计算机控制技术3-4章ppt课件(全).ppt

第3章 过程输入输出通道,1/48,3.1 过程通道及其分类,所谓过程通道，是指在计算机和生产过程之间设置的信息传递和变换的装置，这种装置就称为过程输入输出通道，简称为过程通道或I/O通道。 过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道，模拟量输入通道和模拟量输出通道。,图3-1 过程输入输出通道,2/48,第3章 过程输入输出通道,3.2 数字量输入/输出通道,3.2.1 数字量输入通道,数字量输入通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）传送给计算机。这种通道简称DI（Digital Input）通道。 为了防止干扰常采用光电隔离技术，TLP521光耦内部结构图及引脚图如图32所示。,图3-2 TLP521光耦内部结构图及引脚图,3/48,第3章 过程输入输出通道,3.2.2 数字量输出通道,数字量输出通道的任务是把计算机输出的数字信号或开关信号传给开关器件如继电器或指示灯，控制他们的通断或亮灭，数字量输出通道简称DO（Digital Output）通道。 为了防止干扰也可采用光电隔离技术，CPU执行输出指令后，把数字信号（D0D7）存入P1口电路，再经光电耦合器如TLP521驱动继电器或指示灯。当输出数字位为“0”状态，可使发光二极管亮，光敏三极管导通，继电器工作或指示灯亮；反之数字位为“1”状态，发光二极管灭，光敏三极管截止，继电器不工作或指示灯灭，线路如图33所示。,图3-3 数字量输出通道,4/48,第3章 过程输入输出通道,3.3 模拟量输入通道,模拟量输入通道：主要功能是将随时间连续变化的模拟输入信号经检测、变换和预处理，最终变换为数字信号送入计算机。 模拟量输入通道根据应用的不同，可以有不同的结构形式。图3-4是多路模拟量输入通道一般组成框图。,图3-4 模拟量输入通道一般组成,5/48,第3章 过程输入输出通道,3.3.1 输入信号的处理,1.信号滤波2.统一信号电平,3.3.2 放大器,放大器的功能是将小信号放大或大信号衰减到适合于A/D输入电压要求的范围。对于微弱信号的放大来说，常有以下选择：,1. 低漂移运算放大器转2. 仪表放大器3. 隔离放大器,3.3.3 采样/保持器（S/H）,对模拟量进行A/D转换时，由于A/D转换时需要一定的时间才能完成这一过程，在转换过程中，一旦模拟量变化，就直接影响转换精度，尤其是在同一时刻要取得多路A/D转换结果时，如果将模拟量直接送入A/D转换，其结果就不是该时刻的值。,6/48,第3章 过程输入输出通道,因此，要求输入A/D转换的模拟量在转换过程中保持不变，转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量的变化，能够完成这一任务的器件就叫采样/保持器，Sample/Hold简称S/H。图3-5 是S/H工作原理示意图。 采样保持器有两种工作状态；一种是采样状态，另一种是保持状态。两种工作状态间的转换，由状态控制端信号来决定。,图3-5 S/H工作原理,7/48,第3章 过程输入输出通道,LF198/298/398由三个部分组成： 1) 输入电路 2) 输出电路 3) 逻辑控制电路 当控制逻辑IN（+）为高电平时，通过A3电路控制开关K闭合，使输入电压经过A1放大并输出，与此同时，向保持电容（接6端）充电。 当控制逻辑IN（+）为低电平时，开关K打开，保持电容上的电压维持输出，以达到保持原来输出的目的。IN（）一般接地。 LF198/298/398的典型应用如图3-7和图3-8。,9/48,第3章 过程输入输出通道,图3-7 输出保持采样输平均值的电路,图3-8 快速响应、低下降的 采样/ 保持电路,10/48,第3章 过程输入输出通道,3.3.4 多路开关,1. CD4051多路开关 CD4051包含逻辑电平转换、带禁止线的二进制译码器和开关电路三部分。