仪器智能化技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,仪器智能化技术,河北联合大学电气工程学院,孙洁,TEL:[phone],E-mail:13931590668,本课程的性质、目的和任务：,随着微电子学和计算机的飞速发展，传统的电子测量及仪器受到了巨大的冲击，目前生产实际应用中，传统的仪表测控已不多见，更多的是采用智能化仪表或者大型的计算机控制系统来实现不同的控制要求。,作为自动化仪表专业的本科学生，我们不仅要将传统的仪表测控搞清，更要将先进的微电子和计算机技术与传统仪表测控融合起来，这样才能真正掌握现代控制技术。,选用教材：,赵茂泰编著.智能仪器原理及应用.电子工业出版社.1999.3.,主要参考书目：,1杨吉祥.智能仪器.南京工学院出版社，1986。,2张乃国.新型电子示波器.中国计量出版社，1990。,3贾伯年，俞朴主.传感器技术.东南大学出版社，1992.2。,4谢剑英.微型计算机控制技术.国防工业出版社，1992.3。,一、自动化的概念,自动化就是在工业生产的设备上配备自动化装置以代替工人的直接劳动，从而使生产在不同程度上自动地进行。那么，这些用自动化装置来管理和控制生产过程的方法则称为自动化。而用相应的自动化装置来管理和控制化工生产过程的则称为化工自动化。,图1-2 人工操作图,图1-3 液位自动控制系统图,人工操作与自动控制比较图,控制速度和精度不能满足大型,现代化生产的需要,二、自动化的主要内容,1.,自动检测系统,2.自动信号报警和联锁保护系统,3.自动操纵及自动开停车系统,4.自动控制系统,利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。,图1-1 热交换器自动检测系统示意图,当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。,自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。,第一讲：智能仪器的典型结构,【,教学目标和要求,】,本课程是测控专业类等专业的主要专业课之一、选修课。通过这门课程的学习，使学生进一步掌握仪器智能化技术方面的基础知识及相关电工、电子学的一些基础知识。,【重点与难点】,智能仪器的组成、特点、设计要点，智能仪器的现状和发展。,1.1 智能仪器的组成,：,一.硬件,1.主机电路（CPU 程序存储器 数据存储器）,2.模拟量输入输出通道（A/D、D/A转换、模拟信号处理电路）,3.人机联系部件与接口电路（键盘、显示器）,4.标准通讯接口（RS-232C）GP-IB,二.软件,1.监控程序（系统软件）键盘分配、操作方式、工作参数设置等,2.接口管理程序（用户程序、应用程序）,1.2 智能仪器通用结构框图：,图1-1,内 部 总 线,I/O接口,微处理器,MPU,程序存储器,ROM,数据存储器,RAM,键盘与显示接口,标准仪用,通信接口,主,机,电,路,输入,电路,模拟,执行器,外部,仪用,标准,总线,被测量,A/D,转换器,D/A,转换器,键盘,显示,模拟量输入输出,人机接口,通信接口,1.3 智能仪器的主要特点:,与传统的测控仪表相比较,1、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式开关对仪器实现控制，有利于面板布置的功能部件的设置。,2、智能仪器采用微处理器进行运算和逻辑判断，它按照一定的算法可以很方便地清除由于漂移、增益的变化和干扰的因素所引起的误差（如单片机温度、根数检测的信号误差），从而可以大大地提高仪器的测量精度。,3、具有自诊断功能。,4、人-机对话功能强。,5、能方便地与其它仪器或计算机联用，构成多功能测控系统。,1.4 智能仪器的设计特点:,智能仪器是以微处理器为核心的电子仪器，因此要求设计者不仅要熟悉电子仪器的工作原理，也就是要具备电子、电路的基本知识，而且要掌握微型计算机硬件软件的原理，因而其设计不能完全沿用传统电子仪器的设计方法和手段。,设计、研制智能仪器的一般过程,1.确定设计任务：,根据仪器最终要实现的设计目标，编写设计任务书、明确仪器应具备的功能和应达到的技术指标；,2.制定总体设计方案，选择微处理器芯片：,该阶段，设计者应首先根据设计的要求和一些约束条件，提出几种可能的方案，每个方案应包括仪器的工作原理、采用的技术、关键元器件的性能等。