测控系统原理与设计3主机及接口课件

第三章主机及其接口第三章主机及其接口第一节主机电路由PC机组成的测控系统充分利用PC机的显示、数据存储与处理、打印、网络通信能力，使测控系统的性能和灵活性得到大大提高。由于PC机与外部测控接口电路的数据交换是通过PC机的各种总线进行，故主机电路通常分：内插式外接式混合式第一节主机电路由PC机组成的测控系统一、基于PC机的主机电路由PC机组成的测控系统充分利用PC机的显示、数据存储与处理、打印、网络通信能力，使测控系统的性能和灵活性得到大大提高。由于PC机与外部测控接口电路的数据交换是通过PC机的各种总线进行，故主机电路通常分：内插式外接式混合式一、基于PC机的主机电路由PC机组成的测1、内插式内插式接口电路一般使用的是PC机的PCI总线、ISA总线、VESA总线、AGP总线。特点：构成简单，结构紧凑，成本低；但由于PC机扩展槽数量有限，因而灵活性差。显示器打印机键盘测量电路鼠标控制电路PC主机系统扩展槽1、内插式内插式接口电路一般使用的是PC机的PCI总线、IS2、外接式输入和输出接口电路通过外部总线（如：RS232C、IEEE488、USB、IEEE1394等）与PC机传递数据。这种方式构成的测控系统灵活方便。显示器打印机键盘测量电路鼠标控制电路PC主机系统外接电箱2、外接式输入和输出接口电路通过外部总3、混合式

混合式是内插式与外接式的结合，这种方式灵活方便、适用范围广，可组成复杂的测控系统。显示器打印机键盘测量电路鼠标控制电路PC主机系统扩展槽外接电箱3、混合式混合式是内插式与外接式的结合，这种方式灵活方二、基于单片机的主机电路单片机的主机电路主要是指：存储器扩展电路外接I/O接口（即I/O口扩展）电路二、基于单片机的主机电路单片机的主机电路主要是指：单片机存储器和I/O口扩展电路举例单片机存储器和I/O口扩展电路举例第二节CPU与测控通道接口A/D接口V/F接口D/A接口输出功率接口第二节CPU与测控通道接口A/D接口一、A/D接口A/D转换芯片的信号一般有：数据输出启动转换转换结束其他控制信号（如通道控制等）A/D芯片与CPU之间的接口即是处理这些信号的电路。对于数据输出字长与CPU一、A/D接口A/D转换芯片的信号一般有：匹配的A/D芯片，只要电平能和CPU配合，可以直接和CPU相连。对于字长与CPU不匹配的A/D芯片，必须设计相应的电路将A/D转换后的输出数据分时读出。A/D芯片的启动转换信号一般直接由CPU控制。但要注意所选用的A/D芯片对启动转换信号的要求（脉冲信号还是电平信号？）转换结束信号视CPU和A/D之间采用哪种方式传送数据来决定是否需要和CPU相连。匹配的A/D芯片，只要电平能和CPU配合，可以直接和CCPU与A/D芯片接口举例例：MCS-51与ADC0809接口主要处理好以下信号的连接问题：START：由CPU提供一个100ns宽的脉冲EOC：若采用中断方式，此信号作CPU的中断请求输入线；若采用查询方式，此信号作CPU的一个输入线，供CPU查询转换是否结束。OE：CPU读数据时需向此线送一个高电平。CPU与A/D芯片接口举例例：MCS-51与ADC0809接测控系统原理与设计3主机及接口课件测控系统原理与设计3主机及接口课件MC14433与8031的接口

