第4章

過(guò)程通道與人機(jī)接口

2/1/20231過(guò)程通道

過(guò)程通道是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）輸入通道、數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）輸出通道。2/1/20232人機(jī)接口計(jì)算機(jī)和操作人員之間常常需要互通信息，為此計(jì)算機(jī)和操作人員之間應(yīng)設(shè)置顯示器和操作器，其中一種是CRT顯示器和鍵盤，另外一種是針對(duì)某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程控制的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的操作控制臺(tái)等。通常把上述兩類設(shè)備簡(jiǎn)稱為人機(jī)接口。作用：顯示生產(chǎn)過(guò)程的狀況；供操作人員操作；顯示操作結(jié)果。2/1/20233本章主要內(nèi)容數(shù)字量輸入輸出通道模擬量輸出通道模擬量輸入通道人機(jī)接口2/1/20234數(shù)字量的種類數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸入輸出通道的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)4.1數(shù)字量輸入輸出通道2/1/202354.1.1數(shù)字量的概念及種類(1)數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）的概念開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)

指示燈的亮與滅

繼電器或接觸器的吸合與釋放電機(jī)的啟動(dòng)與停止

設(shè)備的安全狀況等。2/1/202364.1.1數(shù)字量的概念及種類(1)ZelioRelay可插拔式中間繼電器2/1/202372/1/202384.1.1數(shù)字量的概念及種類(2)數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）的種類按類型分有電平式和觸點(diǎn)式兩種電平式為高電平或低電平觸點(diǎn)式為觸點(diǎn)閉合或觸點(diǎn)斷開(kāi)，一般分兩類：機(jī)械觸點(diǎn)：按鈕、旋鈕、行程開(kāi)關(guān)、繼電器等觸點(diǎn)電子觸點(diǎn)：晶體管輸出型的接近開(kāi)關(guān)和光電觸點(diǎn)等

2/1/202394.1.2數(shù)字量輸入通道(1)DI的任務(wù):把外界被控對(duì)象的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)、或數(shù)字信號(hào)送至計(jì)算機(jī)或微處理器。

2/1/2023104.1.2數(shù)字量輸入通道(2)1．?dāng)?shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)圖4.1.數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)2/1/2023114.1.2數(shù)字量輸入通道(3)2．輸入調(diào)理電路外部裝置或生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)信號(hào)，可能是電壓、電流、開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)等，會(huì)引起瞬時(shí)的高壓、過(guò)低壓、接觸抖動(dòng)等現(xiàn)象為了將外部開(kāi)關(guān)量引入到計(jì)算機(jī)，必須將現(xiàn)場(chǎng)輸入的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào)，這些功能稱為信號(hào)調(diào)理。

2/1/2023124.1.2數(shù)字量輸入通道(4)(1)．小功率輸入調(diào)理電路

消除由于觸點(diǎn)機(jī)械擾動(dòng)而產(chǎn)生的震蕩信號(hào)圖4.2小功率輸入調(diào)理電路(消除抖動(dòng))010111002/1/2023134.1.2數(shù)字量輸入通道(5)(2)．大功率輸入調(diào)理電路

為使接點(diǎn)工作可靠，接點(diǎn)兩端使用24直流電壓電容濾波，采用光耦隔離，克服干擾并達(dá)到安全目的2/1/2023144.1.2數(shù)字量輸入通道(6)3．常用的幾種數(shù)字量輸入的接線方式

●在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，經(jīng)常用到的數(shù)字量輸入有：按鈕、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器等?！癜粹o是無(wú)源接點(diǎn)，晶體管輸出型的接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器等的輸出有NPN和PNP兩種方式?！裣旅娣謩e以源極和漏極輸入為例，來(lái)介紹工業(yè)中常見(jiàn)的幾種數(shù)字量輸入的接線方法。2/1/2023154.1.2數(shù)字量輸入通道(7)(1)．漏極輸入