图3-9是CD4051的原理框图。 其引脚排列如图3-10。 把输入信号连至3脚时，改变A、B、C控制信号，可完成一到多的转换，此时CD4051为多路分配器。 CD4051的真值表如表3-1所示。,图3-9 CD4051的原理框图,INH,11/48,第3章 过程输入输出通道,图3-10 CD4051的引脚排列,表3-1 CD4051的真值表,12/48,第3章 过程输入输出通道,2. CD4051多路开关的扩展,当使用一个多路开关仍然不能满足系统要求时，可以把CD4051进行扩展，如用两片CD 4051扩展形成16路多路开关。,3.3.5 模数转换器,模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称之为模一数转换器，简称AD转换器。 A/D转换的原理主要有逐次逼近式、双积分式、计数器式和并行式等。用于A/D转换的芯片比较多，如ADC0808/0809、AD574A、AD578、ICL7106/7107等。AD转换器也常常做成单片型双列直插式封装芯片。,3.4 模数转换器ADC0809,3.4.1 A/D转换的原理,启动A/D，置位控制逻辑首先将N位寄存器最高位DN-1置1，经D/A转换成模拟量VS后，与输入的模拟量VX在比较器中进行比较，当VXVS则保留这一位，否则该位清零。,13/48,第3章 过程输入输出通道,然后，在使DN-2位置1，连同DN-1一起送D/A转换，得到的VS和VX再比较，当VXVS时，该位保留，否则清零。依次类推，直到最后一位D0比较完为止，此时，DONE发出信号表示转换结束。N位寄存器的状态就是转换结束后的数字量。逐式A/D转换的原理如图3-12所示。,图3-12 逐次逼近式A/D转换的原理,14/48,第3章 过程输入输出通道,3.4.2 A/D转换器的技术指标,1）分辨率 2） 转换精度 3）转换时间与转换速率 4）电源灵敏度,3.4.3 ADC0809的结构,1. ADC0809的内部结构 ADC0809是一种8路模拟输入，8位数字输出的逐次逼近式A/D器件。其内部结构如图3-13所示。,地址锁存允许,图3-13 ADC0809的内部结构,地址锁存,与译码器,15/48,第3章 过程输入输出通道,表3-3 模拟输入通道的寻址,内部含有8路模拟开关和通道地址锁存与译码电路，8路模拟输入通道的寻址情况如表3-3所示。,16/48,第3章 过程输入输出通道,2. 引脚功能,图3-14 ADC0809的引脚图,IN0IN7：8路模拟量输入端。START：A/D转换启动信号，高 电平时开始转换。EOC：转换结束信号。OE：输出允许信号，高电平有 效。作ADC0809片选。CLOCK：时钟输入信号。 10kHz 1280kHz。ALE：地址锁存信号，高电平 有效。D0 D7：数据输出线。VCC：电源5V。VSS：地。,ADDA、ADDB、ADDC：通道地址选择线。,17/48,第3章 过程输入输出通道,3. ADC0809技术指标,分辩率：8位。总不可调误差：1/2LSB1LSB。转换时间：100s。8路模拟开关。输出三态缓冲器控制。单一+5V电源，模拟输入范围05V。输出与TTL兼容。工作温度范围：-40 +85。,3.4.4 ADC0809与MCS-51接口,ADC0809内含三态输出锁存器，可以直接和MCS-51单片机总线连接，图3-15给出了ADC0809的接口电路。,18/48,第3章 过程输入输出通道,图3-15 ADC0809的接口电路,1）程序查询方式 所谓程序查询方式，就是先选通模拟量输入通道，启动A/D转换，用程序查看P3.3口是否为低电平，若为低电平表示转换结束，可以读入数据，否则继续查询，直P3.30为止。,19/48,第3章 过程输入输出通道,例3-1 8031与ADC0809接口电路如图3-15。用查询方式进行数据采集。结果存入30H单元。 