同时要对各方案进行可行性论证，最后确定总体设计方案。,注意：微处理器是核心部件，它的选择非常关键。,3.确定仪器工作总框图：,总体方案和微处理器确定之后，采用自上而下的方法，将仪器划分成若干个便于实现的功能模块，并分别绘制出相应的硬件和软件工作框图。,4.硬件与软件的设计、调试：,一旦仪器工作总框图确定以后，硬件电路和软件电路的设计工作就可以齐头并进。,硬件设计：,按模块分别对各单元电路进行电路设计，然后再进行硬件合成，绘制印刷电路板，装配与调试。,软件设计：,先分析仪器系统对软件的要求，然后在此基础上进行软件总体设计、模块化设计、流程图及编程语言的选择，最后是软件的分模块调试、整体调试以及与硬件联调。,5.整机联调：,当软、硬件分别调试合格后，再对硬件和软件进行联调，不断地对软件、硬件进行合理的修改，直至合格。,1.5 本章的小结和作业：,【小 结】,本章介绍了智能仪器的典型结构，智能仪器的硬件组成框图，智能仪器的主要特性,智能仪器的设计特点等内容，为智能仪器的进一步学习奠定基础。,【作 业】,1.智能仪器是由哪几部分典型结构组成的？,2.设计、研制智能仪器的一般过程主要有那些步骤？,第二讲：,智能仪器输入输出通道,【,教学目标和要求,】,本讲主要介绍了模拟量输入通道中A/D转换的原理及与微机的接口，如逐次逼近式A/D转换，双积分式A/D转换，高速模拟量输入通道中的并行比较式A/D转换等；模拟量输出通道中D/A转换的原理及与微机的接口；数据采集系统中模拟多路开关及接口、模拟信号的采样与保存等等。,通过对本部分学习，应使学生了解数字信号和模拟信号的相关知识，熟知各种A/D、D/A转换的原理及与微机的接口技术，掌握各种A/D、D/A转换的原理及与微机的接口电路设计的相关应用,。,【重点与难点】,各种A/D、D/A转换的原理及与微机的接口电路的设计，数据采集系统的设计等实际应用。,2.1 A/D转换器的技术指标：A/D:Analog to digital,1.分辨率与量化误差：,分辨率是衡量A/D转换器分辨模拟量最小变化程度的技术指标。它取决于A/D转换器的位数。,量化误差是由于A/D转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）而引起的误差，其大小在理论上是一个单位分辨率。,所以，量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减少量化误差。,2.转换精度：,它反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，用绝对误差和相对误差来表示。,由于理想的A/D转换器也存在着量化误差，因此，实际的A/D转换器其转换精度所对应的误差指标是不包括量化误差在内的。,3.转换速率：,A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。它也可以表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。,如：A/D转换器的转换速率为5MHz，则其转换时间为200ns。,4.满刻度范围：,指A/D转换器所允许输入电压的范围。,如：05V，010V，-5+5V等等。,满刻度值只是个名义值，但实际的A/D转换器的最大输入值总比满刻度小1/2,n,(n是转换器的位数)，这是因为0值也是2,n,各转换状态中的一位。,如：12位的A/D转换器，其满刻度值为10V，而实际的允许最大输入电压值为（1-1/4096）10=9.9976V。,2.2 A/D转换器的种类及比较：,逐次比较式,的转换时间和转换精度比较适中，转换时间一般在s级，转换精度在0.1%左右，适用于一般工业测量场合。,双积分式,的核心部件是积分器，因此速度较慢，转换时间在ms级或更长，但抗干扰能力较强，转换精度可达0.01%或更高，适用于数字电压表类仪器中使用。,并行式,又称闪烁式，由于采用并行比较，转换速率可以达到很高，转换时间可达ns级，但抗干扰性能较差。可用于数字示波器等要求转换速率较快的仪器中。,改进型,是在上述某种形式的基础上，为满足某种高性能指标而改进或复合而成的。如：余数比较式就是在逐次比较式的基础上加以改进，使其在保持原有较高转换速率的前提下精度可达0.01%以上。它主要用于已高精度数字电压表为基础的智能仪器中。,2.3 逐次比较式A/D转换器：,逐次比较型模数转换的基本原理的核心就在于“比较”。