MC14433与8031的接口A/D接口程序设计1.等待延时方式取数据区首址和第一个通道地址启动转换延时等待读取数据并存储数据区指针加1取下一通道地址全部通道转换结束？是否A/D接口程序设计1.等待延时方式取数据区首址和第一个通道2.中断方式启动转换关闭中断读取数据并存储存储数据取下一通道地址全部通道转换结束？是否中断服务程序中断返回设数据区首址和第一个通道地址开中断执行其他任务主程序2.中断方式启动转换关闭中断读取数据并存储存储数据取下一通3.查询方式取数据区首址和第一个通道地址启动转换读取数据并存储数据区指针加1取下一通道地址全部通道转换结束？是否转换结束？否是3.查询方式取数据区首址和第一个通道地址启动转换读取数据并二、V/F接口V/F转换器是将电压信号转换成频率信号的器件，适用于转换速度要求不高的场合。它与计算机的接口有以下特点：接口简单：数据线只有一根线，可作为计算机的I/O线，或中断源，或计数输入。抗干扰性能好：频率信号是数字信号，具有较强的抗干扰能力。便于远距离传输。二、V/F接口V/F转换器是将电压信号转换成频率信号的V/F转换器与MCS-51的接口V/F转换器与MCS-51的接口T0和T1分别对基准频率fo和被测频率fx同时开始计数。当T0溢出时产生中断，CPU响应中断后，停止T0计数并将T1的计数值Nx读出，则Nx与被测电压Vx的关系为：其中：m——预置数S——频率电压转换系数T0和T1分别对基准频率fo和被测频率fx同时开始计数使用光电隔离器减少干扰

使用光电隔离器减少干扰图3-2-7使用串行通讯器件增大传输距离图3-2-7使用串行通讯器件增大传输距离三、D/A接口无输入锁存的DAC与CPU接口内部无输入锁存的DAC不能直接与CPU相连，必须用一外接锁存器来保存CPU输出的待转换数据。如DAC的位数与CPU的数据总线相同，就只要一个位数相同的锁存器；如DAC的位数与CPU的数据总线不同，则需要两级锁存。三、D/A接口无输入锁存的DAC与CPU接口测控系统原理与设计3主机及接口课件2.有输入锁存的DAC与CPU接口有的DAC内部只有一级数据锁存器(如AD558，AD7524)；有的DAC内部有两级数据锁存器(如DAC0832)，但可以工作在单缓冲器方式。内部有两级数据锁存器的DAC工作在单缓冲器方式时，其内部的两个数据锁存器有一个处于直通方式，另一个受CPU的控制。2.有输入锁存的DAC与CPU接口DAC0832的结构与引脚DAC0832的结构与引脚DAC0832与MCS-51的接口(1)DAC0832与MCS-51的接口(1)DAC0832与MCS-51的接口(2)DAC0832与MCS-51的接口(2)测控系统原理与设计3主机及接口课件四、输出功率接口四、输出功率接口

典型继电器接口电路典型继电器接口电路

继电器—接触器接口电路继电器—接触器接口电路

脉冲变压器—晶闸管输出电路脉冲变压器—晶闸管输出电路

定时波形图定时波形图第三节人机接口微机化测控系统通常都要有人－机对话功能，这个功能有两方面的含义：一是操作人员能向微机发布命令和输入数据；二是微机能向操作人员报告运行状态和运行结果。前一功能主要是通过测控系统操作面板上的键盘来实现的，后一功能主要是通过显示、记录和报警等装置实现的。本节介绍微机化测控系统的人－机接口及程序。第三节人机接口微机化测控系统通常都要有人－机对话功能，这3.1显示接口及程序测控系统中常用的显示器件有：发光二极管（简称LED）和液晶显示器（简称LCD），在不带微机的测控系统中，这些数字显示器通常与BCD码输出的A/D转换器连接，而在微机化测控系统中，这些数字显示器通常与微机接口连接。

3.1显示接口及程序测控系统中常用的显示器件有：发光二极1.LED显示接口及程序LED（发光二极管）显示器件的工作电压低、功耗小、工作温度范围宽（－30～85℃）、寿命长、成本低、机械强度高、亮度中等、易于与TTL数字逻辑电路连接。7段LED显示器的段排列结构如图a所示，图b、c给出共阴及共阳极7段LED显示电路。对于共阴LED来说，如果当某个字段的阳极为高电平时，相应字段就点亮。若阳极为低电平，则该字段不亮。对于共阳LED则刚好相反。利用7段LED显示器显示数字或字母，需要设计一个字型码。1.LED显示接口及程序LED（发光二极管）显示器件的测控系统原理与设计3主机及接口课件

如下表所示，字型码是单字节结构，对于共阴极7段LED显示器而言，数字0的字型码为3FH，数字1的字型码为06H。D7D6D5D4D3D2D1D0DPgfcdcba如下表所示，字型码是单字节结构，对于共测控系统原理与设计3主机及接口课件

