第三章 通道接口技术.ppt

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：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：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：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：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 数据端口数据端口 存放数据信息 状态端口状态端口 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 2、接口的功能、接口的功能l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；l状态信息的应答，以协调数据传送之前的准备工作；l进行中断管理，提供中断信号；三、接口l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；l进行电平转换，如TTL电平与MOS电平间的转换；l协调速度；l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/AD/AD DA AVrefVref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的组成框图电电电电 子子子子 开开开开 关关关关电电电电 阻阻阻阻 网网网网 络络络络输输输输入入入入寄寄寄寄存存存存器器器器基基基基 准准准准 电电电电 压压压压求求求求 和和和和 放放放放 大大大大T T型电阻网络型电阻网络型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器转换器转换器模模模模拟拟拟拟量量量量输输输输出出出出数数数数字字字字量量量量输输输输入入入入T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 R-2RTR-2RT型电阻网络型电阻网络型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器转换器转换器 梯形电阻网络梯形电阻网络A、B、C、D任意一点，其右任意一点，其右边的电阻网络等效电边的电阻网络等效电阻均等于阻均等于R 。S S为电子开关。为电子开关。当当 D=0时时 S 接地；当接地；当 D=1时时 S 接接“地地”（虚地）（虚地）。基准电源基准电源并行数字输入并行数字输入电电子子开开关关模拟信号输出模拟信号输出RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3-UREFIRfUO8ABCDIo1Io2+_RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIUO8ABCDIo1Io2_+当当 D=0D=0时时S S 接地；当接地；当 D=1D=1时时S S 接接“地地”（虚地），（虚地），R-2RTR-2RT型电阻网络的等效电路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2R一端总是零电位。其等效电路如图：RRUREFII=UREFR 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=UREFR RRR2R2R2R2RI0I1I2I3UREFIABCDI0I1I2I32RRRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO8ABCDIo1Io2+_Io1 =I3I2I1I0+=（D3 23+D2 22+D12124I+D020）UO=Rf I01=（D3 23+D2 22+D12124Rf I+D020）UO=(D3 23+D2 22+D121+D020)UREF Rf24 RUO=(Dn-1 2n-1+Dn-2 2n-2+D121+D020)UREF Rf2n R 二、二、D/A的主要技术参数的主要技术参数是指最小输出电压（是指最小输出电压（对应的输入二进制数为对应的输入二进制数为1 1 ）与最大输）与最大输出电压出电压(对应的输入二进制数的所有位全为对应的输入二进制数的所有位全为1 1)之比。之比。例如十位数模转换器的分辨率为：例如十位数模转换器的分辨率为：分辨率分辨率=1/（2n-1）1210-10.0011、分分 辨辨 率率:5、稳定时间：稳定时间：数据变化量满刻度时，达到终值数据变化量满刻度时，达到终值1/2LSB1/2LSB时所需要的时间。时所需要的时间。4、输入编码：输入编码：一般为二进制编码、一般为二进制编码、BCDBCD码、符号码、符号-数值码等。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。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。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、转换精度转换精度：在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差。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（一般用最低有效位（LSBLSB）的分数来表示。为）的分数来表示。为0.010.01-0.8-0.8 7 7、工作温度范围、工作温度范围 较好的较好的D DA A转换器工作温度范围为转换器工作温度范围为-40-85-40-85 较差的较差的D DA A转换器工作温度范围为转换器工作温度范围为0-700-70 6、线性误差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，采样时，k 闭合，闭合，VIN通过通过A1对对CH快速充电，快速充电，VOUT跟随跟随VIN；保持期；保持期间，间，k断开，由于断开，由于A2的的输入阻抗很高，理想情输入阻抗很高，理想情况下况下VOUT=VC保持不保持不变，采样保持器一旦进变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启入保持期，便应立即启动动A/D转换器，保证转换器，保证A/D转换期间输入恒定。