第3章 过程通道和数据采集系统3.1 概述概述3.2 模模拟量量输入通道入通道3.3 D/A与与A/D转换技技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接口理器的接口3.5 数据采集系数据采集系统3.6 模模拟量量输出通道出通道3.7 过程通道的抗干程通道的抗干扰能力能力微型计算机控制技术3.1 概述 在计算机控制系统中，I/O通道是连接计算机和工业对象(生产过程或生产机械等)的必不可少的重要部分。I/O通道的主要任务是将由检测器件测取的各种参量变换成计算机所能接收的信息形式送入计算机，并把控制信号转换成被控对象所能接收的信息形式传输给被控对象。因此，I/O通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。 I/O通道分为模模拟量量输入通道入通道、模模拟量量输出通道出通道、数字量数字量输入通道入通道和数字量数字量输出通道出通道四种，如下图。3.1.1 过程通道的程通道的组成和功用成和功用微型计算机控制技术3.1 概述图3-1 I/O通道组成 本章重点讲述模拟量输入通道和模拟量输出通道。微型计算机控制技术3.1 概述3.1.2 信号信号转换中的采中的采样、量化和、量化和编码 外部被控对象的测量参数经测量装置测得的模拟电信号，首先要经过A/D转换器进行采样、量化和编码后，变成计算机内通用的数字信号，才能正确的被计算机接收和处理。1、采样过程 所谓采样过程(简称采样)是用采样开关(或采样单元)将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。见图3-2微型计算机控制技术3.1 概述图3-2 模拟信号采样过程 采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的。 采样信号若要正确的恢复出原始信号需要满足香农采样定理。微型计算机控制技术3.1 概述2、量化过程 量化过程就是用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。见图3-3图3-3 量化过程微型计算机控制技术3.1 概述3、编码 不同计算机系统识别的数值编码可能不同，需要对A/D转换的信息正确进行编码。如：双极性编码、偏移二进制码、补码等。微型计算机控制技术3.2 模拟量输入通道 模拟量输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。依据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。目前普遍采用的是公用运算放大器和AD转换器的结构形式，其组成方框图如图3-4所示。图3-4 模拟量输入通道微型计算机控制技术3.2 模拟量输入通道3.2.1 模拟量输入通道的一般组成 由图3-4可知模拟量输入通道主要由信号信号处理理、采采样单元元、采采样保持器保持器、放大器放大器及A/D转换器器等组成。1、信号处理单元 信号预处理装置一般包括标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。2、采样单元 采样单元也称为多路转换器或多路切换开关，它的作用是把已变换成统一电压信号(040mV)的测量信号按序或随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。微型计算机控制技术3.2 模拟量输入通道 采样单元一般由开关矩阵及其逻辑控制电路组成。逻辑控制电路是在软件或通道控制电路的控制下，保证以一定的速度和所要求的次序一个一个的选择被测模拟信号的输入。开关矩阵是由称为模拟开关的开关构成的，模拟开关是指以某种方式接通或断开模拟信号的元件或电路。 模拟开关分两类，一类为机械式触点或开关，如干簧(或湿簧)继电器、水银继电器等。 另一类模拟开关是晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关。微型计算机控制技术3.2 模拟量输入通道3、采样保持电路 采样保持电路有两个工作状态，一是采样状态，二是保持状态。4、放大器 采样单元或经采样保持电路后的被测电压信号通常是040mV的弱信号，需经过运算放大器放大，从而提高输出电平，实现阻抗匹配，或经差分放大提高共模抑制比，然后才能送A/D转换器。5、A/D转换器 A/D转换器是模拟量输入通道的核心部分。微型计算机控制技术3.2 模拟量输入通道3.2.2 多路转换开关 理想多路开关性能：开路电阻无穷大，接通电阻等于零，切换速度快，噪声小，寿命长，工作可靠。 机械触电式（如干簧继电器、机械振子式继电器），目前较少使用。 电子式开关（晶体管、场效应管及集成电路开关）等，较为常用。如CD4051、CD4052等。微型计算机控制技术3.2 模拟量输入通道3.2.3 可编程放大器 可编程放大器是一种通用性强的高级放大器，可以根据需要用程序来改变它的放大倍数，而采用一般放大器则对不同信号放大时存在不足，对小信号放大不够，对大信号放大可能超过其范围。 目前仪表行业中较常用的是仪表放大器，精度高，共模抑制能力强、漂移小等优点。