機電一體化技術 計算機控制及接口技術PPT課件

5.1 概述 計算機控制系統(tǒng)的組成 將模擬式自動控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)， 就組成了一個典型的計算機控制系統(tǒng)， 如圖5-1所示。 第1頁/共181頁圖5-1 計算機控制系統(tǒng)的基本框圖控制規(guī)律計算程序D/AA/D執(zhí)行機構被控對象檢測裝置設定值反饋量被控量計算機第2頁/共181頁 典型的機電一體化控制系統(tǒng)結構可用圖5-2來示意，它可分為硬件和軟件兩大部分。硬件是指計算機本身及其外圍設備，一般包括中央處理器,內(nèi)存儲器,磁盤驅動器,各種接口電路，以A/D轉換和D/A轉換為核心的模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道，以及各種顯示、記錄設備,運行操作臺等。 第3頁/共181頁圖5-2 典型計算機控制系統(tǒng)的組成框圖I/O接口A/D多路開關傳感器及變送器工業(yè)對象計算機主機操作臺I/O接口D/A多路開關執(zhí)行機構I/O接口數(shù)字量輸入I/O接口數(shù)字量輸出主機及操作臺I/O接口電路I/O通道信號檢測及變送被控對象I/O接口打印機I/O接口顯示終端通用外圍設備第4頁/共181頁 （1）由中央處理器、時鐘電路、內(nèi)存儲器構成的計算機主機是組成計算機控制系統(tǒng)的核心部件，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計算、越限報警等功能，并通過接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮全系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作。 （2）操作臺是人機對話的聯(lián)系紐帶。 （3）通用外圍設備主要是為了擴大計算機主機的功能而配置的。第5頁/共181頁（4）I/O接口與I/O通道是計算機主機與外部連接的橋梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口，I/O通道有模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道。其中，模擬量I/O通道的作用是：一方面將經(jīng)由傳感器得到的工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)變換成二進制代碼傳送給計算機；另一方面將計算機輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機構的模擬信號，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。（5）傳感器的主要功能是將被檢測的非電學量參數(shù)轉變成電學量，如熱電偶把溫度變成電壓信號，壓力傳感器把壓力變成電信號等等。變送器的作用是將傳感器得到的電信號轉變成適用于計算機接口使用的標準的電信號（如010mADC）。 第6頁/共181頁系統(tǒng)軟件是由計算機的制造廠商提供的，用來管理計算機本身的資源和方便用戶使用計算機的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等，它們一般不需用戶自行設計編程，只需掌握使用方法或根據(jù)實際需要加以適當改造即可。應用軟件是用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序，比如各種數(shù)據(jù)采集、濾波程序，控制量計算程序，生產(chǎn)過程監(jiān)控程序等。在計算機控制系統(tǒng)中，軟件和硬件不是獨立存在的，在設計時必須注意兩者相互間的有機配合和協(xié)調(diào)，只有這樣才能研制出滿足生產(chǎn)要求的高質量的控制系統(tǒng)。 第7頁/共181頁 計算機在控制中的應用方式1.操作指導控制系統(tǒng)如圖5-3所示，在操作指導控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對象。 第8頁/共181頁圖5-3 計算機操作指導控制系統(tǒng)示意圖A/D多路開關傳感器控制器人生產(chǎn)過程控制量設定值操作指導參考數(shù)據(jù)測量值操作指導計算機第9頁/共181頁2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制DDC（DirectDigitalControl）系統(tǒng)是計算機用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式，其結構如圖5-4所示。 第10頁/共181頁圖5-4 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結構生產(chǎn)過程檢測執(zhí)行輸入通道輸出通道接口接口計算機顯示打印設定值第11頁/共181頁3.監(jiān)督計算機控制系統(tǒng) 在監(jiān)督計算機控制SCC（SupervisoryComputerControl）系統(tǒng)中，計算機根據(jù)工藝參數(shù)和過程參量檢測值，并按照所設計的控制算法進行計算，計算出最佳設定值后直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計算機，最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計算機控制生產(chǎn)過程。SCC系統(tǒng)有兩種類型，一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)的構成示意圖如圖5-5所示。（1）SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)。（2）SCC+DDC的控制系統(tǒng)。 第12頁/共181頁圖5-5監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)的構成示意圖(a）SCC模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)；(b）SCCDDC系統(tǒng) 4A/D多路開關傳感器模擬調(diào)節(jié)器生產(chǎn)過程設定值測量值SCC計算機輸入輸出A/D多路開關傳感器多路開關生產(chǎn)過程設定值測量值SCC計算機輸入輸出D/ADDC(a)(b)第13頁/共181頁4.分級計算機控制系統(tǒng)圖5-6是一個四級計算機控制系統(tǒng)。其中，過程控制級為最底層，對生產(chǎn)設備進行直接數(shù)字控制；車間管理級負責本車間各設備間的協(xié)調(diào)管理；工廠管理級負責全廠各車間的生產(chǎn)協(xié)調(diào)，包括安排生產(chǎn)計劃、備品備件等；企業(yè)（公司）管理級負責總的協(xié)調(diào)，安排總生產(chǎn)計劃，進行企業(yè)(公司)經(jīng)營方向的決策等。