第四章 过程通道和数据采集系统内容简介内容简介n4.1 概述n4.2 模拟量输出通道n4.3 D/A转换器n4.4 模拟量输入通道n4.5 A/D转换器n4.6 数据采集系统n4.7 过程通道的抗干扰措施4.1 概述概述在计算机和生产过程之间必须设置一些必要的转换装置，这些装置就被称为过程过程输入输出通道输入输出通道过程通道是计算机和生产过程之间设置过程通道是计算机和生产过程之间设置的的信息传递和转换信息传递和转换的连接通道的连接通道4.1.1 过程通道的概念过程通道的概念4.1.2 过程通道的组成和功能过程通道的组成和功能n过程通道过程通道主要包括:数字量（开关量）输入通道，数字量（开关量）输出通道，模拟量输入通道，模拟量输出通道（DI、DO、AI、AO）计算机控制系统硬件组成框图打印机显示终端磁盘驱动器微型计算机实时时钟操作台接口接口接口接口D/AA/D多路开关反多路开关开关量输入开关量输出执行机构生产对象通用外部设备主机及操作台外部通道接口检测及变送控制对象传感器变送器生产过程PC总线 数字量输入（数字量输入（DI）通道）通道：(检测通道)输入调理电路输入调理电路：负责将外部信号经过电平转换、滤波、隔离和过、反电压保护等处理后，向计算机传送输入缓冲器输入缓冲器：暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接地址译码地址译码器器：协调各通道的同步工作，控制开关量的输入 数字量输出（数字量输出（DO）通道）通道：(控制通道)地址译码地址译码器器：协调各通道的同步工作，控制开关量的输出输出锁存器输出锁存器：锁存CPU输出的数据或控制信号，供外部设备使用输出驱动器输出驱动器：把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号生产过程PC总线 模拟量输入（模拟量输入（AI）通道）通道：把从控制对象检测得到的时间连续的模拟信号（如温度,压力,流量,液位等）变换成二进制的数字信号，然后经接口送入到计算机(检测通道)模拟量输出（模拟量输出（AO）通道）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象(控制通道)AI、AO比较重要，有不少特殊问题要解决4.2 模拟量输出通道模拟量输出通道n模拟量输出通道的任务模拟量输出通道的任务 把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象n对模拟量输出通道的要求对模拟量输出通道的要求 可靠性高，满足一定的精度要求，具有输出保持的功能(在一个控制周期输出保持不变）多路模拟量输出通道的结构形式，主要是取决于输出保持器的构成方式输出保持器的构成方式输出保持器一般有数字保持数字保持和模拟保持模拟保持两种方案，这就决定了多路模拟量输出通道的两种基本结构形式n 多路模拟量输出通道的结构形式多路模拟量输出通道的结构形式优点：优点：转换速度快，工作可靠，一路D/A的故障不会影响其它通道，易于实现控制缺点：缺点：使用了多片D/A微型计算机D/A接口通路1D/A通路n1.1.一个通道设置一个一个通道设置一个D/AD/A转换器的形式（数字保持）转换器的形式（数字保持）2.多个通道共用一个多个通道共用一个D/A转换器的形式转换器的形式（模拟保持）（模拟保持）优点：优点：节省了D/A转换器缺点：缺点：工作速度慢，只适用于通路多、速度慢的场合4.3.1 D/A转换的分类转换的分类 4.3 D/A转换器转换器1.电流输出型，电压输出型2.8位，10位，12位，16位，18位3.多个D/A集成在一个芯片上 转转换换原原理理可可以以归归纳纳为为“按按权权展展开开，然然后后相相加加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换 解解码码网网络络通通常常有有两两种种：二进制加加权权电电阻阻网网络络和T型电阻网络型电阻网络 4.3.2 D/A转换原理转换原理1.D/A转换器的组成转换器的组成1）基准电压基准电压（参考电压）2）二进制数控制的位切换模拟开关位切换模拟开关3）产生二进制权电流（电压）的精密电阻网络精密电阻网络4）将电流或电压相加输出的运算放大器运算放大器4位权电阻网络D/A转换器原理图2.