,它是用一套标准电压与被测电压逐次比较，不断逼近，最后达到一致，这样标准电压的大小就表示被测电压的大小。,那么将这个和被测电压相平衡的标准电压以二进制的形式输出，就实现了模拟数字的转换过程。,一、该原理可以用天平称重,的情景来模拟：,例如一架天平有以下一套砝码：,2mg、1mg、0.5mg、0.25mg、0.125mg、0.0625mg共六种砝码。,某一物体的重量为3.5626mg，则我们可以作如下测量：,1.将2mg的砝码放上，不够，留下并记为“1”,2.再将1mg的砝码放上，不够，留下并记为“11”,3.再将0.5mg的砝码放上，不够，留下并记为“111”,4.再将0.25mg的砝码放上，超重，去掉并记为“1110”,5.再将0.125mg的砝码放上，超重，去掉并记为“11100”,6.再将0.0625mg的砝码放上，不够，留下并记为“111001”,这样，将记为“1”的砝码的重量加起来，就是被测物体的重量，称出的重量是3.5625mg，而实际重量是3.5626mg，存在误差0.0001mg，若将砝码继续细分，则误差将趋近于零。,二、对于电压我们同样也可以,用这样的方法来进行测量！,例如：设一套标准电压分别为：2.5V、1.25V、0.625V、0.3125V、1/210*2.5V 共十一种电压，相邻两个电压为二进制关系，此时测量3V电压：,1.将2.5V与3V比较，小则保留并记为1；,2.将1.25V+2.5V与3V比较，超了去掉1.25V记为0，即10；,3.将0.625V+2.5V与3V比较，超了去掉0.625V记为0，即100；,4.将0.3125V+2.5V与3V比较，小则保留并记为1，即1001；,依此类推，直到将1/210*2.5V+2.5V与3V比较，则可以得到,10011001100,的数字量，即用数字量,10011001100,来表示3V的模拟量。,三、将一个模拟电压转换为数码表示的形式必须具备的条件：,1.一套相邻关系为二进制的标准电压：,由一个称为解码网络的电路产生这套电压。,2.一个比较鉴别器：,将由解码网络来的每次试探的电压和被转换的电压进行比较，并判别出谁大谁小，以决定是否保留这位电压。,3.一个数码寄存器：,每次比较的结果1或0由它保存下来。,4.一套控制线路：,该控制线路完成两个任务：一是比较由高位开始，由高到低逐次比较；二是根据每次比较的结果，使相应位的数码寄存器记1或0，并由此来决定是否保留这位“解码网络”来的电压。,注意：ATTENTION,“解码网络”的输出电压由数码寄存器的状态决定，而这个电压反过来又要与输入的被转换电压进行比较，其比较的结果1或0决定这位数码寄存器的状态。,因此，这是一个相互联系、相互依赖的过程，称之为电压反馈；而整个过程又是一位一位地进行的，故这种电压数字转换的方法总称为逐次比较电压反馈编码型，简称逐次比较型。,2.4 ADC0809芯片及其接口：,一、ADC0809主要有三大部分组成：,第一部分：,8路模拟量选择电路。8路模拟量输入信号分别接到IN0IN7端，每一路的选通由地址锁存器与译码器电路控制，A、B、C为输入地址选择线，地址信息由ALE的上升沿打入地址锁存器。,第二部分：,逐次逼近式A/D转换器。START为启动信号，要求输入正脉冲信号，在上升沿“复位”逐次逼近寄存器，在下降沿“启动”A/D转换；EOC为转换结束标志位，0表示正在转换，1表示一次A/D转换的结束；CLOCK为外部时钟输入信号，时钟频率决定了A/D转换器的转换速率。,第三部分：,三态输出缓冲锁存器：A/D转换的结果由EOC信号打入三态输出缓冲锁存器，OE为输出允许信号，当向OE端输入一个高电平时，三态门电路被选通，这是便可读取结果，否则三态输出缓冲锁存器输出为高阻状态。,二、ADC0809芯片简介：,ADC0809是8路8位逐次逼近式A/D转换器，它能分时地对8路模拟量信号进行A/D转换，结果为8位二进制数据。,ADC0809每一通道的转换约需6673个时钟周期，当时钟频率取640kHz时，转换一次约需100s，这是ADC0809所能容许的最短转换时间。