第14頁/共181頁圖5-6 計算機分級控制系統(tǒng)過程控制級過程控制級生產(chǎn)過程車間管理級過程控制級過程控制級車間管理級工廠管理級企業(yè)(公司)管理級第15頁/共181頁 典型的機電一體化控制系統(tǒng)圖5-7介紹了工業(yè)爐計算機控制的典型情況，其燃料為燃料油或者煤氣，為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常燃燒，必須保持燃料和空氣的比值恒定。 第16頁/共181頁圖5-7 工業(yè)爐的計算機控制 計算機燃料空氣溫度測量壓力測量燃燒效率計算廢氣分析儀廢氣第17頁/共181頁2.微型計算機控制的電動機調(diào)速系統(tǒng)圖5-8是計算機控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。其中，晶閘管觸發(fā)器、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均由計算機實現(xiàn)。第18頁/共181頁圖5-8 計算機控制的雙閉環(huán)系統(tǒng)A/D速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器晶閘管觸發(fā)器微型計算機隔離放大同步電流互感器A/D三相交流電給定M測速發(fā)電機第19頁/共181頁3.計算機數(shù)字程序控制系統(tǒng) 在圖5-9中表示出一個在線、開環(huán)、實時的簡單機床數(shù)字程序控制系統(tǒng)的構成框圖。根據(jù)所使用的軟件，該系統(tǒng)既可以設計成平面點位控制系統(tǒng)，又可設計成平面輪廓控制系統(tǒng)。圖中的微型計算機是系統(tǒng)的核心部件，它完成程序和數(shù)據(jù)的輸入、存儲、加工軌跡計算和步進電動機控制程序、顯示程序、故障診斷程序等控制程序的執(zhí)行等。第20頁/共181頁圖5-9 簡單機床數(shù)字程序控制系統(tǒng)的構成框圖控制臺光電隔離并行I/O口驅動電路y軸步進電動機傳動機構機床工作臺x軸步進電動機CPURAMEPROM第21頁/共181頁4.工業(yè)機器人圖5-10給出了智能機器人的一般結構，它是一個多級的計算機控制系統(tǒng)?？梢赃@樣說：沒有計算機，就沒有現(xiàn)代的工業(yè)機器人。第22頁/共181頁圖5-10 智能機器人的一般結構中央計算機攝像多關節(jié)手臂圖像處理機控制計算機行走機構控制計算機話筒揚聲器語言識別機語言合成器顯示器顯示計算機知識庫第23頁/共181頁5.2 工業(yè)控制計算機 工業(yè)控制計算機的特點及要求1.實時性2.高可靠性 3.硬件配置的可裝配可擴充性4.可維護性 第24頁/共181頁下面以MCS系列單片機為例，來介紹單片機的結構、性能及使用上的特點。 1.MCS-48單片機系列MCS-48系列是8位的單片機，根據(jù)存儲器的配置不同，該系列包括有8048、8049、8021、8035等多種機型，由于價格低廉，目前仍有簡單的控制場合在使用。其主要特點是： （1）8位CPU，工作頻率為16MHz。（2）64BRAM數(shù)據(jù)存儲器，1KB程序存儲器。（3）5V電源，40引腳雙列直插式封裝。第25頁/共181頁（4）6MHz工作頻率時機器周期為2.5s，所有指令的執(zhí)行為12個機器周期。（5）有96條指令，其中大部分為單字節(jié)指令。（6）8字節(jié)堆棧，單級中斷，兩個中斷源。（7）兩個工作寄存器區(qū)。（8）一個8位定時/計數(shù)器。2.MCS-51單片機系列該系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多種機型。其主要特點是：第26頁/共181頁 （1）8位CPU，工作頻率為112MHz。（2）128BRAM數(shù)據(jù)存儲器，4KBROM程序存儲器。 （3）5V電源，40引腳雙列直插式封裝。（4）12MHz工作頻率時機器周期為1s，所有指令的執(zhí)行為14個機器周期。 （5）外部可分別擴展64KB數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。（6）2級中斷，5個中斷源。（7）21個專用寄存器，有位尋址功能。 （8）兩個16位定時/計數(shù)器，1個全雙工串行通信口。 （9）4組8位I/O口。第27頁/共181頁3.MCS-96單片機系列MCS-96系列是16位單片機，適用于高速的控制和復雜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，其在硬件和指令系統(tǒng)的設計上較8位機有很多不同之處。MCS-96單片機系列主要有8096、8094、8396、8394、8796等多種機型。其主要特點是：（1）16位CPU，工作頻率為612MHz。（2）232BRAM數(shù)據(jù)存儲器，8KBROM程序存儲器。（3）有48和68兩種引腳，多種封裝形式。（4）高速I/O接口，能測量和產(chǎn)生高分辨率的脈沖（12MHz時是2s），6條專用I/O，兩條可編程I/O。第28頁/共181頁（5）外部可分別擴展64KB數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。（6）可編程8級優(yōu)先中斷，21個中斷源。（7）脈寬調(diào)制輸出，提供一組能改變脈寬的可編程脈寬信號。（8）兩個16位定時/計數(shù)器，4個16位軟件定時器。（9）5組8位I/O口。 （10）10位A/D轉換器，可接收4路或8路的模擬量輸入。（11）6.25s的16位乘16位和32位除16位指令。 第29頁/共181頁 （12）運行時可對EPROM編程，ROM/EPROM的內(nèi)容可加密。（13）全雙工串行通信口及專門的波特率發(fā)生器。 另外一種16位的單片機是8098單片機，其內(nèi)部結構和性能與8096完全一樣，但其外部數(shù)據(jù)總線卻只有8位，因此是準16位單片機。由于8098減少了I/O線，其外形結構簡化，芯片的制造成本降低，因此應用非常廣泛。MCS-98單片機系列主要有8398、8798等幾種機型。第30頁/共181頁圖5-11是PLC應用于邏輯控制的簡單事例。輸入信號是由按鈕開關、限位開關、繼電器觸點等提供的各種開關信號，通過接口進入PC，經(jīng)PC處理后產(chǎn)生控制信號，通過輸出接口送給線圈、繼電器、指示燈、電動機等輸出裝置。第31頁/共181頁圖5-11 PLC的邏輯控制電路控制單元可編程控制器按鈕開關限位開關繼電器觸點燈泡電磁線圈繼電器線圈控制電路電壓第32頁/共181頁1.PC的組成原理PC實際上是一個專用計算機，它的結構和組成與通用微機的基本相同，主要包括CPU、存儲器、接口模塊、外部設備、編程器等。下面介紹PC的各主要部分。（1）CPU。 圖5-12中，在同步掃描周期內(nèi)，除I/O掃描之外，還有服務程序、通信窗口、內(nèi)部執(zhí)行程序等。第33頁/共181頁圖5-12 PC的掃描工作機制內(nèi)部執(zhí)行程序(自診斷)通信窗口服務程序邏輯方程求解I/O掃描啟動第34頁/共181頁（2）存儲器。