3.2.4 采样与保持器 为了消除模拟采样信号连续变化引起的A/D转换误差，一般需要在A/D转换前设计采样保持器。微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术3.3.1 D/A转换的原理 D/A转换器是把数字量转换成模拟量的器件，它是模拟量输出通道的重要组成部分。同时也是许多种A/D转换器中的重要组成部分。 D/A转换器按其工作方式可分成并行并行和串行串行两种。并行D/A转换器又可分成电流相加型和电压相加型。还有并行数据是二进制数或二一十进制数之别。并行DA转换器转换速度快，应用较多。串行DA转换有特殊用途，在某些情况下必须采用它，如步进电动机的控制。微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术1、并行D/A转换器的原理 数字量是由一位一位的数位构成的，每个数位都代表一定的权。为了把一个数字量转换成模拟量，必须把每一位上的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，再把代表各位的模拟量相加，这样，得到的总的模拟量就与数字量成正比的模拟量，实现了D/A转换。按上述原理构成的D/A转换器主要由电阻网络和运算放大器两部分组成。 常用的电阻网路有两种：权电阻网络（P46图3-11）和T型电阻网络（P46图3-12）微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术2、串行D/A转换器的原理 串行DA转换器的基本工作原理是先把数字量转换成一系列的脉冲，一个脉冲相当于数字量的一个单位，再把每一个脉冲变成单位模拟量，然后将所有单位模拟量相加，从而得到和数字量成正比的总的模拟量输出。 采用步进电动机的DA转换器的原理框图如图。微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术3.3.2 A/D转换原理 微型计算机控制系统中常采用中、低速的A/D转换器，目前用的主要分为计数式、双积分式和逐次逼近式三种。第一种基本淘汰，第二种精度较高，第三种精度和转换速度较好，采用较多。1、计数式A/D转换器 计数器式A/D转换器由计数器、D/A转换器及比较器组成。其原理框图如图。微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术2、双积分式A/D转换器 如图所示，双积分式A/D转换器的主要部件有积分器、比较器、计数器和标准电压源。微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术3、逐次逼近式A/D转换器 逐次次逼近式A/D转换器电路原理框图如图下所示。它主要由N位逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、置数选择逻辑电路等部分所组成。微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术3.3.3 A/D与D/A转换器的主要技术指标一、一、A/D转换器的主要技器的主要技术指指标1.分辨率 分辨率通常用转换后数字量的位数表示。分辨率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。2.量程 量程是指所能转换的电压范围。3.转换精度 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。有绝对精度和相对精度两种表示法。微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术4转换时间 转换时间是指启动A/D到转换结束所需的时间。不同型号、不同分辨率的器件，转换时间相差很大。5工作温度范围 较好的A/D转换器的工作温度为一4085，较差的为070。二、D/A转换器的主要技术指标1分辨率微型计算机控制技术3.3 D/A与A/D转换技术 D/A转换器的分辨率表示当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。对于一个N位的D/A转换器其分辨率为：分辨率=满刻度值2N2稳定时间 稳定时间是D/A转换器转换速率的量度，是指D/A转换器代码有满刻度值变化时，其输出达到并保持在所给定的百分数误差范围内所需要的时间。一般为几十纳秒到几微秒。微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接理器的接口口3.4.1 8位A/D转换器 ACD08080809是单片双列直插式集成电路芯片，是8通路8位AD转换器。1、电路组成及转换原理 逐次逼近式A/D转换器是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的方法，逻辑框图如图所示。