,三、ADC0809时序图：,图2-5,ALE,地址,稳定,IN,X,START,EOC,OE,输出,稳定,ALE,P,0,8031,INT,1,RD,P,2.0,WR,1,1,1,1,C,D,Q,Q,G,74LS,373,AB,07,P,0.0,P,0.2,A,B,C,D,07,EOC,OE,ALE,START,0809,IN,0,IN,1,IN,2,IN,3,IN,4,IN,5,IN,6,IN,7,V,cc,R,+,R,-,GND,+5V,四、ADC0809与单片机8031接口电路：,图2-6,2.5实现A/D转换所需软件的设计：,根据A/D转换器与微处理器连接方式以及智能仪器本身的要求的不同，实现A/D转换所需软件的设计方法也不同，目前常用的控制方式主要有：,程序查询方式,延时等待方式,中断申请方式,一、程序查询方式,所谓程序查询方式，就是首先由微处理器向A/D转换器发出启动信号，然后读入转换结束信号，查询转换是否结束，若转换结束，可以读入数据，否则再继续读入转换结束信号进行查询，直至转换结束再读入数据。,该程序设计方法比较简单，可靠性高，但由于微机将许多时间都消耗在“查询”上，因而效率低。实际应用中，许多系统对于消耗这点儿时间还是允许的，因此这种方法应用比较普遍。,二、延时等待方式,所谓延时等待方式是指在向A/D转换器发出启动信号后，先根据所采用的A/D转换器所需的转换时间（如ADC0809为100s）进行延时等待，延时程序执行完以后，A/D转换过程也已结束，便可读入数据。,该种方式中，为了保险起见，通常延时时间应略大于A/D转换所需要的时间，占用了较多的时间，因而多用于微处理器处理任务比较少的场合。其优点是可靠性较高，不占用查询端口。,三、中断申请方式,前两种方式，在A/D转换的整个过程中，微处理器实际上一直处于等待方式，因而效率较差。,中断方式则是当微处理器启动A/D转换器后可转去处理其它事情，A/D转换结束便向微处理器发出中断申请信号，微处理器响应中断后再来读入数据。这样，微处理器和A/D转换器可以并行工作，大大的提高了工作效率。,a.程序查询方式转换程序：,MOV,DPTR，#0FEFFH,MOV A，#00H,MOVX DPTR，A ；,启动IN,0,通道转换,MOV R,2,，320H,DLY：DJNZ R,2,，DLY ；,延时，等待EOC变低,WAIT：JB P,3.3,，WAIT ；,查询，等待EOC变高,MOVX A，DPTR,MOV 30H，A ；,结果存30H,b.延时等待方式转换程序：,MOV DPTR,#0FEFFH,MOV A,#00H,MOVX DPTR,A ；,启动IN,0,O通道,MOVX R,2,#40H,WAIT:DJNZ R,2,WAIT ；,延时约120s,MOVX A,DPTR,MOV 30H,A ；,转换结果存30H,C.中断方式转换程序,主程序：,MAIN:SETB IT1 ;,选INT,1,为边沿出发,SETB EX1 ;,允许INT,1,中断,SETB EA ;,打开中断,MOV DPTR,#0FEFFH,MOV A,#00H ;,启动A/D转换,;,执行其他任务,中断服务程序：,INTR1:PUSH DPL ;,保护现场,PUSH DPH,PUSH A,MOV DPTR，#0FEFFH,MOVX A，DPTR ;,读转换结果,MOV 30H,A ;,结果存30H,MOV A,#00H,MOVX A,DPTR ;启动下一次转换,POP A,POP DPH,POP DPL,RETI ;,返回,2.6 双积分式A/D转换器：,双积分式A/D转换器是一种间接式A/D转换器，其工作原理是先用积分器将模拟电压转换成中间量（时间T或频率F），然后再将中间量转换成数字。,它的转换速率较慢，但转换精度高，抗干扰能力强。,一、双积分式A/D转换器工作原理：,其工作原理框图如图2-1,图2-1中电阻R、电容C和直流放大器A组成积分器，输出电压V,0,为输入电压对时间的积分，积分器的输入电压有两个；一个为反映被测参数大小的未知电压V,X,，另一个为已知的标准电压V,r,，积分器由开关S轮流与V,X,、V,r,接通。,它是将一段时间内的模拟电压通过两次积分变换成与其平均值成正比的时间间隔，然后由脉冲发生器和计数器来测量此时间间隔而得到的数字量。,该转换器是在一次测量过程中，用同一次积分器进行两次积分，一次是对被测电压V,X,的定时积分，另一次是对标准电压V,r,的定值积分。因此称为,双积分型A/D转换器。,二、转换原理图与工作波形图：,图2-10,_,+,_,+,逻辑控制,电路,时钟,计,数,门,计数器,显示,S,1,S,2,S,3,S,4,+U,R,-U,R,D,U,C,U,B,U,A,U,i,U,R,U,01,t,1,t,2,t,3,T,1,T,2,N,1,T,0,N,2,T,0,N,1,N,2,(a),(b),复,零,溢,出,D,U,C,U,B,U,A,S,1,S,3,S,4,S,2,U,i,整个转换过程可以按以下三个阶段进行：,1.