存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。 （3）接口模塊。 PLC模塊包括如下幾種類型：數(shù)字量I/O模塊。數(shù)字量I/O模塊完成數(shù)字量信號的輸入/輸出，一般可替代繼電器邏輯控制。模擬量I/O模塊。專用和智能接口模塊。編程器。外部設備。 第35頁/共181頁2.PC的性能特點（1）存儲器：可以是帶有電源保護的RAM、EPROM或EEPROM。（2）數(shù)字量輸入/輸出端子：具有繼電邏輯控制中的輸入/輸出繼電器功能，端子點數(shù)的多少是決定PC的控制規(guī)模的主要參數(shù)。（3）計數(shù)器和定時器：在PC的邏輯順序控制中，可替代繼電器邏輯控制中的時間繼電器和計數(shù)繼電器。（4）標志（軟繼電器）：在PC的邏輯順序控制中用作中間繼電器，其中部分標志具有保持作用。 第36頁/共181頁（5）平均掃描時間：指掃描用戶程序的時間，決定了PC的控制響應速度。（6）診斷：由通電檢查和故障指示的軟件完成。（7）通信接口：一般采用RS232接口標準，可以連接打印機和上位機等設備。（8）編程語言：一般采用繼電器控制方式的梯形圖語言和語句表，并在此基礎上建立控制系統(tǒng)流程圖和順序功能圖等語言。第37頁/共181頁除上述一般特性外，高性能的PC還具有下列特性：（1）數(shù)據(jù)傳送和矩陣處理功能：可以滿足工廠管理的需要。 （2）PID調(diào)節(jié)功能：備有模擬量的輸入/輸出模塊和PID調(diào)節(jié)控制軟件包，以滿足閉環(huán)控制的要求。 （3）遠程I/O功能：使輸入/輸出通道可分散安裝在被控設備的附近，以減少現(xiàn)場電纜布線和系統(tǒng)成本。 （4）圖形顯示功能：借助圖形顯示軟件包（組態(tài)軟件等），可顯示被控設備的運行狀態(tài)。方便操作者監(jiān)控系統(tǒng)的運行。第38頁/共181頁（5）冗余控制：控制系統(tǒng)設計中備有一臺同樣的PC系統(tǒng)，并處于待機狀態(tài)，當原系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動切換，使待機的PC投入運行，從而提高控制的可靠性。（6）網(wǎng)絡功能：通過數(shù)據(jù)通道與其他數(shù)臺PC連接或與管理計算機連接，以構成控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。 第39頁/共181頁3.PC的結構特點PC的結構分成單元式和模塊式兩種。（1）單元式。（2）模塊。 總線工控機1.STD總線工業(yè)控制機典型的STD總線工控機系統(tǒng)的構成如圖5-13所示，其突出特點是：模塊化設計，系統(tǒng)組成、修改和擴展方便；各模塊間相對獨立，使檢測、調(diào)試、故障查找簡便迅速；有多種功能模板可供選用，大大減少了硬件設計工作量；系統(tǒng)中可運行多種操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)的支持軟件，使控制軟件開發(fā)的難度大幅降低。 第40頁/共181頁圖5-13 用STD總線工業(yè)控制機組成的計算機控制系統(tǒng)第41頁/共181頁下面分別介紹各種模板的特點。（1）數(shù)字量I/O模板。圖5-14是一種典型的數(shù)字量I/O模板的電路原理框圖。（2）模擬量I/O模板。 圖5-15所示是一種光電隔離型A/D模板的結構示意圖，D/A模板的結構與之類似。在模板選用時主要需考慮系統(tǒng)中信號的最高頻率、電平范圍、信號數(shù)量等參數(shù)及系統(tǒng)對信號的轉換速度、精度及分辨率等要求，以既滿足控制系統(tǒng)需要又不造成過大的浪費為原則。 第42頁/共181頁圖5-14 數(shù)字量I/O模板的原理框圖數(shù)據(jù)緩沖器D0D7輸入口地址輸出口地址RESETSTD總線接口邏輯I/O功能邏輯I/O電氣接口板選地址數(shù)據(jù)總線板地址譯碼IORQIOEXPA2A 7輸入緩沖器8輸入調(diào)理電路來自外圍設備輸入口譯碼RDA0A 1輸出口譯碼WRA0A 1輸出鎖存器8輸出驅動電路去外圍設備第43頁/共181頁圖5-15 光電隔離型A/D模板的結構示意圖A/D轉換部分光電隔離STD總線接口第44頁/共181頁 （3）信號調(diào)理模板。 圖5-16是信號調(diào)理模板的應用實例。信號調(diào)理模板應根據(jù)傳感器與執(zhí)行機構的要求來匹配，并應充分考慮信號的信噪比、放大增益的可調(diào)范圍、零點的調(diào)整方法、濾波的通帶增益和阻帶衰減率等參數(shù)。第45頁/共181頁圖5-16 信號調(diào)理模板的應用實例輸入模塊輸入模塊輸出模塊輸出模塊傳感器工業(yè)對象執(zhí)行機構模擬子系統(tǒng)A/DD/A計算機熱電偶、熱電阻mVV，420 mA420 mA05 V5 V模塊插件架05 V5 V420 mA第46頁/共181頁（4）CPU模板。 （5）存儲器模板。 （6）其他特殊功能模板。2. PC總線工業(yè)控制機IBM公司的PC總線微機最初是為個人或辦公室使用而設計的，早期主要用于文字處理或一些簡單的辦公室事務處理。早期產(chǎn)品是基于一塊大底板結構，加上幾個I/O擴充槽。 PC/AT總線的IBM兼容計算機由于價格低廉、使用靈活、軟件資源非常豐富，因而用戶眾多，在國內(nèi)更是主要流行機種之一。 第47頁/共181頁近幾年來許多公司推出了PC/AT總線工業(yè)控制機，一般對原有微機作了以下幾方面的改進（1）機械結構加固，使微機的抗震性好。（2）采用標準模板結構。（3）加上帶過濾器的強力通風系統(tǒng)，加強散熱，增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力。（4）采用電子軟盤取代普通的軟磁盤，使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。（5）根據(jù)工業(yè)控制的特點，常采用實時多任務操作系統(tǒng)。表5-1給出了三種常用的工業(yè)控制計算機的性能比較關系。 第48頁/共181頁表5-1 三種常用工業(yè)控制計算機的性能比較 第49頁/共181頁5.3 計算機接口技術 接口、通道及其功能1.I/O接口電路I/O接口電路簡稱接口電路，它是主機和外圍設備之間交換信息的連接部件（電路）。它在主機和外圍設備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。接口電路的主要作用如下：第50頁/共181頁（1）解決主機CPU和外圍設備之間的時序配合和通信聯(lián)絡問題。 （2）解決CPU和外圍設備之間的數(shù)據(jù)格式轉換和匹配問題。（3）解決CPU的負載能力和外圍設備端口的選擇問題。2. I/O通道I/O通道也稱為過程通道。它是計算機和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。 第51頁/共181頁應當指出，I/O接口和I/O通道都是為實現(xiàn)主機和外圍設備（包括被控對象）之間信息交換而設的器件，其功能都是保證主機和外圍設備之間能方便、可靠、高效率地交換信息。