圖4.4

漏極輸入的數(shù)字量輸入接線原理框圖2/1/2023164.1.2數(shù)字量輸入通道(8)(2)．源極輸入

圖4.5

源極輸入的數(shù)字量輸入接線原理框圖2/1/2023174.1.3數(shù)字量輸出通道(1)DO的任務(wù)：把計(jì)算機(jī)送出的數(shù)字信號(hào)（或開(kāi)關(guān)信號(hào)）傳送給開(kāi)關(guān)器件，如指示燈、繼電器，控制它們的通斷、閉合或亮、滅等。2/1/2023184.1.3數(shù)字量輸出通道(2)1．?dāng)?shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)2/1/2023194.1.3數(shù)字量輸出通道(3)2．輸出驅(qū)動(dòng)電路●晶體管輸出驅(qū)動(dòng)電路●繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路●固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路2/1/2023204.1.3數(shù)字量輸出通道(4)(1)．晶體管輸出驅(qū)動(dòng)電路光耦加晶體管，適合小功率直流驅(qū)動(dòng)，動(dòng)作快，可頻繁動(dòng)作2/1/2023214.1.3數(shù)字量輸出通道(5)(2)．繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路光耦加晶體管加繼電器，適合交直流驅(qū)動(dòng)，動(dòng)作慢，壽命有限2/1/2023224.1.3數(shù)字量輸出通道(6)(3)．固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路光耦加SSR，適合交流驅(qū)動(dòng)，可頻繁動(dòng)作，抗干擾能力強(qiáng)2/1/202323零交叉電路是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過(guò)零時(shí)，SSR才會(huì)變?yōu)橥☉B(tài)；而當(dāng)斷開(kāi)控制信號(hào)后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，SSR才會(huì)變?yōu)閿鄳B(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止產(chǎn)生高次諧波干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染。所以只有在交流電壓的零電位點(diǎn)，ACSSR才會(huì)導(dǎo)通（有控制電壓信號(hào)）或關(guān)斷（無(wú)控制電壓信號(hào)）。當(dāng)AC電壓為零時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)，這就使得繼電器中的半導(dǎo)體設(shè)備安全、容易的通斷。

2/1/2023244.1.4數(shù)字量輸入輸出通道的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)(1)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)量的輸入輸出接口極其普遍。在設(shè)計(jì)上，一般都將開(kāi)關(guān)量的輸入輸出接口做在同一塊模板上，這樣可以節(jié)省硬件成本，充分利用計(jì)算機(jī)的有限資源，方便用戶使用。圖4.10給出了PC總線的DIO模板原理圖2/1/202325圖4.10PC總線的數(shù)字量輸入輸出模板原理圖2/1/2023264.2模擬量輸出通道2/1/202327本節(jié)主要內(nèi)容D/A轉(zhuǎn)換器原理D/A轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路D/A轉(zhuǎn)換器的輸出D/A轉(zhuǎn)換器接口的隔離技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換模板的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)2/1/2023284.2模擬量輸出通道模擬量輸出通道的功能模擬量輸出通道的組成接口電路控制電路數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A）電壓/電流（V/I）變換器等2/1/2023294.2.1D/A轉(zhuǎn)換器原理（1）1.D/A轉(zhuǎn)換器工作原理D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量是由二進(jìn)制代碼按數(shù)位組合起來(lái)表示的，任何一個(gè)n位的二進(jìn)制數(shù)，均可用表達(dá)式DATA=D020+D121+D222+……+Dn-12n-1來(lái)表示。其中Di=0或1(i=0,1…n-1)；20，21，…2n-1分別為對(duì)應(yīng)數(shù)位的權(quán)。在D/A轉(zhuǎn)換中，要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須先把每一位代碼按其“權(quán)”的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將各分量相加，其總和就是與數(shù)字量相應(yīng)的模擬量，這就是D/A轉(zhuǎn)換的基本原理。2/1/2023304.2.1D/A轉(zhuǎn)換器原理（2）D/A轉(zhuǎn)換器的主要組成基準(zhǔn)電壓VREFT型（R-2R）電阻網(wǎng)絡(luò)位切換開(kāi)關(guān)BSi（i=0，1，…，n-1）運(yùn)算放大器A輸出電壓VOUT與輸入二進(jìn)制數(shù)D0~Dn-1的關(guān)系