微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接口理器的接口其原理框图如图微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接口理器的接口2、ADC0808/0809的引脚及功能 ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。其引脚结构如图所示。引脚结构： （1）IN7IN0：8条模拟量输入通道 （2）地址输入和控制线：4条 （3）数字量输出及控制线：11条 （4）电源线及其他：5条 微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接口理器的接口表表 被被选通道和地址的关系通道和地址的关系微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接口理器的接口3.4.2 12位A/D转换器 AD574是一个完整的12位逐次逼近式带三态缓冲器的A/D转换器，它可以直接与8位或6位微型机总线进行接口。AD574是由两个大规模集成电路组成的。1AD574的电路组成 AD574的原理框图如下图所示。由图下可见，AD574由模拟芯片和数字芯片两部分组成。微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接口理器的接口2.引脚功能 AD574为28脚双列直插式封装，引脚排列如图所示。结构特点构特点 AD574内部集成有内部集成有转换时钟，参考，参考电压源和三源和三态输出出锁存器，因此使用方便，存器，因此使用方便，可直接和微机接口，不需要外接可直接和微机接口，不需要外接时钟电路。路。 ADC0809的的输入模入模拟电压为0+5V，是，是单极性的。而极性的。而AD574的的输入模入模拟电压既可是既可是单极性也可是双极性。极性也可是双极性。 AD574的数字量的位数可以的数字量的位数可以设定定为8位，也可位，也可设定定为12位。位。微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接口理器的接口3.4.3 A/D转换器与系统的连接及举例1、与系统的连接信号 A/D转换器对外的连接信号，有下列几类：模拟输入信号、数据输出信号、启动转换信号和转换结束信号及数据的读取。A/D转换器和系统连接时，就要考虑这些信号的连接问题：（1）输入模拟电压的连接；（2）数据输出和系统总线的连接；（3）A/D转换启动信号。A/D转换器是在CPU控制下工作的，即由CPU发出启动转换信号。启动信号有电平启动和脉冲启动两种方式。微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接理器的接口口 CPU一般可以采用3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取。第一种是程序查询方式。第二种是中断方式。第三种是固定的延迟程序方式。2、A/D转换器与系统连接举例（1） 8位A/D转换器ADC0808/0809和CPU的连接 如图所示，试用查询和中断两种方式编写程序，对IN5通道上的数据进行采集，并将转换结果送入内部RAM20H单元。微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接理器的接口口解：中断方式程序清解：中断方式程序清单：ORG0000HMOVDPTR，#7FF5HMOVX DPTR，A；启；启动A/D转换SETBEASETBEX1；开外中；开外中断断1SETBIT1；外中断；外中断请求信号求信号为下跳沿触下跳沿触发方式方式LOOP：SJMPLOOP；等待中断；等待中断END中断服中断服务程序：程序：ORG0013H ；外中断；外中断1的入口的入口地址地址LJMP1000H ；转中断服中断服务程序程序的入口地址的入口地址ORG1000HMOVX A，DPTR；读取取A/D转换数据数据MOV20H，A；存；存储数数据据RETI；中断返回；中断返回微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接理器的接口口查询方式程序清方式程序清单：ORG 0000HMOV DPTR，#7FF5HMOVXDPTR，A ；启；启动A/D转换LOOP：JBP3.3，LOOP；等待；等待转换结束束MOVXA，DPTR ；读取取A/D转换数据数据MOV 20H，A；存；存储数据数据END微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接理器的接口口例如例如图所示，所示，试编程程对8个模个模拟通道上的模通道上的模拟电压进行一遍数字采集，并将采集行一遍数字采集，并将采集结果送入内部果送入内部RAM以以30H单元元为始地址的始地址的输入入缓冲区。冲区。微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接理器的接口口解：从图中可以看出，接线方式为中断方式ADDA、ADDB和ADDC三端接8031的P0.0 、P0.1 和P0.2，故通道号是通过数据线来选择。