第三章 通道接口技术.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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,*,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,第二章 通道接口技术,3.1,计算机对外围通道的控制,3.2,模拟量输出通道,3.3,模拟量输入通道,3.1,计算机对外围通道的控制,计算机对外围通道控制的工作基础是中断系统，具体实施是通过接口电路进行的。,计算机的输入输出指令及其有关的逻辑提供了,CPU,使用外围通道的全部控制信号。,一、输入输出指令,计算机与外围设备的连接一般要用到地址总线、数据总线和控制总线。,1,、输入输出接口编址方式,外围通道的地址对,CPU,来说有两种编址方式：,（,1,）、按存储器布局方式,既将外围通道的地址分配在存储器的地址空间，因此也称为存储器映像,I/O.,此时计算机对外围通道的输入输出操作就像对一个存储单元进行读写操作一样，所有访问内存的指令都可以适用于输入输出。,这种编址方式的优点：,可以用访向存储器的指令来访问,I/O,端口，而访问存储器的指令功能比较强，不仅有一般的传送指令，还有算术、逻辑运算指令，以及各种移位、比较指令等，并且可以实现直接对,I/O,端口内的数据进行处理。,缺点是：,由于,I/O,端口占用了一部分存储器地址空间，因而使用户的存储地址空间相对减小。另外不利于程序阅读。,1,、输入输出接口编址方式,（,2,）、按输入输出布局,此方式外围通道与存储器分开编址，它有,CPU,专门的输入输出指令，并有相应的控制线指示是,I/O,操作。,这种编址方式的优点是：,第一，,I/O,端口不占用存储器地址，故不会减少用户的存储器地址空间；,第二，采用单独的,I/O,指令，使程序中,I/O,操作和其他操作层次清晰，便于理解。,这种编址方式的缺点是：,第一，单独,I/O,指令的功能有限，只能对端口数据进行输入,/,输出操作，不能直接进行移位、比较等其他操作；,第二，由于采用了专用的,I/O,操作时序及,I/O,控制信号线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。,（,1,）、输入输出指令,有以上内容可知在使用不同功能的,CPU,时要选择的编址方式是不同，如：,68,系列、,8031,等,CPU,计算机就只能采用存储器布局，相应的只能使用访问存储器指令。而,Z80,则可根据需要任选。其输入输出指令为,IN,和,OUT,（,2,）时序,每条指令的执行都是在统一时钟控制下一个节拍一个节拍的进行的。指令执行过程所需要的时钟脉冲称为指令周期。,二、中断,计算机与外围通道进行数据传输的方式通常有两种：,DMA,和程序传送。,1,、,DMA,传送,需要专门的,DMA,控制器，控制外围设备与存储器之间直接存取，适用于高速、大批量数据传送，大多用于数据采集系统，一般控制系统较少使用。,二、中断,DMA,方式是在外设与内存间建立起直接的通道，,CPU,不再直接参加外设和内存间的数据传输。,当系统需要进行,DMA,传输时，将,CPU,对地址和数据及控制线的管理权交由,DMA,控制器进行控制，当完成了一次,DMA,数据传输后，再将这个控制权还给,CPU,，这些工作都是由硬件自动实现的，并不需要程序进行控制。,二、中断,2,、程序传送方式,程序传送方式可以分为：握手式、查询式、中断控制方式三种。,（,1,）握手式,CPU,向外围通道发出启动命令，外围通道开始工作进入忙状态，同时发忙信号给,CPU,，使其等待，待其工作完成后，解除等待信号，,CPU,读数据。,二、中断,2,、查询方式,CPU,启动外围通道后，就不停的读其状态，一旦发现“忙”状态解除，就立刻去读通道的数据。,二、中断,3,、中断,CPU,启动外围通道，就不在去管其何时完成数据的传送，而是转去做其他的工作，当外围通道完成任务后，就向,CPU,发出中断请求去读取数据。