计算机控制技术 第2版 课件 第3章过程通道

3.1概述3.2模拟量输入通道3.3模拟量输出通道3.4数字量输入输出通道3.5数据处理和数字滤波3.6过程通道的可靠性措施第3章过程通道3.1概述一个过程通道实例：过程输入输出通道的一般结构3.1.1过程通道的分类1、模拟量输入通道2、模拟量输出通道3、数字量输入通道4、数字量输出通道3.1.2过程通道的功能模拟量输入通道：将生产过程的模拟量转换成计算机所能接受的数字量并输入到计算机。模拟量输出通道：

将计算机输出的数字量转换成模拟量去控制生产对象。数字量输入输出通道：

对处理的数字量进行电平变换和噪声隔离等处理并与计算机交换信息。3.2模拟量输入通道3.2.1模拟量输入通道的组成和结构形式（a）多路共享A/D转换器模拟量输入通道结构（b）独立式A/D转换器模拟量输入通道结构3.2.2信号调理电路1．小信号放大电路（1）固定增益放大器增益：一般采用差动输入放大器（2）可变增益放大器

PGA202/PGA203表3-1PGA203/203的增益选择及误差增益选择输入端PGA202PGA203A1A0增益误差增益误差0010.05%10.05%01100.05%20.05%101000.05%40.05%1110000.05%80.05%

其他放大倍数可通过外接缓冲器及衰减电阻获得。电阻R1、R2与增益的关系增益R1/ΩR2/Ω25k5k52k8k101k9k2．I/U变换电流输出

仪表DDZ-Ⅱ：0～10mA

仪表DDZ-Ⅲ,DDZ-S：4～20mA电压输出

1~5V（1）无源I/U变换（利用无源器件完成）0～10mA:

R1100ΩR2500Ω0～5V输出4～20mA:

R1100ΩR2250Ω 1～5V输出（2）有源I/U变换（利用有源器件完成）

0～10mA:R1200ΩR3100kΩR4150kΩ0～5V输出4～20mA:

R1200ΩR3100kΩR425kΩ1～5V输出同相放大器倍数

A=1+R4/R33.2.3多路转换器理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。

又称多路开关，用来切换模拟电压信号。

CD4051原理图INH：禁止端C、B、A：通道选择输入端OUT/IN：输出/输入端表3-3CD4051真值表输入状态接通通道INHCBACD40511XXX不工作0000000011001020011301004010150110601117多路开关扩展

两个CD4051的扩展成16通道

两个多路开关状态相反，一根地址线作为两个多路开关的片选信号，通道选择输入端共用一组地址（或数据）总线进行选通。D3=0，选中1#D3=1，选中2#3.2.4采样保持器1．AD转换时间和转换误差的消除－转换时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时间。

－转换误差的消除：采用采样保持器要达到要求的转换精度，信号的频率范围：最大相对误差最大相对误差要小于要求的误差范围σ,即如：某A/D转换器转换时间为100us，若要求转换误差小于0.4%，则待转换的模拟信号的最大频率为：结论:

若A/D转换期间内，信号变化过快将导致较大的转换误差，为保证足够的转换精度，要求对频率较大的信号转换时，在A/D转换器前增加采样保持器。－采样保持器：把t=KT时刻的采样值保持到A/D转换结束。2．采样保持器的工作原理

采样：S闭合，CH快速充电，VOUT跟随VIN保持：S断开，VOUT保持VC注:缓慢变化的信号可不用采样保持器S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成。3．常用的采样保持器：LF398

采样保持控制引脚8：高电平，采样 低电平，保持

图3-13LF398的组成原理图

CH外接高品质电容，其减小可以提高采样频率（采样时间少），但精度会有所降低。反之，CH增大可提高精度。3.2.5A/D转换器1．A/D转换器的技术指标1）分辩率（位数）、分辨力2)转换时间3）转换精度4）偏移误差5）满刻度误差6）线性度2．A/D转换器的位数选择1）若已知转换信号动态范围ymin~ymax，量化单位q（分辨力）：A/D转换器的位数为：2）若已知转换信号的分辨率D：例3.1某温度控制系统的温度范围是0~2000C，要求分辨率是0.005（200×0.005=1，0.005相当于分辨力为10C）A/D转换器字长可选8位。3．8位A/D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,误差±1/2LSB图3-14ADC0808/0809内部结构框图可直连！8通道模拟开关及通道选择：

