接口电路与坐标值时X＋（或Y＋）端接正电源及X（或Y）端所接地，将Y＋（或X＋）与Y（或X）端电压A/D转换得到Y（或X）坐标。第六十页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.3键盘接口技术2.3.3软键盘与触摸屏接口电阻式触摸屏所得坐标值精度将受几个因素的影响：触摸屏本身电阻材料的均匀性ADS7846模拟电子开关的内阻和A/D转换器自身的转换精度A/D转换时X＋（或Y＋）端所接正电源及X（或Y）端所接地的干扰第六十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.3键盘接口技术图2-164线电阻式触摸屏与ADS7846的接口原理图第六十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期四2.3键盘接口技术2．干扰误差的消除方法为了尽可能减小干扰误差对点触精度的影响，必须对ADS7846的电源和接地采取一些抗干扰措施。应该仔细处理电源旁路和接地方法的问题，还应该采取软件方法克服随机干扰。3．坐标定位与坐标变换触摸屏常和点阵式LCD屏叠加在一起配套使用。二者的坐标原点与标度不同。因此，获得笔在触摸屏上的触点坐标后，还需经过坐标变换，才能得到笔触点在LCD屏