硬件组成及输入输出接口系统测试信号的处理计算.ppt
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1、硬件组成及输入输出接口系统测试信号的处理计算 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望图图7-1 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成27.1.1 对控制用计算机系统的硬件要求对控制用计算机系统的硬件要求1.对计算机主机的要求对计算机主机的要求 实时处理能力实时处理能力 比较完善的中断系统比较完善的中断系统 对指令系统的要求对指令系统的要求 对内存的要求对内存的要求 2.对过程输入输出通道的要求对过程输入输出通道的要求 有足够的输入通道数,并具有
2、一定的扩充能力有足够的输入通道数,并具有一定的扩充能力有足够的精度和分辨率有足够的精度和分辨率 应有足够的变换速度应有足够的变换速度 37.1.1 对控制用计算机系统的硬件要求对控制用计算机系统的硬件要求3.对应用软件系统的要求对应用软件系统的要求 实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、输入输出功能强等输入输出功能强等4.方便的人方便的人机联系机联系 显示屏显示屏、各种功能键、各种功能键、输入数据功能键等、输入数据功能键等5.系统的可靠性和可维护性系统的可靠性和可维护性可靠性指系统无故障运行能力,指标可靠性指系统无故障运行能力,指标平平均无故障间隔时间。均
3、无故障间隔时间。47.1.2 对控制用计算机的选择对控制用计算机的选择1.运算速度运算速度影响因素:系统计算工作量、采样周期、指令系统、影响因素:系统计算工作量、采样周期、指令系统、硬件支持硬件支持2.计算机字长计算机字长影响因素:影响因素:量化误差量化误差应与应与A/D的字长相协调的字长相协调 信号的动态范围信号的动态范围 与采样周期与采样周期T的关系的关系若若T减小,但又希望量化误差保持不变,则所需的计算减小,但又希望量化误差保持不变,则所需的计算机的字长就要相应增加。机的字长就要相应增加。57.1.3 计算机控制系统的模拟输出通道计算机控制系统的模拟输出通道1.D/A 转换器工作原理转换
4、器工作原理数字量转换为模拟量或电流量的装置。数字量转换为模拟量或电流量的装置。2.D/A转换器的主要性能转换器的主要性能常用的主要指标:常用的主要指标:精度精度精度是反映实际输出与理想数学模型精度是反映实际输出与理想数学模型输出信号接近的程度。输出信号接近的程度。分辨率分辨率分辨率可定义为当输入数字量发生分辨率可定义为当输入数字量发生单位数码变化时输出模拟量的变化量。分辨率单位数码变化时输出模拟量的变化量。分辨率也常用数字量的位数来表示。也常用数字量的位数来表示。6 转转换换时时间间最最小小有有效效位位常常以以LSB表表示示,故故转转换换时时间间定定义义为为D/A转转换换器器中中的的输输入入代
5、代码码有有满满刻刻度度值值的变化时,其输出模拟信号达到满刻度值的变化时,其输出模拟信号达到满刻度值LSB时所需要的时间。时所需要的时间。输出电平输出电平电压型:电压型:5 10V,24 30V;电流输出型:电流输出型:20mA,3A等。等。输入代码形式输入代码形式D/A转换器单极性输出时,转换器单极性输出时,有二进制码、有二进制码、BCD码。当双极性输出时,有码。当双极性输出时,有符号符号+数值码,偏移二进制码等。数值码,偏移二进制码等。7.1.3 计算机控制系统的模拟输出通道计算机控制系统的模拟输出通道73.D/A转换器选择的原则转换器选择的原则 集成集成D/A转换器的输入方式:转换器的输入
6、方式:不带缓冲寄存器(如不带缓冲寄存器(如8位的位的DAC0808)带带缓缓冲冲寄寄存存器器(如如8位位的的DAC0832、12位位的的DAC1208等)。等)。选择选择D/A转换芯片转换芯片主主要要考考虑虑芯芯片片的的性性能能、结结构构及及应应用用特特性性。在在性性能能上上必必须须满满足足D/A转转换换的的技技术术要要求求,在在结结构构和和应应用用上上满满足接口方便,外围电路简单,价格低廉等要求。足接口方便,外围电路简单,价格低廉等要求。对对于于D/A转转换换器器字字长长n的的选选择择,可可以以由由其其后后的的执行机构的动态范围来选定:执行机构的动态范围来选定:执行机构的执行机构的死区电压死