预备阶段：,逻辑控制电路发出复位指令，计数器清零。即将S,4,闭合，积分器输入输出都为零。,2.定时积分阶段：,在t,1,时刻，逻辑控制电路发出启动指令，使S,4,断开，S,1,逼和，于是积分器开始对输入电压U,i,进行积分，同时打开计数门，计数器开始计数。当计数器计满N,1,时（t,2,时刻），计数器的溢出脉冲式逻辑控制电路发出控制信号使S,1,断开，于是，定时积分阶段T,1,结束。此时，积分器的输出电压位U,01,：,式中U,i,输入电压U,i,在T,1,内的平均值,（2.1）,3.定值积分阶段T,2,：,逻辑控制电路在t,2,时刻令S,1,断开的同时，也使与输入电压U,i,极性相反的基准电压接入积分器。图中设置了S,2,、S,3,两个开关，分别接+U,r,和-U,r,。如U,i,为负值时，则令S,2,逼和，于是积分器开始对基准电压+U,r,进行定值积分，积分器的输出电压从U,01,值向零点平倾斜，与此同时，计数器也重新从零开始计数，当积分器输出电压达到零点平时刻（即t,3,时刻），比较其反转，逻辑控制电路发出计数器关门信号，使计数器停止计数，此时，计数器保留的计数值为N,2,。,定值积分阶段结束时，积分器输出电压为零，则：,将公式2.1 2.2整理得：,（2.2）,（2.3）,结论：,T,2,与输入电压的平均值U,i,成正比，如果在T,2,时间内对时钟脉冲进行计数，那么所得的时钟脉冲个数也与U,i,成正比，从而也就完成了电压数字的转换过程。,设时钟脉冲的周期为T,0,，计数器的容量为N,1,，则：T,1,=N,1,T,0,，T,2,=N,2,T,0,，公式2.3可改写为：N,2,=N,1,/U,r,*U,i,该计数值N,2,经寄存器输出，则完成了由模拟电压U,i,向数字信号的转换。,2.7 模拟量输出通道：,模拟量输出通道的作用主要是将经智能仪器处理后的数据再转换成模拟量送出，去控制现场的模拟设备(如电动执行器等)。它也是许多智能设备（如X-Y绘图仪、电平记录仪、波形发生器等）的重要组成部分。,模拟量输出通道一般由D/A转换器、多路模拟开关、采样/保持器等组成。,本节重点讨论D/A转换器及其与微处理器的接口。,一、D/A转换原理：,D/A转换器由电阻网络、开关及基准电源等部分组成。目前，采用最多的是R-2R梯形网络的D/A转换器。图2-26给出了一个4位D/A转换器的原理图：,由图可见，D/A转换器电阻网络中电阻的规格仅为R，2R两种，Ur为基准电压，它可有内部电子开关S3，S2，S1,S0在二进制码D=D3D2D1D0的控制下分别控制4个支路，并使电流各自进入A3，A2，A1，A0 4个节点。,二、R-2R梯形网络D/A转换器原理图：,图2-26,D,0,(2,0,),D,1,(2,1,),D,2,(2,2,),D,3,(2,3,),_,+,U,R,U,O,I,OUT1,I,OUT2,A,0,A,1,A,2,A,3,R,R,R,2R,R,fb,2R,2R,2R,2R,2R,S,0,S,1,S,2,S,3,三、R-2R梯形网络的特点：,该网络的特点是任何一个节点的三个分支的等效电阻都是2R，因此由任一个分支流入节点的电流都为I=Ur/3R，并且 I将在节点处被平分为相等的两部分，经另外两个分支流出。,现假定数字输入D=0001，即S0闭合，S1，S2，S3断开，则基准电压Ur经开关S0流入支路所产生的电流为I=Ur/3R，此电流经过A0，A1，A2，A3等4个节点，经4次平分得到1/16I注入运算放大电路，将电流信号转换位电压信号。若反馈电阻Rfb=3R，则运算放大器输出端产生的电压为：,根叠加据原理，可以得出D为任意数时四位D/A转换器的总输出电压：,当U,R,为正时，D/A转换器输出U,0,为负，反之为正。,四、D/A转换器的技术指标：,1.分辨率：,指的是当输入数字发生单位数码变化时所对应的模拟量输出的变化量。具体表达方式与A/D转换器分辨率基本一致。,2.转换精度：,指的是在整个工作区间的输出电压与理想输出电压之间的偏差，可用绝对值或相对值来表示。转换精度包含了造成D/A转换器误差的所有因素，其指标有时以综合误差方式来描述，有时又用分项误差的方式来描述。,3.转换时间：,指当输入的二进制代码从最小值突跳到最大值时，其模拟量电压达到与其稳定值之差小于1/2LSB所需的时间。