計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括：1)主控機的選型；2)輸入/輸出過程通道的設(shè)計；3)系統(tǒng)各類總線形式的選擇；4)特殊功能板卡的設(shè)計；5)執(zhí)行機構(gòu)的選擇；6)測量變送環(huán)節(jié)的選擇；7)接口電路的設(shè)計；8)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)設(shè)計等。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第1頁。第2章計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)2.1總線技術(shù)2.2總線擴展技術(shù)2.3數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道2.4模擬量輸入接口與過程通道2.5模擬量輸出接口與過程通道2.6基于串行總線的計算機控制系統(tǒng)硬件技術(shù)2.7硬件抗干擾技術(shù)第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第2頁。2.1

總線技術(shù)2.1.1

總線的定義、層次結(jié)構(gòu)及種類

所謂總線：就是計算機各模塊之間互聯(lián)和傳送信息（指令、地址和數(shù)據(jù)）的一組信號線。以微處理器為核心，總線可以分為內(nèi)部總線和外部總線，而內(nèi)部總線又可分為片級總線和系統(tǒng)總線。

片級總線：是微機內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級的互連；包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、I2C(Inter-IntegratedCircuit)總線、SPI總線(SerialPeripheralInterface,串行外設(shè)接口)、SCI總線（serialcommunicationinterface，串行通信接口）等；

系統(tǒng)總線：是微機中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級的互連；包括ISA總線(IndustryStandardArchitecture）、EISA總線、VESA(VideoElectronicStandardAssociation)總線、PCI總線(PeripheralComponentInterconnect)等；

外部總線：是微機和外部設(shè)備之間的總線，微機作為一種設(shè)備，通過該總線和其他設(shè)備進行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設(shè)備一級的互連。包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等總線。另外，在工業(yè)控制中，還定義了其它總線，如：VME(VersaModuleEurocard

)、STD、PC-104、CompactPCI等。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第3頁。2.1.2PC/ISA/EISA總線簡介1.PC/ISA總線的發(fā)展

2.ISA信號線定義（也稱為

AT總線）--16位，總線頻率8MHz3.EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）--32位，總線頻率16MHz8位基本插槽：8位數(shù)據(jù)寬度和20位地址16位擴充插槽：不能獨立工作，增加了8位數(shù)據(jù)和7位地址第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第4頁。ISA總線信號第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第5頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第6頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第7頁。懸索饋源支撐控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖脈沖分配和光電隔離第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第8頁。基于FPGA的八軸聯(lián)動伺服控制卡總體設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)圖第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第9頁。2.1.3PCI/CompactPCI總線簡介

PCI(PeripheralComponentInterconnect,外設(shè)部件互連標準)是美國SIG集團推出的64位總線。該總線的工作頻率為33MHz/66MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為80MB/s(峰值傳輸率為133MB/s)。

通常認為：I/O總線的速度應(yīng)為外設(shè)速度的3-5倍。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第10頁。

PCI是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口，PCI插槽也是主板帶有最多數(shù)量的插槽類型，在目前流行的臺式機主板上，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有5～6個PCI插槽，而小一點的MATX主板也都帶有2～3個PCI插槽，可見其應(yīng)用的廣泛性。

PCI是由Intel公司1991年推出的一種局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理（橋就是一個總線轉(zhuǎn)換器和控制器，習慣上將與CPU連接的芯片稱為北橋，與I/O設(shè)備連接的芯片稱為南橋），并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能，它為顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、MODEM等設(shè)備提供了連接接口。

PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。

第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第11頁?；靖拍畈煌贗SA總線，PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時復(fù)用的。一方面可以節(jié)省接插件的管腳數(shù)，另一方面便于實現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。在做數(shù)據(jù)傳輸時，由一個PCI設(shè)備做發(fā)起者(主控，Initiator或Master)，而另一個PCI設(shè)備做目標(從設(shè)備，Target或Slave)?？偩€上的所有時序的產(chǎn)生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時刻只能供一對設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個仲裁機構(gòu)(Arbiter)，來決定在誰有權(quán)力拿到總線的主控權(quán)。這里我們可以看出，PCI總線的傳輸是很高效的，發(fā)出一組地址后，理想狀態(tài)下可以連續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)，峰值速率為132MB/s。實際上，目前流行的33M，32bit北橋芯片一般可以做到100MB/s的連續(xù)傳輸。即插即用的實現(xiàn)所謂即插即用，是指當板卡插入系統(tǒng)時，系統(tǒng)會自動對板卡所需資源進行分配，如基地址、中斷號等，并自動尋找相應(yīng)的驅(qū)動程序。而不象舊的ISA板卡，需要進行復(fù)雜的手動配置。中斷共享的實現(xiàn)

ISA卡的一個重要局限在于中斷是獨占的，而我們知道計算機的中斷號只有16個，系統(tǒng)又用掉了一些，這樣當有多塊ISA卡要用中斷時就會有問題了。

PCI總線的中斷共享由硬件與軟件兩部分組成。硬件上，采用電平觸發(fā)的辦法：中斷信號在系統(tǒng)一側(cè)用電阻接高，而要產(chǎn)生中斷的板卡上利用三極管的集電極將信號拉低。這樣不管有幾塊板產(chǎn)生中斷，中斷信號都是低；而只有當所有板卡的中斷都得到處理后，中斷信號才會回復(fù)高電平。軟件上，采用中斷鏈的方法。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第12頁。PCI總線的主要性能

（1）支持10臺外設(shè)

（2）總線時鐘頻率33.3MHz/66MHz

（3）最大數(shù)據(jù)傳輸速率133MB/s

（4）時鐘同步方式

（5）與CPU及時鐘頻率無關(guān)

（6）總線寬度32位（5V）/64位（3.3V）

（7）能自動識別外設(shè)