权电阻权电阻D/A转换器原理转换器原理 E为基准电压 为晶体管位切换开关，受二进制各位状态控制 相应位为“0”，开关接地 相应位为“1”，开关接E 为权电阻网络，其阻值与各位权相对应，以保证一定权的数字信号产生相应的模拟电流 运算放大器的虚地按二进制权的大小和各位开关的状态对电流求和 当 时，开关接基准电压E，相应支路产生的电流为 当 时，开关接地，相应支路中没有电流 因此，各支路电流可以表示为：这里 运算放大器输出的模拟电压为可见，可见，D/A转换器的输出电压转换器的输出电压 U 正比于输入正比于输入数字量数字量 D4位T型电阻网络（R-2R）D/A转换器原理图3.T型电阻网络型电阻网络D/A转换器原理转换器原理Rf b=R 从节点a,b,c向右向上看，其等效电阻均为2R 位切换开关受相应的二进制码控制，相应码位为“1”，开关接运算放大器虚地，相应码位为“0”，开关接地 流经各切换开关的支路电流分别为 ，各支路电流在运算放大器的虚地相加 运算放大器的满度输出为 这里满度输出电压(流)比基准电压(流)少了1/16，是因端电阻常接地造成的 对 n 位D/A转换器而言，其输出电压为1.分辨率分辨率：以位数N表示，说明了输出的精细程度2.稳定时间稳定时间(电流建立时间或电压建立时间)：D/A转换器数字量有满量程 变化时,其输出达到稳定的时间3.输出电平输出电平：单极性：05V，010V双极性：-5V+5V，-10V+10V高压输出性：024V，030V4.输入编码输入编码：二进制码，BCD码，双极性的符号数值码，补码，偏移二进制码4.3.3 D/A转换的技术指标转换的技术指标4.3.4 8位位D/A转换器转换器DAC0832D/A转换器有两种类型转换器有两种类型一类一类D/A芯片内部有数据锁存器，带有片选和写信芯片内部有数据锁存器，带有片选和写信号，因此其数据输入端可与数据总线直接相连，可以直号，因此其数据输入端可与数据总线直接相连，可以直接作为接作为I/O对其进行控制。对其进行控制。另一类另一类D/A芯片内部没有数据锁存器，其数据输入芯片内部没有数据锁存器，其数据输入端不能与数据总线直接相连，必须外加锁存器才能与数端不能与数据总线直接相连，必须外加锁存器才能与数据总线直接相连，从而实现与微处理器的接口。据总线直接相连，从而实现与微处理器的接口。无数据锁存器的无数据锁存器的8位位D/A转换器与微处理器的接口转换器与微处理器的接口8D锁存器8位D/A转换存器88译码+8模拟输出1.DAC0832主要特点主要特点 8位数据输入 电流输出，外接运算放大器转换为电压输出 两级数据缓存器(两级数据寄存器)，可与各种微处理器直接接口 输入为8位二进制码，所有引脚(20个)与TTL兼容 具有双缓冲、单缓冲和直通数据输入3种工作方式 电流稳定时间1 S，满量程误差为1LSB 5V15V单一电源，低功耗20 mW 参考电压为10V10V2.DAC0832引脚结构引脚结构 20引脚，双列直插式封装引脚，双列直插式封装 数字量输入线D7D0（8条）控制线（5条）输 出 线（3条）Iout1,Iout2,Rf 电源线（4条）输入信号：输入信号：D7D0 输出信号输出信号：IOUT1、IOUT2，且IOUT1 IOUT2为常量，Rfb为反馈电阻接出端，反馈电阻在片内 控制信号控制信号：为允许输入锁存信号，和 分别为输入寄存器和DAC寄存器的写信号，为传送控制信号，为片选信号 电源信号电源信号：VCC为主电源，VREF为基准电压，AGND和DGND分别为模拟地和数字地3.DAC0832内部结构内部结构输入寄存器控制：输入寄存器控制：同时有效，数据输入输入寄存器，其中之一无效数据被锁存。DAC寄存器控制：寄存器控制：同时有效，DAC寄存器跟随输入寄存器的输出端，其中之一无效DAC寄存器处于锁存状态。