1、第5章 計(jì)算機(jī)控制及接口技術(shù),5.1 概述 5.2 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 5.3 計(jì)算機(jī)接口技術(shù) 5.4 計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì) 5.5 D/A轉(zhuǎn)換器 5.6 A/D轉(zhuǎn)換器 思考題,5.1 概述,5.1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 將模擬式自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)， 就組成了一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 如圖5-1所示。,圖5-1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖,典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可用圖5-2來示意，它可分為硬件和軟件兩大部分。 硬件是指計(jì)算機(jī)本身及其外圍設(shè)備，一般包括中央處理器,內(nèi)存儲(chǔ)器,磁盤驅(qū)動(dòng)器,各種接口電路，以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換為核心的模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道，以及各

2、種顯示、記錄設(shè)備,運(yùn)行操作臺(tái)等。,圖5-2 典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖,（1）由中央處理器、時(shí)鐘電路、內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計(jì)算、越限報(bào)警等功能，并通過接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮全系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作。 （2）操作臺(tái)是人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶。 （3）通用外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。,（4）I/O接口與I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口，I/O通道有模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道。其中，模擬量I/O通道的作用是：一方面將經(jīng)由傳感器得到的工業(yè)對(duì)象

3、的生產(chǎn)過程參數(shù)變換成二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī)；另一方面將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制。 （5）傳感器的主要功能是將被檢測(cè)的非電學(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量，如熱電偶把溫度變成電壓信號(hào)，壓力傳感器把壓力變成電信號(hào)等等。變送器的作用是將傳感器得到的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成適用于計(jì)算機(jī)接口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如010mADC）。,系統(tǒng)軟件是由計(jì)算機(jī)的制造廠商提供的，用來管理計(jì)算機(jī)本身的資源和方便用戶使用計(jì)算機(jī)的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等，它們一般不需用戶自行設(shè)計(jì)編程，只需掌握使用方法或根據(jù)實(shí)際需要加以適當(dāng)改造即可。 應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程

4、序，比如各種數(shù)據(jù)采集、濾波程序，控制量計(jì)算程序，生產(chǎn)過程監(jiān)控程序等。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，軟件和硬件不是獨(dú)立存在的，在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意兩者相互間的有機(jī)配合和協(xié)調(diào)，只有這樣才能研制出滿足生產(chǎn)要求的高質(zhì)量的控制系統(tǒng)。,5.1.2計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用方式 1.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 如圖5-3所示，在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對(duì)象。 ,圖5-3 計(jì)算機(jī)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)示意圖,2.直接數(shù)字控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制DDC（DirectDigitalControl）系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式，其結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。,圖5-4 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),3.監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

5、在監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制SCC（SupervisoryComputerControl）系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝參數(shù)和過程參量檢測(cè)值，并按照所設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出最佳設(shè)定值后直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計(jì)算機(jī)，最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程。SCC系統(tǒng)有兩種類型，一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖5-5所示。 （1）SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)。 （2）SCC+DDC的控制系統(tǒng)。 ,圖5-5監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖 (a）SCC模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)；(b）SCCDDC系統(tǒng) 4,4.分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 圖5-6是一個(gè)四級(jí)計(jì)

6、算機(jī)控制系統(tǒng)。其中，過程控制級(jí)為最底層，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行直接數(shù)字控制；車間管理級(jí)負(fù)責(zé)本車間各設(shè)備間的協(xié)調(diào)管理；工廠管理級(jí)負(fù)責(zé)全廠各車間的生產(chǎn)協(xié)調(diào)，包括安排生產(chǎn)計(jì)劃、備品備件等；企業(yè)（公司）管理級(jí)負(fù)責(zé)總的協(xié)調(diào)，安排總生產(chǎn)計(jì)劃，進(jìn)行企業(yè)(公司)經(jīng)營(yíng)方向的決策等。,圖5-6 計(jì)算機(jī)分級(jí)控制系統(tǒng),5.1.3典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng) 圖5-7介紹了工業(yè)爐計(jì)算機(jī)控制的典型情況，其燃料為燃料油或者煤氣，為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常燃燒，必須保持燃料和空氣的比值恒定。 ,圖5-7 工業(yè)爐的計(jì)算機(jī)控制,2.微型計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 圖5-8是計(jì)算機(jī)控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。其中，晶閘管觸發(fā)器、速度調(diào)節(jié)器

7、和電流調(diào)節(jié)器均由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。,圖5-8 計(jì)算機(jī)控制的雙閉環(huán)系統(tǒng),3.計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制系統(tǒng) 在圖5-9中表示出一個(gè)在線、開環(huán)、實(shí)時(shí)的簡(jiǎn)單機(jī)床數(shù)字程序控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。根據(jù)所使用的軟件，該系統(tǒng)既可以設(shè)計(jì)成平面點(diǎn)位控制系統(tǒng)，又可設(shè)計(jì)成平面輪廓控制系統(tǒng)。圖中的微型計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的核心部件，它完成程序和數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、加工軌跡計(jì)算和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序、顯示程序、故障診斷程序等控制程序的執(zhí)行等。,圖5-9 簡(jiǎn)單機(jī)床數(shù)字程序控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖,4.工業(yè)機(jī)器人 圖5-10給出了智能機(jī)器人的一般結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)多級(jí)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。可以這樣說：沒有計(jì)算機(jī)，就沒有現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人。,圖5-10 智能機(jī)器人的一般

8、結(jié)構(gòu),5.2 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),5.2.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及要求 1.實(shí)時(shí)性 2.高可靠性 3.硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性 4.可維護(hù)性 ,下面以MCS系列單片機(jī)為例，來介紹單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能及使用上的特點(diǎn)。 1.MCS-48單片機(jī)系列 MCS-48系列是8位的單片機(jī)，根據(jù)存儲(chǔ)器的配置不同，該系列包括有8048、8049、8021、8035等多種機(jī)型，由于價(jià)格低廉，目前仍有簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合在使用。其主要特點(diǎn)是： （1）8位CPU，工作頻率為16MHz。 （2）64BRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1KB程序存儲(chǔ)器。 （3）5V電源，40引腳雙列直插式封裝。,（4）6MHz工作頻率時(shí)機(jī)器周期為2.5s，所有指令

9、的執(zhí)行為12個(gè)機(jī)器周期。 （5）有96條指令，其中大部分為單字節(jié)指令。 （6）8字節(jié)堆棧，單級(jí)中斷，兩個(gè)中斷源。 （7）兩個(gè)工作寄存器區(qū)。 （8）一個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 2.MCS-51單片機(jī)系列 該系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多種機(jī)型。其主要特點(diǎn)是： ,（1）8位CPU，工作頻率為112MHz。 （2）128BRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4KBROM程序存儲(chǔ)器。 （3）5V電源，40引腳雙列直插式封裝。 （4）12MHz工作頻率時(shí)機(jī)器周期為1s，所有指令的執(zhí)行為14個(gè)機(jī)器周期。 （5）外部可分別擴(kuò)展64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。 （6）2級(jí)中斷，5個(gè)中斷源。 （7）