7、区电压 执行机构执行机构最大输入最大输入 84.多路多路D/A输出时的实现方式输出时的实现方式图图7-2 模拟量输出通道的两种实现结构图模拟量输出通道的两种实现结构图95.D/A的二进制码制与极性的二进制码制与极性(1)单极性二进制编码单极性二进制编码(2)双极性二进制编码双极性二进制编码有符号的二进制可以用有符号的二进制可以用原码原码、补码补码、反码反码和和偏移二进制偏移二进制码码来表示。为了把双极性的信号表示成数字代码,就需来表示。为了把双极性的信号表示成数字代码,就需要增加一位要增加一位“符号位符号位”。增加一个符号位可以使量程增。增加一个符号位可以使量程增加一倍,但分辨率却要降低一倍。
8、这几种编码与十进制加一倍,但分辨率却要降低一倍。这几种编码与十进制数的关系如表数的关系如表7-1所示。所示。注意:注意:计算机内信号的编码可能与计算机内信号的编码可能与D/A输入信号的编码不完输入信号的编码不完全一致。若一致,则可将计算机的运算输出直接作为全一致。若一致,则可将计算机的运算输出直接作为D/A转换器的输入。但若不一致(多数情况),则需转换器的输入。但若不一致(多数情况),则需要将计算得到的码制进行相应的转换后,方可作为要将计算得到的码制进行相应的转换后,方可作为D/A的输入信号。的输入信号。107.1.4 计算机控制系统的模拟输入通道计算机控制系统的模拟输入通道图图7-4 模拟量
9、输入通道一般结构图模拟量输入通道一般结构图117.1.4 计算机控制系统的模拟输入通道计算机控制系统的模拟输入通道1.采样保持器采样保持器孔径时间孔径时间实际的采样过程需要的时间。实际的采样过程需要的时间。为为缩缩短短孔孔径径时时间间,采采取取的的措措施施是是将将对对模模拟拟信信号号的的采采样样和和对对采样的模拟电压的转换分开,分别由不同的电路完成。采样的模拟电压的转换分开,分别由不同的电路完成。采采样样保保持持器器作作用用就就是是以以较较短短的的孔孔径径时时间间对对信信号号进进行行采采样样,然后将采得的模拟电压保持,供然后将采得的模拟电压保持,供A/D转换电路进行转换。转换电路进行转换。图图
10、7-5 采样保持器原理图采样保持器原理图122.A/D 转换器转换器工作原理工作原理 工作原理工作原理:将输入的模拟电压按比例地转化为二进制数字信号的装置。将输入的模拟电压按比例地转化为二进制数字信号的装置。图图7-7 双斜积分式双斜积分式A/D转换器转换器 图图7-6 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 133.A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标(1)精度精度指对应一个给定的数字量的实际模拟量输入指对应一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入接近的程度。与理论模拟量输入接近的程度。(2)分辨率分辨率指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能指输出数字量对输入模拟量变化的分辨
11、能力。即设力。即设A/D转换器的位数为转换器的位数为n,则,则A/D转换器的分转换器的分辨率为辨率为(3)转换时间转换时间从从A/D转换的启动信号加入时起,到转换的启动信号加入时起,到获得数字输出信号为止,所需的时间。获得数字输出信号为止,所需的时间。(4)量程量程 指测量的模拟量的变化范围。指测量的模拟量的变化范围。一般有单极性(如一般有单极性(如0 10V、0 20V)和)和 双极性(例如双极性(例如-5V+5V、-10V+10V)两种。)两种。或或14 4.A/D转换器的选择转换器的选择 除了要满足用户的各种技术要求外,还必须注意:除了要满足用户的各种技术要求外,还必须注意:A/D输出的
12、方式输出的方式A/D芯片对启动信号的要求芯片对启动信号的要求A/D的转换精度和转换时间的转换精度和转换时间它的稳定性及抗干扰能力等它的稳定性及抗干扰能力等A/D转换器的精度与传感器的精度有关,一般比传感器的转换器的精度与传感器的精度有关,一般比传感器的精度高一个数量级;精度高一个数量级;A/D转换器的转换速率还与系统的转换器的转换速率还与系统的频带有关。频带有关。根据输入模拟信号的动态范围可选择根据输入模拟信号的动态范围可选择A/D转换器位数转换器位数n 模入信号模入信号的最大值的最大值 模入信号模入信号的最小值的最小值 155.检测通道的数据采集检测通道的数据采集图图7-8 单路检测通道结构