,二、中断,CPU,相应中断的条件是：,1,、要有中断信号，并且能保持住，且,CPU,相应后还要能清除这个申请信号。,2,、该中断申请不会被屏蔽。,3,、中断必须是开放的,4,、,CPU,要完成当前指令后才能响应中断,二、中断,二、中断,与程序查询方式相比，中断控制方式的数据交换具有,如下特点,:,(1),提高了,CPU,的工作效率,;,(2)CPU,具有控制外围设备服务的主动权,;,(3)CPU,可以和外设并行工作,;,(4),可适合实时系统对,I/O,处理的要求。,三、接口,1,、,CPU,与外设通信特点,需要有接口作为,CPU,与外设通讯的桥梁；,需要有数据信息传送之前的“联络”；,要传递的信息有三方面内容：状态、数据及控制信息。,三、接口,三、接口,接口电路通常包含一组能够与处理器交换信息的寄存器或缓冲器，称为,I/O,端口,数据端口,存放数据信息,状态端口,存放状态信息，即反映外设,当前工作状态的信息,控制端口,存放控制信息,三、接口,将接口作为,CPU,和外围通道连接的桥梁是因为：,1,、速度不匹配，,CPU,的速度快而外围通道则快慢不一,2,、数据格式不匹配，,CPU,多以字节为单位传送数据，二外围东道不以字节为单位。,3,、信号形式不匹配，,CPU,多为,TTL,电平标准而外围通道常比较杂乱。,鉴于以上几点需要用接口作为两者的桥梁。,三、接口,2,、并行接口,（,1,）、构成,主要由控制寄存器、状态寄存器、数据输入输出寄存器、数据总线缓冲、地址总线缓冲、地址译码、中断控制器、联络信号控制逻辑等组成。,三、接口,对输入而言其基本的接口有两种形式：,a,、简单输入方式,三、接口,在简单输入方式下要求外围通道欲输入的数据是稳定的，通过三态门作为数据传送接口，传送数据。,三、接口,b,、选通输入方式,三、接口,本方式适用于外围通道输入的数据不稳定的情况下的数据传送，其工作原理为：当外围数据稳定且状态寄存器为“空”时发出选通信号，传送数据到寄存器，传完后状态寄存器置“满”，向,CPU,发中断，,CPU,相应中断用输入指令读出数据。,三、接口,对于输出通道而言也有两种方式：,a,、简单的输出方式,一般由八,D,触发器,74SL273,构成，当,CPU,执行一条指令时，首先通道地址经译码后选中该接口，然后用指令周期中产生的控制信号把,CPU,数据总线的数据锁存在,D,触发器中。,b,、选通方式（和输入原理同）,三、接口,为使接口具有一定的通用性，还对其需要添加一些控制逻辑，它们是：,1,、控制寄存器：用于存放,CPU,送来的控制字，以指定接口电路要完成的功能。,2,、状态寄存器：用于保存通道的现行状态信息，以提供给,CPU,判断用。,3,、中断控制器。,此外。还有接口端口的地址译码电路、,三、接口,2,、接口的功能,进行地址译码或设备选择，以便使,CPU,能与某一指定的外部设备通讯；,状态信息的应答，以协调数据传送之前的准备工作；,进行中断管理，提供中断信号；,三、接口,进行数据格式转换，如正负逻辑的转换，串行与并行数据转换等；,进行电平转换，如,TTL,电平与,MOS,电平间的转换；,协调速度；,时序控制，提供实时时钟信号。,3.2,模拟量,输出通道,模拟量输出通道主要用于：把处理好的信号（控制）转换成模拟量去控制被控对象。,主要做两件事：,1,、将数字信号转换成为模拟信号,2,、将离散信号转换为连续信号,D/A,D,A,Vref,数,/,模,(D/A),转换器示意图,信号说明,:,D,数字量输入信号,(8,位,.10,位,.12,位,.16,位等,),A-,模拟量输出信号,(5V,10V,等,),Vref,参考电压,数,/,模,(D/A),转换器,功能,DAC,原理,:,权电阻法的,DAC,原理图,一、,D/A,转换原理,D/A,转换时把输入数字量转换成为与之成比列的模拟量。,D/A,转换的典型电路常用的有两个电路：,1,、,T,型电阻解码网络，其原理为当,D,为“,1”,时接基准电源，为“,0”,时接地。,2,、,R=2RT,型解码网络，其原理为当,D,为“,1”,时开关接运放的 点，为“,0”,时开关接地。