第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第13頁。2.其它特點具有與處理器和存儲器子系統(tǒng)完全并行操作的能力具有隱含的中央仲裁系統(tǒng)采用多路復(fù)用方式（地址線和數(shù)據(jù)線）減少了引腳數(shù)支持64位尋址完全的多總線主控能力提供地址和數(shù)據(jù)的奇偶校驗可以轉(zhuǎn)換5V和3.3V的信號環(huán)境第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第14頁。3.PCI總線信號定義主控設(shè)備49條，目標設(shè)備47條，可選引腳51條（主要用于64位擴展、中斷請求、高速緩存支持等），總引腳數(shù)188條（包含電源、地、保留引腳等）。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第15頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第16頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第17頁。CompactPCI總線簡稱CPCI，中文又稱緊湊型PCI，是一種基于標準PCI總線的小巧而堅固的高性能總線技術(shù)。是國際PICMG協(xié)會于1994年提出來的一種總線接口標準。CompactPCI所具有的開放性、高可靠性、可熱插拔特性，使該技術(shù)除了可以廣泛應(yīng)用在通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機電話整合外，同時，也適用于實時系統(tǒng)控制、產(chǎn)業(yè)自動化、實時數(shù)據(jù)采集、軍事系統(tǒng)等需要高速運算的領(lǐng)域，以及智能交通、航空航天、醫(yī)療器械、水利等模塊化的極高可靠度、可長期使用的應(yīng)用領(lǐng)域。

CPCI技術(shù)是在PCI技術(shù)基礎(chǔ)之上經(jīng)過改造而成，具體有三個方面：

一、繼續(xù)采用PCI局部總線技術(shù)；

二、拋棄PCI傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)，改用經(jīng)過20年實踐檢驗了的高可靠歐洲卡結(jié)構(gòu)，改善了散熱條件、提高了抗振動沖擊能力、符合電磁兼容性要求；

三、拋棄IPC的金手指式互連方式，改用2mm密度的針孔連接器，具有氣密性、防腐性，進一步提高了可靠性，并增加了負載能力。

目前CompactPCI技術(shù)是國際最先進的工業(yè)計算機技術(shù)。4.CompactPCI總線第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第18頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第19頁。2.1.4其它總線簡介1.PC/104總線(外部總線)：PC/104總線是嵌入式PC機所用的總線標準.有兩個總線插頭.共有104個引腳,這也是PC/104名稱的由來.具有小型化的尺寸。PC/104有兩個版本，8位和16位，分別與PC和PC/AT(ISA)相對應(yīng)。本質(zhì)上就是尺寸縮小為3.8英寸3.9英寸的ISA總線板卡?？偩€以“針”和“孔”形式層疊連接，這種層疊封裝有極好的抗震性。4mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，每個模塊1-2瓦能耗。最高工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達到8MB/s，地址線24條，可尋訪16M字節(jié)地址單元。

104根線分為5類：地址線，數(shù)據(jù)線，控制線，時鐘線，電源線。2.PC/104plus總線：與PCI總線相對應(yīng)，采用單列三排120個管腳。有效信號線和控制線與PCI總線完全兼容。PC104PC104Plus第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第20頁。3.STD總線(外部總線)： STD總線屬外總線，是美國普洛公司于1978年推出，適用于工業(yè)控制機的特點和要求而設(shè)計的56根線的總線，如圖3.16所示。采用公共母板結(jié)構(gòu)，板上安裝若干個插座，插座對應(yīng)引腳都是連到同一根總線信號線上，總線信號符合STD規(guī)范，各功能模塊（如CPU模塊、存儲器模塊、圖形顯示模塊、A/D模塊、D/A模塊、開關(guān)量I/O模塊等）都按標準尺寸制作，可插入任意插座，從而組建成不同規(guī)模的計算機系統(tǒng)。STD總線的16位總線性能滿足嵌入式和實時性應(yīng)用要求。在56根總線中，有6根邏輯電源線、4根輔助電源線、8根數(shù)據(jù)總線、16根地址總線和22根控制總線。

STD總線的16位總線性能滿足嵌入式和實時性應(yīng)用要求。4.STD32總線：32位總線。STD總線第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第21頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第22頁。模塊化STD總線8098單片機實驗系統(tǒng)

第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第23頁。5.IEEE-488總線(外部總線)IEEE-488總線是并行總線接口標準,使用24芯連接器．其中有8條雙向數(shù)據(jù)線．3條字節(jié)傳送控制線．5條接口管理線及8條地線，用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設(shè)備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。IEEE-488總線接口一般采用專用的接口芯片來實現(xiàn)。基本方式包括：1．聽者方式，從總線上接收數(shù)據(jù)2．講者方式，向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。3．控者方式IEEE-488PCI第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第24頁。2.1.5串行外部總線簡介1.RS-232/RS-422/RS-485串行通信總線（1）平衡和不平衡傳輸方式（2）RS-232（圖a）--通常以9個引腳(DB9)或是25個引腳(DB25)的型態(tài)出現(xiàn)，一般計算機上會有兩組RS232接口，分別稱為COM1和COM2。RS-232采取不平衡傳輸方式，即單端通訊。其收發(fā)端的數(shù)據(jù)信號都是相對于地信號的。所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線的分布電容，其傳輸距離最大約為15M，最高速率為20KBPS，且其只支持點對點通信，不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第25頁。（3）RS-422A/RS-485RS-422A（四線接口）和RS-485（兩線制和四線制兩種接線，多采用的是兩線制接線方式）：驅(qū)動和接收電路沒有多大區(qū)別，在許多情況下可以互聯(lián)，他們采用平衡驅(qū)動和差分接收方法。兩點傳輸電路RS-232/422A（或485）轉(zhuǎn)換傳輸示意圖半雙工RS-485/422：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A,B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號，有極強的抗共模干擾的能力。故傳輸信號在千米之外都是可以恢復(fù)。RS-485/422最大的通信距離約為1219M，最大傳輸速率為10Mb/S。一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。

全雙工第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第26頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第27頁。（4）RS-485多點互連另見表1，三種串行總線的比較。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第28頁。2.USB總線