10、21個(gè)專用寄存器，有位尋址功能。 （8）兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工串行通信口。 （9）4組8位I/O口。,3.MCS-96單片機(jī)系列 MCS-96系列是16位單片機(jī)，適用于高速的控制和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，其在硬件和指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上較8位機(jī)有很多不同之處。MCS-96單片機(jī)系列主要有8096、8094、8396、8394、8796等多種機(jī)型。其主要特點(diǎn)是： （1）16位CPU，工作頻率為612MHz。 （2）232BRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8KBROM程序存儲(chǔ)器。 （3）有48和68兩種引腳，多種封裝形式。 （4）高速I/O接口，能測(cè)量和產(chǎn)生高分辨率的脈沖（12MHz時(shí)是2s），6條專用I/O

11、，兩條可編程I/O。,（5）外部可分別擴(kuò)展64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。 （6）可編程8級(jí)優(yōu)先中斷，21個(gè)中斷源。 （7）脈寬調(diào)制輸出，提供一組能改變脈寬的可編程脈寬信號(hào)。 （8）兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4個(gè)16位軟件定時(shí)器。 （9）5組8位I/O口。 （10）10位A/D轉(zhuǎn)換器，可接收4路或8路的模擬量輸入。 （11）6.25s的16位乘16位和32位除16位指令。,（12）運(yùn)行時(shí)可對(duì)EPROM編程，ROM/EPROM的內(nèi)容可加密。 （13）全雙工串行通信口及專門的波特率發(fā)生器。 另外一種16位的單片機(jī)是8098單片機(jī)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能與8096完全一樣，但其外部數(shù)據(jù)總線卻只有8位，因此是

12、準(zhǔn)16位單片機(jī)。由于8098減少了I/O線，其外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，芯片的制造成本降低，因此應(yīng)用非常廣泛。MCS-98單片機(jī)系列主要有8398、8798等幾種機(jī)型。,圖5-11是PLC應(yīng)用于邏輯控制的簡(jiǎn)單事例。輸入信號(hào)是由按鈕開關(guān)、限位開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等提供的各種開關(guān)信號(hào)，通過接口進(jìn)入PC，經(jīng)PC處理后產(chǎn)生控制信號(hào)，通過輸出接口送給線圈、繼電器、指示燈、電動(dòng)機(jī)等輸出裝置。,圖5-11 PLC的邏輯控制電路,1.PC的組成原理 PC實(shí)際上是一個(gè)專用計(jì)算機(jī)，它的結(jié)構(gòu)和組成與通用微機(jī)的基本相同，主要包括CPU、存儲(chǔ)器、接口模塊、外部設(shè)備、編程器等。下面介紹PC的各主要部分。 （1）CPU。 圖5-12中，在

13、同步掃描周期內(nèi)，除I/O掃描之外，還有服務(wù)程序、通信窗口、內(nèi)部執(zhí)行程序等。,圖5-12 PC的掃描工作機(jī)制,（2）存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。 （3）接口模塊。 PLC模塊包括如下幾種類型： 數(shù)字量I/O模塊。數(shù)字量I/O模塊完成數(shù)字量信號(hào)的輸入/輸出，一般可替代繼電器邏輯控制。 模擬量I/O模塊。 專用和智能接口模塊。 編程器。 外部設(shè)備。,2.PC的性能特點(diǎn) （1）存儲(chǔ)器：可以是帶有電源保護(hù)的RAM、EPROM或EEPROM。 （2）數(shù)字量輸入/輸出端子：具有繼電邏輯控制中的輸入/輸出繼電器功能，端子點(diǎn)數(shù)的多少是決定PC的控制規(guī)模的主要參數(shù)。 （3）計(jì)數(shù)器和定時(shí)器：在

14、PC的邏輯順序控制中，可替代繼電器邏輯控制中的時(shí)間繼電器和計(jì)數(shù)繼電器。 （4）標(biāo)志（軟繼電器）：在PC的邏輯順序控制中用作中間繼電器，其中部分標(biāo)志具有保持作用。,（5）平均掃描時(shí)間：指掃描用戶程序的時(shí)間，決定了PC的控制響應(yīng)速度。 （6）診斷：由通電檢查和故障指示的軟件完成。 （7）通信接口：一般采用RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，可以連接打印機(jī)和上位機(jī)等設(shè)備。 （8）編程語言：一般采用繼電器控制方式的梯形圖語言和語句表，并在此基礎(chǔ)上建立控制系統(tǒng)流程圖和順序功能圖等語言。,除上述一般特性外，高性能的PC還具有下列特性： （1）數(shù)據(jù)傳送和矩陣處理功能：可以滿足工廠管理的需要。 （2）PID調(diào)節(jié)功能：備有模擬

15、量的輸入/輸出模塊和PID調(diào)節(jié)控制軟件包，以滿足閉環(huán)控制的要求。 （3）遠(yuǎn)程I/O功能：使輸入/輸出通道可分散安裝在被控設(shè)備的附近，以減少現(xiàn)場(chǎng)電纜布線和系統(tǒng)成本。 （4）圖形顯示功能：借助圖形顯示軟件包（組態(tài)軟件等），可顯示被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。方便操作者監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。,（5）冗余控制：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中備有一臺(tái)同樣的PC系統(tǒng)，并處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)原系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換，使待機(jī)的PC投入運(yùn)行，從而提高控制的可靠性。 （6）網(wǎng)絡(luò)功能：通過數(shù)據(jù)通道與其他數(shù)臺(tái)PC連接或與管理計(jì)算機(jī)連接，以構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。,3.PC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) PC的結(jié)構(gòu)分成單元式和模塊式兩種。 （1）單元

16、式。 （2）模塊。 5.2.4 總線工控機(jī) 1.STD總線工業(yè)控制機(jī) 典型的STD總線工控機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5-13所示，其突出特點(diǎn)是：模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)組成、修改和擴(kuò)展方便；各模塊間相對(duì)獨(dú)立，使檢測(cè)、調(diào)試、故障查找簡(jiǎn)便迅速；有多種功能模板可供選用，大大減少了硬件設(shè)計(jì)工作量；系統(tǒng)中可運(yùn)行多種操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)的支持軟件，使控制軟件開發(fā)的難度大幅降低。 ,圖5-13 用STD總線工業(yè)控制機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),下面分別介紹各種模板的特點(diǎn)。 （1）數(shù)字量I/O模板。 圖5-14是一種典型的數(shù)字量I/O模板的電路原理框圖。 （2）模擬量I/O模板。 圖5-15所示是一種光電隔離型A/D模板的結(jié)構(gòu)示意圖，