,D/A,的组成框图,电 子 开 关,电 阻 网 络,输入寄存器,基 准 电 压,求 和 放 大,T,型电阻网络,D/A,转换器,模拟量输出,数字量输入,T,型电阻网络,D/A,转换器,R-2RT,型电阻网络,D/A,转换器,梯形电阻网络,A,、,B,、,C,、,D,任意一点，其右边的电阻网络等效电阻均等于,R,。,S,为电子开关。,当,D=0,时,S,接地；当,D=1,时,S,接,“,地,”,（虚地）,。,基准电源,并行数字输入,翻页,电子开关,模拟信号输出,R,R,R,2R,2,R,2,R,2,R,2,R,I,0,I,1,I,2,I,3,S,0,S,1,S,2,S,3,D,0,D,1,D,2,D,3,-U,REF,I,R,f,U,O,8,A,B,C,D,I,o1,I,o2,+,+,_,R,R,R,2R,2,R,2,R,2,R,2,R,I,0,I,1,I,2,I,3,S,0,S,1,S,2,S,3,D,0,D,1,D,2,D,3,U,REF,I,U,O,8,A,B,C,D,I,o1,I,o2,_,+,+,当,D=0,时,S,接地；当,D=1,时,S,接,“,地,”,（虚地），,R-2RT,型电阻网络的等效电路,即不论模拟开关接到左边还是右边，电阻,2,R,一端总是零电位。其等效电路如图：,翻页,R,R,U,REF,I,I,=,U,REF,R,梯形电阻网络,A,、,B,、,C,、,D,任意一点，其右边的电阻网络等效电阻均等于,R,。,I,=,U,REF,R,翻页,R,R,R,2,R,2,R,2,R,2,R,I,0,I,1,I,2,I,3,U,REF,I,A,B,C,D,I,0,I,1,I,2,I,3,2,R,R,R,R,2,R,2,R,2,R,2,R,2,R,I,0,I,1,I,2,I,3,S,0,S,1,S,2,S,3,D,0,D,1,D,2,D,3,U,REF,I,R,f,U,O,8,A,B,C,D,I,o1,I,o2,+,+,_,I,o1,=,I,3,I,2,I,1,I,0,+,+,+,=,（,D,3,2,3,+,D,2,2,2,+,D,1,2,1,2,4,I,+,D,0,2,0,）,U,O,=,R,f,I,01,=,（,D,3,2,3,+,D,2,2,2,+,D,1,2,1,2,4,R,f,I,+,D,0,2,0,）,U,O,=,(,D,3,2,3,+,D,2,2,2,+,D,1,2,1,+,D,0,2,0,),U,REF,R,f,2,4,R,U,O,=,(,D,n-1,2,n-1,+,D,n-2,2,n-2,+,+,D,1,2,1,+,D,0,2,0,),U,REF,R,f,2,n,R,二、,D/A,的主要技术参数,是指最小输出电压（对应的输入二进制数为,1,）与最大输出电压,(,对应的输入二进制数的所有位全为,1,),之比。,例如十位数模转换器的分辨率为：,分辨率,=,1/,（,2,n,-1,）,1,2,10,-1,0.001,1,、,分 辨 率,:,5,、,稳定时间：,数据变化量满刻度时，达到终值,1/2LSB,时所需要的时间。,4,、,输入编码：,一般为二进制编码、,BCD,码、符号,-,数值码等。,从数码输入到模拟电压稳定输出间的时间称为转换速度。,3,、,转换速度,：,表示实际输出的电压值与理想的输出电压值之间的差别。,2,、,转换精度,：,在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差。,一般用最低有效位（,LSB,）的分数来表示。为,0.01,-0.8,7,、工作温度范围,较好的,D,A,转换器工作温度范围为,-40-85,较差的,D,A,转换器工作温度范围为,0-70,6,、,线性误差,数字量输入,模拟量输出,理想特性,实际,满刻度,线性误差,三、模拟量输出通道的几种结构形式,根据使用,D/A,转换器的方式，可以分为两种结构形式：,1,、每一通道都有独自的数据寄存器和,D/A,转换器。,这种方式多用于高速系统中，通道中的数据寄存器起到了数字式零阶保持器的作用。,三、模拟量输出通道的几种结构形式,2,、多通道共用一个,D/A,转换器，它采用分时为各通道服务，然后用保持器保持个通道所转换的模拟量。