也称为稳定时间，其值通常比A/D转换器的转换时间要短的多。,4.尖峰误差：,指的是输入代码发生变化时刻而使输出模拟量产生尖峰所造成的误差。产生尖峰的原因是由于各个开关在切换过程中响应时间不一致和寄生参数所致。尖峰持续的时间虽然很短，但幅值可能很大，在某些应用场合必须施加措施予以避免。,五、D/A转换器与微机接口：,1.DAC0832简介：,DAC0832是含有双输入数据锁存器的八位D/A数模转换器。,其内部的LE为寄存命令，当LE为1时，寄存器的输出数据随输入变化；当LE为0时，数据被所存在寄存器中，而不再随数据总线上的数据变化而变化。,其逻辑表达式为：,LE,(1),I,LE,CS,WR,1,由此可见，当I,LE,为，CS,和,WR为时，LE,(1),为，允许数据输入；而当WR,1,为时，LE,(1),为，数据被锁存。能否进行D/A转换，除了取决于LE,(1),外，还有赖于LE,(),。由图可见，当WR,2,和XFER均为低电平时，LE,(),为，此时允许数据通过去进行D/A转换，否则当LE,(),为时，将不允许数据通过并进行D/A转换。,2、DAC0832内部原理图：,图2-30,8位,输入,寄存,器,8位,DAC,寄存,器,8位,D/A,转换,器,6,14,15,16,4,5,13,7,D,0,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,8,12,11,9,R,fb,V,REF,I,OUT2,I,OUT1,R,fb,&,&,&,19,1,2,18,17,3,20,10,I,LE,CS,WR,2,XFER,WR,1,LE,(1),*,LE,(2),*,V,CC,（,+5V或+15V,）,AGND,（模拟地）,AGND,（数字地）,*LE=1时，输出数据,跟随输入,LE=0时，数据被锁,存,3、DAC0832与微机的接口：,在与微处理器接口时，可以采用双缓冲方式（两级输入锁存），也可以采用单缓冲方式（只用一级输入锁存，另一级始终直通），还可以接成全直通的形式，再外加锁存器与微机接口。,因此，这种D/A转换器使用非常灵活方便。,a.DAC0832与8031单片机连接成单缓冲方式的接口电路：,该种方式主要应用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但不需要同步的场合。,该种方式下，两级寄存器的控制信号并接，即将WR1和WR2同时于8031的WR端口相接，CS和XFER相连接到P2.0，使DAC0832作为8031的一个外部I/O装置，口地址为#FEFFH，这样，8031对它进行一次写操作，输入数据便在控制信号的作用下，直接打入0832内部的DAC寄存器中，并由D/A转换成输出电压。其相应的程序段如下：,MOV DPTR，#0FEFFH；给出0832的地址,MOV A，#DATA ；欲输出的数据装入A,MOVX DPTR，A ；数据装入0832并启动 D/A转换。,单缓冲方式接口电路图如图2-31：,_,+,P,0.0,.,.,.,.,.,.,P,0.6,P,0.7,P,2.0,WR,D,0,.,.,.,.,.,.,D,6,D,7,8031,CS,XFER,WR,1,WR,2,0832,I,LE,V,CC,V,R,R,fb,I,OUT1,I,OUT2,AG,+5V,U,O,4.DAC0832与8031单片机连接成双缓冲方式的接口电路：,若需要两路以上的模拟量同步输出，则DAC0832必须按双缓冲方式连接。其接口电路图如图2-32。按图中连接，两片0832输入寄存器的地址分别为FEFFH和FDFFH，DAC寄存器的地址都是FBFFH。设欲输出的数据置于R2，R3中，可编制相应的程序段如下：,MOV DPTR，#0FEFFH,MOV A，R2,MOVX DPTR，A；数据送1#0832输入寄存器,MOV DPTR，#0FDFFH,MOV A，R3,MOVX DPTR，A；另一数据送2#0832输入寄存器,MOV DPTR，#0FBFFH,MOVX DPTR，A；1#，2#D/A转换器同时输出,双缓冲方式接口电路图：P39图2-32,_,+,_,+,+5V,-5V,+5V,-5V,U,02,U,01,P,0,P,2.1,P,2.0,P,2.2,WR,8031,D,0,D,7,CS,WR,1,WR,2,XFER,I,LE,V,R,R,fb,I,out1,I,out2,I,out2,I,out1,R,fb,V,R,I,LE,D,0,D,7,CS,WR,2,WR,1,XFER,DAC 0832 1,#,DAC 0832 2,#,2.6 小结,本讲介绍了模数转换 ADC，模数转换的种类，主要任务，转换原理及实现过程。