17、D/A模板的結(jié)構(gòu)與之類似。在模板選用時(shí)主要需考慮系統(tǒng)中信號(hào)的最高頻率、電平范圍、信號(hào)數(shù)量等參數(shù)及系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換速度、精度及分辨率等要求，以既滿足控制系統(tǒng)需要又不造成過大的浪費(fèi)為原則。,圖5-14 數(shù)字量I/O模板的原理框圖,圖5-15 光電隔離型A/D模板的結(jié)構(gòu)示意圖,（3）信號(hào)調(diào)理模板。 圖5-16是信號(hào)調(diào)理模板的應(yīng)用實(shí)例。信號(hào)調(diào)理模板應(yīng)根據(jù)傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求來匹配，并應(yīng)充分考慮信號(hào)的信噪比、放大增益的可調(diào)范圍、零點(diǎn)的調(diào)整方法、濾波的通帶增益和阻帶衰減率等參數(shù)。,圖5-16 信號(hào)調(diào)理模板的應(yīng)用實(shí)例,（4）CPU模板。 （5）存儲(chǔ)器模板。 （6）其他特殊功能模板。 2. PC總線工業(yè)控制

18、機(jī) IBM公司的PC總線微機(jī)最初是為個(gè)人或辦公室使用而設(shè)計(jì)的，早期主要用于文字處理或一些簡(jiǎn)單的辦公室事務(wù)處理。早期產(chǎn)品是基于一塊大底板結(jié)構(gòu)，加上幾個(gè)I/O擴(kuò)充槽。 PC/AT總線的IBM兼容計(jì)算機(jī)由于價(jià)格低廉、使用靈活、軟件資源非常豐富，因而用戶眾多，在國(guó)內(nèi)更是主要流行機(jī)種之一。 ,近幾年來許多公司推出了PC/AT總線工業(yè)控制機(jī)，一般對(duì)原有微機(jī)作了以下幾方面的改進(jìn) （1）機(jī)械結(jié)構(gòu)加固，使微機(jī)的抗震性好。 （2）采用標(biāo)準(zhǔn)模板結(jié)構(gòu)。 （3）加上帶過濾器的強(qiáng)力通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)散熱，增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力。 （4）采用電子軟盤取代普通的軟磁盤，使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。 （5）根據(jù)工業(yè)控制的特點(diǎn)

19、，常采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。 表5-1給出了三種常用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能比較關(guān)系。 ,表5-1 三種常用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能比較,5.3 計(jì)算機(jī)接口技術(shù),5.3.1 接口、通道及其功能 1.I/O接口電路 I/O接口電路簡(jiǎn)稱接口電路，它是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件（電路）。它在主機(jī)和外圍設(shè)備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。接口電路的主要作用如下：,（1）解決主機(jī)CPU和外圍設(shè)備之間的時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題。 （2）解決CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。 （3）解決CPU的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口的選擇問題。 2. I/O通道 I/O通道也稱為過程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制

20、對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。,應(yīng)當(dāng)指出，I/O接口和I/O通道都是為實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外圍設(shè)備（包括被控對(duì)象）之間信息交換而設(shè)的器件，其功能都是保證主機(jī)和外圍設(shè)備之間能方便、可靠、高效率地交換信息。因此，接口和通道緊密相連，在電路上往往結(jié)合在一起了。例如，目前大多數(shù)大規(guī)模集成A/D轉(zhuǎn)換器芯片，除了完成A/D轉(zhuǎn)換，起模擬量輸入通道的作用外，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量可保存在片內(nèi)具有三態(tài)輸出的輸出鎖存器中；同時(shí)，具有通信聯(lián)絡(luò)及I/O控制的有關(guān)信號(hào)端，可以直接掛到主機(jī)的數(shù)據(jù)總線及控制總線上去，這樣，A/D轉(zhuǎn)換器也就同時(shí)起到了輸入接口的作用。,5.3.2 I/O信號(hào)的種類 在微機(jī)控制系統(tǒng)或微機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)和外圍設(shè)

21、備間所交換的信息通常分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。 1.數(shù)據(jù)信息 數(shù)據(jù)信息是主機(jī)和外圍設(shè)備交換的基本信息，通常是8位或16位的數(shù)據(jù)，它可以用并行格式傳送，也可以用串行格式傳送。數(shù)據(jù)信息又可以分為數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量和脈沖量。,（1）數(shù)字量。 （2）模擬量。 （3）開關(guān)量。 （4）脈沖量。 2.狀態(tài)信息 狀態(tài)信息是外圍設(shè)備通過接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備所處的工作狀態(tài)的信息，可作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。 3.控制信息 控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設(shè)備的信息。,5.3.3計(jì)算機(jī)和外部的通信方式 計(jì)算機(jī)和外部交換信息又稱為通信（communication）,按數(shù)據(jù)傳送方式可分為并

22、行通信和串行通信兩種基本方式。 1.并行通信 并行通信就是把傳送數(shù)據(jù)的n位數(shù)用n條傳輸線同時(shí)傳送。其優(yōu)點(diǎn)是傳送速度快、信息率高，并且通常只需提供兩條控制和狀態(tài)線，就能完成CPU和接口及設(shè)備之間的協(xié)調(diào)和應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)異步傳輸。,2.串行通信 串行通信是指數(shù)據(jù)按位進(jìn)行傳送。 串行通信又分為全雙工方式和半雙工方式、同步方式和異步方式。 （1）全雙工方式。 （2）半雙工方式。 （3）同步通信。 （4）異步通信。 標(biāo)準(zhǔn)的異步通信格式如圖5-17所示。,圖5-17 標(biāo)準(zhǔn)的異步通信數(shù)據(jù)格式,5.3.4 I/O控制方式 通常采用的有三種I/O控制方式：程序控制方式、中斷控制方式和直接存儲(chǔ)器存取方式。 在進(jìn)行微機(jī)控

23、制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可按不同要求來選擇各外圍設(shè)備的控制方式。 1.程序控制方式 程序控制I/O方式是指CPU和外圍設(shè)備之間的信息傳送是在程序控制下進(jìn)行的。它又可分為無條件I/O方式和查詢式I/O方式。 （1）無條件I/O方式。 無條件傳送方式的工作原理如圖5-18所示。,圖5-18 無條件傳送方式I/O接口的電路原理圖,（2）查詢式I/O方式。 查詢式I/O方式也稱為條件傳送方式。按查詢式I/O方式傳送信息時(shí)，CPU和外圍設(shè)備的I/O接口除需設(shè)置數(shù)據(jù)端口外，還要有狀態(tài)端口。查詢式I/O接口電路的原理框圖如圖5-19所示。,圖5-19 查詢式I/O方式接口電路的原理框圖,查詢式I/O方式是微機(jī)控制系統(tǒng)