程序清单： ORG 2000H MAIN： MOV R0， #30H ；置RAM的地址 MOV DPTR，#7FF2H ；选A/D通道IN2 MOVX DPTR，A ；起动A/D MOV R2，#20H ；延时查询 DLY： DJNZ R2，DLY HERE：JB P3.3，HERE ；转换结束了吗? MOVX A，DPTR ；读结果 MOV R0，A ；存入(30H) HALT： SJMP HALT 2）中断方式 为了充分利用CPU的效率，可用中断方式，A/D转换结束后EOC为高电平，将其反相后接在 脚，CPU口响应中断后进入中断服务子程序，进行中断处理。,20/48,第3章 过程输入输出通道,例3-2 某控制系统如图3-15所示，巡回检测一遍8路模拟输入，将转换后的数据依次存放在片内RAM的30H37H单元中。,程序清单： ORG 0000H ；主程序入口地址 AJMP MAIN ；转主程序 ORG 0013H ； 入口地址 AJMP INT1 ；转外部中断服务程序 MAIN： MOV DPTR ，#7FF0H ；指向A/D启动地址和IN0首址 MOV R0，#30H ；存数据区首址 MOV R2，#08H ；8路计数初值 SETB IT1 ；选边沿触发方式 SETB EX1 ；允许 中断 SETB EA ；CPU开中断 START1 :MOVX DPTR ，A ；启动A/D转换 HE ： SJMP HE ；等待中断,21/48,第3章 过程输入输出通道,中断服务程序： ORG 2000H INT1 ： MOVX A，DPTR ；读A/D转换结果 MOVX R0，A ；将数据存入RAM单元 INC R0 ；修改地址 INC DPTR ；通道号加1 DJNZ R2，AGAIN ；没完，循环 CLR EX1 ；关中断 AGAIN ：RETI ；中断返回,22/48,第3章 过程输入输出通道,3.5 模拟量输出通道,3.5.1 多路模拟量输出通道的结构形式,根据输出保持器的形式，多路模拟量输出通道分为数字保持器和模拟保持器两种。,1. 数字保持器 多路模拟量输出通道中，每一通道都有一个D/A转换器，数字量保持在寄存器中，有的D/A内部具有双缓冲寄存器机构。,2. 模拟保持器 这种结构共用一个D/A，计算机必须分时地将各路数字量输出到D/A中，并且控制多路开关将模拟量送到某一路采样保持器上保持。,图3-16 模拟保持式输出通道,23/48,第3章 过程输入输出通道,3.6 数模转换(D/A)接口,3.6.1 D/A转换的原理,图3-17是应用广泛的梯形解码网络原理图。,图3-17 D/A转换的原理,在这里，我们用3 位二进制数的R-2R电阻梯形解码网络来说明D/A转换的原理。,24/48,第3章 过程输入输出通道,在这里，我们用3 位二进制数的R-2R电阻梯形解码网络来说明D/A转换的原理。,在网络中，二进制数的每一位对应一个电阻2R，Ki(i=0,1,2) 为由该二进制值控制的双向电子开关，第i位的数码为0时，Ki接通 ，数码为1，Ki接通Bi。当3位二进制各位全为1时，K0，K1，K2接通B0，B1，B2 。 其等效电路如图3-18所示，点为虚地。,图3-18 D/A转换的等效电路,25/48,第3章 过程输入输出通道,输出电压的表达式如下,(3-5),3.6.2 DAC0832的结构,图3-19 DAC0832的内部结构,26/48,第3章 过程输入输出通道,DAC0832的内部结构如图3-19所示。它由8位输入寄存器，8位DAC寄存器，8位D/A转换器和转换控制电路组成。D/A转换器采用T行R-2R电阻网络。,DAC0832采用20脚双列直插式封装，如图3-20所示。,图3-20 DAC0832的引脚,3.6.3 DAC0832与MCS-51的接口方法,DAC0832为电流输出，通过外加运放构成电压输出。根据运放和DAC0832的连接方法不同，可组成单极性或双极性电压输出。图3-21，A点输出单极性模拟电压05V，B点输出双极性模拟电压5V。,27/48,第3章 过程输入输出通道,1. 单极性输出接口电路,图3-22 DAC0832与MSC-51单片机的接口电路,单极性输出时，当VREF=+5V(或-5V)时，输出电压范围是0-5V(或0+5V)。