重点讲授了逐次比较型和双积分型A/D转换器、ADC0809与微机的接口以及模拟量输出通道中DAC0832及与微机的接口等方面的相关知识。,作业：,1.逐次逼近式A/D转换器ADC0809与微机接口电路及A/D转换的实现？,2.DAC0832D/A转换器与微机接口是怎样实现的？,第三讲：智能仪器人机接口,【,教学目标和要求,】,本讲主要介绍了智能仪器人机接口的相关知识，如键盘与接口，LED显示与接口，CRT显示与接口，微型打印机接口的相关技术。通过对本部分学习，应使学生掌握诸如键盘与接口，LED显示与接口，CRT显示与接口，微型打印机接口的相关技术。,【重点与难点】,键盘与接口，LED显示与接口，CRT显示与接口，微型打印机接口的相关技术。,3.1键盘与接口,操作者对智能仪器进行状态干预和数据输入，智能仪器向报告运行状态和处理结果。例如：键盘、显示器、打印。,键盘与微处理器的接口包括硬件与软件两部分：,硬件：,键盘的组织，即键盘结构及其与主机的连接方式。,软件：,按键操作的识别与分析称为键盘管理程序。它主要包括识键、译键和键值分析三部分。,识键：,判断是否有键按下。,译键：,识别出哪一个键被按下，并指出被按下键的键值。,键值分析：,根据键值找出对应处理程序的入口并执行。,3.1.1键盘的组织。,编码式键盘：,由按键键盘和专用键盘编码器两部分组成，当键盘中某一按键按下时，键盘编码器会自动产生相对应的按键代码，并输出一选通信号与CPU进行信息联络。键盘编码器是用很方便，目前市场上已有数种大规模集成电路的键盘编码器出售。例如：MM5740AA芯片就是一种专用于64键电传打字机的键盘编码器，其输出位ASC码。,非编码式键盘：,非编码式键盘不含编码器，当某键按下时，键盘只能送出一个简单的闭合信号，对应的按键代码的确定必须借助于软件来完成。显然，非编码式键盘的软件是比较复杂的，并且要占用较多地CPU时间，这是它的不足之处。但非编码键盘可以任意组合、成本低、使用灵活。因而智能仪器大多采用非编码式键盘。,3.1.2 键盘的工作方式：,智能仪器中CPU对键盘进行扫描时，要兼顾两方面的问题：,一是要及时，以保证对用户的每一次按键都能做出相应的响应；,二是扫描还不能占用CPU过多的时间，CPU还有大量的其它任务去处理。因此，要根据智能仪器中的CPU忙、闲情况，选择适当的键盘工作方式。,键盘有三种工作方式：,编程扫描方式,中断工作方式,定时扫描方式,1.编程扫描方式：,该方式也称查询方式，它是利用CPU在完成其它工作的空余，调用键盘扫描程序，以相应键输入的要求。问题是当CPU在运行其它程序时，它就不会再响应键输入的要求，因此，选择该方式编程时，应考虑程序是否能对用户的每次按键都会作出及时的响应。,2.中断工作方式：,在这种工作方式下，当键盘中有键按下时，硬件会产生中断申请信号，CPU响应中断申请后对键盘进行扫描，并转入相应的键功能处理程序。该方式的优点是：由于在无键按下时不进行键扫描，因而可以提高CPU的效率，同时也能确保对用户的键操作作出迅速的反应。,3.定时扫描方式：,该方式利用一个专门的定时器来产生定时中断申请信号，CPU响应中断申请后便对键盘进行扫描，并在有键按下时转入相应的键功能处理程序。由于每次按键按下的持续时间一般为100ms左右，所以为了不漏检，定时中断周期一般应小于100ms。,3.1.3键抖动及消除,1.键抖动的概念：,键盘的按键一般都采用触点式按键开关，当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生一种抖动现象，即当按键按下或释放时，触点不是迅速可靠的接通或断开；而是经过一段时间的抖动才能稳定下来，抖动时间的长短随按键材料的不同而不同，一般在5ms10ms之间。键抖动的波形图如图3-2。,(010)ms,(50200)ms,(010)ms,2.键抖动的消除：,键抖动可能导致计算机将一次操作识别为多次操作而连续出现一个键多次重复地出现的误操作现象。为克服这种由于键抖动所致的误判断，常采用以下的消除方法：,硬件电路消除法：,利用RS触发器来吸收键的抖动，其硬件电路如图3-3所示。