24、中經(jīng)常采用的方式。假設(shè)某微機(jī)控制系統(tǒng)中采用查詢式對(duì)1、2、3三個(gè)外圍設(shè)備進(jìn)行I/O管理，其查詢和I/O處理的簡(jiǎn)化程序流程圖如圖5-20所示。,圖5-20 查詢式I/O處理簡(jiǎn)化程序流程圖,從原理上看，查詢式比無條件傳送方式可靠，接口電路簡(jiǎn)單，不占用中斷輸入線，而且查詢程序也簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)調(diào)試。 但是在查詢式I/O方式下，CPU要不斷地讀取狀態(tài)字和檢測(cè)狀態(tài)字，不管那個(gè)外圍設(shè)備是否有服務(wù)請(qǐng)求，都必須一一查詢，許多次的重復(fù)查詢可能都是無用的，而又占去了CPU的時(shí)間，效率較低。 I/O方式的選擇必須符合實(shí)時(shí)控制的要求。對(duì)于查詢式I/O方式，滿足實(shí)時(shí)控制要求的使用條件是：“所有外圍設(shè)備的服務(wù)時(shí)間的總和必須

25、小于或等于任一外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間”。這里所說的服務(wù)時(shí)間，是指某臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)子程序的執(zhí)行時(shí)間。最短響應(yīng)時(shí)間是指某臺(tái)設(shè)備相鄰兩次請(qǐng)求服務(wù)的最短間隔時(shí)間。,2.中斷控制I/O方式 為了提高CPU的效率和使系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性，可以采用中斷控制I/O方式。 在中斷傳送時(shí)的接口電路如圖5-21所示。,圖5-21 中斷傳送方式的接口電路,微機(jī)控制系統(tǒng)中，可能設(shè)計(jì)有多個(gè)中斷源，且多個(gè)中斷源可能同時(shí)提出中斷請(qǐng)求。多重中斷處理必須注意如下四個(gè)問題： （1）保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。 （2）正確判斷中斷源。 （3）實(shí)時(shí)響應(yīng)。 （4）按優(yōu)先權(quán)順序處理。 3.直接存儲(chǔ)器存?。―MA）方式 利用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可

26、以大大提高CPU的利用率。但在中斷方式下，仍必須通過CPU執(zhí)行程序來完成數(shù)據(jù)的傳送。每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，就要執(zhí)行一次中斷過程，其中保護(hù)和恢復(fù)斷點(diǎn)、保護(hù)和恢復(fù)寄存器內(nèi)容的操作與數(shù)據(jù)傳送沒有直接關(guān)系，但會(huì)花費(fèi)掉CPU的不少時(shí)間。 ,DMA的工作流程如圖5-22所示。 實(shí)現(xiàn)上述操作的DMA控制器的硬件框圖如圖5-23所示。 圖5-24是8237A的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)和外部連接。,圖5-22 DMA的工作流程圖,圖5-23 DMA控制器框圖,圖5-24 8237A的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)和外部連接,5.3.5 I/O接口的編址方式 1. I/O接口獨(dú)立編址方式 這種編址方式是將存儲(chǔ)器地址空間和I/O接口地址空間分開設(shè)

27、置，互不影響，并設(shè)有專門的輸入指令（IN）和輸出指令（OUT）來完成I/O操作。 8086微處理器的I/O接口也是屬于獨(dú)立編址方式的。它允許有256個(gè)8位的I/O端口，兩個(gè)編號(hào)相鄰的8位端口可以組合成一個(gè)16位端口。 8086輸入/輸出指令可以分為兩大類。一類是直接的輸入/輸出指令，如INAL，55H；OUT70H，AX。另一類是間接的輸入輸出指令，如INAX，DX；OUTDX，AL。在執(zhí)行間接輸入/輸出指令前，必須在DX寄存器中先設(shè)置好訪問端口號(hào)。,2. I/O接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式 統(tǒng)一編址方式不區(qū)分存儲(chǔ)器地址空間和I/O接口地址空間，它把所有的I/O接口的端口都當(dāng)作是存儲(chǔ)器的一個(gè)單元對(duì)

28、待，每個(gè)接口芯片都安排一個(gè)或幾個(gè)與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編號(hào)的地址號(hào)；也不設(shè)專門的輸入/輸出指令，所有傳送和訪問存儲(chǔ)器的指令都可用來對(duì)I/O接口操作。M6800和6502微處理器以及Intel51系列的51、96系列單片機(jī)都采用I/O接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式。 兩種編址方式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 I/O接口的編址方式是由所選定的微處理器決定的，接口設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按所選定的處理器規(guī)定的編址方式來設(shè)計(jì)I/O接口地址譯碼器。 ,5.4 計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì),5.4.1 I/O接口與系統(tǒng)的連接 計(jì)算機(jī)接口是CPU和外圍設(shè)備之間的連接界面。典型的I/O接口和外部的連接如圖5-25所示。,圖5-25 典型的I/O接口與外部的連接,圖5

29、-26、圖5-27和圖5-28中，分別畫出了典型的I/O接口芯片Z80PIO、8255A和8251A與CPU和外圍設(shè)備的連接關(guān)系。由圖5-26、圖5-27和圖5-28可見，接口芯片與CPU之間必要的連接信號(hào)有下列4類： （1）數(shù)據(jù)信號(hào)D0D7。 （2）讀/寫控制信號(hào) 。 （3）片選信號(hào)CS和地址線A、A0。 （4）時(shí)鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號(hào)等控制信號(hào)。,圖5-26 Z80PIO與CPU和外設(shè)的連接,圖5-27 8255A與CPU和外設(shè)的連接,圖5-28 8251A與CPU和外設(shè)的連接,5.4.2 I/O接口擴(kuò)展 1.地址譯碼器的擴(kuò)展 擴(kuò)展I/O接口必然要解決I/O接口的端口（寄存器）的編址

