《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課件 第13次課工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及接口技術(shù)

1第5章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及接口技術(shù)5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)5.2計(jì)算機(jī)控制接口技術(shù)5.3可編程控制器2溫故知新1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服、交流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場合3．交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法。2.伺服電動(dòng)機(jī)工作的基本原理

1）改變電壓幅值2）改變磁極對數(shù)調(diào)速３）改變頻率調(diào)速4.交流伺服電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有何不同？控制精度不同低頻特性不同矩頻特性不同過載能力不同運(yùn)行性能不同速度響應(yīng)性能不同效率指標(biāo)不同導(dǎo)學(xué)：【學(xué)習(xí)內(nèi)容】1．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的組成；2．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的分類和特點(diǎn)；3．不同的計(jì)算機(jī)接口的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】不同工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，典型的I/O接口的引腳。【教學(xué)難點(diǎn)】

信息采集接口、模擬量輸入/輸出接口、開關(guān)型功率接口、開關(guān)型功率接口等計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。5.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

典型機(jī)電一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，它可分為硬件和軟件兩大部分。硬件是指計(jì)算機(jī)本身及其外圍設(shè)備，一般包括中央處理器、存儲(chǔ)器、各種接口電路、以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)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(shè)備、運(yùn)行操作臺(tái)等。

圖5-1典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

各硬件組成部分的功能：（1）計(jì)算機(jī)主機(jī)：包括中央處理器、時(shí)鐘電路、內(nèi)存儲(chǔ)器，是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件。功能：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計(jì)算、越限報(bào)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(tái)：人—機(jī)對話的聯(lián)系紐帶。（3）通用外圍設(shè)備：顯示器、打印機(jī)等，為擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。

（4）I/O接口與I/O通道：是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。

I/O接口：并行接口和串行接口。

I/O通道：也稱過程通道，是計(jì)算機(jī)和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。包括模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道。模擬量I/O通道的作用（1）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(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī)；（2）將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號(hào)，以實(shí)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(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量。變送器的作用是將傳感器得到的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成適用于計(jì)算機(jī)接口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如0~10mADC）。

系統(tǒng)軟件：由計(jì)算機(jī)的制造廠商提供，用來管理計(jì)算機(jī)本身的資源和方便用戶使用計(jì)算機(jī)的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等，不需用戶自行設(shè)計(jì)編程。

應(yīng)用軟件：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(jì)算程序、生產(chǎn)過程監(jiān)控程序等。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，軟件和硬件不是獨(dú)立存在的，在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意兩者相互間的有機(jī)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(zhì)量的控制系統(tǒng)。5.1.3典型機(jī)電一體化控制系統(tǒng)舉例

1、圖5-7為工業(yè)爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成簡圖，所用的燃料為燃油或者煤氣，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。圖5-7工業(yè)爐的計(jì)算機(jī)控制

2、微機(jī)控制的直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)圖5-8是微機(jī)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。圖5-8計(jì)算機(jī)控制的雙閉環(huán)系統(tǒng)

3、計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制系統(tǒng)圖5-9所示為一開環(huán)控制的簡單機(jī)床數(shù)字程序控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。該系統(tǒng)既可以設(shè)計(jì)成平面點(diǎn)位控制系統(tǒng)，又可設(shè)計(jì)成平面輪廓控制系統(tǒng)。圖中的微型計(jì)算機(jī)用來完成程序和數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、加工軌跡計(jì)算和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序、顯示程序、故障診斷程序等控制程序的執(zhí)行等。圖5-9簡單機(jī)床數(shù)字程序控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖

4、工業(yè)機(jī)器人圖5-10給出了智能機(jī)器人的一般結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)多級(jí)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。圖5-10智能機(jī)器人的一般結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)具有完善的輸入/輸出通道具有實(shí)施控制功能可靠性高具有豐富、完善、能正確反映被控對象運(yùn)動(dòng)規(guī)律并對其進(jìn)行有效控制的軟件系統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域中，由于現(xiàn)場存在干擾，環(huán)境惡劣，普通計(jì)算機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場不能正常運(yùn)行，需使用適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（簡稱工控機(jī)）。它是處理來自傳感器的輸入信息，并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程、同時(shí)對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督、管理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。并具有較好的抗干擾性和可靠性。3.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的分類及應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的基本要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對象及使用環(huán)境的特殊性，決定了要滿足以下基本要求：實(shí)時(shí)性高可靠性硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性可維護(hù)性設(shè)備本身需無故障連續(xù)運(yùn)行能力，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的正確控制工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣，要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有高質(zhì)量和很強(qiáng)的抗干擾能力工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對象及使用環(huán)境的特殊性，決定了要滿足以下基本要求：實(shí)時(shí)性高可靠性硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性可維護(hù)性采用模塊發(fā)設(shè)計(jì)方法，硬件具有可擴(kuò)展性，因?yàn)楝F(xiàn)場條件的千差萬別與現(xiàn)場相連外圍設(shè)備的接口種類、數(shù)量差別大1）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的基本要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對象及使用環(huán)境的特殊性，決定了要滿足以下基本要求：實(shí)時(shí)性高可靠性硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性可維護(hù)性系統(tǒng)使用板級(jí)產(chǎn)品一致性好，更換模板后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和精度不受應(yīng)影響軟件和硬件功能強(qiáng)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能快速準(zhǔn)確定位，并保證發(fā)生故障時(shí)故障不會(huì)擴(kuò)散1）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的基本要求2）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的常用類型單片機(jī)可編程控制器總線式工業(yè)控制機(jī)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5.2.2常用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)常用工控機(jī)有單片機(jī)、可編程控制器、總線型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

1、單片機(jī)（SingleChipMicrocomputer）定義：將計(jì)算機(jī)的CPU（中央處理器）、RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）、ROM（程序存儲(chǔ)器）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口(輸入/輸出接口)集成在一片芯片上而形成的計(jì)算機(jī)。

單片機(jī)的特點(diǎn)：體積小，功能強(qiáng)，功耗低，應(yīng)用靈活，價(jià)格低。

嵌入式系統(tǒng)：從使用的角度講，計(jì)算機(jī)應(yīng)用可分為兩類：一類是應(yīng)用廣泛的獨(dú)立使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如PC機(jī)、工作站等；另一類是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所謂嵌入式系統(tǒng)，就是以嵌入式應(yīng)用為目的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是典型的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是作為其它系統(tǒng)的組成部分使用的。

2、可編程控制器PLC（ProgrammableLogicController）

PLC的特點(diǎn)：（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。

（2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。

（3）編程方法簡單，易學(xué)易用

梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。

（4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建工作量小，維護(hù)方便，改造容易

PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及構(gòu)建的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。（4）體積小、重量輕、易于嵌入設(shè)備內(nèi)部。

3、總線工控機(jī)總線結(jié)構(gòu)型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)功能要求把控制系統(tǒng)劃分成具有一種或幾種獨(dú)立功能的硬件模塊，從內(nèi)中先入手吧各功能模塊設(shè)計(jì)制造成“標(biāo)準(zhǔn)”的印制電路板插件（亦稱模塊），像搭積木一樣將硬件插件及模塊插入一塊公共的稱為“地板”的電路板插槽上組成一個(gè)模塊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每塊插件之間的信息都通過底板進(jìn)行交換，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的整體功能，這就是所謂的模塊化設(shè)計(jì)。（1）提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)和制造周期。在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)時(shí)，將復(fù)雜的電路分布在若干功能模塊上，可同時(shí)并行地進(jìn)行設(shè)計(jì)，大量的功能模板可以直接購的，從而大大的縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造周期。（2）提高了系統(tǒng)的可靠性。由于各通用模塊均由專業(yè)制造廠以O(shè)EM產(chǎn)品形式專業(yè)化大批量生產(chǎn)制造，用戶可以根據(jù)自己的具體需要，購買這批OEM產(chǎn)品，如中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、A/D、D/A等模塊及專用I/O接口辦卡等，來構(gòu)成自己的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于模塊的質(zhì)量穩(wěn)定，性能可靠，因此也就保證了控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性。（3）便于調(diào)試和維修由于模板是按照系統(tǒng)的功能進(jìn)行分解的，維修和調(diào)試時(shí)，只要根據(jù)功能故障性質(zhì)進(jìn)行診斷，更換損壞的模塊，就可以方便的排出故障，進(jìn)行調(diào)試。（4）能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要迅速改進(jìn)系統(tǒng)的性能，有時(shí)在新的系統(tǒng)運(yùn)行后需要根據(jù)實(shí)際情況改進(jìn)系統(tǒng)的性能；有時(shí)隨著技術(shù)發(fā)展，產(chǎn)品性能需要進(jìn)一步提高；或者產(chǎn)品隨著市場需要而改型，要求系統(tǒng)作相應(yīng)改進(jìn)；隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大存儲(chǔ)量芯片的出現(xiàn)，新型專用大規(guī)模集成電路的推廣應(yīng)用等，都需要對照系統(tǒng)的某一部分或模塊進(jìn)行更新。在上述情況下總線結(jié)構(gòu)的控制計(jì)算機(jī)只需要改進(jìn)模塊和軟件，不需要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)就能滿足對系統(tǒng)提出的新的要求。工控機(jī)的主要組成形式IPC工控機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