通用串行總線USB（universalserialbus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計算機和通信公司共同推出的一種新型接口標準。它基于通用連接技術(shù)，實現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設(shè)范圍的目的。它可以為外設(shè)提供電源，而不像普通的使用串、并口的設(shè)備需要單獨的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術(shù)的突出特點之一，USB的最高傳輸率可達12Mbps,比串口快100倍,而且USB還能支持多媒體、外部設(shè)備、電話系統(tǒng)等。（1）具有熱插拔功能；（2）USB采用“級聯(lián)”方式連接各個外部設(shè)備，一個USB控制器可以連接多達127個外設(shè)；（3）適用于低速外設(shè)連接。USB電纜第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第29頁。2.2

總線擴展技術(shù)2.2.1微型計算機系統(tǒng)I/O端口與地址分配

1.I/O端口及I/O操作（I/O端口：能夠被CPU直接訪問的寄存器）（1）數(shù)據(jù)端口：起數(shù)據(jù)緩沖作用；（2）狀態(tài)端口：指示外設(shè)當前的狀態(tài)；（3）命令端口：用于存放CPU向接口發(fā)出的命令和控制字。

2.I/O端口編址方式（1）統(tǒng)一編址：端口與存儲器統(tǒng)一編址---存儲器映射方式（如PC系列微機）；（2）獨立編址：端口與存儲器分開，單獨編址---I/O映射方式（如80x86）；

3.I/O端口地址分配（1）系統(tǒng)板（主板）上的I/O接口:表2-2（2）擴展卡上的I/O接口:表2-3

4.I/O端口地址選用原則系統(tǒng)配置占用的端口地址一律不能用；廠家聲明保留的端口地址不要用；用戶可以使用PC機300H-31FH的地址。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第30頁。2.2.2I/O端口地址譯碼技術(shù)1.三種譯碼方式

（1）線選法：高位地址線直接（或經(jīng)反相器）接至存儲器或端口的片選端，尋址電路簡單，但會造成地址重疊和地址信息不連續(xù)；如3FE和3FC都是A0為0。（2）全譯碼法：所有地址線都參與譯碼，每個芯片的地址范圍是唯一的，且地址信息連續(xù)，但譯碼電路較復(fù)雜；（3）部分譯碼：用片內(nèi)尋址以外的高位地址線中的部分地址線參與譯碼，譯碼電路較全譯碼簡單，但仍然會有地址重疊。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第31頁。2.I/O端口地址譯碼電路信號---地址和控制信號（如：IOR、IOW、AEN、IO16、SBHE等）的組合。3.I/O端口地址譯碼方法及電路形式---高位地址線與控制信號線組合進行片間尋址；低位地址線進行片內(nèi)尋址。

（1）固定地址譯碼：根據(jù)確定的地址字段來設(shè)計譯碼電路。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第32頁。（2）開關(guān)選擇譯碼：常采用數(shù)據(jù)比較器和一組開關(guān)，將地址設(shè)計成用戶可設(shè)置的形式。（3）采用可編程器件進行譯碼。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第33頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第34頁。2.2.3

基于ISA總線端口擴展1.板選譯碼與板內(nèi)譯碼2.總線驅(qū)動及邏輯控制3.端口及其讀寫控制板選譯碼板內(nèi)譯碼總線驅(qū)動邏輯控制第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第35頁。2.3

數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道2.3.1

數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)

數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口輸出設(shè)備CPU微型計算機的結(jié)構(gòu)示意圖第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第36頁?；镜妮斎?、輸出數(shù)字量包括：1.開關(guān)的閉合與斷開；2.指示燈的亮與滅；3.繼電器或接觸器的吸合與釋放；4.電動機的供電與斷電；5.電磁閥等閥門的打開與閉合；等等…第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第37頁。1.接口的功能：設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖器以解決兩者速度差異所帶來的不協(xié)調(diào)問題；設(shè)置信號電平轉(zhuǎn)換電路；設(shè)置信息轉(zhuǎn)換邏輯以滿足對各自格式的要求；設(shè)置時序控制電路來同步CPU和外設(shè)的工作；提供地址譯碼電路，使CPU在同一時刻只能選中某一個I/O端口。CPU接口外設(shè)第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第38頁?？删幊讨袛嗫刂破?259A可編程計數(shù)器/定時器8253可編程外圍并行接口芯片8255AA/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片。本節(jié)介紹最常用的簡單I/O接口芯片,主要有緩沖器(Buffer)和鎖存器(Latch)。2.可編程輸入輸出接口芯片第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第39頁。3.程序控制I/O方式a.無條件傳送方式：所謂無條件傳送方式是指可以在需要的時刻讓CPU直接與外設(shè)進行輸入輸出操作，也即CPU僅需要通過I/O指令即可由接口獲取外設(shè)數(shù)據(jù)或為外設(shè)提供數(shù)據(jù)。三態(tài)緩沖接收器：隔離輸入輸出線路，起緩沖作用。1）數(shù)字量輸入接口：輸入開關(guān)的狀態(tài)等。譯碼器地址信號控制信號第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第40頁。設(shè)片選端口地址為port，可用如下指令來完成取數(shù)：

MOVDX，portINAL，DX注意：硬件組成、軟件設(shè)計（匯編、C語言）產(chǎn)生IOR信號,將數(shù)據(jù)送入AL寄存器提供地址信息，使對應(yīng)端口的片選信號CS有效第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第41頁。開關(guān)K與微機系統(tǒng)連接的接口電路

如果希望完成如下任務(wù)：當開關(guān)接通時，CPU執(zhí)行程序段ON；當開關(guān)斷開時，CPU執(zhí)行程序段OFF。下述指令的執(zhí)行可以完成該任務(wù)：

MOVDX,0FFF7HINAL,DXANDAL,01HJZON；假定程序段ON與本程序段在同一內(nèi)存段中

JMPOFF選通端的作用：讀入一次第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第42頁。

三態(tài)門作為數(shù)據(jù)輸入接口的一般連接模式：第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第43頁。2）數(shù)字量輸出接口：輸出閥門的開關(guān)信息，電機的啟動與停止信息，指示燈的開關(guān)信息等。8位鎖存器：對輸出的狀態(tài)信息進行鎖存第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第44頁。設(shè)片選端口地址為port，可用以下指令完成數(shù)據(jù)輸出控制。

MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL

如果工控機的I/O端口寫總線周期時序關(guān)系中(上頁圖中)，總線數(shù)據(jù)D0-D7比IOW下降沿晚，所以可利用IOW的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。提供地址信息，使對應(yīng)端口的片選信號CS有效產(chǎn)生IOW信號,將數(shù)據(jù)送入AL寄存器預(yù)設(shè)輸出數(shù)據(jù)注意：硬件組成、軟件設(shè)計（匯編、C語言)第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第45頁。發(fā)光二極管與微機系統(tǒng)連接的接口電路

對于圖中電路，CPU執(zhí)行下述指令可以使兩個發(fā)光二極管發(fā)亮：

MOVDX，0000HMOVAL，81HOUTDX，AL而CPU執(zhí)行下述指令可以使兩個發(fā)光二極管不發(fā)亮：

MOVDX，0000HMOVAL，00HOUTDX，AL反相器對鎖存器起保護作用，當發(fā)光二極管發(fā)亮時，反相器可以提高帶負載能力，以保護鎖存器不受損壞。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第46頁。鎖存器作為數(shù)據(jù)輸出接口的一般連接模式

第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第47頁。b.查詢傳送方式：第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第48頁。查詢方式實現(xiàn)I/O傳送示例

(a)外設(shè)與微機接口電路；(b)外設(shè)工作時序外設(shè)選通信號第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第49頁。c.中斷傳送方式：某事件的發(fā)生引起CPU暫停當前程序的運行，轉(zhuǎn)入對所發(fā)生事件的處理，處理結(jié)束又回到原程序被打斷處接著執(zhí)行這樣一個過程。1.中斷源2.中斷過程中斷方式的實現(xiàn)一般需要經(jīng)歷下述過程：中斷請求→中斷響應(yīng)→斷點保護→中斷源識別→中斷服務(wù)→斷點恢復(fù)→中斷返回第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第50頁。中斷源識別的軟件查詢法

(a)硬件接口；(b)軟件查詢流程

第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第51頁。中斷方式--8259在系統(tǒng)中的連接

第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第52頁。d.直接存貯器存取(DMA)方式

該方式采用了專用控制器(稱之為DMA控制器)而CPU不參與控制，這使得DMA方式與其他I/O方式有了顯著的區(qū)別：DMA方式不是在程序控制下進行的，而是以純硬件控制的方式進行的。能夠?qū)崿F(xiàn)外設(shè)與計算機系統(tǒng)的高速信息交換。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第53頁。2.3.2

數(shù)字量輸入通道1.數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)：輸入調(diào)理電路、輸入緩沖器、輸入口地址譯碼電路等。2.輸入調(diào)理電路----將現(xiàn)場輸入的開關(guān)量狀態(tài)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計算機能夠接收的邏輯信號的過程叫信號調(diào)理。

(1)小功率輸入調(diào)理電路：去抖動目的：把開關(guān)K的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成二進制狀態(tài)。原理：閉和K時，電容C放電，反相器反相為1；

斷開K時，電容C充電，反相器反相為0。開關(guān)或繼電器K第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第54頁。(2)大功率輸入調(diào)理電路（24V以上）原理：當S在上時，輸出上為1，下為0。

當S按下時，因為鍵的機械特性，使按鍵因抖動而產(chǎn)生瞬間不閉合，造成R-S觸發(fā)器輸入為雙1，故輸出狀態(tài)保持不變。

當從電磁離合等大功率器件的接點輸入信號時，為了使接點工作可靠，接點兩端至少要加24V以上的直流電壓（因為直流電平的響應(yīng)快，不易產(chǎn)生干擾）。但是這種電路，由于所帶電壓高，所以高壓與低壓之間，用光電耦合器進行隔離。原理：當S閉合：光電二極管導通，發(fā)光使晶體管導通，經(jīng)反相器反相為1。當S斷開：光電二極管不導通，晶體管不導通，經(jīng)反相器反相輸出為0。其中：R1、R2進行分壓，C進行濾波，要合理選擇參數(shù)。開關(guān)或繼電器第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第55頁。2.3.3數(shù)字量輸出通道1.數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)：由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。2.輸出驅(qū)動電路：在數(shù)字量輸出通道中，關(guān)鍵是驅(qū)動，因為從鎖存器中出來的是TTL電平，驅(qū)動能力有限，所以要加上驅(qū)動電路。

(1)小功率直流驅(qū)動電路①功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路

繼電器包括線圈和觸點。因負載呈電感性，所以輸出必須加裝克服反電勢的保護二極管VD，K為繼電器的線圈。VD的作用是泄流，通過VD放掉K上所帶的電荷，防止晶體管反向擊穿。R的作用是限流。作用過程：當TTL電平為1時，晶體管截止，K不吸合；當TTL電平為0時，晶體管導通，K吸合。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第56頁。②達林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路MC1416是達林頓陣列驅(qū)動器.它內(nèi)包含7個達林頓復(fù)合管，電流都在500mA以上。

達林頓晶體管DT（Dar1ingtonTransistor）亦稱復(fù)合晶體管。它采用復(fù)合過接方式，將兩只或更多只晶體管的集電極連在一起，而將第一只晶體管的發(fā)射極直接耦合到第二只晶體管的基極，依次級連而成，最后引出E、B、C三個電極。內(nèi)部保護二極管第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第57頁。(2)大功率交流驅(qū)動電路

在大功率交流驅(qū)動電路中，固態(tài)繼電器SSR作交流開關(guān)使用。

SSR是一種無觸點通斷電子開關(guān)，是一種有源器件，其中左側(cè)兩個端子為輸入控制端，右側(cè)兩個為輸出受控端，為實現(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離，器件中采用了高耐壓的專用光電耦合器。SSR作交流開關(guān)，相當于一個觸點，左邊是TTL電平，在0～5V之間：當TTL電平為高時，觸點閉合；當TTL電平為低時，觸點斷開。零交叉電路在交流電過零時產(chǎn)生觸發(fā)信號，減少干擾。當用計算機來控制電磁閥時，即可用固態(tài)繼電器。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第58頁。2.3.4