因此，接口和通道緊密相連，在電路上往往結合在一起了。例如，目前大多數(shù)大規(guī)模集成A/D轉換器芯片，除了完成A/D轉換，起模擬量輸入通道的作用外，其轉換后的數(shù)字量可保存在片內(nèi)具有三態(tài)輸出的輸出鎖存器中；同時，具有通信聯(lián)絡及I/O控制的有關信號端，可以直接掛到主機的數(shù)據(jù)總線及控制總線上去，這樣，A/D轉換器也就同時起到了輸入接口的作用。 第52頁/共181頁 信號的種類在微機控制系統(tǒng)或微機系統(tǒng)中，主機和外圍設備間所交換的信息通常分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。1.數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息是主機和外圍設備交換的基本信息，通常是8位或16位的數(shù)據(jù)，它可以用并行格式傳送，也可以用串行格式傳送。數(shù)據(jù)信息又可以分為數(shù)字量、模擬量、開關量和脈沖量。第53頁/共181頁（1）數(shù)字量。 （2）模擬量。 （3）開關量。（4）脈沖量。2.狀態(tài)信息狀態(tài)信息是外圍設備通過接口向CPU提供的反映外圍設備所處的工作狀態(tài)的信息，可作為兩者交換信息的聯(lián)絡信號。 3.控制信息 控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設備的信息。 第54頁/共181頁 計算機和外部的通信方式計算機和外部交換信息又稱為通信（communication）,按數(shù)據(jù)傳送方式可分為并行通信和串行通信兩種基本方式。1.并行通信并行通信就是把傳送數(shù)據(jù)的n位數(shù)用n條傳輸線同時傳送。其優(yōu)點是傳送速度快、信息率高，并且通常只需提供兩條控制和狀態(tài)線，就能完成CPU和接口及設備之間的協(xié)調(diào)和應答，實現(xiàn)異步傳輸。 第55頁/共181頁2.串行通信串行通信是指數(shù)據(jù)按位進行傳送。 串行通信又分為全雙工方式和半雙工方式、同步方式和異步方式。（1）全雙工方式。 （2）半雙工方式。 （3）同步通信。 （4）異步通信。標準的異步通信格式如圖5-17所示。 第56頁/共181頁圖5-17 標準的異步通信數(shù)據(jù)格式1到0跳變作為新字符的開始最低位最高位起始位58個字符位可選的 奇偶校驗位1, 1.5或2位停止位字符之間的間隔第57頁/共181頁 控制方式通常采用的有三種I/O控制方式：程序控制方式、中斷控制方式和直接存儲器存取方式。在進行微機控制系統(tǒng)設計時，可按不同要求來選擇各外圍設備的控制方式。1.程序控制方式程序控制I/O方式是指CPU和外圍設備之間的信息傳送是在程序控制下進行的。它又可分為無條件I/O方式和查詢式I/O方式。（1）無條件I/O方式。無條件傳送方式的工作原理如圖5-18所示。 第58頁/共181頁圖5-18 無條件傳送方式I/O接口的電路原理圖端口譯碼&輸出鎖存器(74LS273)輸入緩沖器(74LS244)數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù)至外圍設備自外圍設備輸入數(shù)據(jù)LS327441LS327441WR地址總線IOM/RD第59頁/共181頁（2）查詢式I/O方式。查詢式I/O方式也稱為條件傳送方式。按查詢式I/O方式傳送信息時，CPU和外圍設備的I/O接口除需設置數(shù)據(jù)端口外，還要有狀態(tài)端口。查詢式I/O接口電路的原理框圖如圖5-19所示。第60頁/共181頁圖5-19 查詢式I/O方式接口電路的原理框圖端口譯碼器&輸出鎖存器(74LS273)輸入緩沖器(74LS244)數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)LS327441LS327441WR地址總線IOM/RD三態(tài)緩沖器(74LS245)外圍設備狀態(tài)&LS327441第61頁/共181頁 查詢式I/O方式是微機控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的方式。假設某微機控制系統(tǒng)中采用查詢式對1、2、3三個外圍設備進行I/O管理，其查詢和I/O處理的簡化程序流程圖如圖5-20所示。第62頁/共181頁圖5-20 查詢式I/O處理簡化程序流程圖初始化讀入1#外圍設備狀態(tài)1#請求服務嗎？讀入2#外圍設備狀態(tài)2#請求服務嗎？讀入3#外圍設備狀態(tài)3#請求服務嗎？繼續(xù)嗎？結束1#外圍設備服務(I/O處理)子程序2#外圍設備服務(I/O處理)子程序3#外圍設備服務(I/O處理)子程序YNYNYNYN第63頁/共181頁從原理上看，查詢式比無條件傳送方式可靠，接口電路簡單，不占用中斷輸入線，而且查詢程序也簡單，易于設計調(diào)試。但是在查詢式I/O方式下，CPU要不斷地讀取狀態(tài)字和檢測狀態(tài)字，不管那個外圍設備是否有服務請求，都必須一一查詢，許多次的重復查詢可能都是無用的，而又占去了CPU的時間，效率較低。I/O方式的選擇必須符合實時控制的要求。對于查詢式I/O方式，滿足實時控制要求的使用條件是：“所有外圍設備的服務時間的總和必須小于或等于任一外圍設備的最短響應時間”。這里所說的服務時間，是指某臺外圍設備服務子程序的執(zhí)行時間。最短響應時間是指某臺設備相鄰兩次請求服務的最短間隔時間。 第64頁/共181頁2.中斷控制I/O方式為了提高CPU的效率和使系統(tǒng)具有良好的實時性，可以采用中斷控制I/O方式。在中斷傳送時的接口電路如圖5-21所示。 第65頁/共181頁圖5-21 中斷傳送方式的接口電路&地址譯碼器地址總線A0A7三態(tài)緩沖器鎖存器&裝置中斷允許輸入裝置三態(tài)緩沖器MIO/RD去數(shù)據(jù)總線DBINTRDQ5V數(shù)據(jù)選通中斷矢量去數(shù)據(jù)總線DBINTA(中斷響應信號)第66頁/共181頁微機控制系統(tǒng)中，可能設計有多個中斷源，且多個中斷源可能同時提出中斷請求。多重中斷處理必須注意如下四個問題：（1）保存現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場。（2）正確判斷中斷源。（3）實時響應。 （4）按優(yōu)先權順序處理。 3.直接存儲器存?。―MA）方式 利用中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送，可以大大提高CPU的利用率。但在中斷方式下，仍必須通過CPU執(zhí)行程序來完成數(shù)據(jù)的傳送。每進行一次數(shù)據(jù)傳送，就要執(zhí)行一次中斷過程，其中保護和恢復斷點、保護和恢復寄存器內(nèi)容的操作與數(shù)據(jù)傳送沒有直接關系，但會花費掉CPU的不少時間。 第67頁/共181頁DMA的工作流程如圖5-22所示。實現(xiàn)上述操作的DMA控制器的硬件框圖如圖5-23所示。 圖5-24是8237A的內(nèi)部編程結構和外部連接。 