ISA與PCI總線工控機(jī)的結(jié)構(gòu)類似，外部是工控機(jī)機(jī)箱，通常都是防震防塵設(shè)計(jì)，采用無源底板，主板和其它的I/O板都插在無源底板的ISA或PCI插槽上。這一點(diǎn)與普通PC的不同，PC通常的底板就是主板，工控機(jī)這樣的設(shè)計(jì)是防止主板故障的時(shí)候，方便更換主板。CPU通常采用通用的PC所用的CPU，但通常都經(jīng)過重新篩選。IPC的I/O卡目前種類非常繁多，除了各類模擬量、開關(guān)量的輸入輸出卡外，還有大量的溫度、高速脈沖、運(yùn)動(dòng)控制等各類專用的I/O卡。另外，還有用于與其它工業(yè)總線通訊的各類通訊接口卡和多串口卡等等。

IPC的顯示器和其它外部設(shè)備通常采用普通的PC所用的外部設(shè)備，在現(xiàn)場，有時(shí)會(huì)用到工業(yè)級(jí)觸摸屏和防塵鍵盤。普通PC機(jī)單片機(jī)可編程控制器工業(yè)PC機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般不用作工業(yè)控制自行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化接口配置相關(guān)接口模板標(biāo)準(zhǔn)化接口配置相關(guān)接口模板系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)、圖像、文字處理簡單的邏輯控制和模擬量控制邏輯控制為主，也可配置模擬量模板邏輯控制和模擬量控制功能硬件設(shè)計(jì)無需設(shè)計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)化整機(jī)，可擴(kuò)展）復(fù)雜簡單簡單程序語言多種語言匯編語言梯形圖多種語言軟件開發(fā)復(fù)雜復(fù)雜簡單較復(fù)雜運(yùn)行速度快較慢慢很快帶負(fù)載能力差差強(qiáng)強(qiáng)抗干擾能力差差強(qiáng)強(qiáng)成本較高很低較高很高適用場合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的信號(hào)采集及控制家用電器、智能儀器、單片機(jī)簡單控制邏輯控制為主的工業(yè)現(xiàn)場控制較大規(guī)模的工業(yè)現(xiàn)場控制3）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的常用類型比較5.2計(jì)算機(jī)接口技術(shù) 5.2.1概述

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，由于機(jī)械系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在性質(zhì)上有很大的差別，二者之間的聯(lián)系必須通過計(jì)算機(jī)控制接口進(jìn)行調(diào)整、匹配、緩沖，因此計(jì)算機(jī)控制接口有著更重要的作用。I/O接口電路簡稱接口電路，它是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件（電路）。它在主機(jī)和外圍設(shè)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：33

（1）解決主機(jī)CPU和外圍設(shè)備之間的時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題。 （2）解決CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。 （3）解決CPU的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口的選擇問題。34

一.模擬量輸入接口 模擬量輸入通道可完成模擬量的采集并將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)的任務(wù)。依據(jù)被控參量和控制要求的不同，模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式不完全相同。目前普遍采用的是共用運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式，其組成方框圖如圖5-32所示。圖5-32模擬量輸入通道的組成方框圖35