14段LED显示器的段排列如图所示。经适当的组合，可显示数字和26个英文字母的大写与小写。字形代码需占用双字节，如表所示。14段LED显示器也分为共阴极与共阳极两种结构。对于共阴极14段LED显示器而言，数字8的字形代码为813FH，字符M的字形代码为0A36H。onmlkjihdp×fedcba14段LED显示器的段排列如图所示。经适

发光二极管在适当的驱动电流作用下，才能得到需要的亮度。LED是恒压元件，正向电压一般为1.2~2.4V。调整驱动电路即选取限流电阻R，应使LED的工作电流在10~20mA。也可用试验方法，改变限流电阻，得到适合亮度。发光二极管的驱动方式有两种。静态驱动方法：对要显示段始终通以额定电流。动态驱动方法：对要显示段通以矩形脉冲电流。为保证足够的显示亮度，应施加脉冲电流幅度为额定电流的数倍。为实现这种显示方式，各位LED数码管的段选端应并接在一起，由同一个8位I/O口或锁存器/驱动器控制，而各位数码管的位选端分别由相应的I/O口线或锁存器控制。发光二极管在适当的驱动电流作用下，才能后面是用硬件译码电路构成的静态显示电路，此处采用了MC14495和74LS138进行译码驱动。MC14495内带4位输入锁存器、译码器和驱动器，但一个MC14495只能与一位显示块接口，所以需要采用8个MC14495和LED显示块才能构成的8位LED静态显示器电路。MC14495的BCD码输入端挂接在数据总线上，每两片一组，每组形成一个数据字节单元，各字节单元由3－8译码器输出的译码信号进行寻址。译码器的输出受WR控制，只有向这些字节单元中写数据时，译码器才译出地址选通信号，将数据总线上的两位BCD码打入到相应的MC14495芯片锁存器中，从而使两位LED同时产生相应的显示。这种方法结构简单，编程容易。

后面是用硬件译码电路构成的静态显示电路，由MC14495构成的8位静态LED显示器由MC14495构成的8位静态LED显示器

利用软件译码构成的静态显示电路，如后图所示，8031的串行口工作方式0时，为移位寄存器方式。图中利用6片串入并出的移位寄存器74LS164作为6位静态显示器的显示输出口，欲显示的8位段码即字型码通过软件译码产生，并由RXD串行送出去，这样，主程序可不必扫描显示器，从而CPU能用于其它工作。利用软件译码构成的静态显示电路，如后图所图3-3-4软件译码静态显示器接口实例

图3-3-4软件译码静态显示器接口实例START:SETBP1.7;

开放显示器传送控制

MOVR1,#06H MOVR0,#00H;字型码首地址偏移量

MOVDPTR,#TABLOOP:MOVA,R0 MOVCA,@A+DPTR;取出字型码

MOVSBUF,A;发送WAIT:JNBTI,WAIT;等待一帧发送完毕

CLRTI INCR0;指向下一个字型码

DJNZR1,LOOP CLRP1.7;关闭显示器传送控制TAB:DB06H,4FH,3FH,7FH,40H,73H显示“P-8031”START:SETBP1.7

由MC14558构成的8位动态LED显示器

由MC14558构成的8位动态LED显示器

用MC14499构成的4位动态LED显示器用MC14499构成的4位动态LED显示器

用8155实现8位动态LED显示器

用8155实现8位动态LED显示器2．LCD数码显示技术LCD（LiquidCrystalDigit）具有耗电低（mW/cm2），驱动电压低（－~＋几伏），结构空间小而有效显示面积大、体薄物轻等优点。为智能化测控仪器设计提供良好条件。从显示原理上讲，驱动电压为交、直流均可，通常采用交流驱动。应注意交流显示频率信号的对称性，严格限制其直流分量在100mv以下。由于LCD显示器是容性负载，工作频率越高，消耗功率就越大，且对比度也变差，所以宜采用低频工作。低频下限值由人的视觉特性决定，一般选用50～100Hz。从对比度方面考虑，取方波的效果最好。2．LCD数码显示技术LCD（LiquidCrystal