程序清程序清单：ORG0000HMOVR0，#30H；数据区始地；数据区始地址送址送R0MOVR7，#08H；通道数送；通道数送R7MOVR6，#00H；IN0地址送地址送R6MOVIE，#84H；开中断；开中断SETBIT1；外中断；外中断请求信号求信号为下跳下跳沿触沿触发方式方式MOVR1，#0F0H；送端口地址；送端口地址到到R1MOVA，R6；IN0地址送地址送AMOVXR1，A ；启；启动A/D转换LOOP： SJMPLOOP；等待中断；等待中断END中断服中断服务程序：程序：ORG0013H；外中断；外中断1的入口地址的入口地址AJMP1000H；转中断服中断服务程序的入口程序的入口地址地址ORG1000HMOVXA，R1 ；读入入A/D转换数据数据MOVR0，A ；将；将转换后的数据存入数后的数据存入数据区据区INCR0；数据区指；数据区指针加加1INCR6；模；模拟通道号加通道号加1MOVA，R6；新的模；新的模拟通道号送通道号送AMOVXR1，A ；启；启动下一通道的下一通道的A/D转换DJNZR7，LOOP1；8路采路采样未未结束，束，则转向向LOOP1CLREX1；8路采路采样结束，关中断束，关中断LOOP1：RETI；中断返；中断返回回微型计算机控制技术3.4 单片片A/D转换器及其微器及其微处理器的接理器的接口口（2）12位A/D与微机连接下下图表示出了表示出了AD574与与8031单片机的接口片机的接口电路。路。例例2.7 在右在右图中，中，试编写程序，使写程序，使AD 574进行行12位位A/D转换，并把，并把转换后的后的12位数字量存位数字量存入内部入内部20H和和21H单元。元。设20H单元存放高元存放高8位，位，21H单元存放低元存放低4位。位。作业1：编写程序微型计算机控制技术3.5 数据采集系统3.5.1 多路模拟开关1. CD4051 CD4051是单边8通道多路调制器/多路解调器。其引脚结构如图所示。图中，C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通。改变图中IN/OUT07及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。其真值表如表所示。微型计算机控制技术3.5 数据采集系统2. 多路转换开关的扩展 当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联起来，组成82或162的多路开关。下面以CD4051为例说明多路开关的扩展方法。两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法，如图所示。用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图微型计算机控制技术3.5 数据采集系统3.5.2 采样保持器 随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采样/保持器。如用于一般目的有AD582、AD583、LF198/398等；用于高速的有THS-0025、THS-0060、THC-0030、THC-1500等；用于高分辨率的有SHA1144、ADC1130等。微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道3.6.1典型的典型的D/A转换器芯片器芯片DAC0832 1. DAC0832内部内部结构构 DAC0832内部由三部分内部由三部分电路路组成，如成，如图所示。所示。微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道2. 引脚功能引脚功能 DAC0832芯片为20引脚，双列直插式封装。其引脚排列如图 所示。（1）数字量输入线D7D0 （8条） （2）控制线（5条） （3）输出线（3条） （4）电源线（4条）微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道3. DAC0832的技的技术指指标（1）分辨率）分辨率8位位（2）电流建立流建立时间1S（3）增益温度系数）增益温度系数00002 FS/（4）低功耗）低功耗20mW（5）单一一电源源+5 +15V 因因DAC0832是是电流流输出出型型D/A转换芯芯片片，为了了取取得得电压输出出，需需在在电流流输出出端端接接运运算算放放大大器器，Rf为运运算算放放大大器器的的反反馈电阻阻端端。运运算算放放大大器器的的接接法法如如图所示。所示。微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道3.6.2 MCS-51和和D/A转换器的接口器的接口 一一、 DAC0832的的应用用 1. 单极性极性输出出 在在需需要要单极极性性输出出的的情情况况下下，可可以以采采用用图所示接所示接线。微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道2. 双极性双极性输出出 在需要双极性输出的情况下，可以采用如图所示接线。 