[计算机硬件及网络]计算机控制系统.doc

第三章 计算机的输入输出接口技术计算机的输入输出接口（经常被称作生产过程通道）是计算机与生产过程或外部设备之间交换信息的桥梁，也是过程计算机控制系统中不可或缺的部分这首先是因为计算机中运行的程序需要通过人机接口进行编写与操作；其次是用于工业过程控制的计算机，必须实时地了解被控对象的情况，并根据现场的情况发出各种控制命令控制执行机构动作；再之，计算机处理后的数据或结果必须告知操作人员所以，如果没有输入输出接口的支持，计算机控制系统就失去了实用的价值用于工业过程控制系统的计算机输入输出接口可以分为模拟量输出接口（AO）、模拟量输入接口（AI）、开关量（数字量）输入输出接口（DI、DO）和人机接口等四大部分，其中模拟量输出接口的功能是把计算机输出的数字信号转换成模拟的电压或电流信号，以便驱动相应的模拟执行机构动作，达到控制生产过程的目的；模拟量输入接口的功能是把从工业生产控制现场送来的模拟信号转换成计算机能接收的数字信号，完成现场信号的采集与转换功能；开关量输入输出接口是把现场的开关量信号，如触点信号、电平信号等送入计算机，实现环境、动作、数量等的统计、监督等输入功能，并根据事先设定好的参数，实施报警、联锁、控制等输出功能；而人机交互接口互接口的功能是实现操作者与计算机之间的信息交换。

第一节 模拟量输出接口在计算机控制系统中，模拟量输出接口是实现控制输出的关键，它的任务是把计算机输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以控制调节阀或驱动相应的执行机构，达到计算机控制的目的模拟量输出接口一般由接口电路、控制电路、数/模转换器和电压/电流（V/I）变换器等构成、其核心是数/模转换器，简称DAC通常也把模拟量输出接口简称为D/A通道本节主要讨论D/A转换器及其接口技术，以及D/A转换模板的标准化设计一、 D/A转换器原理及器件1.D/A转换器的工作原理D/A转换器输入的数据来自于CPU的数据线，由二进制代码按数位组合起来表示，如任意一个二进制的8位数，均可用表达式 DATA=D020+D121+D222+D323+D424+D525+D626+D727来表示其中Di=0或1（i=0,1，…，7）；20, 21,…27分别为对应数位的权码,D/A转换的基本原理是先把每一位代码按其“权”的大小转换成相应的模拟量，然后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量响应的模拟量D/A转换器原理如图3-1所示，它主要由四部分组成：基准电压VREF、T型（R-2R）电阻网络，其切换开关BSi（；和运算放大器A。

D/A转换器输入的二进制型数从低位到高位（D0～Dn-1）分别控制对应的位切换开关（BS0～BS n-1），它们通过R-2R型电阻网络，在各2R支路上产生与二进制数各位的权成比例的电流，再经运算放大器A相加，并按比例转换成模拟电压VOUT与输入二进制数D0～Dn-1的关系式为VOUT ＝－VREF（D020+D121+D222＋…＋Dn-12ｎ-１）/2n其中，Di＝0或1（i= i=0，1，…，n-1），n表示D/A转换器的位数图3-12.D/A转换器性能指标D/A转换器的主要性能指标如下①分辨率 D/A转换器的分辨率定义为基准电压与2n之比值，其中n为D/A转换器的位数，如8位、10位、12位等例如，基准电压VREF＝5V，那么8位D/A的分辨率为5V/28＝19.53mV，12位D/A的分辨率为5V/212＝1.22mV②稳定时间（又称转换时间）输入俄日乃至数由0变为满量程时，输出模拟量达到离终值±12LSB（Least Significant Bit）时所需的时间对于输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微秒而输出是电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。

③绝对精度 指输入满量程数字量时，D/A转换器的实际输出值与理论值之间的偏差该偏差用最低有效位的分数来表示，如±12LSB或±1LSB④相对精度 在满量程已校准的情况下，对应于任意数码的实际输出与理论值之间的最大偏差该偏差也用最低有效位LSB的分数来表示线性误差⑤线性误差 理想的D/A转换器的输入－输出特性应是线性的在满量程范围内，偏离想转换特性的最大误差称线性误差该误差也用最低位LSB的分数来表示3. D/A转换器芯片介绍D/A转换器的种类很多，按数字量输入方式分，可分为并行输入和串行输入两种；按模拟量输出方式分，可分为电流输出和电压输出两种；按D/A转换的分辨率分，可分为低分辨率、中分辨率和高分辨率三种下面仅从使用角度介绍三种常用的8位D/A转换器芯片DAC0832、12位D/A转换芯片DAC1210和串行输入的12位D/A转换器芯片AD7543⑴8位转换器芯片DAC0832图3-2是8位DAC寄存器、采用T型电阻网络的8位D/A转换器以及输入控制电路由于它有两个可以分别控制的数据寄存器，使用时有较大的灵活性，可根据需要接成不同输入工作方式另外芯片内部有电阻RFB，它可用作直流运算放大器的反馈电阻，以便于芯片直接与运算放大器连接。