第68頁/共181頁圖5-22 DMA的工作流程圖HLDA發(fā)存儲器地址傳送數(shù)據(jù)傳送結束否?DMA結束修改地址指針YN第69頁/共181頁圖5-23 DMA控制器框圖數(shù)據(jù)端口狀態(tài)/控制端口DMA控制器地址寄存器計數(shù)器控制/狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器DMA請求觸發(fā)器CPU存儲器輸入設備DMA請求DMA響應HLDAHOLD第70頁/共181頁圖5-24 8237A的內(nèi)部編程結構和外部連接HRQHLDACLKAENHOLDHLDA時鐘使CPU地址鎖存無效1STB鎖存器EN地址譯碼ADSTBDB0DB7CSA3A0A7A4控制寄存器狀態(tài)寄存器模式寄存器地址寄存器字節(jié)計數(shù)器IORIOWMEMRMEMWREADYRESETDREQ0DACK0DREQ1DACK1DREQ2DACK2DREQ3DACK30 V5 V(通道1、2、3)8237AA7A0A15A8/IOM數(shù)據(jù)總線通道0第71頁/共181頁 接口的編址方式1. I/O接口獨立編址方式這種編址方式是將存儲器地址空間和I/O接口地址空間分開設置，互不影響，并設有專門的輸入指令（IN）和輸出指令（OUT）來完成I/O操作。 8086微處理器的I/O接口也是屬于獨立編址方式的。它允許有256個8位的I/O端口，兩個編號相鄰的8位端口可以組合成一個16位端口。 8086輸入/輸出指令可以分為兩大類。一類是直接的輸入/輸出指令，如INAL，55H；OUT70H，AX。另一類是間接的輸入輸出指令，如INAX，DX；OUTDX，AL。在執(zhí)行間接輸入/輸出指令前，必須在DX寄存器中先設置好訪問端口號。第72頁/共181頁2. I/O接口與存儲器統(tǒng)一編址方式統(tǒng)一編址方式不區(qū)分存儲器地址空間和I/O接口地址空間，它把所有的I/O接口的端口都當作是存儲器的一個單元對待，每個接口芯片都安排一個或幾個與存儲器統(tǒng)一編號的地址號；也不設專門的輸入/輸出指令，所有傳送和訪問存儲器的指令都可用來對I/O接口操作。M6800和6502微處理器以及Intel51系列的51、96系列單片機都采用I/O接口與存儲器統(tǒng)一編址方式。兩種編址方式有各自的優(yōu)缺點。 I/O接口的編址方式是由所選定的微處理器決定的，接口設計時應按所選定的處理器規(guī)定的編址方式來設計I/O接口地址譯碼器。 第73頁/共181頁5.4 計算機接口設計 接口與系統(tǒng)的連接計算機接口是CPU和外圍設備之間的連接界面。典型的I/O接口和外部的連接如圖5-25所示。第74頁/共181頁圖5-25 典型的I/O接口與外部的連接數(shù)據(jù)輸入寄存器數(shù)據(jù)輸出寄存器控制寄存器狀態(tài)寄存器常用外圍設備或被控設備數(shù)據(jù)線控制線狀態(tài)線讀/寫復位時鐘地址譯碼控制片選寄存器選擇I/O接口電路數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線I/O存儲器選擇信 號控制總線地址總線中斷請求中斷回答第75頁/共181頁圖5-26、圖5-27和圖5-28中，分別畫出了典型的I/O接口芯片Z80PIO、8255A和8251A與CPU和外圍設備的連接關系。由圖5-26、圖5-27和圖5-28可見，接口芯片與CPU之間必要的連接信號有下列4類：（1）數(shù)據(jù)信號D0D7。 （2）讀/寫控制信號 。 （3）片選信號CS和地址線A、A0。（4）時鐘、復位、中斷控制、聯(lián)絡信號等控制信號。 )(IOWIORWRRD、或、第76頁/共181頁圖5-26 Z80PIO與CPU和外設的連接D0D7PA0PA71MRDIORQAB/DC/CE譯碼器NT1Z80PIOPB0PB7外圍設備ASTBARDY端口A端口BBRDYA1IEOBSTBA0IORQRD1M1數(shù)據(jù)總線D0D7Z80CPUA0A7INTIEI第77頁/共181頁圖5-27 8255A與CPU和外設的連接D0D7PA0PA7WRCS譯碼器PC0PC7外圍設備端口A端口CA1A0RD數(shù)據(jù)總線D0D78086主機RESETRDWRRESET地址線IOM/IOM/PB0PB7端口B8255A第78頁/共181頁圖5-28 8251A與CPU和外設的連接譯碼D0D7CSCSDC/RDWRRDWRTxRDYTxERxRDYSYNDETRESET8086外圍設備DTRDSRRTSCTSTxDRxD計數(shù)器/定時器D0D7CLKIOM/DC/8251AA1TxCRxC第79頁/共181頁 接口擴展1.地址譯碼器的擴展擴展I/O接口必然要解決I/O接口的端口（寄存器）的編址和選址問題。每個通用接口部件都包含一組寄存器，一般稱這些寄存器為I/O端口。74LS138的管腳圖如圖5-29所示。 第80頁/共181頁圖5-29 74LS138管腳圖1EA1B2C32E7Y地45678VCC74LS1381615141312111090Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y選擇允許輸出譯碼輸出E3第81頁/共181頁例5-1 此例采用8位的Z80CPU的微機控制系統(tǒng)，按控制要求擴展一個并行接口芯片PIO、一個計數(shù)器定時器（CTC）、一個8位的A/D轉換器（ADC0808）和一個8位的D/A轉換器（DAC0832）。若指定它們的地址分別為40H43H、44H47H、58H和5CH，那么可以設計出如圖5-30所示的地址譯碼電路。 第82頁/共181頁圖5-30 I/O接口地址譯碼擴展11111DAC08 32CSADC0808STARTOEALECS0CS1CTCCEIORQRD1MPIOCEIORQRD1M111A6A7A5G12AG2BGA4A3CBAA2A1A0AB/DC/0Y1Y6Y7Y32LS7441RDIORQ1MWRZ80CPU32LS742102LS742132LS744132LS742174LS138第83頁/共181頁圖5-30中，獨立編址方式的片選信號只利用地址總線的低8位（A0A7）譯出，為了區(qū)別是訪問存儲器還是訪問I/O接口，IORQ信號是必須用的。同時,為了控制數(shù)據(jù)流向也要使用讀（RD）、寫（WR）信號。但是Z80PIO和Z80CTC芯片有些特殊，沒有WR信號引腳，它是利用IORQ、RD和Mi三個信號通過內(nèi)部邏輯電路的組合而得到讀、寫、復位、中斷響應等控制信號的。2.負載能力的擴展擴展的I/O接口和存儲器的數(shù)據(jù)線都同時要掛到CPU的數(shù)據(jù)總線上，各芯片的地址也都要掛到CPU的地址線上，控制線也一樣要掛到CPU的控制總線上。由表5-2可見，MOS器件的輸入電流小，驅動能力也差。 第84頁/共181頁表5-2 TTL和MOS器件的輸入/輸出電流 第85頁/共181頁從圖5-31中可以看到，8286具有兩組對稱的數(shù)據(jù)引線，A7A0為輸入數(shù)據(jù)線，B7B0為輸出數(shù)據(jù)線。當然，由于在收發(fā)器中數(shù)據(jù)是雙向傳輸?shù)?，因此實際上輸入線和輸出線也可以交換。