VOUT=－VREF（D020+D121+D222+…+Dn-12n-1）/2n2/1/2023314.2.1D/A轉(zhuǎn)換器原理（3）T型網(wǎng)絡(luò)組成的D/A轉(zhuǎn)換器原理圖圖4.11D/A轉(zhuǎn)換的原理框圖II1I1I2In-1In2/1/2023324.2.1D/A轉(zhuǎn)換器原理（4）2.D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)分辨率：基準(zhǔn)電壓與2的比值=Vref/2=1LSB最低有效位(LeastSignificantBit)穩(wěn)定時(shí)間（又稱轉(zhuǎn)換時(shí)間）

輸入二進(jìn)制數(shù)變化量是滿量程時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出達(dá)到離終值1/2LSB時(shí)所需時(shí)間絕對(duì)精度

全量程范圍內(nèi)，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差nn2/1/2023334.2.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路（1）D/A轉(zhuǎn)換器的種類按數(shù)字量輸入方式，有并行輸入和串行輸入按模擬量輸出方式電流輸出和電壓輸出按D/A轉(zhuǎn)換的分辯率低分辯率、中分辯率和高分辯率2/1/2023344.2.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路（2）1.8位D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832DAC0832是8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片，DAC0832具有以下主要特點(diǎn)：●與TTL電平兼容；●分辨率為8位；●建立時(shí)間為1μs；●功耗為20mW；●電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。2/1/2023354.2.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路（3）(1)DAC0832結(jié)構(gòu)框圖及引腳說(shuō)明圖4.12DAC0832的結(jié)構(gòu)框圖和引腳2/1/2023364.2.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路（4）(2)DAC0832工作過(guò)程①CPU執(zhí)行輸出指令，輸出8位數(shù)據(jù)給DAC0832；②在CPU執(zhí)行輸出指令的同時(shí)，使ILE、/CS、/WR1三個(gè)控制信號(hào)端都有效，8位數(shù)據(jù)鎖存在8位輸入寄存器中；③當(dāng)/WR2、/XFER兩個(gè)控制信號(hào)端都有效時(shí)，8位數(shù)據(jù)再次被鎖存到8位DAC寄存器，這時(shí)8位D/A轉(zhuǎn)換器開(kāi)始工作，8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的模擬電流，從Iout1和Iout2輸出。2/1/2023374.2.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路（5）雙緩沖方式單緩沖方式直通方式(3)DAC0832的工作方式2/1/2023384.2.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路（6）(4)DAC0832接口電路圖4.13DAC0832接口電路2/1/2023394.2.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路（7）2.12位D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC1210與8位DAC0832的2點(diǎn)區(qū)別分辨率為12位，有12條數(shù)據(jù)輸入線（DI0~DI11），采用24腳雙立直插式封裝。可用字節(jié)控制信號(hào)BYTE1/2控制數(shù)據(jù)的輸入該信號(hào)為高電平時(shí)，12位數(shù)據(jù)（DI0~DI11）同時(shí)存入第一級(jí)的兩個(gè)輸入寄存器；當(dāng)該信號(hào)為低電平時(shí)，只將低4位數(shù)據(jù)（DI0~DI3）存入低4位輸入寄存器。2/1/2023404.2.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路（8）(1)DAC1210結(jié)構(gòu)框圖及引腳說(shuō)明圖4.14DAC1210原理框圖00111002/1/2023414.2.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路（9）(2)DAC1210接口電路圖4.15DAC1210接口電路2/1/2023424.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的輸出（1）在計(jì)算機(jī)過(guò)程控制中，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電流控制的，也有電壓控制的，因此根據(jù)不同的情況，使用不同的輸出方式。D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果若是與輸入二進(jìn)制碼成比例的電流，稱為電流DAC，若是與輸入二進(jìn)制碼成比例的電壓，稱為電壓DAC。2/1/2023434.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的輸出（2）1.