DAC0832的分辨率为8位，电流输出，稳定时间1µs采用20脚双列直插式封装，各引脚功能如下 图3-2DI0～DI7:数据输入线，其中DI0为最低有效位LSB，DI7为最高有效位MSB（Maximum Signigicant Bit）CS：片选信号，输入线，低电平有效WR1：写信号1，输入线，低电平有效ILE：允许输入锁存信号，输入线，高电平有效当ILE、CS和WR1同时有效时，8位输入寄存器LE1端为高电平“1”，此时输入寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化；当LE1端为低电平“0”时，原D端输入数据呗锁存于Q端，而且在此期间D端电平的变化不影响Q端WR2：写信号2，输入线，低电平有效XFER：传送控制信号，输入线，高电平有效当WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器LE2端为高电平“1”，此时将第一级8位输入寄存器Q端的状态锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便进行D/A转换通常把CPU的写信号WR作为WR1、WR2信号，把接口地址译码信号作为CS信号如无特殊要求可将ILE接高电位，XFER接地一般情况下把WR2和XFER接地，置成单级输入工作方式，以便简化接口电路特殊情况下可采用双级输入工作方式，例如要求多个D/A转换器同步工作时，首先将D/A转换数据逐个置入8位输入寄存器，然后用统一信号（WR2和XFER）再置入8位DAC寄存器以便实现多个D/A转换器同步输出。

IOUT1：DAC电流输入端1，此输出信号一般作为运算放大器差动输入信号之一IOUT2：DAC电流输入端2，此输出信号一般作为运算放大器另一个差动输入信号RFB：该电阻可用作外部运算放大器的反馈电阻，接于运算放大器的输出端VREF：基准电压源端，输入线，-10～+10V DCVCC：工作电压端，输入线，+5～+15V DCDGND：数字电路地线AGND：模拟电路地线2）12位D/A转换器芯片DAC1210内部原理框图，其原理和控制信号（CS、WR1、WR2和XFER）功能基本上同DAC0832，但有两点区别一是它是12位的，有12条数据线（DI0～DI11），其中DI0为最低有效位LSB，DI11为最高有效位MSB由于它比DAC0832多了4条数据输入线，故采用24脚双立直插式封装二是可以用字节控制信号BYTE1/2控制数据的输入，当该信号为高电平时，12位数据（DI0～DI11）同时存入第一级的两个输入寄存器；当该信号为低电平时，只将低4位数据（DI0～DI3）存入低4位输入寄存器图3-3 DAC1210原理（3）串行输入D/A转换器AD7543AD7543是分辨率为12位的CMOS单片串行输入D/A转换电路，其数字输入端仅有一条阴险，12位数字量由高位到底为逐次一位位输入。

它的非线性度是±12LSB，具有较低的增益，温度系数为（2～5）×10-6℃-1，供电电源为±5V它由一个12位串行输入移位寄存器、12位DAC寄存器和12位D/A转换器组成，其结构及引脚如图3-4所示图中，STB1、STB2、STB3、STB4、表示宣统信号，其逻辑关系见表3-1；SRI为数据输入端；图3-4 AD7543原理CLR为输入寄存器复位端；LD1和LD2为移位寄存器内容写入输入寄存器的控制信号；VREF为基准电压；IOUT1和IOUT2为D/A信号输出端；RFB为反馈点阻断；DGND为数字地；AGND为模拟地；VCC为供电电源端表3-1 AD7543逻辑关系二、 D/A转换器接口与隔离技术在CPU与D/A转换器之间必须设置接口电路，用来实现数据传送、地址选择和读写控制，如果D/A芯片内部无输入寄存器，则还需要外加寄存器在以下的讨论中不考虑总线驱动问题从系统的可靠性出发，在接口上加数据缓冲器是必要的1.8位转换器接口图3-5是DAC0832与CPU的接口电路D0～D7是从CPU过来的8位数据线，为了提高数据总线的驱动能力，D0～D7须经过数据线驱动器U1（74LS244），再接到DAC0832的数据输入端（D0～D7）。

WR为CPU的写控制线；A10～A15为CPU的地址线，经U2（74LS138）三-八译码器译码后产生接口地址信号，由于地址线A0～A9没有参加译码，图3-5中DAC0832的接口地址为2000H～23FFH当需要进行D/A转换时，CPU只要执行一条输出指令，就可以将被转换的8位数据通过D0～D7经U1传给DAC0832的数据输入端DI0～DI7；并立即启动D/A转换，在运放输出端VOUT输出对应的模拟电压用INTEL96汇编语言编写的程序如下：LD DX,#2100H ；将接口地址赋给DX寄存器STB AL,[DX] ；将（AL）的内容送给DAC0832，进行D/A转换RET图3-5 8位D/A转换接口电路2.12位转换器接口图3-6是12位D/A转换器DAC1210与8位CPU的接口电路为了用8位数据线（D0～D7）来传送12位被转换数（DI0～DI11）,CPU需分两次传送被转换数首先将被转换数的低4位（DI3～DI0）传给低4位输入寄存器，再将高8位（DI11～DI4）传给8位输入寄存器，最后将12位输入寄存器的状态传给12位DAC寄存器，并启动D/A转换图3-6D/A转换器的物理地址为8000H～8FFFH，且只有在“写信号（WR）”有效时，译码器U2（74LS138）才能产生片选信号。

当A0为低电平时，Y0为低（有效），写低4位数据，当A0为高电平时，Y1为低（有效），写高8位数据接口程序如下（INTEL-96）：LD DX,#8100H ；将接口地址赋给DX寄存器STB AL,[DX]＋ ；将（AL）中的低4位数据送给DAC1210STB AH,[DX] ；将（AH）中的高8位数据送给DAC1210，并将12位数据 ；写入12位DAC寄存器进行D/A转换RET图3-6 12位D/A转换接口电路选用16位或16位以上的CPU时，可以一次性地将12位数据送给D/A转换器，实施起来很方便；对于字长只有8位的CPU来说，除了上面的分两次送入待转换的数据以外，还可以采用图3-7所示的接口电路，一次将12位数据送给D/A转换器从图中可以看出，D/A转换的12位数据分成高4位和低8位，低8位通过数据线(DI0～DI7)和U1（74LS244）直接送给DAC1210的DI0～DI7，高4位是借助地址译码中空闲的地址线A8～A11来实现数据传送。