ALE为高电平，C、B、A为通道选择端，选择CBA解码输出的通道号，其中C为最高位，A为最低位。转换启动：START收到正脉冲转换结束：EOC从低电平变为高电平基准电压：VREF(+)=5.12V,VREF(-)=0VADC0809时序图：正在转换启动转换转换结束4．12位A/D转换器AD574A单通道12位逐次逼近A/D转换器,转换时间25us,误差±1/2LSB，单极性或双极性输入，量程10V或20V。AD574控制信号功能组合表CEA0工作状态0××××禁止X1×××禁止100×0启动12为转换100×1启动8位转换101接+5V×12位并行输出有效101接地0高8位并行输出有效101接地1低4位加上尾随4个0有效5、串行A/D转换器MAX1241

低功耗、低电压的12位串行逐次逼近型A/D转换器转换时间9us。采用三线式串行接口，内置快速采样/保持电路。图3-17MAX1241内部结构和管脚定义图3-18MAX1241工作时序3.2.6A/D转换器与计算机的接口设计及仿真1．A/D转换器与计算机接口逻辑设计要点（1）数字量输出信号的连接：考虑是否有锁存（2）A/D转换器的启动方式：脉冲启动、电平启动（3）时钟信号的连接：芯片内部、外部时钟（4）转换结束信号的处理方法：延时、查询、中断2．8位A/D转换器的程序设计及仿真（1）查询方式START:MOVR0，#35H

MOVDPTR，#7FF8H；指向IN0

MOVX@DPTR，A；启动A/D转换LOOP1:JBP1.7，LOOP1；等待EOC=0

LOOP2：JNBP1.7，LOOP2；P1.7=1时转换结束

MOVXA，@DPTR；读转换结果

MOV@R0，A；存入RAM单元ADC0809当外部存储器统一编址图3-20ADC0809位操作查询方式硬件接口P2.7正脉冲时地址锁存和启动转换，

P2.6为高电平时输出使能。MOVR2，#35HLOOPMOVR1,#00HLOOP1:MOVP1,R1

CLR P2.7SETB P2.7CLR P2.7 ；启动转换

JNB P2.5,$ ；等待结束

SETB P2.6 ；允许输出

MOV R2,P0 ；暂存结果

CLR P2.6 ；关闭输出

INCR1

对IN0~IN7通道进行巡回检测并将检测结果存放在35H为起始地址的存储空间中。INCR2MOVA,R1ANLA,#08HJZLOOP1

AJMPLOOP（2）延时方式MOVDPTR，#7FF8HMOVX@DPTR，A

MOVR7,#100DELAY：DJNZR7，DELAY

MOVXA，@DPTR（3）中断方式图3-21ADC0809中断方式仿真电路图1）电位器模拟0~5V模拟信号；

2）P3.0~P3.2选择通道号；

3）P2.0~P2.3选择显示位，通道号+3位数字量；

4）单片机的外部中断为下降沿触发，EOC需经过反相器后再连接；

5）P0口作为普通I/O口，需要加接上拉电阻。

6）单片机时钟频率12MHz，ADC0809时钟频率为500kHz。3．高于8位的A/D转换器及其与单片机的接口设计图3-22AD574A与80C51单片机的接口电路1）STS与P1.0相连，接口采用查询方式。2）AD574A片内有时钟，无需外加时钟信号。3）AD574A内部含有三态锁存器，可直接与单片机数据总线相连。4）AD574A是12位向左对齐输出格式，低4位DB3~DB0接到高4位DB11~DB8上。读出时，第一次读DB11~DB4（高8位），第二次读DB3~DB0（低4位）。此时，DB7~DB4为0000H。①数据格式选择端12/8接地，数据分两次读出。②CS接地，芯片总是被选中；CE均为1；R/C控制端由P0.1控制。P0.1=1时，启动A/D转换，而P0.1=1时，则读取A/D转换结果。③A0由P0.0控制。转换过程，A0=0，按12位转换；读数时，P0.0=0读取高8位数据，P0.0=1，读取低4位数据。5）片选信号由P0.7控制。采用寄存器寻址方式。启动AD574A的地址是0FCH，读取高8位数据地址为0FEH，读取低4位数据地址为0FFH。ORG0200HATOD：MOVDPTR，#9000H；设置数据地址指针