電壓輸出(1)單極性電壓輸出圖4.16單極性電壓輸出原理圖2/1/2023444.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的輸出（3）(2)雙極性電壓輸出圖4.17雙極性電壓輸出原理圖2/1/2023454.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的輸出（4）2.電流輸出圖4.18D/A轉(zhuǎn)換器的電流輸出2/1/2023464.2.4D/A轉(zhuǎn)換器接口的隔離技術(shù)（1）由于D/A轉(zhuǎn)換器輸出直接與被控對(duì)象相連，容易通過(guò)公共地線引入干擾，因此要采取隔離措施。通常采用光電耦合器，使控制器和被控對(duì)象只有光的聯(lián)系，達(dá)到隔離的目的。光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在同一管殼內(nèi)組成，發(fā)光二極管的輸入和光敏三極管的輸出具有類似于普通三極管的輸入-輸出特性兩種隔離方式：模擬信號(hào)隔離和數(shù)字信號(hào)隔離。2/1/2023474.2.4D/A轉(zhuǎn)換器接口的隔離技術(shù)（2）1.模擬量隔離圖4.19模擬信號(hào)隔離輸出電路Vout1Vout2ILIwV_2/1/2023484.2.4D/A轉(zhuǎn)換器接口的隔離技術(shù)（3）模擬信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是：只使用少量的光電耦合器，成本低；缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy，如果光電耦合器挑選不合適，將會(huì)影響變換的精度和線性度。2/1/2023494.2.4D/A轉(zhuǎn)換器接口的隔離技術(shù)（4）2.數(shù)字量隔離圖4.20數(shù)字信號(hào)隔離輸出電路2/1/2023504.2.4D/A轉(zhuǎn)換器接口的隔離技術(shù)（5）數(shù)字信號(hào)隔離的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡(jiǎn)單，不影響轉(zhuǎn)換的精度和線性度；缺點(diǎn)是使用較多的光電耦合器，成本高。2/1/2023514.2.5D/A轉(zhuǎn)換器模板的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)(1)1.D/A轉(zhuǎn)換器模板的設(shè)計(jì)原則合理地選擇D/A轉(zhuǎn)換芯片及相關(guān)外圍電路，掌握各類集成電路性能指標(biāo)及引腳功能，以及與D/A轉(zhuǎn)換模板連接的CPU或計(jì)算機(jī)總線的功能、接口及其特點(diǎn)；軟硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，不增加硬件成本就能實(shí)現(xiàn)的功能應(yīng)由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要增加硬件成本才能實(shí)現(xiàn)的功能，同時(shí)軟件也能實(shí)現(xiàn)的功能由軟件實(shí)現(xiàn)。2/1/2023524.2.5D/A轉(zhuǎn)換器模板的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)(2)此外還需注意：（1）安全可靠：盡量選用性能好的元器件，并采用光電隔離技術(shù)；（2）性能與經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一：一個(gè)好的設(shè)計(jì)不僅體現(xiàn)在性能上應(yīng)達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)，還必須考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，在選擇集成電路芯片時(shí)，應(yīng)綜合考慮速度、精度、工作環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等因素。（3）通用性：從通用性出發(fā)，在設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換器模板時(shí)應(yīng)考慮以下三個(gè)方面：符合總線標(biāo)準(zhǔn)、用戶可以任意選擇口地址和輸入方式。2/1/2023534.2.5D/A轉(zhuǎn)換器模板的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)(3)2.D/A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟：●確定性能指標(biāo)●設(shè)計(jì)電路原理圖●設(shè)計(jì)和制造電路板●焊接和調(diào)試電路板2/1/202354如圖為DA轉(zhuǎn)換雙極性電壓輸出原理圖，已知VRef=10V，VR=10V,(1)試推出VOUT的輸出范圍(2)若輸入量D0~D7為85(十進(jìn)制)，則VA0=？VOUT=？VAO2/1/2023554.3模擬量輸入通道2/1/202356本節(jié)主要內(nèi)容A/D轉(zhuǎn)換原理A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路A/D轉(zhuǎn)換器接口的隔離技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器模板的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)2/1/2023574.3模擬量輸入通道模擬量輸入通道（又稱為A/D接口）