若VREF=+10V(或-10V)时，输出电压范围为0-10V(或0 +10V)如表2-16 所示。,29/48,第3章 过程输入输出通道,表3-4 单极性输出数字量与模拟量关系表,D/A转换程序清单： ORG 2000H MAIN： MOV DPTR，#7FFFH ；指向DAC0832地址 MOV A，#data ；待转换数字量送A中 MOVX DPTR，A ；进行转换 HERE： AJMP HERE,30/48,第3章 过程输入输出通道,2. 双极性输出接口电路,图3-23是双极性输出的接口电路。它是在单极性输出的基础上加一级运放组成。,图3-23 双极性输出的接口电路,原理是将A2的输入端通过电阻R1与参考电压VREF相连，VREF经R1向A2提供一个偏流I1，其方向与I2相反，则A2的输入为I1和I2之代数和。,31/48,第3章 过程输入输出通道,将数字量和模拟量之间的关系列成表，如表3-5所示。,表3-5 双极性输出数字量与模拟量关系表,对图3-23很容易写出数字量变为模拟量的程序。清单如下：,程序清单： ORG 2000H MAIN： MOV DPTR，#7FFFH ；指向DAC0832口地址 MOV A，#data ；待转换的数字量送A MOVX DPTR，A ；进行转换 HERE： AJMP HERE,33/48,第3章 过程输入输出通道,第4章 两级计算机控制系统,34/48,36/48,同步通信(Synchronous Data Communication) 同步通信是按数据块传送的，把传送的字符顺序地连接起来，组成数据 块,在 数据块的前面加上特殊的同步字符,用于较验通信中的错误。,3) 波特率(Band rate) 串行通信中每秒钟传送的数据位数称为波特率。 4) 半双工和全双工 在串行通信中按数据传送的方向可分为半双工和全双工。 半双工(Half Duplex) 两个通信装置间只有一根通信线相连，只能一个发送，另一个接收，或 者相反，而不能既接收又发送。 全双工(Full Duplex) 两个通信装置间有两根通信线相连，既能发送又能接收。,图4-2 同步通信格式,第4章 两级计算机控制系统,37/48,5) 信号的调制和解调 调制： 把数字信号转换为模拟信号。 解调： 检测模拟信号，再把它转换成数字信号。 可用调制器(Modulator)和解调器(Demodulator)来实现调制和解调过程。 6) 通用异步接收器/发送器(UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) UART既能实现由并行到串行输出，又能实现由串行到并行输入，每 一部分都是一个双缓冲器结构。 7) 串行通信的校验方法 常用的校验方法有奇偶校验、循环冗余校验。 （1）奇偶校验 奇偶校验主要用于对一个字符的传送过程进行校验。 （2）循环冗余校验 循环冗余校验用于对一个数据块进行校验。,第4章 两级计算机控制系统,38/48,8) 串行通信传送控制规格 通信双方就如何交换信息所建立的一些规定和过程称为数据通信控制 规程，或者称为传输控制规程，在计算机网络中的术语中称为协定。9) EIA RS-232C EIA RS-232是英文EIA（Electronics Industries Association Recommended Standard-232C）的缩写。是常用的标准串行通信接口。,4.1.2 RS-232C总线,RS-232C是美国电气工业协会推广使用的一种串行通信总线标准，是DCE（数据通讯设备，如微机）和DTE（数据终端设备，如CRT）间传输串行数据的接口总线。 RS-232C总线上传输的异步通讯典型格式如图4-3所示。,图4-3 RS-232C异步通讯帧格式,第4章 两级计算机控制系统,39/48,1. RS-232C信号线和RS-232C连接器DB-25 完整的RS-232C总线由25根信号线组成，DB-25是RS-232总线的标准连接器，其上有25根插针。