30、和選址問題。每個(gè)通用接口部件都包含一組寄存器，一般稱這些寄存器為I/O端口。 74LS138的管腳圖如圖5-29所示。 ,圖5-29 74LS138管腳圖,例5-1 此例采用8位的Z80CPU的微機(jī)控制系統(tǒng)，按控制要求擴(kuò)展一個(gè)并行接口芯片PIO、一個(gè)計(jì)數(shù)器定時(shí)器（CTC）、一個(gè)8位的A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0808）和一個(gè)8位的D/A轉(zhuǎn)換器（DAC0832）。若指定它們的地址分別為40H43H、44H47H、58H和5CH，那么可以設(shè)計(jì)出如圖5-30所示的地址譯碼電路。,圖5-30 I/O接口地址譯碼擴(kuò)展,圖5-30中，獨(dú)立編址方式的片選信號(hào)只利用地址總線的低8位（A0A7）譯出，為了區(qū)別是訪問存

31、儲(chǔ)器還是訪問I/O接口，IORQ信號(hào)是必須用的。同時(shí),為了控制數(shù)據(jù)流向也要使用讀（RD）、寫（WR）信號(hào)。但是Z80PIO和Z80CTC芯片有些特殊，沒有WR信號(hào)引腳，它是利用IORQ、RD和Mi三個(gè)信號(hào)通過內(nèi)部邏輯電路的組合而得到讀、寫、復(fù)位、中斷響應(yīng)等控制信號(hào)的。 2.負(fù)載能力的擴(kuò)展 擴(kuò)展的I/O接口和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線都同時(shí)要掛到CPU的數(shù)據(jù)總線上，各芯片的地址也都要掛到CPU的地址線上，控制線也一樣要掛到CPU的控制總線上。 由表5-2可見，MOS器件的輸入電流小，驅(qū)動(dòng)能力也差。,表5-2 TTL和MOS器件的輸入/輸出電流,從圖5-31中可以看到，8286具有兩組對(duì)稱的數(shù)據(jù)引線，A7A0

32、為輸入數(shù)據(jù)線，B7B0為輸出數(shù)據(jù)線。當(dāng)然，由于在收發(fā)器中數(shù)據(jù)是雙向傳輸?shù)?，因此?shí)際上輸入線和輸出線也可以交換。用T表示的引腳信號(hào)就是用來控制數(shù)據(jù)傳輸方向的。當(dāng)T1時(shí)，就使A7A0為輸入線；當(dāng)T0時(shí)，則使B7B0為輸入線。在系統(tǒng)中，T端和CPU的DT/R端相連，DT/R為數(shù)據(jù)收發(fā)信號(hào)。當(dāng)CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出時(shí)，DT/為高電平，于是數(shù)據(jù)流由A7A0進(jìn)入，從B7B0送出；當(dāng)CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入時(shí)，DT/R為低電平，于是數(shù)據(jù)流由B7B0進(jìn)入，而從A7A0送出。,圖5-31 8286收發(fā)器和8088的連接,5.4.3模擬量的采樣與處理 模擬量輸入通道可完成模擬量的采集并將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)的任務(wù)。依據(jù)

33、被控參量和控制要求的不同，模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式不完全相同。目前普遍采用的是公用運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式，其組成方框圖如圖5-32所示。,圖5-32 模擬量輸入通道的組成方框圖,1.信號(hào)處理裝置 信號(hào)處理裝置一般包括敏感元件、傳感器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等。 2.采樣單元 采樣單元也稱為多路轉(zhuǎn)換器或多路切換開關(guān)，它的作用是把多個(gè)已變換成統(tǒng)一電壓信號(hào)（040mV）的測(cè)量信號(hào)按序或隨機(jī)地接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放大器上。 3.計(jì)算機(jī)采樣與量化 模擬信號(hào)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集過程需要解決用離散數(shù)據(jù)表示連續(xù)信號(hào)的精度問題。,模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程。 （1）采樣過程。

34、如圖5-33所示。 (2）量化過程。 量化過程（簡(jiǎn)稱量化）就是用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過程，如圖5-34所示。,圖5-33采樣過程 (a）模擬信號(hào)；(b）離散模擬信號(hào),圖5-34量化過程 (a）離散模擬信號(hào)；(b）數(shù)字信號(hào),量化單位q是指量化后二進(jìn)制數(shù)的最低位所對(duì)應(yīng)的模擬量的值。設(shè)fmax和fmin分別為轉(zhuǎn)換信號(hào)的最大值和最小值，i為轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，則量化單位為 （5-1） 例如，模擬信號(hào)fmax16V、fmin0，取i4，則q1V，量化誤差最大值emax0.5V。,5.4.4輸入/輸出通道 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，要將對(duì)

35、象的各種測(cè)量參數(shù)，按要求的方式送入微機(jī)。微機(jī)經(jīng)過運(yùn)算、處理后，將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出，此時(shí)也要把該輸出變換為適合于對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的量。所以在微機(jī)和生產(chǎn)過程之間，必須設(shè)置信息的傳遞和變換的連接通道。該連接通道被稱為輸入與輸出通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道，其組成如圖5-35所示。,圖5-35 輸入與輸出通道的組成,1.模擬量輸入通道 模擬量輸入通道一般由信號(hào)處理裝置、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換器等組成。 模擬量輸出通道有以下兩種基本結(jié)構(gòu)形式。 （1）一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式。這種形式是指在微機(jī)和通路之間通過獨(dú)立的接口緩沖器傳送信息

36、，這是一種數(shù)字保持的方案，如圖5-36所示。,圖5-36 一個(gè)通路一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器,(2）多個(gè)通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式。 3.數(shù)字量輸入通道 隨輸入數(shù)字信號(hào)的類型不同，數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)也不同。 （1）編碼信號(hào)。 （2）脈沖列。 （3）開關(guān)信號(hào)。 圖5-37畫出了幾種微機(jī)系統(tǒng)中常用的電平轉(zhuǎn)換、濾波、去抖動(dòng)及光電隔離和繼電器隔離電路。,圖5-37開關(guān)量輸入電路； (a）電平轉(zhuǎn)換及濾波器；(b）繼電器隔離及電平轉(zhuǎn)換電路； (c）消除開關(guān)二次反跳觸發(fā)器電路；(d）光電隔離及電平轉(zhuǎn)換電路,圖5-37開關(guān)量輸入電路； (a）電平轉(zhuǎn)換及濾波器；(b）繼電器隔離及電平轉(zhuǎn)換電路； (c）消除開關(guān)二次反

37、跳觸發(fā)器電路；(d）光電隔離及電平轉(zhuǎn)換電路,4.數(shù)字量輸出通道 數(shù)字量輸出通道輸出的數(shù)字信號(hào)有三類：二進(jìn)制編碼數(shù)字、“1”或“0”的開關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)。 具體電路可參閱圖5-38。 圖5-39畫出了幾種開關(guān)量輸出的具體電路。,圖5-38 一種使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)串行D/A轉(zhuǎn)換電路,圖5-39開關(guān)量輸出電路 (a）TTL電平輸出（PC900為高速光電隔離電路）；,圖5-39開關(guān)量輸出電路 (b）晶體管開關(guān)輸出；,圖5-39開關(guān)量輸出電路 (c）繼電器輸出,5.5 D/A轉(zhuǎn)換器,5.5.1并行D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理 D/A轉(zhuǎn)換器是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與輸入量成比例的模擬信號(hào)的器件。為了了解它的工作原理，