后图为交流驱动LCD显示器原理图。显示频率信号一方面直接加到LCD公共电极B上，另一方面还通过异或门间接加到LCD显示段电极S上。此时，只需控制异或门输入控制端A的电平，就能控制LCD显示器的亮度。当A端为“0”电平时，S端与B端同相位，这时LCD显示器两端的相对电位差为零，LCD显示器熄灭；当A端为“1”电平时，S端与B端反相位，这时LCD显示器两端的相对电位差如果大于LCD显示器的阈值电压，LCD显示器发光。后图为交流驱动LCD显示器原理图。显示测控系统原理与设计3主机及接口课件LCD显示器工作原理LCD显示器工作原理七段LCD显示电路七段LCD显示电路后图所示为采用硬件译码器的LCD驱动接口。LCD显示器采用4N07。4N07的工作电压为3~6V，阈值电压为1.5V，工作频率为50～200Hz，采用静态工作方式，译码器驱动器采用MC14543。MC14543是带锁存器的CMOS型译码启动器，可以将输入的BCD码数据转换为7段显示码输出。驱动方式由PH端控制，在驱动LCD时，PH端输入显示方波信号。LD是内部锁存器选通，LD为高电平时，允许A~D端输入BCD码数据；LD为低电平时，锁存输入数据。BI端是消隐控制，BI端为高电平时消隐，即输出端a~g端输出信号的相位与PH端相同。图中，每块MC14543各驱动一位LCD，BCD码输入端A~D接到8031的P1.0~P1.3，锁存器选通端LD分别接到P1.4~P1.7，由P1.4~P1.7分别控制4块MC14543输入BCD码。MC14543的相位端PH接到8031的P3.7，由P3.7端提供一个显示用的低频方波信号。这个方波信号同时也提供给LCD显示器的公共端COM。

后图所示为采用硬件译码器的LCD驱动接口。LCD显示器采用4硬件译码静态LCD显示实例硬件译码静态LCD显示实例动态LCD驱动接口动态LCD驱动接口3.2键盘接口键盘的种类：键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。键盘的接口必须解决下列的一些问题：（1）决定是否有键按下；（2）如有键按下，决定是哪一个键被按下；（3）确定被按键的读数；（4）反弹跳—按键抖动的消除。（5）处理同时按键既同时有一个以上的按键。3.2键盘接口键盘的种类：键盘上闭合键的识别是由专用测控系统原理与设计3主机及接口课件3.2.1非编码键盘独立连接式非编码键盘CPU接口+V10kΩ*43.2.1非编码键盘独立连接式非编码键盘CPU接+V101.独立式键盘接口电路1.独立式键盘接口电路2.矩阵式非编码键盘识别按键的方法行扫描法线反转法行线x2x1x0y0y1y2y3列线0489512376AB10KΩ*4+5V行码列码0键：11011101键：11011012键：11010113键：11001114键：10111105键：1011101A键：01110112.矩阵式非编码键盘识别按键的方法行扫描法行x2x1x线反转法并行接口11010000+5V+5V并行接口11011011+5V+5V线反转法并行接口1+5V+5V并行接口1+5V+矩阵式键盘接口电路矩阵式键盘接口电路中断方式矩阵键盘接口中断方式矩阵键盘接口非编码键盘接口P2.7P2.0WRRDALEP08031CEIO/MWRRDALED0~D7PA7PA0PC0PC1PC2PC3+5V0123456789101112131415161718192021222324252627282930315.1K×4+5V1K20µFRESET8155PA6PA5PA4PA3PA2PA1非编码键盘接口P2.7P2.0WRRDALEP08031CE8155扩展键盘显示器接口电路8155扩展键盘显示器接口电路键盘信号的获取方法有三种：

程序扫描法 中断扫描法 定时中断法键盘监控程序设计方法有： 直接分析法 状态矩阵法键盘信号的获取方法有三种：按键时的抖动按键时的抖动3.2.2编码键盘

编码键盘的基本任务是识别按键，提供按键读数，一个高质量的编码键盘还应具有反弹跳、处理同时按键等功能。静态编码器—普通编码器如74148。可编程键盘/显示接口如8279。3.2.2编码键盘编码键盘的基本任务是识别1.静态式编码器接口A0’A1’A2’键0123456700001111001100110101010111101234567101112131234897674148EIA0A1A2A2’A1’A0’1.静态式编码器接口A0’A1’A2’键0000112.8279键盘/显示器接口