13、类型单路检测通道结构类型166.A/D的二进制码制与极性的二进制码制与极性 A/D的二进制码制与极性的二进制码制与极性类似于类似于D/A的二进制码制与极性,可同时参见表的二进制码制与极性,可同时参见表7-1(此时表中的(此时表中的VREF为为A/D的量程)和表的量程)和表7-2。在实。在实际应用中,际应用中,A/D输出的代码形式可能采用前面介绍的输出的代码形式可能采用前面介绍的几种二进制编码中的一种。几种二进制编码中的一种。注意:注意:计算机内信号的编码可能与计算机内信号的编码可能与A/D输出信号的编码不完输出信号的编码不完全一致。若一致,则可将全一致。若一致,则可将A/D输出信号的编码直接作
14、输出信号的编码直接作为计算机的运算输入信号。但若不一致(多数情况),为计算机的运算输入信号。但若不一致(多数情况),则需要将则需要将A/D输出信号的编码进行相应的转换后,方输出信号的编码进行相应的转换后,方参与到算法的运算中。参与到算法的运算中。177.CPU和和A/D转换电路之间的转换电路之间的I/O控制方式控制方式(1)查询方式查询方式由由CPU执行执行I/O指令启动并完成。每次传送数据之前,要先输入指令启动并完成。每次传送数据之前,要先输入A/D转换器状态,经过查询符合条件后才可以进行数据的转换器状态,经过查询符合条件后才可以进行数据的I/O。灵活,灵活,但在读写数据端口指令之前需要重复
15、执行多次查询状态的但在读写数据端口指令之前需要重复执行多次查询状态的指令,当外设速度比较慢时,会造成指令,当外设速度比较慢时,会造成CPU效率的大大降低效率的大大降低。(2)中断方式中断方式可以省掉重复繁琐的查询,并可及时响应外设的要求。在这种方可以省掉重复繁琐的查询,并可及时响应外设的要求。在这种方式下,式下,CPU和外设基本上实现了并行工作,当然由于增加了中断和外设基本上实现了并行工作,当然由于增加了中断管理功能,所以对应的接口电路和程序要比查询方式复杂。管理功能,所以对应的接口电路和程序要比查询方式复杂。(3)DMA方式方式在高速数据采集系统中,不仅要选用高速在高速数据采集系统中,不仅要
16、选用高速A/D转换电路,而且传转换电路,而且传送转换结果也要求非常及时迅速,可以考虑选用送转换结果也要求非常及时迅速,可以考虑选用DMA方式。方式。187.1.5 计算机控制系统的数字输入输出通道计算机控制系统的数字输入输出通道输入缓冲器的作用输入缓冲器的作用对外部输入信号进行缓冲、加强和选通。输出锁存对外部输入信号进行缓冲、加强和选通。输出锁存器将器将CPU输出的数据或控制信号进行锁存,以便放输出的数据或控制信号进行锁存,以便放大驱动执行机构作用于被控对象。大驱动执行机构作用于被控对象。I/O电气转换部分的功能:电气转换部分的功能:滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。滤波、电平转换、隔离、功率
17、驱动等。图图7-9 开关量输入输出通道结构开关量输入输出通道结构197.1.6 信号的调理信号的调理1.直流电压信号的调整直流电压信号的调整设计相应的调理电路(如分压、放大等),将直流信号转换成计设计相应的调理电路(如分压、放大等),将直流信号转换成计算机所能接受电压形式,再直接使用算机所能接受电压形式,再直接使用A/D转换器。转换器。2.直流电流信号的调理直流电流信号的调理设计电流到电压的转换电路。设计电流到电压的转换电路。3.数字信号的调理数字信号的调理主要是进行隔离、放大及限幅整形,将微弱的信号变成满足接口主要是进行隔离、放大及限幅整形,将微弱的信号变成满足接口要求的等幅脉冲序列。对于数
18、字量的测量主要应用于对频率的测要求的等幅脉冲序列。对于数字量的测量主要应用于对频率的测量和对转速的测量。量和对转速的测量。图图7-13 有源有源I/V变换电路变换电路图图7-12 电流信号传输的典型电路电流信号传输的典型电路207.1.7 总线技术总线技术1.总线定义总线定义总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间(或插件内部各芯片间)、各系统之间插件间(或插件内部各芯片间)、各系统之间传送规定信息的公共通道,有时也称数据公路,传送规定信息的公共通道,有时也称数据公路,通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要
19、去的地方。去的地方。212.总线类型总线类型(1)根据)根据总线不同的结构和用途总线不同的结构和用途的分类的分类专用总线专用总线只实现一对物理部件间连接的总线。只实现一对物理部件间连接的总线。非专用总线非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享。准确应称为分时共享总线。可以被多种功能或多个部件所共享。准确应称为分时共享总线。(2)根据)根据总线的用途和应用环境总线的用途和应用环境的分类的分类局部总线局部总线(芯片或元件级总线)(芯片或元件级总线)构成中央处理机或子系统内所用的总线。构成中央处理机或子系统内所用的总线。系统总线系统总线(内总线和板级总线)(内总线和板级总线)用于各单微处理机之间、模