把被控對(duì)象的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字信號(hào)模擬量輸入通道的組成多路模擬切換開(kāi)關(guān)前置放大器采樣保持器模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）控制電路等2/1/2023584.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(1)A/D轉(zhuǎn)換器是用來(lái)通過(guò)一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。模擬量可以是電壓、電流等電信號(hào)，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號(hào)。但在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號(hào)可以有8位、10位、12位和16位等。2/1/2023594.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(2)1.A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理主要介紹以下三種方法：逐次逼近法雙積分法電壓頻率轉(zhuǎn)換法2/1/2023604.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(3)(1).逐次逼近法逐次逼近式A/D是比較常見(jiàn)的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖4.21所示?；驹硎菑母呶坏降臀恢鹞辉囂奖容^，好像用天平稱物體，從重到輕逐級(jí)增減砝碼進(jìn)行試探。2/1/2023614.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(4)逐次逼近法圖4.21逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖2/1/2023624.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(5)逐次逼近法轉(zhuǎn)換過(guò)程：初始化時(shí)將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為Ｖo，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖi進(jìn)行比較，若Ｖo<Ｖi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的Ｖo再與Ｖi比較，若Ｖo<Ｖi，該位1被保留，否則被清除。重復(fù)此過(guò)程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過(guò)程是在一個(gè)控制電路的控制下進(jìn)行的。2/1/2023634.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(6)(2)雙積分法采用雙積分法的A/D轉(zhuǎn)換器由電子開(kāi)關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如圖4.22所示?；驹硎菍⑤斎腚妷鹤儞Q成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，再把此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。

2/1/2023644.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(7)雙積分法圖4.22雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的原理框圖2/1/2023654.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(8)雙積分法A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程是：先將開(kāi)關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖi，Ｖi采樣輸入到積分器，積分器從零開(kāi)始進(jìn)行固定時(shí)間Ｔ的正向積分，時(shí)間Ｔ到后，開(kāi)關(guān)再接通與Ｖi極性相反的基準(zhǔn)電壓ＶＲＥF，將ＶＲＥF輸入到積分器，進(jìn)行反向積分，直到輸出為0V時(shí)停止積分。Ｖi越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時(shí)間也越長(zhǎng)。計(jì)數(shù)器在反向積分時(shí)間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值，就是輸入模擬電壓Ｖi所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。2/1/2023664.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(9)(3)電壓頻率轉(zhuǎn)換法采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的A/D轉(zhuǎn)換器，由計(jì)數(shù)器、控制門及一個(gè)具有恒定時(shí)間的時(shí)鐘門控制信號(hào)組成，如圖4.23所示。它的工作原理是Ｖ/F轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號(hào)。2/1/2023674.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(10)電壓頻率轉(zhuǎn)換法圖4.23電壓頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理框圖2/1/2023684.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(11)電壓頻率轉(zhuǎn)換法的工作過(guò)程是：當(dāng)模擬電壓Ｖi加到V/F的輸入端，便產(chǎn)生頻率F與Vi成正比的脈沖，在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)該脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，時(shí)間到，統(tǒng)計(jì)到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值正比于輸入電壓Vi，從而完成A/D轉(zhuǎn)換。2/1/2023694.3.1A/D轉(zhuǎn)換器原理(12)2.A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)分辨率：能分辨的最小模擬輸入量轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間量程：能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍精度：數(shù)字輸出量與對(duì)應(yīng)模擬輸入量的實(shí)際值與理論值的差值2/1/2023704.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(1)1．8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0809的主要特性：●它是具有8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出功能的A/D轉(zhuǎn)換器?！褶D(zhuǎn)換時(shí)間為100μs。●模擬輸入電壓范圍為0V～+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)?！竦凸?，約15mW。2/1/2023714.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(2)2/1/2023724.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(2)(1)ADC0809結(jié)構(gòu)框圖及引腳說(shuō)明圖4.24ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖和引腳2/1/2023734.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(3)通道選擇開(kāi)關(guān)通道地址鎖存和譯碼逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器8位鎖存器和三態(tài)門2/1/2023744.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(4)（2）ADC0809的工作過(guò)程對(duì)ADC0809的控制過(guò)程是：①首先確定ADDA、ADDB、ADDC三位地址，決定選擇哪一路模擬信號(hào)；②使ALE端接受一正脈沖信號(hào)，使該路模擬信號(hào)經(jīng)選擇開(kāi)關(guān)到達(dá)比較器的輸入端；③使START端接受一正脈沖信號(hào)，START的上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；④EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。⑤A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。此時(shí)，數(shù)據(jù)已保存到8位三態(tài)輸出鎖存器中。此時(shí)CPU就可以通過(guò)使OE信號(hào)為高電平，打開(kāi)ADC0809三態(tài)輸出，由ADC0809輸出的數(shù)字量傳送到CPU。2/1/2023754.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(5)（3）CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的方法①查詢法