38、先分析一下圖5-40所示的R-2R梯形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)的原理電路。,圖5-40R-2R梯形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)原理圖,在圖中，整個(gè)電路由若干個(gè)相同的支電路組成，每個(gè)支電路有兩個(gè)電阻和一個(gè)開關(guān)，開關(guān)S-i是按二進(jìn)“位”進(jìn)行控制的。當(dāng)該位為“1”時(shí)，開關(guān)將加權(quán)電阻與IOUT1輸出端接通；當(dāng)該位為“0”時(shí)，開關(guān)與IOUT2接通。 由于IOUT2接地，IOUT1為虛地，所以有,(5-2),流過每個(gè)加權(quán)電阻的電流依次為,.,(5-3),由于Iout1端輸出的總電流是置“1”的各位加權(quán)電流的總和，IOUT2端輸出的總電流是置“0”的各位加權(quán)電流的總和，因此當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入為全“1”時(shí)，IOUT1和IOUT2分別為,

39、(5-4),當(dāng)運(yùn)算放大器的反饋電阻Rfb等于反相端輸入電阻R時(shí)，其輸出模擬電壓為 對(duì)于任意二進(jìn)制碼，其輸出模擬電壓為 式中，ai=1或ai=0。由上式便可得到相應(yīng)的模擬量輸出。 ,（5-5),（5-6),5.5.2 DA轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) （1）分辨率。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率表示當(dāng)輸入數(shù)字量變化了1時(shí)，輸出模擬量變化的大小。它反映了計(jì)算機(jī)的數(shù)字量輸出對(duì)執(zhí)行部件控制的靈敏程度。對(duì)于一個(gè)N位的D/A轉(zhuǎn)換器,其分辨率為 （5-7） 分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率為8位，表示它可以對(duì)滿量程的1/28=1/256的增量作出反應(yīng)。所以，N位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是

40、它的分辨率。,（2）穩(wěn)定時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間是指D/A轉(zhuǎn)換器中代碼有滿刻度值的變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定（一般指穩(wěn)定到與1/2最低位的值相當(dāng)?shù)哪M量范圍內(nèi)）所需的時(shí)間，一般為幾十納秒到幾微秒。 （3）輸出電平。不同型號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大，一般為510V。也有一些高壓輸出型，輸出電平為2430V。還有一些電流輸出型，低的為20mA，高的可達(dá)3A。 （4）輸入編碼。一般二進(jìn)制編碼比較通用，也有BCD等其他專用編碼形式芯片。其他類型編碼可在D/A轉(zhuǎn)換前用CPU進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換變成二進(jìn)制編碼。,（5）溫度范圍。較好的D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍為-4085，較差的為070?？砂从?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用環(huán)境查

41、器件手冊(cè)選擇合適的器件類型。 5.5.3 8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器,能完成從數(shù)字量輸入到模擬量（以電流形式）輸出的轉(zhuǎn)換。圖5-41和圖5-42分別為DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和引腳圖。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位（滿度量程的1/256），轉(zhuǎn)換時(shí)間為1s，基準(zhǔn)電壓為+10-10V，供電電源為+5+15V，功耗為20mW，與TTL電平兼容。,圖5-41 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,圖5-42 DAC0832引腳圖,從圖5-41中可見，在DAC0832中有兩級(jí)鎖存器；第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號(hào)為ILE；第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖

42、存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)XFER。因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器，所以DAC0832可以工作在雙緩沖器方式下，即在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)，可以采集下一個(gè)數(shù)據(jù)。這樣可以有效地提高轉(zhuǎn)換速度。另外，有了兩級(jí)鎖存器以后，可以在多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，利用第二級(jí)鎖存器的鎖存信號(hào)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)換器的同時(shí)輸出。圖5-41中，當(dāng)ILE為高電平、CS和WR1為低電平時(shí)，LE1為1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng)WR1由低電平變高時(shí)，LE1成為低電平，此時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，這樣，輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)的變化而變化。,對(duì)第二級(jí)鎖存器來說，XFER和WR2同時(shí)為低電平時(shí)，LE2為高電平，這時(shí)，

43、8位的DAC寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng)WR2由低電平變高時(shí)，LE2變?yōu)榈碗娖剑谑?，將輸入寄存器的信息鎖存到DAC寄存器中。 圖5-42中各引腳的功能定義如下： CS片選信號(hào)，它和允許輸入鎖存信號(hào)ILE合起來決定WR1是否起作用。 ILE允許鎖存信號(hào)。 WR1寫信號(hào)1，它作為第一級(jí)鎖存信號(hào)將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器中，WR1必須和CS、ILE同時(shí)有效。,WR2寫信號(hào)2，它將鎖存在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送到8位DAC寄存器中進(jìn)行鎖存，此時(shí)，傳送控制信號(hào)XFER必須有效。 XFER傳送控制信號(hào)，用來控制WR2。 DI7DI08位數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。 IOUT1模擬電流輸出端，當(dāng)DAC寄

44、存器中全為1時(shí)，輸出電流最大；當(dāng)DAC寄存器中全為0時(shí)，輸出電流為0。 IOUT2模擬電流輸出端，IOUT2為一個(gè)常數(shù)與IOUT1的差，即IOUT1+IOUT2=常數(shù)。,Rfb反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以，Rfb端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端，這樣，相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。 UREF參考電壓輸入端，此端可接一個(gè)正電壓，也可接負(fù)電壓，范圍為+10-10V。外部標(biāo)準(zhǔn)電壓通過UREF與T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。,UCC芯片供電電壓，范圍為+5+15V，最佳工作狀態(tài)是+15V。 AGND模擬量地，即模擬電路接地端。 DGND數(shù)字量地。 DAC08

45、32有以下三種不同的工作方式： （1）直通方式。當(dāng)ILE接高電平，CS、WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時(shí)，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達(dá)DI7DI0輸入端，就立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器上被轉(zhuǎn)換成模擬量。例如在構(gòu)成波形發(fā)生器的場(chǎng)合，就要用到這種方式，即把要產(chǎn)生基本波形的存在ROM中的數(shù)據(jù)，連續(xù)取出送到DAC去轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。,（2）單緩沖方式。只要把兩個(gè)寄存器中的任何一個(gè)接成直通方式，而用另一個(gè)鎖存數(shù)據(jù)，DAC就可處于單緩沖工作方式。一般的做法是將WR2和XFER都接地，使DAC寄存器處于直通方式，另外把ILE接高電平，CS接端口地址譯碼信號(hào)，WR1 接CPU系統(tǒng)總線的IO/W，這樣便