用T表示的引腳信號就是用來控制數(shù)據(jù)傳輸方向的。當T1時，就使A7A0為輸入線；當T0時，則使B7B0為輸入線。在系統(tǒng)中，T端和CPU的DT/R端相連，DT/R為數(shù)據(jù)收發(fā)信號。當CPU進行數(shù)據(jù)輸出時，DT/為高電平，于是數(shù)據(jù)流由A7A0進入，從B7B0送出；當CPU進行數(shù)據(jù)輸入時，DT/R為低電平，于是數(shù)據(jù)流由B7B0進入，而從A7A0送出。 第86頁/共181頁圖5-31 8286收發(fā)器和8088的連接8286A0A1A2A3A4A5A6A7OEAD0AD1AD2AD3AD4AD6AD7B0B1B2B3B4B5B6B7TDEN數(shù)據(jù)總線RDT/8088AD5第87頁/共181頁 模擬量的采樣與處理模擬量輸入通道可完成模擬量的采集并將它轉換成數(shù)字量送入計算機的任務。依據(jù)被控參量和控制要求的不同，模擬量輸入通道的結構形式不完全相同。目前普遍采用的是公用運算放大器和A/D轉換器的結構形式，其組成方框圖如圖5-32所示。 第88頁/共181頁圖5-32 模擬量輸入通道的組成方框圖信號處理裝置1信號處理裝置2信號處理裝置n工業(yè)裝置采樣單元采樣保持和放大器控制電路A/DI/O接口電路CPU第89頁/共181頁1.信號處理裝置信號處理裝置一般包括敏感元件、傳感器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉換電路等。2.采樣單元采樣單元也稱為多路轉換器或多路切換開關，它的作用是把多個已變換成統(tǒng)一電壓信號（040mV）的測量信號按序或隨機地接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放大器上。 3.計算機采樣與量化模擬信號的計算機數(shù)據(jù)采集過程需要解決用離散數(shù)據(jù)表示連續(xù)信號的精度問題。 第90頁/共181頁模擬信號轉換為數(shù)字信號的過程。（1）采樣過程。如圖5-33所示。 (2）量化過程。量化過程（簡稱量化）就是用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉換成數(shù)字信號的過程，如圖5-34所示。 第91頁/共181頁圖5-33采樣過程(a）模擬信號；(b）離散模擬信號543210tf(t)/Vf(t)(a)f*(t)/V54321f*(2T)f*(3T)0T2T3T 4T5T 6T7Tt(b)第92頁/共181頁圖5-34量化過程(a）離散模擬信號；(b）數(shù)字信號f*(t)/V246810120T2T3T 4T5T 6T7Tt(a)f(nT)數(shù)字24680101010010001001101110110T2T3T 4T5T 6T7T10010111t(b)第93頁/共181頁量化單位q是指量化后二進制數(shù)的最低位所對應的模擬量的值。設fmax和fmin分別為轉換信號的最大值和最小值，i為轉換后二進制數(shù)的位數(shù)，則量化單位為（5-1）例如，模擬信號fmax16V、fmin0，取i4，則q1V，量化誤差最大值emax0.5V。 iffq2minmax第94頁/共181頁 輸入/輸出通道 在微機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，要將對象的各種測量參數(shù)，按要求的方式送入微機。微機經(jīng)過運算、處理后，將結果以數(shù)字量的形式輸出，此時也要把該輸出變換為適合于對生產(chǎn)過程進行控制的量。所以在微機和生產(chǎn)過程之間，必須設置信息的傳遞和變換的連接通道。該連接通道被稱為輸入與輸出通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道，其組成如圖5-35所示。 第95頁/共181頁圖5-35 輸入與輸出通道的組成工業(yè)對象執(zhí)行機構保持器掃描裝置檢測元件采樣器D/A轉換器A/D轉換器數(shù)字量輸出數(shù)字量輸入I/O接口電路現(xiàn)場運行操作臺中央處理器CPU第96頁/共181頁1.模擬量輸入通道模擬量輸入通道一般由信號處理裝置、多路轉換器、采樣保持和A/D轉換器等組成。 模擬量輸出通道有以下兩種基本結構形式。（1）一個通道設置一個D/A轉換器的形式。這種形式是指在微機和通路之間通過獨立的接口緩沖器傳送信息，這是一種數(shù)字保持的方案，如圖5-36所示。 第97頁/共181頁圖5-36 一個通路一個D/A轉換器D/A轉換器D/A轉換器I/O接口電路微機通路1通路 n第98頁/共181頁(2）多個通道共用一個D/A轉換器的形式。3.數(shù)字量輸入通道隨輸入數(shù)字信號的類型不同，數(shù)字量輸入通道的結構也不同。（1）編碼信號。 （2）脈沖列。 （3）開關信號。 圖5-37畫出了幾種微機系統(tǒng)中常用的電平轉換、濾波、去抖動及光電隔離和繼電器隔離電路。第99頁/共181頁圖5-37開關量輸入電路； (a）電平轉換及濾波器；(b）繼電器隔離及電平轉換電路； (c）消除開關二次反跳觸發(fā)器電路；(d）光電隔離及電平轉換電路1S5V5.1 kLS0474610.1 FSK24 V1S5V5.1 kLS0474610.1 FKKS(b)(a)第100頁/共181頁圖5-37開關量輸入電路； (a）電平轉換及濾波器；(b）繼電器隔離及電平轉換電路； (c）消除開關二次反跳觸發(fā)器電路；(d）光電隔離及電平轉換電路&S5 V5.1 k5.1 k74LS00S11 kLS0474615 VS4TLP5214115S24 V211.5 k(d)(c)16第101頁/共181頁4.數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道輸出的數(shù)字信號有三類：二進制編碼數(shù)字、“1”或“0”的開關信號和脈沖信號。 具體電路可參閱圖5-38。圖5-39畫出了幾種開關量輸出的具體電路。 第102頁/共181頁圖5-38 一種使用步進電動機串行D/A轉換電路D0D7CLK2gate2OUT2CLK1gate1OUT1CLK0gate0OUT0&11門控方向YB013ABC環(huán)形分配器CP1光電隔離電路11驅動電路x軸步進電動機RDWRA0A1CSD0D7CLK2gate2OUT2CLK1gate1OUT1CLK0gate0OUT0&11門控方向YB013ABC環(huán)形分配器CP1光電隔離電路11驅動電路y軸步進電動機R/DWRA0A1CS系統(tǒng)總線地址譯碼5 V5 V5 V1 k35 V1 k3LS047461LS047461分頻器(74LS93)時鐘脈沖1182538253第103頁/共181頁圖5-39開關量輸出電路(a）TTL電平輸出（PC900為高速光電隔離電路）；11 kLS047461輸出21360 6 45PC9001輸出端口i位輸出LS047461(a)5 V第104頁/共181頁圖5-39開關量輸出電路(b）晶體管開關輸出；1 k輸出5 V360 TLP5211輸出端口i位輸出LS047461(b)390 5.1 k第105頁/共181頁圖5-39開關量輸出電路(c）繼電器輸出DZ144MC141316DZ144159PA0PA1PA6128255A8(c)16 V驅動電路24 V第106頁/共181頁5.5 D/A轉換器 并行D/A轉換器的工作原理D/A轉換器是把輸入的數(shù)字量轉換為與輸入量成比例的模擬信號的器件。