數(shù)字（開關(guān)）量輸入/輸出通道模板舉例圖2-19PCL-730板卡組成框圖第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第59頁。程序設(shè)計舉例(基地址設(shè)為220H)：PCL-730板卡的開關(guān)量輸入/輸出都只需要二條指令就可以完成。C語言程序如下：outportb(0x220，Ox55)outportb(Ox221，0x55)inportb(Ox220)；讀入隔離開關(guān)量低8位

inportb(Ox221)匯編語言程序如下：MOVDX，220HMOVAL，55HOUTDX，ALMOVDX，221HOUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DXMOVAH，ALMOVDX，221HINAL，DXAX:16位，常用于存放操作數(shù)；DX：16位，數(shù)據(jù)寄存器，常用于數(shù)據(jù)傳遞。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第60頁。2.4模擬量輸入接口與過程通道2.4.1

模擬量輸入通道的組成：信號調(diào)理或I/V變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口、控制邏輯等。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第61頁。2.4.2

信號調(diào)理和I/V變換1.信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要通過非電量的轉(zhuǎn)換、信號的變換、放大、濾波、線性化、共模抑制、隔離等方法，將非電量和非標準的電信號轉(zhuǎn)換成標準的電信號。

信號調(diào)理電路是傳感器和A/D之間以及D/A和執(zhí)行機構(gòu)之間的橋梁，也是測控系統(tǒng)中重要的組成部分。（1）非電信號的檢測---不平衡電橋熱敏電阻三線制接線圖熱敏電阻測量電橋電路第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第62頁。（2）信號放大電路---主要要求：精度、速度、幅度、共模抑制

1)基于ILC7650的前置放大電路主要特點：輸入偏置電流小，失調(diào)小，增益高，共模抑制能力強，響應(yīng)快，漂移低，性能穩(wěn)定，價格低廉等。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第63頁。

2）AD526：可編程儀用放大器AD526是可通過軟件對增益進行編程的單端輸入的儀用放大器，器件本身所提供的增益是xl、x2、x4、x8、x16等五擋。它是一個完整的包括放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)和TTL數(shù)字邏輯電路的器件，使用時不需外加任何元件就可工作。

CLK第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第64頁。透明模式是13腳CLK接“0”，鎖存模式是CLK接“1”。透明模式下：如果B為高電平，CS和CLK為“0”，輸入模擬信號在A2、A1、A0到來時，增益立即響應(yīng)，但不被保存；鎖存模式下：當CLK變?yōu)椤?”時，增益碼被鎖存到內(nèi)部寄存器中，直到CLK從1回到0時才消除。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第65頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第66頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第67頁。2.I/V變換（1）無源I/V變換

（2）有源I/V變換0~10mA4~20mA0~5V1~5V100500/250R2:精密電阻2501k4.7k？第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第68頁。2.4.3

多路轉(zhuǎn)換器

多路轉(zhuǎn)換器又稱多路選擇開關(guān)，多路開關(guān)是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件?？蓪⒏鱾€輸入信號依次或隨機連接到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上。通道選擇表見p39表2-6。

圖2-27CD4051原理圖禁止輸入端第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第69頁。2.4.4

采樣、量化及采樣／保持器

模擬信號（A）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（D）需要時間，所以轉(zhuǎn)換時間上是離散的；另一方面，模擬信號輻值連續(xù)，數(shù)字信號輻值離散。所以AD轉(zhuǎn)換需要做的是對模擬信號進行輻值離散和時間離散。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第70頁。1.信號的采樣香農(nóng)定理：f≥2fmax實際應(yīng)用：f≥（5~10）fmax

用采樣開關(guān)將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。

f(t)KTf*(t)香農(nóng)(Shannon)采樣定理：如果隨時間變化的模擬信號的最高頻率為ωmax，只要按照采樣頻率ωS≥2ωmax進行采樣，那么取出的樣品序列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。采樣寬度第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第71頁。2.量化所謂量化，就是采用一組數(shù)碼(如二進制碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程，執(zhí)行量化動作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。

量化單位：存在量化誤差：(±1/2)q例如，模擬信號fmax＝16V、fmin＝0V，取i＝4，則q＝1V，量化誤差最大值emax＝±0.5V。A/D轉(zhuǎn)換器字長n足夠長，量化誤差越小，但以夠用為度。ymax：被轉(zhuǎn)換信號的最大值ymin：被轉(zhuǎn)換信號的最小值n：轉(zhuǎn)換后二進制數(shù)的位數(shù)

第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第72頁。3.采樣保持器(1)孔徑時間和孔徑誤差的消除

孔徑時間tA/D：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間稱之為孔徑時間。孔徑時間決定了每個采樣時刻的最大轉(zhuǎn)換誤差。

孔徑時間tA/D帶來孔徑誤差，對于一定轉(zhuǎn)換時間，相對誤差和信號頻率成正比。

為了提高模擬量輸入信號的頻率范圍，以適應(yīng)某些隨時間變化較快的信號的要求，可采用帶有保持器的采樣器，即采樣保持器。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第73頁?；镜牟蓸颖３制?2)采樣保持原理

對變化的模擬信號快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過程中保持模擬信號基本不變。

V－采樣開關(guān)，R1＝Rf，C為保持電容。保持電容一般外接，其取值與采樣頻率和精度有關(guān)。減小CH可提高采樣頻率，但會降低精度。

①VL=1時：V導通，Vo＝Vc＝－Vi②VL=0時：V截止，Vc（Vo）在短時內(nèi)保持不變。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第74頁。

A1和A2分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提高采樣／保持器的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以便與信號源和負載連接。

S是模擬開關(guān)，由控制信號控制其斷開或閉合，CH是保持電容。

特點：結(jié)構(gòu)簡單，其失調(diào)電壓為兩個運放失調(diào)電壓之和，比較大，影響到采樣／保持器的精度。跟蹤速度也較低。

串聯(lián)型：第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第75頁。反饋型：

Ui

-+A1-+eOS1

-+A2CH模擬地-+eOS2K1UKUCUORK2

特點：采樣/保持精度高，原因是只有eOS1影響精度；跟蹤速度快。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此時，CH的端電壓保持在K1斷開瞬間的Ui值上，使