20、块之间的通信,可用于构成分布式多机系用于各单微处理机之间、模块之间的通信,可用于构成分布式多机系统,如统,如 STD总线、总线、VME总线、总线、PC总线等。总线等。外总线外总线(通信总线)(通信总线)用于微处理机与其它智能仪器仪表间的通信,如用于微处理机与其它智能仪器仪表间的通信,如RS-232C等等(3)根据)根据总线传送信号的方式总线传送信号的方式的分类的分类并行总线并行总线用若干根信号线同时传递信号,就构成了并行总线。用若干根信号线同时传递信号,就构成了并行总线。串行总线串行总线按照信息逐位的顺序传送信号。按照信息逐位的顺序传送信号。223.目前几种通用总线介绍目前几种通用总线介绍(1
21、)STD 总线总线目前工业控制及工业检测系统中使用最广泛的总线,目前工业控制及工业检测系统中使用最广泛的总线,它兼容性好,能够支持任何它兼容性好,能够支持任何8位或位或16位微处理器,成位微处理器,成为一种通用标准总线。为一种通用标准总线。具有以下特点:具有以下特点:小板结构,高度模块化小板结构,高度模块化严格的标准化,广泛的兼容性严格的标准化,广泛的兼容性面向面向I/O的开放式设计,适合工业控制应用的开放式设计,适合工业控制应用高可靠性高可靠性 STD是工业应用中十分有前途的通用标准总线。按此是工业应用中十分有前途的通用标准总线。按此标准设计系统,可使系统具有良好的适应性及组装灵标准设计系统
22、,可使系统具有良好的适应性及组装灵活性。目前国内外许多厂家均按活性。目前国内外许多厂家均按STD标准来生产系统标准来生产系统和插件,因此,对应用者来说,按和插件,因此,对应用者来说,按STD标准来组成自标准来组成自己的应用系统将会大大缩短系统的硬件研制周期。己的应用系统将会大大缩短系统的硬件研制周期。233.目前几种通用总线介绍目前几种通用总线介绍(2)IBM PC/AT 总线总线 由由于于IBM PC机机有有丰丰富富的的软软、硬硬件件支支持持,而而且且其其价价格格低廉,目前已成为国际上广泛使用的微型机之一。低廉,目前已成为国际上广泛使用的微型机之一。IBM PC机机的的主主板板上上设设计计了
23、了供供输输入入输输出出用用的的总总线线,这这些些总总线线引引至至系系统统板板上上的的5个个或或8个个62脚脚的的插插座座上上,这这些些插座称为扩展插槽。插座称为扩展插槽。制制造造商商提提供供的的用用作作扩扩充充PC机机的的选选件件板板有有百百余余种种之之多多,如如同同步步通通讯讯控控制制卡卡、异异步步通通讯讯控控制制卡卡、A/D及及D/A转转换换板板、数数据据采采集集板板、各各类类存存储储器器扩扩展展板板、打打印印机机接接口口板板、网网络络接接口口板板等等。用用户户可可根根据据需需要要进进行行选选购购,也也可可根据需要自行设计和开发新的功能板。根据需要自行设计和开发新的功能板。PC/AT总总线
24、线对对环环境境要要求求较较高高,无无法法保保证证在在工工业业现现场场可可靠运行。靠运行。PCAT总总线线都都是是主主要要采采取取将将微微处处理理器器芯芯片片总总线线经经缓缓冲冲直直接接映映射射到到系系统统总总线线上上,没没有有支支持持总总线线仲仲裁裁的的硬硬件件逻逻辑,因而不支持多主系统。辑,因而不支持多主系统。243.目前几种通用总线介绍目前几种通用总线介绍(3)RS232C 串行接口标准总线串行接口标准总线 由电子工业学会正式公布的串行总线标准,也由电子工业学会正式公布的串行总线标准,也是在微机系统中最常用的串行接口标准,用于是在微机系统中最常用的串行接口标准,用于实现计算机与计算机之间、
25、计算机与外设之间实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通讯。的同步或异步通讯。采用采用RS232C作串行通讯时,传输数据的速作串行通讯时,传输数据的速率可任意调整,最大可达率可任意调整,最大可达20Kb。两种连接系统的方式:两种连接系统的方式:近程(传输距离小于近程(传输距离小于15m)通讯,这时可)通讯,这时可以用以用RS232C电缆直接连接。电缆直接连接。远程(远程(15m以上的长距离)通讯,需要采以上的长距离)通讯,需要采用调制解调器(用调制解调器(MODEM)经电话线进行。)经电话线进行。253.目前几种通用总线介绍目前几种通用总线介绍(4)RS422 串行接口标准总线串
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