為了了解它的工作原理，先分析一下圖5-40所示的R-2R梯形電阻解碼網(wǎng)絡的原理電路。第107頁/共181頁圖5-40R-2R梯形電阻解碼網(wǎng)絡原理圖UOUTRbIOUT1IOUT2BIT1(LSB)2R2R2RR2RR2RRUREFBIT2S nS( n1)S 2S 1“1”“0”BIT(n1)BITn(MSB)A第108頁/共181頁在圖中，整個電路由若干個相同的支電路組成，每個支電路有兩個電阻和一個開關，開關S-i是按二進“位”進行控制的。當該位為“1”時，開關將加權電阻與IOUT1輸出端接通；當該位為“0”時，開關與IOUT2接通。 由于IOUT2接地，IOUT1為虛地，所以有 RUIREF(5-2)第109頁/共181頁流過每個加權電阻的電流依次為 RUIREFn211RUIREFn 1221RUIREFn121.(5-3)第110頁/共181頁由于Iout1端輸出的總電流是置“1”的各位加權電流的總和，IOUT2端輸出的總電流是置“0”的各位加權電流的總和，因此當D/A轉換器輸入為全“1”時，IOUT1和IOUT2分別為0)21.2121(121OUTnREFOUTIRUI(5-4)第111頁/共181頁當運算放大器的反饋電阻Rfb等于反相端輸入電阻R時，其輸出模擬電壓為對于任意二進制碼，其輸出模擬電壓為式中，ai=1或ai=0。由上式便可得到相應的模擬量輸出。 )21.2121(2111nREFfbOUTOUTURIU（5-5)2.22(2211nnREFOUTaaaUU（5-6)第112頁/共181頁 A轉換器的主要參數(shù)（1）分辨率。D/A轉換器的分辨率表示當輸入數(shù)字量變化了1時，輸出模擬量變化的大小。它反映了計算機的數(shù)字量輸出對執(zhí)行部件控制的靈敏程度。對于一個N位的D/A轉換器,其分辨率為（5-7） 分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率為8位，表示它可以對滿量程的1/28=1/256的增量作出反應。所以，N位二進制數(shù)最低位具有的權值就是它的分辨率。 N2滿刻度值分辨率 第113頁/共181頁（2）穩(wěn)定時間。穩(wěn)定時間是指D/A轉換器中代碼有滿刻度值的變化時，其輸出達到穩(wěn)定（一般指穩(wěn)定到與1/2最低位的值相當?shù)哪M量范圍內(nèi)）所需的時間，一般為幾十納秒到幾微秒。（3）輸出電平。不同型號的D/A轉換器件的輸出電平相差較大，一般為510V。也有一些高壓輸出型，輸出電平為2430V。還有一些電流輸出型，低的為20mA，高的可達3A。（4）輸入編碼。一般二進制編碼比較通用，也有BCD等其他專用編碼形式芯片。其他類型編碼可在D/A轉換前用CPU進行代碼轉換變成二進制編碼。第114頁/共181頁（5）溫度范圍。較好的D/A轉換器的工作溫度范圍為-4085，較差的為070?？砂从嬎銠C控制系統(tǒng)使用環(huán)境查器件手冊選擇合適的器件類型。 位D/A轉換器DAC0832DAC0832是雙列直插式8位D/A轉換器,能完成從數(shù)字量輸入 到 模 擬 量 （ 以 電 流 形 式 ） 輸 出 的 轉 換 。 圖 5 - 4 1 和 圖 5 - 4 2 分 別 為DAC0832的內(nèi)部結構圖和引腳圖。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位（滿度量程的1/256），轉換時間為1s，基準電壓為+10-10V，供電電源為+5+15V，功耗為20mW，與TTL電平兼容。第115頁/共181頁圖5-41 DAC0832內(nèi)部結構圖8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉換器&UREFIOUT2IOUT1RfbAGNDUCCDGND2LE1LED7D0ILECS1WR2WRXFER第116頁/共181頁圖5-42 DAC0832引腳圖12345678910CS1WRUCCILEDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2201918171615141312112WRXFERAGNDDI3DI2DI1DI0UREFRfbDGND第117頁/共181頁從圖5-41中可見，在DAC0832中有兩級鎖存器；第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號為ILE；第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號也稱為通道控制信號XFER。因為有兩級鎖存器，所以DAC0832可以工作在雙緩沖器方式下，即在輸出模擬信號的同時，可以采集下一個數(shù)據(jù)。這樣可以有效地提高轉換速度。另外，有了兩級鎖存器以后，可以在多個D/A轉換器同時工作時，利用第二級鎖存器的鎖存信號來實現(xiàn)多個轉換器的同時輸出。圖5-41中，當ILE為高電平、CS和WR1為低電平時，LE1為1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當WR1由低電平變高時，LE1成為低電平，此時，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，這樣，輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)的變化而變化。 第118頁/共181頁對第二級鎖存器來說，XFER和WR2同時為低電平時，LE2為高電平，這時，8位的DAC寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當WR2由低電平變高時，LE2變?yōu)榈碗娖?，于是，將輸入寄存器的信息鎖存到DAC寄存器中。圖5-42中各引腳的功能定義如下： CS片選信號，它和允許輸入鎖存信號ILE合起來決定WR1是否起作用。ILE允許鎖存信號。 WR1寫信號1，它作為第一級鎖存信號將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器中，WR1必須和CS、ILE同時有效。第119頁/共181頁WR2寫信號2，它將鎖存在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送到8位DAC寄存器中進行鎖存，此時，傳送控制信號XFER必須有效。 XFER傳送控制信號，用來控制WR2。 DI7DI08位數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。 IOUT1模擬電流輸出端，當DAC寄存器中全為1時，輸出電流最大；當DAC寄存器中全為0時，輸出電流為0。 IO U T 2 模擬電流輸出端，IO U T 2為一個常數(shù)與IO U T 1的差，即IOUT1+IOUT2=常數(shù)。