式中eOS1和eOS2分別為運放A1和A2的失調(diào)電壓。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第76頁。采樣保持器的主要參數(shù)有：采樣時間、電壓下降率等。注：模擬信號一般不直接送A/D轉(zhuǎn)換器，而加保持器作信號保持。但是，當A/D轉(zhuǎn)換速度很快且輸入信號變化緩慢時可不加保持器。保持器的兩個工作狀態(tài)：

★采樣狀態(tài)

★保持狀態(tài)

第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第77頁。（3）常用的采樣保持器

常用的集成采樣保持器有LF398、AD582等，LF398的采樣控制電平為“1”，保持電平為“0”，AD582相反。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第78頁。

由圖可知，AD582是反饋型采樣／保持器，保持電容接在運放的輸出端（腳8）與輸入端（腳6）之間。

這樣的接法相當于在A2的輸入端接有電容：

數(shù)字地1345689101112CHRLUiA1oU2A+-=2k+15V-15V0.05μF10k模擬地ΩΩAD582實用電路第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第79頁。所以AD582外接較小的電容可獲得較高的采樣速率：

1）當精度要求不太高（±0.1%）而速度要求較高時，可選CH=100pF。

2）當精度要求較高（±0.01%）時，為減小饋送的影響和減緩保持電壓的下降，應(yīng)取CH=1000pF。密勒效應(yīng)（Millereffect）是在電子學中，反相放大電路中，輸入與輸出之間的分布電容或寄生電容由于放大器的放大作用，其等效到輸入端的電容值會擴大1+K倍，其中K是該級放大電路電壓放大倍數(shù)。雖然一般密勒效應(yīng)指的是電容的放大，但是任何輸入與其它高放大節(jié)之間的阻抗也能夠通過密勒效應(yīng)改變放大器的輸入阻抗。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第80頁。A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)是將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的裝置。按工作原理分類計數(shù)比較型逐次逼近型雙積分型V/F轉(zhuǎn)換型按轉(zhuǎn)換方式分類直接轉(zhuǎn)換逐次逼近型雙積分型V/F轉(zhuǎn)換型間接轉(zhuǎn)換計數(shù)比較型2.4.5A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第81頁。逐次逼近型ADC

根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)換位數(shù)，從大到小依次給出各數(shù)位的權(quán)值數(shù)字量（如4位AD，權(quán)值數(shù)字量分別為1000，0100，0010，0001），進行DA轉(zhuǎn)換，分別得到不同的Vo，使Vo與Vi進行比較，比較結(jié)果決定各數(shù)值位的取舍，直至Vo最逼近Vi為止，從而得到最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

轉(zhuǎn)換過程類似于天平秤重的過程設(shè)有8g、4g、2g、1g四種砝碼，被秤重物為13g。砝碼重量比較判別保留或除去該砝碼次數(shù)18g8g<13g保留28g+4g12g<13g保留38g+4g+2g14g>13g去除48g+4g+1g13g=13g保留第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第82頁。原理框圖DA轉(zhuǎn)換器輸出寄存器移位數(shù)碼寄存器控制電路

CP脈沖比較器VoVi第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第83頁。電路①移位寄存器:G=1置數(shù),EDCBA=11110;有CP左移,DL=1。②寄存器F0～F4:D觸發(fā)器,D為比較結(jié)果,Vi>Vo’時D=1;使用了異步清0和置1端。③此外還有：DAC電路、比較器、控制電路（G1、G2、F5）等。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第84頁。原理-1⑴指令000011

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1

011G1=0→/Rd=0→Q3Q2Q1Q0=0000G移=1→移存置數(shù),QE～A=11110→QA=0→/Sd4＝0→Q4＝1數(shù)字量B4B3B2B1=1000→經(jīng)DAC得Vo’=8V,Vo’<Vi→Vo=1設(shè)Vi=13.5V量化單位△=1V第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第85頁。原理-2⑵指令000011

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011G1=1→CP5↑→Q5=1→G2開門,CP可進入移位寄存器G移=0→

置數(shù)結(jié)束?！?/p>

為移位做好準備。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第86頁。原理-3⑶CP1100011

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0

111左移1位→QE～A=11101，→

QB=0→/Sd3＝0→Q3＝1

→CP4↑→（∵Vo=1）Q4＝1數(shù)字量B4B3B2B1=1100→經(jīng)DAC得Vo’=12V,Vo’<Vi→Vo=1第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第87頁。原理-4⑷CP2110011

0

1

110再左移1位→QE～A=11011，→

QC=0→/Sd2＝0→Q2＝1

→CP3↑→（∵Vo=1）Q3＝1數(shù)字量B4B3B2B1=1110→經(jīng)DAC得Vo’=14V,Vo’>Vi→Vo=0第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第88頁。原理-5⑷CP3101010

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111再左移1位→QE～A=10111，→

QD=0→/Sd1＝0→Q1＝1

→CP2↑→（∵Vo=0）Q2＝0數(shù)字量B4B3B2B1=1101→經(jīng)DAC得Vo’=13V,Vo’<Vi→Vo=1第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第89頁。原理-6⑷CP4101101

1

1

111再左移1位→QE～A=01111，→QE=0/Rd5＝0→Q5＝0→G2封鎖,CP不能進入移位寄存。/Sd0＝0→Q0＝1→CP1↑→（∵Vo=1）Q1＝1→→轉(zhuǎn)換結(jié)束AD轉(zhuǎn)換結(jié)果：Q4Q3Q2Q1=1101第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第90頁。逐次逼近型ADC的特點：⑴速度較高⑵精度較高⑶轉(zhuǎn)換時間固定（如4位ADC需4個CP脈沖）。⑷一般輸出帶有緩沖器，便于與微機接口，應(yīng)用較廣泛。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第91頁。1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809（轉(zhuǎn)換時間約100μs）