（一通道一保持器）这种模拟保持器可以用集成采样保持器，但从低成本考虑，多采用运放和多路开关来构成廉价的采样保持器。,四、采样保持器,采样时，,k,闭合，,V,IN,通过,A1,对,C,H,快速充电，,V,OUT,跟随,V,IN,；保持期间，,k,断开，由于,A2,的输入阻抗很高，理想情况下,V,OUT=,V,C,保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动,A/D,转换器，保证,A/D,转换期间输入恒定。,五、多路转换器,多路转换器又称多路开关，多路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共放大器或,A/D,转换上。,C B A X,接通,0 0 0 0 X,0,0 0 0 1 X,1,0 1 1 1 X,7,1,全不通,六、前置放大器,前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到转换的量程范围之内。当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，用同一增益的放大器去放大高电平和低电平的信号，就有可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出模,/,数转换器的输入范围。可设计可变增益放大器，,2.3,模拟量输入通道,在数据采集和过程控制中，被采集对象往往是连续变的物理量（如温度、压力、声波等），由于计算机只能处理离散的数字量，需要对连续变化的物理转换为数字量,这一操作过程就是,A/D,转换。,Analogy,DATA,A/D,CPU,I/O,2.3,模拟量输入通道,模拟量输入通道的作用是把检测装置从被控对象中检测到的模拟信号转变成二进制数字信号送进计算机处理。,整个模拟量输入通道的工作可以分为：,1,、采样：将连续模拟信号转换为离散模拟信号,2,、转换：,A/D,3,、整型量化：将离散模拟信号转变为离散数字信号,2.3,模拟量输入通道,典型的模拟量输入通道由：检测装置、信号处理电路、多路转换器、采样保持器、,A/D,转换器等组成。,1,、检测装置：主要由传感器和变送器等组成，其作用为把被控对象的物理量转换为电量。,2,、信号处理电路：主要由信号滤波非线性补偿、阻抗匹配、电流,/,电压转换等构成,2.3,模拟量输入通道,3,、多路转换器：由于多路共用一个,A/D,转换器，所以用它来切换输入模拟量。,4,、数据放大器：用来把检测到的信号放大到,A/D,转换器有效的工作电平。,5,、采样保持器：用它来保持采样瞬时的模拟信号，使,A/D,转换期间输入信号稳定。,6,、,A/D,转换器：把模拟量转换成数字量。,7,、控制器：用于协调通道切换，数据放大等工作。,A/D,转换器的作用是将输入的模拟量数字化。,直接转换器：,主要分为,两大类：,间接转换器：,逐次逼近型、并联比较型等,单积分型、双积分型等,一、,A/D,转换器的作用,逐次逼近型,A/D,转换器,顺序,砝码重量,比较判断,砝码去留,1,8g,8g13g,留,1,2,8g+4g,12g13g,去,0,4,8g+4g+1g,13g=,13g,留,1,逐次逼近的基本思想：类似于用天平称物,结果表示,逐次逼近型,A/D,转换器原理框图,电,压,比,较,器,输出数字量,模拟信号输入,参考电压,逐次逼,近寄存器,D/A,转换器,节,拍,脉,冲,发,生,器,输 