第120頁/共181頁Rfb反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以，Rfb端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣，相當于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸入端和輸出端之間。UREF參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接負電壓，范圍為+10-10V。外部標準電壓通過UREF與T形電阻網(wǎng)絡相連。第121頁/共181頁UC C芯片供電電壓，范圍為+5+15V，最佳工作狀態(tài)是+15V。AGND模擬量地，即模擬電路接地端。DGND數(shù)字量地。DAC0832有以下三種不同的工作方式：（1）直通方式。當ILE接高電平，CS、WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達DI7DI0輸入端，就立即加到8位D/A轉換器上被轉換成模擬量。例如在構成波形發(fā)生器的場合，就要用到這種方式，即把要產(chǎn)生基本波形的存在ROM中的數(shù)據(jù)，連續(xù)取出送到DAC去轉換成電壓信號。 第122頁/共181頁（2）單緩沖方式。只要把兩個寄存器中的任何一個接成直通方式，而用另一個鎖存數(shù)據(jù)，DAC就可處于單緩沖工作方式。一般的做法是將WR2和XFER都接地，使DAC寄存器處于直通方式，另外把ILE接高電平，CS接端口地址譯碼信號，WR1 接CPU系統(tǒng)總線的IO/W，這樣便可以通過一條OUT指令選中該端口，使CS和WR1有效，啟動D/A轉換。 第123頁/共181頁（3）雙緩沖方式。主要在以下兩種情況下需要用雙緩沖方式的D/A轉換：其一，需在程序的控制下，先把轉換的數(shù)據(jù)傳入輸入寄存器，然后在某個時刻再啟動D/A轉換。這樣可以做到數(shù)據(jù)轉換與數(shù)據(jù)輸入同時進行，因此轉換速度較高。為此，可將ILE接高電平，WR1和WR2均接CPU的IO/W，CS和XFER分別接兩個不同的I/O地址譯碼信號。執(zhí)行OUT指令時，WR1和WR2均變?yōu)榈碗娖健＿@樣，可先執(zhí)行一條OUT指令，選中CS端口，把數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；再執(zhí)行第二條OUT指令，選中XFER端口，把輸入寄存器內(nèi)容寫入DAC寄存器，實現(xiàn)D/A轉換。 第124頁/共181頁圖5-43是DAC0832工作于雙緩沖方式下，與有8位數(shù)據(jù)總線的微機相連的邏輯圖。其中，CS的口地址為320H，XFER的口地址為321H。當CPU執(zhí)行第一條OUT指令時，選中CS端口，選通輸入寄存器，將累加器中的數(shù)據(jù)傳入輸入寄存器。再執(zhí)行第二條OUT指令，選中XFER端口，把輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器，并啟動轉換。執(zhí)行第二條OUT指令時，累加器中的數(shù)據(jù)為多少是無關緊要的，主要目的是使XFER有效。第125頁/共181頁圖5-43 DAC0832與有8位數(shù)據(jù)總線的微機的連接圖CSXFER1WR2WRDI70ILEUREFDGNDAGNDIOUT2IOUT1RfbUCC地址譯碼5 VAUoDAC0832320H321HIOW地址總線D7D05 V第126頁/共181頁其二，在需要同步進行DA轉換的多路DAC系統(tǒng)中，采用雙緩沖方式，可以在不同的時刻把要轉換的數(shù)據(jù)分別打入各DAC的輸入寄存器，然后由一個轉換命令同時啟動多個DAC的轉換。圖5-44是一個用3片DAC0832構成的3路DAC系統(tǒng)。圖中，WR1和WR2接CPU的寫信號WR，3個DAC的CS引腳各由一個片選信號控制，3個XFER信號連在一起，接到第4個片選信號上。ILE可以根據(jù)需要來控制，一般接高電平，保持選通狀態(tài)。它也可以由CPU形成的一個禁止信號來控制，該信號為低電平時，禁止將數(shù)據(jù)寫入DAC寄存器。這樣，可在禁止信號為高電平時，先用3條輸出指令選擇3個端口，分別將數(shù)據(jù)寫入各DAC的輸入寄存器，當數(shù)據(jù)準備就緒后，再執(zhí)行一次寫操作，使XFER變低，同時選通3個D/A的DAC寄存器，實現(xiàn)同步轉換。第127頁/共181頁圖5-44 用DAC0832構成的3路DAC系統(tǒng)CSXFER2WR1WRDAC1ILECSXFER2WR1WRDAC2ILECSXFER2WR1WRDAC3ILE譯碼器輸出1輸出2輸出3地址總線DAC禁止WR選通1CS2CS3CSXFEROAOAOA第128頁/共181頁（1）單極性輸出電路。單極性輸出電路如圖5-45所示。D/A芯片輸出電流i經(jīng)輸出電路轉換成單極性的電壓輸出。圖5-45(a)為反相輸出電路，其輸出電壓為UOUT=-iR （5-8）圖5-45(b)是同相輸出電路，其輸出電壓為 （5-9） （2）雙極性輸出。在某些微機控制系統(tǒng)中，要求D/A的輸出電壓是雙極性的，例如要求輸出-5+5V電壓。在這種情況下，D/A的輸出電路要作相應的變化。圖5-46就是DAC082雙極性輸出電路實例。 1 12RRiRUOUT第129頁/共181頁 圖5-45單極性輸出電路(a)反相輸出；(b)同相輸出D/AiRUOUT(a)D/AiRUOUT(b)R1R2第130頁/共181頁由 電 路 各 參 數(shù) 計 算 可 得 最 后 的 輸 出 電 壓 表 達 式 為 UOUT=-2U1-UREF設U1為0-5V，選取UREF為+5V，則UOUT=(010)V-5V=-5+5V。第131頁/共181頁圖5-46 雙極性輸出電路D/ARfbUREFA1V1R2R3A2R4UOUT UREF第132頁/共181頁 位D/A轉換器DAC12101.DAC1210的主要性能及特點DAC1210（與DAC1208、DAC1209是一個系列）是雙列直插式24引腳集成電路芯片。輸入數(shù)據(jù)為12位二進制數(shù)字；分辨率為12位；電流建立時間為1s；供電電源為+5+15V（單電源供電）；基準電壓UREF范圍為-10+10V。DAC1210的特點是：線性規(guī)范只有零位和滿量程調(diào)節(jié)；可與所有的通用微處理機直接接口；單緩沖、雙緩沖或直通數(shù)字數(shù)據(jù)輸入；與TTL邏輯電平兼容；全四象限相乘輸出。 第133頁/共181頁2. DAC1210的引腳說明DAC1210的原理框圖及引腳圖如圖5-47所示。各引腳的定義如下： CS片選（低電平有效）。 WR1寫入1（低電平有效），用于將數(shù)據(jù)位（D1）送到輸入鎖存器。當WR1為高電平時，輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)被鎖存。12位輸入鎖存器分成兩個鎖存器，一個存放高8位的數(shù)據(jù)，而另一個存放低4位的數(shù)據(jù)。BYTE1BYTE2控制腳為高