用8279芯片可方便的构造编码式键盘系统，它具有结构简单、功能强、节省时间与节省存储单元等特点。2.8279键盘/显示器接口用8279芯片可方便的8279包括键盘与显示两部分键盘部分：为64个按键的阵列提供扫描；自动消除键抖动影响；具有对按键同时按下的保护；能把键信息存入8字符先进先出栈（FIFO）；可向CPU发中断请求，得到相应后，使CPU获取按键信息；也可接受CPU对键信息的查询。8279包括键盘与显示两部分键盘部分：显示部分：16字节显示RAM，可用于刷新显示；显示RAM可由CPU直接读/写；8279对显示RAM能够以地址自动增1方式进行读/写；显示方式具有从显示器左端或右端送入两种。显示部分：(1)8279引脚功能

与CPU的接口线共15个引脚：D0~D7 双向三态数据总线、RESET复位输入端；片选输入端；CLK时钟输入端；A0数据选择输入端；读操作输入端；写操作输入端；IRQ中断请求输入端。

(1)8279引脚功能与CPU的接口线共15个引脚与键盘的接口线共14个引脚：SL0~SL3扫描输出端，用于扫描键盘和显示器。可以编程设定为编码或译码输出。RL0~RL7返回输入端。它们可通过键盘矩阵与扫描线相连，内部电路使其保持高电平，直至有键闭合使相应线拉向低电平。在选通方式下，用作8位输入。SHIFT移位输入端，在键盘扫描方式下，它与键代码一起被存储，常用来扩充上下挡功能键。在传感器方式和选通方式下，SHIFT无效。CNTL/STB控制/选通输入端。在键盘工作方式下，用作输入存储键信息；在选通方式下，用作选通数据存入FIFORAM；在传感器方式下无效。与键盘的接口线共14个引脚：8279与显示器的接口线共9根OUTA0~OUTA3A组显示输出端。输出显示数据，多位数字显示时应与扫描线SL0~SL3同步。OUTB0~OUTB3B组显示输出端。与A组功能相同，可以单独使用，也可以将两组合并使用BD显示消隐输出端。此外，VCC、VSS为电源和地端。8279与显示器的接口线共9根(2)8279命令(2)8279命令(2)8279命令(2)8279命令(2)8279命令(2)8279命令(3)8279状态字用于键盘方式和选通方式时，指示FIFORAM中字符数以及有无错误发生。D7D6D5D4D3D2D1D0DuS/EOUFNNN(3)8279状态字用于键盘方式和选通方式时，指示F8279状态字含义Du显示无效特征位。Du＝1表示显示无效。当清除显示RAM或全清命令未完成时，Du=1.S/E传感器信号结束/错误特征位。当8279工作在传感器方式时，若S/E＝1，表示传感器的最后一个传感器信号已进入传感器RAM。当8279工作在特殊错误方式时，若S/E＝1，表示出现了多键同时按下错误。O、U超出、不足错误特征位。当FIFORAM已装满，其他键数据企图写入FIFORAM时，则使O＝1。当FIFORAM已置空，CPU还企图读出时，则使U＝1。F是FIFO满标志位。当F=1时，表示FIFORAM中已满。NNN表示FIFORAM中的字符数。8279状态字含义Du显示无效特征位。Du＝1表示显示无效键盘扫描方式下，8279的键输入数据格式

RETURN为键所在的行号，由RL0~RL7状态确定。SCAN为键所在的列号，由RL0~RL3状态确定。SHIFT为控制键的状态位，常用于上、下挡控制键的状态。CNTL为控制键的状态位，常用于其他键连用作为特殊命令。D7D6D5D4D3D2D1D0CNTLSHIFTSCANRETURN键盘扫描方式下，8279的键输入数据格式RETURN为键所传感器方式或选通方式下，8279的键输入数据格式

8位输入数据为RL0~RL7的状态D7D6D5D4D3D2D1D0RL7RL6RL5RL4RL3RL2RL1RL