转换期间输入恒定。五、多路转换器多路转换器又称多路开多路转换器又称多路开关，多路开关的作用关，多路开关的作用是用来将各路被测信是用来将各路被测信号依次地或随机地切号依次地或随机地切换到公共放大器或换到公共放大器或A/D转换上。转换上。C B A X接通接通 0 0 0 0 X0 0 0 0 1 X1 0 1 1 1 X7 1 全不通全不通六、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平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出模模/数转换器的输入范围。可设计可变增益放数转换器的输入范围。可设计可变增益放大器，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为数字量,这一操作过程就是这一操作过程就是A/DA/D转换。转换。AnalogyDATAA/DCPUI/O2.3 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/D3、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、一、一、一、A/DA/D转换器的作用转换器的作用转换器的作用转换器的作用逐次逼近型逐次逼近型逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器转换器转换器顺顺序序砝码重量砝码重量 比较判断比较判断 砝码去砝码去留留18g 8g13g 留留 1 128g+4g 12g13g 去去 0 048g+4g+1g 13g=13g 留留 1 1逐次逼近的基本思想：类似于用天平称物逐次逼近的基本思想：类似于用天平称物 结果表示结果表示逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器原理框图转换器原理框图电电压压比比较较器器输出数字量输出数字量模拟信号输入模拟信号输入参考电压参考电压逐次逼逐次逼近寄存器近寄存器D/A 转换器转换器节节拍拍脉脉冲冲发发生生器器输输 出出 寄存器寄存器CP四四位位D/A转转换换器器1D QCD QCD QCD QC+C4C3C2C1C0SDJKRDCQ0SDJKRDCQ1SDJKRDCQ2SDJKRDCQ3+Ui=5.52V比较器节节拍拍脉脉冲冲发发生生器器时钟脉冲数码寄存器d3d2d1d0逐次比较寄存器U0U+U+JKU0=(d323+d222+d121+d020)24URCC0C2C1C3C40 01 1000UR=8VU0=4V1 10 00 00 00 00 010 01 11 11 10 01 11 1U0=5VU0=6V0 01 1U0=5.5V四位逐次逼近型四位逐次逼近型A/DA/D转换器转换器D/A顺顺序序d3 d2 d1 d0UA/V比较比较该位该位1 1的去留的去留11 1 0 0 0 0 0 04UAUI1 1 0 0 1 1 0 035UAUI1 1 0 0 1 1 1 145.5UAUI留留去去留留留留UA逼近逼近UI的波形的波形四位逐次逼近型四位逐次逼近型ADC的的转换过程转换过程UA逼近逼近U1的波形的波形5.52O512346UA/V2341脉冲脉冲顺序顺序二、二、A/D转换器主要技术指标转换器主要技术指标（1）分辨率：）分辨率：指A/D转换器可转换成数字量的最小电压 ，是是反映反映A/D转换器对最小模拟输入值的敏感度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：所以分辨率一般表示式为：分辨率分辨率=Vref/2=Vref/2位数位数（单极性）（单极性）或或 分辨率分辨率=（V+ref-V-ref)/2V+ref-V-ref)/2位数位数（双极性）（双极性）通常是用通常是用A/D的位数来表示，比如的位数来表示，比如 8位、位、10位、位、12位等位等 所以，所以，A/D转换器的输出数字量越多。其分辨率越高。转换器的输出数字量越多。其分辨率越高。如如：8为为ADC满量程为满量程为5V,则分辨率为则分辨率为5000mV/256=20mV，也就是说当模拟电也就是说当模拟电 压小于压小于20mV，ADC就不能转换了，就不能转换了，二、二、A/D转换器主要技术指标转换器主要技术指标（2）转换时间）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）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：。常见有：超高速（转换时间超高速（转换时间1ns）、高速（转换时间）、高速（转换时间1s）、）、中中 速（转换时间速（转换时间1ms）低速（转换时间低速（转换时间1s)等。等。如果采集对象是动态连续信号，要求如果采集对象是动态连续信号，要求f采采2 f信信，也就是说必须在信，也就是说必须在信号的一个周期内采集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个以上的数据，才能保证信号形态被还原（避免出现（避免出现“假频假频”），这就是），这就是“最小采样最小采样”原理。若原理。若f信信=20kHz，则，则f采采 40kHz，其转换时间要求，其转换时间要求25s.二、二、A/D转换器主要技术指标转换器主要技术指标（3）转换精度：转换精度：有绝对精度和相对精度有绝对精度和相对精度绝对精度绝对精度 指对应于一个给定的数字量的实际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。模拟量输入与理论模拟量输入之差。相对精度相对精度 指在整个转换范围内任一数字量所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。通常也用最小有效位的分数表示。精度和分辨率不能混淆精度和分辨率不能混淆.二、二、A/D转换器主要技术指标转换器主要技术指标（4）线性度：线性度：当模拟量变化时，当模拟量变化时，A/D转换器输出的数字转换器输出的数字量量 按比例变化的程度按比例变化的程度（5）量程：量程：指能够转换的电压的范围：指能够转换的电压的范围：05V，010V等等（6）工作温度范围工作温度范围 较好的较好的AD转换器工作温度范围为转换器工作温度范围为 -40-85 较差的较差的AD转换器工作温度范围为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。