MOVP2，#0FFH

MOVR0，#0FCH；设置启动A/D转换的地址

MOV@R0,A；启动A/D转换LOOP：JBP1.0，LOOP；检查A/D转换是否结束？

INCR0INCR0MOVXA，@R0;读取高8位数据

MOVX@DPTR，A；存高8位数据

INCR0INCDPTRMOVXA，@R0；读取低4位数据

MOVX@DPTR，A；存低4位数据HERE：AJMPHERE查询方式的A/D转换程序如下：4．串行A/D转换器与单片机的接口设计使用普通端口的接口b.使用串行口的接口接口电路的采集程序：MOVA，#00H MOVR6，#04H MOVR7，#08HCLRP1.2CLRP1.0；启动WAIT：JNBP1.2，WAIT；等待结束GAOWEI：SETBP1.1 CLRP1.1

MOVC，P1.2；输入一位

RLCA；左移

DJNZR6，GAOWEI；

MOV21H，A；存高4位DIWEI：SETBP1.1 CLRP1.1

MOVC，P1.2 RLCA DJNZR7，DIWEI

MOV20H，A

SETBP1.1 CLRP1.1 SETBP1.0 RET3.3模拟量输出通道3.3.1模拟量输出通道的组成和结构形式1．一个通道设置一片D/A转换器主要取决于输出保持器的构成方式。优点:转换速度快，工作可靠，

缺点:使用较多D/A转换器，价格高。2．多个通道共用一片D/A转换器优点:节省D/A转换器。缺点：分时工作，速率低，可靠性较差。3.3.2D/A转换器1．D/A转换器的技术指标1）分辨率。2）建立时间3）转换线性度2．D/A转换器的位数选择设执行机构的最大输入值为Umax

，最小输入值为Umin

，灵敏度为λ，可得D/A转换器的字长如，对于最大行程范围对应控制信号0~10mA控制电流的电动执行机构，其启动电流（即控制死区）通常是150uA。（1）DAC0832的结构及原理图3-26

DAC0832原理框图3．8位D/A转换器DAC0832（2）DAC0832的工作方式3）双缓冲方式：数据经过两次锁存后再转换。（两个寄存器全部当作外部存储器统一编址，可用P2.6接CS，P2.7接XFER实现）2）单缓冲方式：数据只经过一次锁存。（控制其中一个寄存器当外部存储器统一编址，可用P2.7接CS和XFER实现）1）直通方式：数据不锁存，直接转换不用寄存器，ILE=1，CS=WR1=WR2=XFER=0（3）、DAC0832的输出方式1）单极性电压输出图3-27

DAC0832单极性电压输出电路2）双极性电压输出图3-28DAC08323双极性电压输出图图3-29AD667结构原理图4．12位D/A转换器AD667表3-7AD667真值表A3A2A1A0操作1XXXX无操作X1111无操作01110选通第一级低四位寄存器01101选通第一级中四位寄存器01011选通第一级高四位寄存器00111从第一级向第二级置数00000所有锁存器均透明3.3.3、D/A转换器与计算机的接口设计及仿真1．D/A转换器与计算机的接口设计要点1）数字量输入端的连接:位数、是否锁存2）外部控制信号的连接：片选、写、启动信号、电源3）D/A转换器与单片机的接口程序特点：

作为端口还是作为外部存储器2．8位D/A转换器与单片机的接口设计及仿真（1）DAC0832与计算机的单缓冲方式接口START:MOVDPTR,#7FFFH；D/A转换器地址