46、可以通過一條OUT指令選中該端口，使CS和WR1有效，啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。,（3）雙緩沖方式。主要在以下兩種情況下需要用雙緩沖方式的D/A轉(zhuǎn)換： 其一，需在程序的控制下，先把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳入輸入寄存器，然后在某個(gè)時(shí)刻再啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。這樣可以做到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸入同時(shí)進(jìn)行，因此轉(zhuǎn)換速度較高。為此，可將ILE接高電平，WR1和WR2均接CPU的IO/W，CS和XFER分別接兩個(gè)不同的I/O地址譯碼信號(hào)。執(zhí)行OUT指令時(shí)，WR1和WR2均變?yōu)榈碗娖?。這樣，可先執(zhí)行一條OUT指令，選中CS端口，把數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；再執(zhí)行第二條OUT指令，選中XFER端口，把輸入寄存器內(nèi)容寫入DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換

47、。,圖5-43是DAC0832工作于雙緩沖方式下，與有8位數(shù)據(jù)總線的微機(jī)相連的邏輯圖。其中，CS的口地址為320H，XFER的口地址為321H。當(dāng)CPU執(zhí)行第一條OUT指令時(shí)，選中CS端口，選通輸入寄存器，將累加器中的數(shù)據(jù)傳入輸入寄存器。再執(zhí)行第二條OUT指令，選中XFER端口，把輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器，并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。執(zhí)行第二條OUT指令時(shí)，累加器中的數(shù)據(jù)為多少是無關(guān)緊要的，主要目的是使XFER有效。,圖5-43 DAC0832與有8位數(shù)據(jù)總線的微機(jī)的連接圖,其二，在需要同步進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換的多路DAC系統(tǒng)中，采用雙緩沖方式，可以在不同的時(shí)刻把要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)分別打入各DAC的輸入寄存器，然后

48、由一個(gè)轉(zhuǎn)換命令同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)DAC的轉(zhuǎn)換。圖5-44是一個(gè)用3片DAC0832構(gòu)成的3路DAC系統(tǒng)。圖中，WR1和WR2接CPU的寫信號(hào)WR，3個(gè)DAC的CS引腳各由一個(gè)片選信號(hào)控制，3個(gè)XFER信號(hào)連在一起，接到第4個(gè)片選信號(hào)上。ILE可以根據(jù)需要來控制，一般接高電平，保持選通狀態(tài)。它也可以由CPU形成的一個(gè)禁止信號(hào)來控制，該信號(hào)為低電平時(shí)，禁止將數(shù)據(jù)寫入DAC寄存器。這樣，可在禁止信號(hào)為高電平時(shí)，先用3條輸出指令選擇3個(gè)端口，分別將數(shù)據(jù)寫入各DAC的輸入寄存器，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，再執(zhí)行一次寫操作，使XFER變低，同時(shí)選通3個(gè)D/A的DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換。,圖5-44 用DAC0832構(gòu)

49、成的3路DAC系統(tǒng),（1）單極性輸出電路。單極性輸出電路如圖5-45所示。D/A芯片輸出電流i經(jīng)輸出電路轉(zhuǎn)換成單極性的電壓輸出。圖5-45(a)為反相輸出電路，其輸出電壓為UOUT=-iR （5-8） 圖5-45(b)是同相輸出電路，其輸出電壓為 （5-9） （2）雙極性輸出。在某些微機(jī)控制系統(tǒng)中，要求D/A的輸出電壓是雙極性的，例如要求輸出-5+5V電壓。在這種情況下，D/A的輸出電路要作相應(yīng)的變化。圖5-46就是DAC082雙極性輸出電路實(shí)例。,圖5-45單極性輸出電路 (a)反相輸出；(b)同相輸出,由電路各參數(shù)計(jì)算可得最后的輸出電壓表達(dá)式為UOUT=-2U1-UREF設(shè)U1為0-5V，

50、選取UREF為+5V，則UOUT=(010)V-5V=-5+5V。,圖5-46 雙極性輸出電路,5.5.4 12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210 1.DAC1210的主要性能及特點(diǎn) DAC1210（與DAC1208、DAC1209是一個(gè)系列）是雙列直插式24引腳集成電路芯片。輸入數(shù)據(jù)為12位二進(jìn)制數(shù)字；分辨率為12位；電流建立時(shí)間為1s；供電電源為+5+15V（單電源供電）；基準(zhǔn)電壓UREF范圍為-10+10V。 DAC1210的特點(diǎn)是：線性規(guī)范只有零位和滿量程調(diào)節(jié)；可與所有的通用微處理機(jī)直接接口；單緩沖、雙緩沖或直通數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入；與TTL邏輯電平兼容；全四象限相乘輸出。,2. DAC1210的引

51、腳說明 DAC1210的原理框圖及引腳圖如圖5-47所示。各引腳的定義如下： CS片選（低電平有效）。 WR1寫入1（低電平有效），用于將數(shù)據(jù)位（D1）送到輸入鎖存器。 當(dāng)WR1為高電平時(shí)，輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)被鎖存。12位輸入鎖存器分成兩個(gè)鎖存器，一個(gè)存放高8位的數(shù)據(jù)，而另一個(gè)存放低4位的數(shù)據(jù)。BYTE1BYTE2控制腳為高電平時(shí)選擇兩個(gè)鎖存器，處于低電平時(shí)則改寫4位輸入鎖存器。,XFER傳送控制信號(hào)（低電平有效）。該信號(hào)與WR2結(jié)合時(shí)，能將輸入鎖存器中的12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到DAC寄存器中。 DI0DI11數(shù)據(jù)寫入。DI0是最低有效位（LSB），DI11是最高有效位（MSB）。 IOUT1數(shù)模轉(zhuǎn)換

52、器電流輸出1。DAC寄存器中的所有數(shù)字碼為全“1”時(shí)， IOUT1最大；為全“0”時(shí)，IOUT1為零 IOUT2數(shù)模轉(zhuǎn)換器電流輸出2。IOUT2為常量減去IOUT1，即IOUT1+IOUT2常量（固定基準(zhǔn)電壓），該電流等于 基準(zhǔn)輸入阻抗。,圖5-47 DAC1210的原理框圖及引腳圖,Rfb反饋電阻。集成電路芯片中的反饋電阻用作為DAC提供輸出電壓的外部運(yùn)算放大器的分流反饋電阻。芯片內(nèi)部的電阻應(yīng)當(dāng)一直使用（不是外部電阻），因?yàn)樗c芯片上的R-2RT形網(wǎng)絡(luò)中的電阻相匹配，已在全溫度范圍內(nèi)統(tǒng)調(diào)了這些電阻。 UREF基準(zhǔn)輸入電壓。該輸入端把外部精密電壓源與內(nèi)部的R-2RT形網(wǎng)絡(luò)連接起來。 UREF的