8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)部有:(1)8通道模擬開關(guān)及通道選擇邏輯;(2)8位A/D轉(zhuǎn)換器;(3)三態(tài)輸出鎖存緩沖器。

工作過程：⑴由地址（C、B、A）選擇輸入（IN0～IN7），ALE（正脈沖）進行地址鎖存；⑵START（正脈沖）啟動AD轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換開始EOC＝0；⑶轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC＝1，向外發(fā)出結(jié)束信號；⑷使OE＝1，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)端口。setbP2.0 ;開啟STARTmovR6,#0FFHdjnzR6,$

;等待轉(zhuǎn)換clrP2.0setbp2.1 ;給0808讀信號OEmovxA,@DPTR;讀nopclrp2.1 ;清除0808讀信號OE第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第92頁。控制與時序逐次逼近寄存器模擬開關(guān)256電阻階梯數(shù)據(jù)鎖存和三態(tài)輸出緩沖器8路模擬開關(guān)地址鎖存與譯碼－＋比較器8位DA模擬輸入IN0IN73位地址CBA地址鎖存允許ALEVCCGNDVR＋VR－OE輸出允許8位輸出EOC啟動START時鐘CLOCK5V～15V500KHz～1MHz轉(zhuǎn)換結(jié)束ADC0809結(jié)構(gòu)框圖第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第93頁。ADC0809的量化單位：基準電壓VREF(+)=5.12V,VREF(-)=0V，則q=20mV,若VIN=2.5V,那么轉(zhuǎn)換結(jié)果為：第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第94頁。8位A/D與CPU的接口舉例三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第95頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第96頁。2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A（轉(zhuǎn)換時間約25μs）

AD574A是一種高性能的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持器，它同ADC0809一樣是常用的A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時間為25μs，內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準電壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采用28腳雙列直插式封裝。

AD574A由12位A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、三態(tài)輸出鎖存緩沖器、10V基準電壓源四部分構(gòu)成。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第97頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第98頁。

AD574A的引腳說明：[1].

Pin1(+V)——+5V邏輯電源輸入端。[2].

Pin2()——數(shù)據(jù)模式選擇端，通過此引腳可選擇數(shù)據(jù)總線是12位或8位輸出。

[3].

Pin3()——片選端。[4].

Pin4(A0)——字節(jié)地址短周期控制端。與Pin2端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。

[5].

Pin5()——讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。[6].

Pin6(CE)——使能端。[7].

Pin7(V+)——正電源輸入端，輸入+12～+15V電源。

[8].

Pin8(REFOUT)——10V基準電源電壓輸出端。

[9].

Pin9(AGND)——模擬地端。

[10].

Pin10(REFIN)——基準電源電壓輸入端。

[11].

Pin11(V-)——負電源輸入端，輸入-12～-15V電源。

[12].

Pin12(V+)——雙極性偏置端,單極性應(yīng)用時接0v，雙極性應(yīng)用時接10v。

[13].

Pin13(10VIN)——10V量程模擬電壓輸入端。

[14].

Pin14(20VIN)——20V量程模擬電壓輸入端。[15].

Pin15(DGND)——數(shù)字地端。[16].

Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12條數(shù)據(jù)總線。通過這12條數(shù)據(jù)總線向外輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。[17].

Pin28(STS)——工作狀態(tài)指示信號端，當STS=1時，表示轉(zhuǎn)換器正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當STS=0時，聲明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，通過此信號可以判別A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，作為單片機的中斷或查詢信號之用。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第99頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第100頁。量化單位分別為10V/212和20V/212。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第101頁。3.AD574A/1674與PC總線工業(yè)控制機接口片選信號有效后，高位地址為BASE,則12位A/D啟動控制地址為BASE+0,A/D數(shù)據(jù)輸出高8位口地址為BASE+2,低4位口地址為BASE+3。1）啟動子程序ADSTART:MOVDX,BASE+0OUTDX,ALNOPRET2）讀子程序ASREAD:MOVDX,BASE+2INAL,DXMOVAH,ALMOVDX,BASE+3INAL,DXRET第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第102頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第103頁。2.4.6

模擬量輸入通道模板舉例圖2-36PCL-813B數(shù)據(jù)采集卡組成框圖

隔離后的A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)增益控制信號采樣控制信號讀低字節(jié)第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第104頁。PCL-813B的寄存器地址(P47表2-9)2.程序設(shè)計舉例PCL-813BA/D轉(zhuǎn)換基于查詢方式，由軟件觸發(fā)。A/D轉(zhuǎn)換器被觸發(fā)后，利用程序檢查A/D狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)準備位（DRDY），如果檢測到該位為“1”，則A/D轉(zhuǎn)換正在進行，當A/D轉(zhuǎn)換完成后，該位變?yōu)椤?”，此時轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可由程序讀出。程序見p48

第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第105頁。2.5模擬量輸出接口與過程通道2.5.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)型式

1.一個通道設(shè)置一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的形式：采用數(shù)字量保持方案，數(shù)據(jù)寄存器起到保持器的作用。轉(zhuǎn)換速度快，可靠，各通道相對獨立。

模擬量輸出通道由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I變換電路等組成。2.多個通道共用一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的形式：采用模擬量保持方案。常用于通道數(shù)量多，速度要求不高的場合。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第106頁。D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理:

將輸入的每一位二進制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。2.5.2D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)電子開關(guān)：d＝1→接“-”;d=0→接“+”權(quán)電阻式D/A轉(zhuǎn)換器：電路形式有多種第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第107頁。參考電壓求和電路設(shè)RF=R/2第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第108頁。位數(shù)：8位、10位、12位、14位。TTL工藝：AD1408、DAC100等。CMOS工藝：AD7532、AD7541、DAC0808、DAC0832、5G7520等。輸入：并行（傳統(tǒng)芯片，如上述所有型號）串行（近幾年開發(fā)的芯片，如MAX518等）第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第109頁。1.8位D/A轉(zhuǎn)換器接口DAC0832是含有雙輸入數(shù)據(jù)鎖存器的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，原理框圖如下，即具有二級緩沖，目的是使數(shù)據(jù)得到充分緩沖，以確保轉(zhuǎn)換精度。