MOVA,#NNH；待转换的数字量送A

MOVX@DPTR,A

；输出D/A转换数字量P2.7=0时选择第一个缓冲器。（2）DAC0832与计算机的双缓冲方式接口START:MOVDPTR,#0BFFFH

；第一级地址

MOVA,#NNH；待转换的数字量送AMOVX@DPTR,A；

MOVDPTR,#7FFFH

；第二级地址

MOVX@DPTR,A；进行D/A转换P2.6=0时片选第一个缓冲器；P2.7=0时选择第二个缓冲器。（2）DAC0832与计算机的双缓冲方式接口（同步）图3-32两路D/A转换器要求同步转换输出的接口电路（3）DAC0832与计算机的直通方式接口及仿真图3-33DAC0832输出方波仿真电路DAC0832输出方波：对两个不同的数字量进行转换后，延时。可修改延时时间调节方波的占空比和频率。（4）DAC0832输出锯齿波仿真实例图3-35DAC0832输出锯齿波仿真电路DAC0832产生锯齿波待转换的数字量存储在寄存器中，DAC0832对寄存器中的数据进行转换，每转换一次，寄存器的值减一（或加一），直到寄存器的值为0（或FFH），循环。改变寄存器的初值、终值、减或加的数值来改变输出的锯齿波的起始电压、终止电压及频率。3．高于8位D/A转换器与单片机的接口设计图3-3812位的D/A转换器AD667与8051的接口MOVR0,#DATA；建立数据存放地址指针MOVDPTR,#81FFH；建立DA地址指针MOVA,@R0;MOVX@DPTR,A；传送低8位数据INCDPH；修改D/A地址INCR0；指向高4位数据存放的RAM单元MOVA,@R0；取高4位数据MOVX@DPTR,A；传送高4位数据及进行12位D/A转换3.4数字量输入输出通道3.4.1数字量输入通道1．数字量输入接口电路图3-39数字量输入接口电路2．输入信号调理电路（1）小功率输入调理电路采用积分电路（b）采用RS触发器图3-40小功率输入调理电路（2）大功率输入调理电路图3-41大功率输入信号调理电路3.4.2数字量输出通道1．数字量输出接口图3-42数字量输出接口电路2．输出信号驱动电路（1）低电压开关量信号输出技术图3-43低压开关量输出图3-44晶体管输出驱动（2）继电器输出接口技术图3-45继电器输出电路（3）固态继电器输出接口1）直流型SSR图3-46直流型SSR电气原理图2）交流型SSR图3-47交流型SSR电气原理图3.4.3数字量输入输出通道设计实例图3-48步进电机的单片机控制电路单三拍工作P2.7=1正转：A-B-C-A-B-...P2.7=0反转：A-C-B-A-C-...正转：P1.0高-P1.1高-P1.2高反转：P1.0高-P1.2高-P1.1高正转：P1=01H-02H-04H-01H...反转：P1=01H-04H-02H-01H...ORG0100HRUN1:MOVA,#N；步数为NJNBP2.7,LOOP2；反转LOOP1：MOVP1，#01H；正转

ACALLDELAY；

DECA；JZDONE

MOVP1，#02H

ACALLDELAYDECAJZDONE

MOVP1，#04H

ACALLDELAYDECAJNZLOOP1

AJMPDONELOOP2：MOVP1，#01H

ACALLDELAYDECAJZDONE

MOVP1，#04H

ACALLDELAYDECAJZDONE

MOVP1，#02H

ACALLDELAYDECAJNZLOOP2DONE:…DELAY:…3.5数据处理和数字滤波3.5.1线性化处理1．线性插值法图3-49线性插值法示意图k为直线的斜率2．分段插值算法程序的设计方法步骤：（1）用实验法测量出传感器的变化曲线，y=f(x)或各插值节点的值（xi，yi），i=0,1,2,…,n。（2）将上述曲线分段，选择各插值基点。（3）根据各插值基点的（xi-yi）值，使用相应的插值公式，求出模拟y=f(x)的近似表达式Pn(x)。（4）根据Pn(x)编写出应用程序。两种分段方法:1）等距分段法2）非等距分段法3.5.2标度变换1．线性参数标度变换

线性参数:指一次仪表测量值与A/D转换的结果具有线性关系

A0为一次测量仪表的下限；Am为一次测量仪表的上限；Ax为实际测量值（工程量）；N0为仪表下限对应的数字量；Nm为仪表上限对应的数字量；Nx为测量值所对应的数字量例3-2某热处理炉温度测量仪表的量程为2000~12000C，采用8位A/D转换器，设在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0CDH，设仪表量程为线性的，求此时的温度值。解：A0=2000C，Am=12000C，N0=0，Nm=FFH=255D，Nx=CDH=205D，得：2．非线性参数标度变换

传感器测出的数据与实际的参数之间直接按解析式来计算。测量流量时的标度变换式：3.5.3数字滤波及MATLAB仿真1．限幅滤波

数字滤波，通过一定的计算或判断程序对数字信号进行滤波与平滑，加强有用信号成分，消除或减少各种干扰和噪声信号。

把两次相邻的采样值相减，求出增量，然后与两次采样允许的最大差值ΔY进行比较，若小于或等于ΔY，则取本次采样值；若大于ΔY，则取上次采样值作为本次采样值。

滤除：随机脉冲干扰和采样器不稳定引起的失真。2．中值滤波

对某一参数连续采样N次（N≧3，且一般N取奇数），然后把N次