CPU啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換后，不斷查詢EOC的狀態(tài)，若為0則正在進(jìn)行，若為1在轉(zhuǎn)換結(jié)束，CPU立即執(zhí)行輸入指令，產(chǎn)生輸出允許信號(hào)OE，讀取AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：A/D轉(zhuǎn)換期間獨(dú)占CPU，致使CPU運(yùn)行效率降低。2/1/2023764.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(5)（3）CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的方法②定時(shí)法：若已知AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為T0,則在CPU啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換后，延時(shí)等待T0后即可讀取AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn):接口電路設(shè)計(jì)比查詢法簡(jiǎn)單，不必讀取EOC的狀態(tài)。缺點(diǎn)：A/D轉(zhuǎn)換期間獨(dú)占CPU，致使CPU運(yùn)行效率降低；另外還必須知道A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。2/1/2023774.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(6)CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的方法③中斷法CPU啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換后，去執(zhí)行別的程序，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC變?yōu)楦唠娖剑鳛橹袛嗌暾?qǐng)信號(hào)，通知CPU轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀入AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：A/D轉(zhuǎn)換期間CPU可以處理其它的程序，提高CPU的運(yùn)行效率。缺點(diǎn)：接口電路復(fù)雜。2/1/2023784.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(7)圖4.25ADC0809接口電路2/1/2023794.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(8)[例4.1]利用圖4.25，采用無(wú)條件傳送方式，編寫一段輪流從IN0～I(xiàn)N7采集8路模擬信號(hào)，并把采集到的數(shù)字量存入0100Ｈ開(kāi)始的8個(gè)單元內(nèi)的程序。程序如下：MOVDI,0100H；設(shè)置存放數(shù)據(jù)的首址MOVBL,08H；采集8次計(jì)數(shù)器MOVAH,00H；選0通道AA1∶MOVAL,AHMOVDX,ADPORT；設(shè)置ADC0809芯片地址OUTDX,AL；使ALE、START有效,選擇模擬通道2/1/2023804.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(9)MOVCX,0050HWAIT∶LOOPWAIT；延時(shí)，等待A/D轉(zhuǎn)換INAL,DX；使OUTPUTENABLE有效MOV[DI],AL；保存數(shù)據(jù)INCAH；換下一個(gè)模擬通道INCDI；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針DECBLJNZAA12/1/2023814.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(10)2．12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574AD574是美國(guó)模擬器件公司的產(chǎn)品，是較先進(jìn)的高集成度、低價(jià)格的逐次逼近式轉(zhuǎn)換器。AD574由兩片大規(guī)模集成電路構(gòu)成。一片為D/A轉(zhuǎn)換器AD565，另一片集成了逐次逼近寄存器SAR、轉(zhuǎn)換控制電路、時(shí)鐘電路、總線接口電路和高分辨比較器電路。2/1/2023824.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(11)圖4.26AD574的結(jié)構(gòu)框圖2/1/2023834.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(12)(2)AD574的工作過(guò)程AD574的工作過(guò)程分為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀出數(shù)據(jù)兩個(gè)過(guò)程。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，首先使/CS、CE信號(hào)有效，AD574處于轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，且A0為1或?yàn)?，根據(jù)所需轉(zhuǎn)換的位數(shù)確定，然后使R/C＝0，啟動(dòng)AD574開(kāi)始轉(zhuǎn)換。/CS視為選中AD574的片選信號(hào)，R/C為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)束，STS由高電平變?yōu)榈碗娖健？赏ㄟ^(guò)查詢法，讀入STS線端的狀態(tài)，判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。2/1/2023844.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(13)(2)AD574的工作過(guò)程