2. RS-232C电平与TTL电平的转换 由于RS-232C总线上传输的信号的逻辑电平TTL逻辑电平差异很大，所以就存在这两种电平的转换问题。 集成电路电平转换器MC1488用于将TTL电平转换成RS-232C电平；集成电路MC1489用于将RS-232C电平转换成TTL电平。图4-4给出这两种芯片的引脚图。,图4-4 MC1488与 MC1489,第4章 两级计算机控制系统,41/48,含义：SM0 SM1串口工作方式选择位。串行口操作方式选择如表4-2所示。,表4-2 串行口操作方式选择,3. 特殊功能寄存器PCON 特殊功能寄存器PCON地址为97H，无位寻址功能。,格式：,PCON最高位为串口波特率系数控制位SMOD，SMOD=1时波特率加倍。其他位为掉电方式控制位（CHMOS器件）。,第4章 两级计算机控制系统,42/48,各方式的波特率如下,1) 方式0的波特率=fosc/12，其中fosc为振荡器频率。 2) 方式2波特率=2SMOD fosc/12 ，其中SMOD是PCON.7。 3) 方式1和3的波特率： 用定时器T1作波特率发生器时，应禁止T1中断，T1工作于方 式2时则：方式1和3的波特率=2SMOD（T1的溢出率）/32 2SMOD fosc = 3212256-(TH 1 ),表4-3 常用波特率,第4章 两级计算机控制系统,44/48,工作过程：使所有从机的SM2=1，从机处于只接收地址帧状态主机发送一帧地址信息,其中包含8位地，串行帧的第9位数据TB8=1，各从机接收到的RB8=1表示主机发来的是地址，从机将接收到的地址与本地地址比较，正确的从机将SM2清0，回答主机已做好通信准备。其他从机保持SM2=1，对主机发送来的命令、数据不做处理。主机收到从机的回答后，向从机发送命令、数据，数据帧的第9位为0。从机根据接收到的命令和数据作出相应的处理。,4.3 MCS-51与PC机通信程序,4.3.1 用汇编语言编写的MCS-51与PC机通信程序,设将PC机键盘的输入发送给单片机，单片机接收到PC机发来的数据后，回送同一数据给PC机，并在其屏幕上显示出来。只要屏幕上所显示的字符与所键入的字符相同，即表明PC机与单片机间通信正常。,第4章 两级计算机控制系统,4.2.3 串行接口应用举例双机通信 参考书上图4-8,45/48,通信约定如下：波特率：2400bit/sec信息格式：8个数据位，一个停止位，无校验。传送方式：PC机彩查询收发数据，51机彩中断方式接收信息。硬件接口如图4-10所示。,图4-10 单片机与PC机通信串行通信接口,1. IBM-PC机通信软件 PC机通信软件采用8086/8088汇编语言编写。,第4章 两级计算机控制系统,46/48,2. MCS-51单片机通讯软件 MCS-51单片机通过中断方式接收IBM-PC机发送过来的字符，并回送给主机。 程序约定： 波特率设置：T1方式2工作，计数常数F3H，SMOD=1，波特率为2400波特 串行口初始化：方式1，允许接收。 中断服务程序入口：0023H。,4.3.2 用C语言编写的MCS-51与PC机通信程序,通信功能：PC机将一字符发送给51单片机，51接收到字符衙又将该字符回送给PC机。 通信约定：用程序一，略。 1. IBM-PC通信软件 PC机通信软件采用TURBO C 语言编写。 2. MCS-51单片机通信软件与程序一相同,第4章 两级计算机控制系统,47/48,4.3.3 PC机与8031多机通讯技术,将一台一PC机和若干台MCS-51单片机构成小型的分散控制或测量系统，是目前微计算机应用的一大趋势，其具体组成如图4-13所示。在这样的系统中，以8031芯片为核心的智能式测量和控制仪表（从机）既能独立地完成数据处理和控制任务，又可将数据传送给PC机（主机）。PC机将这些数据进行处理，或显示，或打印，同时将各种命令传送给各个子机，以实现集中管理和最优控制。,图4-13 PC机与单片机组成的多机通讯系统,第4章 两级计算机控制系统,