1）直通方式：）直通方式：两个寄存器的所有五个控制信号常有效，两个寄存器均处于输入直通方式2）单缓冲方式有三种情况：）单缓冲方式有三种情况：输入寄存器处于直通方式(CS*、WR1*、ILE常有效)，DAC寄存器受控DAC寄存器处于直通方式(XFER*、WR2*常有效)，输入寄存器受控两个寄存器同步受控。数据同时进入两寄存器3）双缓冲方式）双缓冲方式：两个寄存器均受控，数据分时进入输入寄存器和DAC寄存器4.DAC0832的三种工作方式的三种工作方式1.DAC0832与与MCS-51的接口的接口 4.3.5 DAC0832与单片机的接口电路及程序设计与单片机的接口电路及程序设计 因为DAC0832是电流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，Rfb为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如下图所示：直通方式直通方式 指DAC0832内部的两个寄存器都处于不锁存状态，数据一旦到达输入端就直接被送到D/A转换器转换成模拟量 所有控制信号都接成有效形式，和 接地，接+5V电源 单缓冲方式单缓冲方式 指DAC0832的两个寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式；或者两两级寄存器同时锁存级寄存器同时锁存图图A上述DAC0832采用的是单缓冲单极性的接线方式它的选通地址为7FFFH 实现D/A转换的程序如下：MOV DPTR，#7FFFH；输入0832口地址 MOV A，#data；读取数据 MOVX DPTR，A ；执行D/A转换用用D/A作为信号发生器作为信号发生器，即利用D/A转换器产生各种电压波形，如锯齿波、方波、梯形波、三角波、正弦波等等MOV DPTR ,#7FFFHMOV A,#00LOOP:MOVX DPTR,AINC AAJMP LOOP例例1 1 系统如图系统如图A A，编写产生锯齿波的程序，编写产生锯齿波的程序MOV DPTR,#7FFFHLOOP:MOV A,#0FFHMOVX DPTR,AMOV R2,#50HDEL:DJNZ R2,DELMOV A,#00HMOVX DPTR,AMOV R2,#50HDEL1:DJNZ R2,DEL1AJMP LOOP例例2 系统如图系统如图A，编写产生方波的程序，编写产生方波的程序MOVDPTR,#7FFFHMOV A,#0FFH LOOP:INCAMOVXDPTR,ACJNEA,#0FFH,LOOPLOOP1:DECAMOVXDPTR,ACJNEA,#00H,LOOP1AJMPLOOP例例3 3：系统如图：系统如图A,A,产生三角波的程序如下产生三角波的程序如下控制程序:MOV DPTR,#4200H MOV A,#DATA MOVX DPTR,A 双缓冲方式双缓冲方式 把DAC0832的两个寄存器都接成受控锁存方式 上述DAC0832采用的是双缓冲双极性的接线方式，输入寄存器的地址为FEH，DAC寄存器的地址为FFH 实现D/A转换的程序如下：MOV R0，#0FEH；输入寄存器地址 MOV A，#data；读取数据 MOVX R0，A；转换数据送输入寄存器 INC R0；产生DAC寄存器地址 MOVX R0，A；数据送入DAC寄存器并进行D/A转换2.DAC0832的单极性电压输出及数模关系的单极性电压输出及数模关系 AVout Vref RfbIout1 Iout2DAC0832Vref DAC0832单极性电压输出简图*数模关系:DSR=80H VOUT=?DSR=00H VOUT=?DSR=FFH VOUT=?DSR=40H VOUT=?DSR=20H VOUT=?DSR=10H VOUT=?DSR=01H VOUT=?2.56V0V0.64V1.28V5.1V0.32V0.02V举例:VREF=-5.12VDAC0832DAC0832输出零点和满刻度调整输出零点和满刻度调整调零调零:将将00H00H输入至输入至DACDAC寄存器，调调零电位器寄存器，调调零电位器使使