輸出數(shù)據(jù)時(shí)，首先根據(jù)輸出數(shù)據(jù)的方式，即是12位并行輸出，還是分兩次輸出，以確定是接高電平還是接低電平；然后在CE=1、/CS=0、R/C=1的條件下，確定A0的電平。若為12位并行輸出，A0端輸入電平信號(hào)可高可低；若分兩次輸出12位數(shù)據(jù)，A0=0，輸出12位數(shù)據(jù)的高8位，A0=1，輸出12位數(shù)據(jù)的低4位。由于AD574輸出端有三態(tài)緩沖器，所以D0～D11數(shù)據(jù)輸出線可直接接在CPU數(shù)據(jù)總線上。2/1/2023854.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(14)(3)AD574接口電路

圖4.2712位AD574與8088CPU的接口電路圖2/1/2023864.3.2A/D轉(zhuǎn)換器芯片及接口電路(15)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換并采用查詢方式，采集數(shù)據(jù)的程序如下：MOVDX,278HOUTDX,AL；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，＝0、＝0、CE＝1，A0＝0MOVDX,27AH；設(shè)置三態(tài)門地址AA1∶INAL,DX；讀取STS狀態(tài)TESTAL,80H；測(cè)試STS電平JNEAA1；STS＝1等待，STS＝0向下執(zhí)行MOVDX,278HINAL,DX；讀高8位數(shù)據(jù)，＝1，＝0，CE＝1，A0＝1，CE=1MOVAH,AL；保存高8位數(shù)據(jù)MOVDX,279HINAL,DX；讀低4位數(shù)據(jù)，=1,=0,A0=1,CE=12/1/2023874.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路(1)I/V轉(zhuǎn)換多路模擬開(kāi)關(guān)前置放大器采樣保持電路2/1/2023884.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路(2)I/V變換很多變送器的輸出信號(hào)為0～10mA或4～20mA，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)只能是電壓信號(hào)，所以如果模擬信號(hào)是電流時(shí)，必須先把電流變成電壓才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這樣就需要I/V變換電路。下面討論一下I/V變換的實(shí)現(xiàn)方法。2/1/2023894.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路(3)(1)無(wú)源I/V變換無(wú)源I/V變換主要是利用無(wú)源器件電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護(hù)措施，如圖4.28所示。

2/1/2023904.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路(4)對(duì)于0～10mA輸入信號(hào)，可取R1=100，R2=500，且R2為精密電阻，這樣當(dāng)I為0～10mA電流時(shí)，輸出的V為0～5V；對(duì)于4～20mA輸入信號(hào)，可取R1=100，R2=250，且R2為精密電阻，這樣當(dāng)輸入的電流為4～20mA時(shí)，輸出的V為1～5V。2/1/2023914.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路(5)(2)有源I/V轉(zhuǎn)換有源I/V變換主要是利用有源器件運(yùn)算放大器、電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4.29所示。圖4.29有源I/V變換電路2/1/2023924.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路(6)該同相放大電路的放大倍數(shù)為：A=1+R4/R3若取R3=100KΩ，R4=150KΩ，R1=200Ω，則0～10mA輸入對(duì)應(yīng)于0～5V的電壓輸出。若取R3=100KΩ，R4=25KΩ，R1=200Ω，則4～20mA輸入對(duì)應(yīng)于1～5V的電壓輸出。2/1/2023934.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路(7)2．多路模擬開(kāi)關(guān)圖4.30CD4501的結(jié)構(gòu)和引腳圖2/1/2023944.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路(8)3.前置放大器前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入的小信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，為了能適應(yīng)多種小信號(hào)的放大需求，可以設(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯笃鳌，F(xiàn)在的一些變送器的輸出都是標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，前置放大器在A/D轉(zhuǎn)換電路中不常用。4.采樣保持電路2/1/2023954.3.4A/D轉(zhuǎn)換器接口的隔離技術(shù)隔離方式同D/A轉(zhuǎn)換器接口隔離技術(shù)，主要采用光電耦合器2/1/2023964.3.3A/D轉(zhuǎn)換器模板的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)1.采樣保持器2.輸入跟隨或信號(hào)放大處理3.多路模擬信號(hào)的切換技術(shù)4.隔離技術(shù)5.A/D的轉(zhuǎn)換精度和速度6.參考基準(zhǔn)電壓2/1/2023974.4人—機(jī)接口Human-MachineInterface