一旦有键按下时，触发器就立即翻转，触点的抖动便不会再对输出产生影响。同样释放时也如此。,&,&,S,输出,无弹跳,+5V,R,R,R=5K,有弹跳,软件延时法：,当判定按键按下或释放时，用软件延时10ms20ms，等待键稳定（即可靠的接通或断开）后重新再判定一次，以躲过触点的抖动期，从而消除键抖动所带来的误操作。软件流程图如下：,读P1口,有键按下？,延时10ms,键处理,读P1口,键分析,键已释放？,延时10ms,分析结束,3.1.4 键连击,1.键连击的概念：,当按键按下时，对应的功能便会通过键盘分析程序得以执行。如果在操作者释放键之前，对应的功能得以多次执行，如同操作者在连续不断的操作按键一样，这种现象就成为键连击。,2.键连击的消除：,键连击现象可用图3-4所示流程图的软件方法来解决，当某键按下时，首先进行软件延时去抖处理，确定键被按下后，便执行对应的功能，执行完后不是立即返回，而是等待键释放之后再返回，从而使一次按键只被响应一次，避免连击现象的发生。,图3-4a 图3-4b,读键,延时去抖,执行,等健释放,读键,延时去抖,执行,延时,3.2 键盘的接口：,前面提到键盘按其工作原理可分为编码式键盘和非编码式键盘两大类。,编码式键盘是,由按键键盘和专用键盘编码器两部分组成，当键盘中某一按键按下时，键盘编码器会自动产生相对应的按键代码，并输出一选通信号与CPU进行信息联络。键盘编码器使用很方便，主要应用于各类电传打字机中。,而非编码式键盘不含编码器，当某键按下时，键盘只能送出一个简单的闭合信号，对应的按键代码的确定必须借助于软件来完成。非编码键盘可以任意组合、成本低、使用灵活。因而智能仪器大多采用非编码式键盘。非编码式键盘按照它与主机的接口方式又分为独立式键盘和矩阵式键盘两种。,3.2.1独立式键盘接口方法,独立式键盘结构的特点是一键一线，即每一个按键单独占用一根检测线，可以直接与单片机I/O线相连接或通过输入口与数据线相接，结构很简单。这些测试线相互独立无编码关系，因而键盘软件不存在译码问题，一旦检测到某测试线上有键闭合，便可直接转入到相应的键功能处理程序进行处理。其接口电路如图3-5：,8031,P1.0,P1.1,P1.2,R,R,R=10k,s,0,s,1,s,2,+5V,图中的上拉电阻R用来保证按键断开时，检测线上有稳定的高电平，当某一按键按下时，对应的检测线就变成了低电平，而与其它键相对应的的检测线仍为高电平，从而很容易的识别出被按下的按键。其,优点,是键盘结构简单，各测试线相互独立，按键识别容易；,缺点,是按键较多时占用的检测线也较多，不便于组成大型键盘。,其键盘软件的流程图如图3-6,：（采用查询的方式进行软件编程）,首先判断有无键按下，若检测到邮件按下，就延时10ms避开抖动的影响，查询是哪一键被按下并执行相关的操作。然后再用软件查询等待按键的释放，当判明键释放后，用软件延时10ms在返回。一方面避开按键释放时抖动的影响，另一方面防止键连击的产生。,独立式接口软件流程图：图3-6,键分析,读P,1,口,延时10ms,P,1.0,=0?,P,1.1,=0?,P,1.2,=0?,S,0,键处理,S,1,键处理,S,2,键处理,读P,1,口,延时10ms,键已释放？,分析结束,有键,按下,N,Y,Y,Y,N,N,Y,Y,N,N,在上述查询扫描工作方式下，CPU经常处于空扫描状态，为进一步提高CPU的工作效率，可采用中断工作方式，即只有当键盘中有键被按下时，才执行扫描工作。,图3-7,给出了采用,中断工作方式,处理8只按键的电路图。,当无键按下时，8条测试线均为高电平，经8与非门及反相器后仍为高电平，因而不会产生中断，当其中任一按键按下时，中断信号INT0变为低电平，向8031申请中断，8031响应中断后便进入中断服务程序，用扫描的方法寻找到申请中断的按键，并执行相应键功能处理程序。,P,0,P,2.3,P,2.4,WR,RD,ALE,INT,0,8,PA,0,PA,1,PA,2,PA,3,PA,4,PA,5,PA,6,PA,7,S,0,S,1,S,2,S,3,S,4,S,5,S,6,S,7,&,1,8031,8155,5k8,D,0,D,0,IO/M,CE,WR,RD,ALE,+5V,图 3-7,3.2.2 矩阵式键盘接口方法,矩阵式键盘结构特点是把检测线分为两组，一组为行线，一组为列线，按键放在行线和列线的交叉点上，每一按键都通过不同的行线和列线与主机相连。4*4矩阵共有16只按键，但只需要8条检测线，m*n矩阵键盘与