运算放大器OA2的作用是将运算放大器OA的单向输出转变为双向输出，用右图来表示其双向输出状态。微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道二、二、 MCS-51和和8位位DAC的接口的接口 1、直通方式微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道2. 单缓冲方式冲方式 所谓的单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入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。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出。单缓冲方式接线如图所示。微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道例：例： DAC0832用作波形用作波形发生器。生器。试根据上根据上图接接线，分，分别写出写出产生生锯齿波、三角波和方波的程序，波、三角波和方波的程序，产生的波形如下生的波形如下图所示。所示。微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道解：由解：由图可以看出，可以看出，DAC0832采采用的是用的是单缓冲冲单极性的接极性的接线方式，它方式，它的的选通地址通地址为7FFFH。锯齿波程序：波程序：ORG0000HMOVDPTR，#7FFFH；输入寄存器地址入寄存器地址CLRA；转换初初值LOOP： MOVX DPTR，A ； D/A转换INCA ； 转换值增量增量NOP ；延；延时NOPNOPSJMPLOOP END三角波程序：三角波程序：ORG0100HCLRAMOVDPTR，#7FFFHDOWN： MOVXDPTR，A；线性下降段性下降段INCA JNZDOWN MOVA，#0FEH；置上升；置上升阶段初段初值UP：MOVXDPTR，A；线性上升段性上升段DECAJNZUPSJMPDOWN END方波程序：方波程序：ORG0200HMOVDPTR，#7FFFHLOOP： MOVA，#33H；置上限；置上限电平平MOVXDPTR，A ACALLDELAY；形成方波；形成方波 顶宽MOVA，#0FFH；置下限；置下限电平平MOVXDPTR，AACALLDELAY；形成方波；形成方波 底底宽SJMPLOOPEND微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道3. 双双缓冲方式冲方式 所所谓双双缓冲冲方方式式，就就是是把把DAC0832的的两两个个锁存存器器都都接接成成受受控控锁存存方方式式。双双缓冲方式冲方式DAC0832的的连接如接如图所示。所示。微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道例： DAC0832用作波形发生器。试根据上图接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序，产生的波形如图所示。作业2：编写该题目程序微型计算机控制技术例： X-Y绘图仪与双片DAC0832接线如下图所示。设8031内部RAM中有两个长度为30H的数据块，其起始地址分别为20H和60H，请根据图编出能把20H和60H中的数据分别从1#和2#DAC0832输出，并根据所给数据绘制出一条曲线。作业3：编写对应程序微型计算机控制技术3.6 模拟量输出通道8031和和DAC1208的接的接线方式如方式如图所示。所示。例：例： 设内部内部RAM的的20H和和21H单元内存放一个元内存放一个12位数字量（位数字量（20H单元中元中为低低4位，位，21H单元中元中为高高8位），位），试根据上根据上图编写出将它写出将它们进行行D/A转换的程的程序。序。作业4：编写程序微型计算机控制技术3.7 过程通道的抗干扰措施3.7.1 干干扰的来源和干的来源和干扰的分的分类 在微型计算机控制系统现场，被控对象和被测信号分布在不同点，造成线路长，且现场环境中存在各种各样的干扰源，使微机系统受到干扰。根据干扰的作用不同可分为：串模干扰和共模干扰两类。3.7.2 串模干串模干扰及其抑制方法及其抑制方法 串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向干扰或正态干扰。抑制串模干扰的方法应从干扰信号的性质和来源入手，针对不同情况采取不同的措施： 1）加输入滤波器。 2)为避免干扰从传输导线窜入检测回路，可采用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆连接一次仪表和转换设备，屏蔽层应良好接地。 3)在靠近传感器位置将被测信号进行前置放大，从而提高回路的信号噪声比。再利用逻辑器件的特性来抑制干扰。提高阈值电平可抑制低噪声干扰；采用低速逻辑器件或加电容器降低速度，可以抑制高频干扰。 4)采用数字滤波技术。如可采用平均值法、中值法、一阶滤波法等算法，滤去干扰信号，更可靠的获取有效信息。微型计算机控制技术