2/1/202398本節(jié)主要內(nèi)容鍵盤接口顯示器接口打印機(jī)接口其它人—機(jī)接口2/1/2023994.4人-機(jī)接口人-機(jī)接口是操作人員與計(jì)算機(jī)之間相互交換信息的接口，通過(guò)這些接口，操作人員可以對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，并能實(shí)時(shí)了解到計(jì)算機(jī)控制的有關(guān)內(nèi)容。人機(jī)接口包括鍵盤、打印機(jī)、顯示器等2/1/20231004.4.1鍵盤接口（1）2/1/20231014.4.1鍵盤接口（1）鍵盤是一組按鍵或開(kāi)關(guān)的集合，鍵盤接口向計(jì)算機(jī)提供被按鍵的代碼。常用的鍵盤有兩種:編碼鍵盤:能夠自動(dòng)提供被按鍵的編碼（比如ASII碼或二進(jìn)制編碼）。特點(diǎn)：使用方便、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。非編碼鍵盤：僅僅簡(jiǎn)單地提供按鍵的通或斷狀態(tài)（“0”或“1”），而按鍵的掃描和識(shí)別則由用戶的鍵盤程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于用戶自行設(shè)計(jì)。2/1/20231021.獨(dú)立連接式鍵盤

圖4.31獨(dú)立連接式鍵盤電路示例2/1/20231034.4.1鍵盤接口（3）按鍵抖動(dòng)干擾的消除方法:硬件方法：一般采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或?yàn)V波器來(lái)消除抖動(dòng)干擾。軟件方法：一般采用軟件延時(shí)或重復(fù)掃描的方法，即多次掃描的狀態(tài)皆相同，則認(rèn)為此按鍵狀態(tài)已穩(wěn)定。

獨(dú)立連接式鍵盤的優(yōu)缺點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，適用于按鍵數(shù)較少的情況。缺點(diǎn)：是浪費(fèi)電路，對(duì)于按鍵數(shù)較多的情況，應(yīng)采用矩陣連接式鍵盤。2/1/2023104圖4.32矩陣連接式鍵盤電路示例2.矩陣式鍵盤2/1/20231054.4.1鍵盤接口（5）由鍵盤掃描程序的行輸出和列輸入來(lái)識(shí)別按鍵的狀態(tài)，具體工作過(guò)程如下:(1)輸出0000到4根行線，再輸入4根列線的狀態(tài)。如果列輸入為1111，則無(wú)一鍵被按下；否則，則有鍵被按下。這一步通常稱為鍵掃描。

(2)在確定了有鍵被按下后，接下來(lái)的就是要確定哪只鍵被按下。為此采用行掃描法，即逐行輸出行掃描信號(hào)“0”，再根據(jù)輸入的列線狀態(tài)，判定那只鍵被按下。這一步通常稱為鍵識(shí)別。(3)確定被按鍵后，再根據(jù)該鍵的功能進(jìn)行相應(yīng)的處理，這一步通常稱為鍵處理。

2/1/20231064.4.1鍵盤接口（6）按鍵抖動(dòng)干擾的消除方法

可采用軟件延時(shí)法來(lái)消除。在鍵盤掃描周期，每行重復(fù)掃描n次，如果n次的列輸入狀態(tài)相同，則表示按鍵已穩(wěn)定。

2/1/20231074.4.1鍵盤接口（7）3.二進(jìn)制編碼鍵盤二進(jìn)制編碼鍵盤是編碼鍵盤的一種，二進(jìn)制編碼鍵盤的按鍵狀態(tài)對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制編碼鍵盤可以通過(guò)優(yōu)先級(jí)編碼器來(lái)完成。4.智能式鍵盤特點(diǎn)：在鍵盤的內(nèi)部裝有專門的微處理器如Inter8048等，由這些微處理器來(lái)完成鍵盤開(kāi)關(guān)矩陣的掃描、鍵盤掃描值的讀取和鍵盤掃描值的發(fā)送。這樣，鍵盤作為一個(gè)獨(dú)立的輸入設(shè)備就可以和主機(jī)脫離，僅僅依靠傳輸線（一般采用5芯電纜）和主機(jī)進(jìn)行通信。2/1/20231084.4.2顯示器接口(1)常用的顯示方式指示燈LED、LCD（液