53、選擇范圍是-10+10V。在四象限乘法DAC應(yīng)用中，也可以是模擬電壓輸入。,UCC數(shù)字電源電壓。它是器件的電源引腳。UCC的范圍是直流電壓515V，工作電壓的最佳值為15V。 AGND模擬地。它是模擬電路部分的地。 DGND數(shù)字地。它是數(shù)字邏輯的地。 DAC1210是電流相加型D/A轉(zhuǎn)換器，有IOUT2和IOUT2兩個(gè)電流輸出端，通常要求轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出為電壓信號(hào)，因此，外部應(yīng)加運(yùn)算放大器將其輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸出。加一個(gè)運(yùn)算放大器可構(gòu)成單極性電壓輸出電路，加兩個(gè)運(yùn)算放大器則可構(gòu)成雙極性電壓輸出電路。圖5-48中繪出了DAC1210單緩沖單極性電壓輸出的電路圖。 ,圖5-48 DAC1

54、210單緩沖單極性電壓輸出電路,由上面的分析可知，DAC1210與DAC0832有許多相似之處，其主要差別在于分辨率不同，DAC1210具有12位的分辨率，而DAC0832只有8位的分辨率。例如，若取UREF10V，按單極性輸出方式，當(dāng)DAC0832輸入數(shù)字00000001時(shí)其輸出電壓約為39.06mV，而DAC1210輸入數(shù)字000000000001時(shí)，其輸出電壓約為2.44mV?？梢姡珼AC1210的分辨率比DAC0832的分辨率高16倍，因此轉(zhuǎn)換精度更高。,5.6 A/D轉(zhuǎn)換器,6.5.1 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的原理如圖5-49所示。它由逐次逼近寄存器、D/A轉(zhuǎn)

55、換器、比較器和緩沖寄存器等組成。當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，逐次逼近寄存器清0，這時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓Uo也為0。當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，轉(zhuǎn)換開始，同時(shí)，逐次逼近寄存器進(jìn)行計(jì)數(shù)。,圖5-49 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖,逐次逼近式寄存器工作時(shí)與普通計(jì)數(shù)器不同，它不是從低位往高位逐一進(jìn)行計(jì)數(shù)和進(jìn)位，而是從最高位開始，通過設(shè)置試探值來進(jìn)行計(jì)數(shù)的。具體講，在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，控制電路把最高位送到逐次逼近寄存器，使它的輸出為10000000，這個(gè)輸出數(shù)字一出現(xiàn)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Uo就成為滿量程值的128/255。這時(shí)，若UoUi，則作為比較器的運(yùn)算放大器的輸出就成為低電平，控制電

56、路據(jù)此清除逐次逼近寄存器中的最高位；若Uo Ui ，則比較器輸出高電平，控制電路使最高位的1保留下來。,若最高位被保留下來，則逐次逼近寄存器的內(nèi)容為10000000，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖使次低位D6為1。于是，逐次逼近寄存器的值為11000000，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Uo到達(dá)滿量程值的192/255。此后，若UoUi，則比較器輸出為低電平，從而使次高位復(fù)位；若Uo Ui ，則比較器輸出為高電平，從而保留次高位為1。重復(fù)上述過程，經(jīng)過N次比較以后，逐次逼近式寄存器中得到的值就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。,5.6.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù) A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按轉(zhuǎn)換二進(jìn)制的位數(shù)來分類，包括：8位的ADC

57、0801、0804、0808、0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582；16位的AD7701、AD7705等。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)如下： 1.分辨率 分辨率通常用轉(zhuǎn)換后數(shù)字量的位數(shù)表示,如8位、10位、12位、16位等。分辨率為8位表示它可以對(duì)滿量程的1/281/256的增量作出反應(yīng)。分辨率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化為1的最小模擬輸入量。 ,2.量程 量程是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍,如5V、10V等。 3.轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度，有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示法。 4.轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指

58、從啟動(dòng)A/D到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時(shí)間。 5.工作溫度范圍 較好的A/D轉(zhuǎn)換器的工作溫度為-4085，較差的為070。,5.6.3 8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 1.電路組成及轉(zhuǎn)換原理 ADC0809是一種帶有8位轉(zhuǎn)換器、8位多路轉(zhuǎn)換開關(guān)以及與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。8位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近法。在A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部含有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶有模擬開關(guān)樹組的256R分壓器，以及一個(gè)逐次逼近的寄存器。八路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問一個(gè)單邊的模擬信號(hào)，其原理框圖如圖5-50所示。,ADC0809無需調(diào)零和進(jìn)行滿量程調(diào)整，又由于多路開關(guān)

59、的地址輸入能夠進(jìn)行鎖存和譯碼，而且它的三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，因此易于與微處理機(jī)進(jìn)行接口。 從圖中可以看出，ADC0809由兩大部分組成。第一部分為八通道多路模擬開關(guān)，它的基本原理與CD4051類似。它用來控制C、B、A端子和地址鎖存允許端子，可使其中一個(gè)通道被選中。第二部分為一個(gè)逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，它由比較器、控制邏輯、輸出緩沖鎖存器、逐次逼近寄存器以及開關(guān)樹組和256R電阻分壓器組成。后兩種電路（即開關(guān)樹組和256R電阻分壓器）組成D/A轉(zhuǎn)換器。,控制邏輯用來控制逐次逼近寄存器從高位到低位逐次取“1”，然后將此數(shù)字量送到開關(guān)樹組（8位開關(guān)），用來控制開關(guān)S7S0與參考電平相連接。參考電平經(jīng)256R電阻分壓器后，輸出一個(gè)模擬電壓Uo， Uo、Ui在比較器中進(jìn)行比較。當(dāng)UoUi時(shí)，本位D0；當(dāng)Uo Ui時(shí)，本位D1。因此，從D7D0比較8次即可逐次逼近寄存器中的數(shù)字量，即與模擬量Ui所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量相等。此數(shù)字量送入輸出鎖存器，并同時(shí)發(fā)轉(zhuǎn)換結(jié)束脈沖。,圖5-50 ADC0808/0809的原理框圖,2. ADC0808/0809的外引腳功能 ADC0808/0809的管腳排列如圖