集成D/A轉(zhuǎn)換器：將電子開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)集成在一塊硅片上，外接基準電壓VR、求和運算放大器。①8位DA轉(zhuǎn)換器②COMS工藝③倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)④內(nèi)部有2個數(shù)據(jù)寄存器⑤直通、單緩沖、雙緩沖三種工作方式第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第110頁。D0～D7：輸入8位數(shù)字量，D7最高位（MSB），D0最低位（LSB）Io1、Io2：模擬電流輸出端，Io1+Io2=常數(shù)＝VR/R

輸入全1時，Io1最大，Io2最??；反之則反。

Io1相當?shù)筎形DA轉(zhuǎn)換中的I∑。RFB：運放用反饋電阻引出端。RF＝R，使得引腳說明:VR：基準電壓，

VR＝－10V～＋10VVCC：電源電壓＋5V～＋15V第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第111頁。DGND：數(shù)字信號接地端。AGND：模擬信號接地端。：片選信號，低有效。：輸入鎖存使能，高電平有效。：寫信號1，低電平有效。：數(shù)據(jù)鎖存。寄存器輸出不隨輸入變化。：數(shù)據(jù)直通。寄存器輸出隨輸入變化。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第112頁。：寫信號2，低有效。：DAC轉(zhuǎn)換控制端，低有效。：數(shù)據(jù)鎖存。寄存器輸出不隨輸入變化。：數(shù)據(jù)直通。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)隨輸入變化。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第113頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第114頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第115頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第116頁。典型應(yīng)用VREF為-5V，電壓輸出為0~＋5V;VREF為-10V，電壓輸出為0~＋10V;VREF為＋5V，電壓輸出為0~－5V;VREF為＋10V，電壓輸出為0~－10V;

把輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第117頁。直通工作方式：數(shù)據(jù)不作任何鎖存；常用三種工作方式第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第118頁。若CS的地址為BASE:DAOUT:MOVDX,BASEMOVAL,7FHOUTDX,ALRET單緩沖方式：數(shù)據(jù)被一個寄存器鎖存；第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第119頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第120頁。雙緩沖方式：兩個寄存器都對數(shù)據(jù)進行鎖存。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第121頁。調(diào)零和調(diào)滿度①調(diào)零：輸入D0～D7為全零，調(diào)RE使Vo＝0②調(diào)滿度：輸入D0～D7為全1，調(diào)RF使Vo＝最大③重復(fù)①②步驟，直到都滿足為止。步驟：調(diào)零調(diào)滿度第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第122頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第123頁。2.12位D/A轉(zhuǎn)換器接口-DAC1210第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第124頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第125頁。雙緩沖方式第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第126頁。若CS的地址為BASE:DAOUT:MOVDX,BASE+1MOVAL,dataHOUTDX,ALMOVDX,BASE+0MOVAL,dataLOUTDX,ALRET第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第127頁。2.5.3

單極性與雙極性電壓輸出電路第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第128頁。單極性輸出電路雙極性輸出電路設(shè)n=8時第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第129頁。2.5.4V/I變換1.集成V/I轉(zhuǎn)換器ZF2B20輸入電壓：0～10V，輸出電流：4～20mA，電源電壓：10～32V。

ZF2B20中包括一個高精度運算放大器、精密電阻和一個高穩(wěn)定度的基準電壓源。其內(nèi)部基準可輸出一個2.5V的基準電壓（第4引腳）。目的是為擴大偏置和輸出能力。當REFIN和REFOUT聯(lián)結(jié)時，對應(yīng)0V輸入電壓可以相應(yīng)輸出4mA電流。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第130頁。圖2-12（a）所示電路是一種帶初值校準的0～10V到4～20mA的轉(zhuǎn)換電路；圖2-12（b）則是一種帶滿度校準的0～10V到0～10mA的轉(zhuǎn)換電路。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第131頁。2.集成V/I轉(zhuǎn)換器AD694輸入電壓：0-10V或0-2V，輸出電流：4-20mA或0-20mA。AD694的基本應(yīng)用：4引腳懸空，輸入量程約為0-10V；4引腳接地，輸入量程約為0-2V；9引腳接地，表示輸出4-20mA；接電源，表示輸出0-20mA；7引腳接8，參考電壓為2V，開路參考電壓為10V；DAC1210與AD694接口，輸入0～2V,輸出４～20mA4引腳懸空第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第132頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第133頁。第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第134頁。2.5.5

模擬量輸出通道模板舉例圖2-47PCL-726板卡組成框圖第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第135頁。1.寄存器地址分配見表2-122.D/A轉(zhuǎn)換程序流程D/A轉(zhuǎn)換程序流程如下（以通道1為例）：（1）選擇通道地址n=1（n=1～6）（2）確定D/A高4位數(shù)據(jù)地址（基地址+00）（3）置D/A高4位數(shù)據(jù)(D3～DO有效)（4）確定D/A低8位數(shù)據(jù)地址（基地址+01）（5）置D/A低8位數(shù)據(jù)并啟動轉(zhuǎn)換。3.程序設(shè)計舉例PCL-726的D/A輸出、數(shù)字量輸入等操作均不需要狀態(tài)查詢，分辨率為12位，000H～0FFFH分別對應(yīng)輸出0%～100%，若輸出50%，則對應(yīng)的輸出數(shù)字量為7FFH，設(shè)基地址為220H，D/A通道l輸出50%的程序如下：C語言參考程序段如下：

outportb(0x220,0x07)//D/A通道l輸出50%

outportb(0x221,0xff)匯編語言參考程序如下：（基地址為220H）：

MOVAL，07H；D/A通道l輸出50%

MOVDX，0220H

OUTDX，AL

MOVDX，0221H

MOVAL，0FFH

OUTDX,AL第2章-計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)全文共193頁，當前為第136頁。2.6基于串行總線的計算機控制系統(tǒng)硬件技術(shù)

基于RS-485的主從分布式