出,寄存器,CP,四,位,D/A,转,换,器,1,D,Q,C,D,Q,C,D,Q,C,D,Q,C,+,C,4,C,3,C,2,C,1,C,0,S,D,J,K,R,D,C,Q,0,S,D,J,K,R,D,C,Q,1,S,D,J,K,R,D,C,Q,2,S,D,J,K,R,D,C,Q,3,+,U,i,=5.52V,比较器,节,拍,脉,冲,发,生,器,时钟,脉冲,数码寄存器,d,3,d,2,d,1,d,0,逐次比较寄存器,U,0,U,+,U,+,J,K,U,0,=(d,3,2,3,+d,2,2,2,+d,1,2,1,+d,0,2,0,),2,4,U,R,C,C,0,C,2,C,1,C,3,C,4,0,1,0,0,0,U,R,=8V,U,0,=4V,1,0,0,0,0,0,1,0,1,1,1,0,1,1,U,0,=5V,U,0,=6V,0,1,U,0,=5.5V,四位逐次逼近型,A/D,转换器,D/A,翻页,顺序,d,3,d,2,d,1,d,0,U,A,/V,比较,该位,1,的去留,1,1,0,0,0,4,U,A,U,I,1,0,1,0,3,5,U,A,U,I,1,0,1,1,4,5.5,U,A,U,I,留,去,留,留,U,A,逼近,U,I,的波形,四位逐次逼近型,ADC,的转换过程,U,A,逼近,U,1,的波形,5.52,O,5,1,2,3,4,6,U,A,/V,2,3,4,1,脉冲,顺序,翻页,二、,A/D,转换器主要技术指标,（,1,）分辨率：,指,A/D,转换器可转换成数字量的最小电压 ，,是反映,A/D,转换器对最小模拟输入值的敏感度,.,所以分辨率一般表示式为：,分辨率,=Vref/2,位数,（单极性）,或 分辨率,=,（,V+ref-V-ref)/2,位数,（双极性）,通常是用,A/D,的位数来表示，比如,8,位、,10,位、,12,位等,所以，,A/D,转换器的输出数字量越多。其分辨率越高。,如,：,8,为,ADC,满量程为,5V,则分辨率为,5000mV/256=20mV,，,也就是说当模拟电 压小于,20mV,，,ADC,就不能转换了，,二、,A/D,转换器主要技术指标,（,2,）转换时间,：,指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定的数字量输出的时间。一般转换速度越快越好（特别是动态信号采集）。常见有：,超高速（转换时间,1ns,）、高速（转换时间,1s,）、,中 速（转换时间,1ms,）低速（转换时间,1s),等。,如果采集对象是动态连续信号，要求,f,采,2 f,信,，也就是说必须在信号的一个周期内采集,2,个以上的数据，才能保证信号形态被还原（避免出现“假频”），这就是“最小采样”原理。若,f,信,=20kHz,，则,f,采,40kHz,，其转换时间要求,25s.,二、,A/D,转换器主要技术指标,（,3,）,转换精度：,有绝对精度和相对精度,绝对精度,指对应于一个给定的数字量的实际,模拟量输入与理论模拟量输入之差。,相对精度,指在整个转换范围内任一数字量所,对应的模拟量实际值与理论值之差,通常也用最小有效位的分数表示。,精度和分辨率不能混淆,.,二、,A/D,转换器主要技术指标,（,4,）,线性度：,当模拟量变化时，,A/D,转换器输出的数字量,按比例变化的程度,（,5,）,量程：,指能够转换的电压的范围：,0,5V,，,0,10V,等,（,6,）,工作温度范围,较好的,A,D,转换器工作温度范围为,-40-85,较差的,A,D,转换器工作温度范围为,0-70,三、可编程数据放大器,可编程数据放大器是指数据放大倍数可由计算机程序来改变的数据放大器，它是一种高性能的放大器。,三、可编程数据放大器,当,ABC,的状态为,001,时有,四、轴角,/,数字转换器,主要作用为把机械转角转变为数字量，主要有两种：,1,、通过回转电位计加上,A/D,转换器实现轴角数字转换。,原理为由回转电位计把机械转角变成模拟电信号（电压），再由,A/D,转换器转换成数字量，当电位计使用的电源和,A/D,转换器基准电源相同时，为电位计的最大转角。,四、轴角,/,数字转换器,2,、码盘,它直接将轴角转换成数字量，分为绝对值和增量式两种：,a,、绝对值式光电码盘,对应的每个轴角都能才生一个唯一的数字，它的分辨率决定于码盘码道德个数，每个码连有一对发光元件和光敏元件，透光为“,1”,不透为“,0”,从而得到与轴角对应的二进制编码。,四、轴角,/,数字转换器,b,、增量式光电码盘,它是轴每转一周产生固定脉冲数，使用计数器记录脉冲数即为测得的码盘转过的角度，它可以用于测量轴角和位移，分辨率的高低取决于码盘每转产生的脉冲数和相对于被测角度或位移移动比。,