模擬量輸入通道一般由信號(hào)處理裝置、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換器等組成。 模擬量輸入通道有以下兩種基本結(jié)構(gòu)形式。 （1）一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的形式。

(2）多個(gè)通道共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的形式。36 1.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按轉(zhuǎn)換二進(jìn)制的位數(shù)來分類，包括：8位的ADC0801、0804、0808、0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582；16位的AD7701、AD7705等。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）.分辨率 分辨率通常用轉(zhuǎn)換后數(shù)字量的位數(shù)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(yīng)。分辨率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化為1的最小模擬輸入量。37 2）.量程 量程是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍,如5V、10V等。

3）.轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實(shí)際值的準(zhǔn)確度，有絕對精度和相對精度兩種表示法。絕對精度常用數(shù)字量的位數(shù)表示，如絕對精度為±1/2LSB。相對精度用相對于滿量程的百分比表示。如滿量程為10V的8位A/D轉(zhuǎn)換器，其絕對精度為1/2×10/28＝±19.5mV，而8位A/D的相對精度為1/28×100％≈0.39％。精度和分辨率不能混淆。即使分辨率很高，但溫度漂移、線性不良等原因可能造成精度并不是很高。

4）.轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從啟動(dòng)A/D到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時(shí)間。

5）.工作溫度范圍 較好的A/D轉(zhuǎn)換器的工作溫度為-40~85℃，較差的為0~70℃。38 2.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 1）.電路組成及轉(zhuǎn)換原理

ADC0809是一種帶有8位轉(zhuǎn)換器、8位多路轉(zhuǎn)換開關(guān)以及與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。 ADC0809無需調(diào)零和進(jìn)行滿量程調(diào)整，又由于多路開關(guān)的地址輸入能夠進(jìn)行鎖存和譯碼，而且它的三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，因此易于與微處理機(jī)進(jìn)行接口。39圖5-50ADC0808/0809的原理框圖40 2）.ADC0808/0809的外引腳功能ADC0808/0809的管腳排列如圖5-51所示，其主要管腳的功能如下：

IN0～I(xiàn)N7——8個(gè)模擬量輸入端。

START——啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)START為高電平時(shí)，開始A/D轉(zhuǎn)換。

EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢之后，發(fā)出一個(gè)正脈沖，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。此信號(hào)可作為A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的檢測信號(hào)或中斷申請信號(hào)。

圖5-51ADC0808/0809管腳排列圖41 OE——輸出允許信號(hào)。如果此信號(hào)被選中，則允許從A/D轉(zhuǎn)換器的鎖存器中讀取數(shù)字量。

CLOCK——時(shí)鐘信號(hào)。

ALE——地址鎖存允許，高電平有效。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，允許C、B、A所示的通道被選中，并將該通道的模擬量接入A/D轉(zhuǎn)換器。

ADDA、ADDB、ADDC——通道號(hào)地址選擇端，C為最高位，A為最低位。當(dāng)C、B、A為全零（000）時(shí)，選中IN0通道接入；為001時(shí)，選中IN1通道接入；為111時(shí)，選中IN7通道接入。

圖5-51ADC0808/0809管腳排列圖42 D7～D0——數(shù)字量輸出端。

UREF（+）、ＵREF（-）——參考電壓輸入端，分別接+、-極性的參考電壓，用來提供A/D轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻的標(biāo)準(zhǔn)電平。在模擬量為單極性輸入時(shí),UREF（+）＝5V，ＵREF（-）＝0V;當(dāng)模擬量為雙極性輸入時(shí)，UREF（+）=+5V，ＵREF（-）=-5V。圖5-51ADC0808/0809管腳排列圖43 4.A/D轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的連接及舉例

1）.輸入模擬電壓的連接

A/D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬電壓可以是單端輸入也可以是雙端輸入。ADC0808/0809可以從IN0～I(xiàn)N7接8路模擬電壓輸入，通常接成單端、單極性輸入，這時(shí)UREF（+）＝5V、UREF（-）＝0V，也可以接成雙極性輸入，這時(shí)UREF

（+）和UREF（-）應(yīng)分別接+、-極性的參考電壓。AD574是單端輸入模擬電壓，在10VIN和20VIN

中任一端和AGND之間，可輸入單極性電壓或雙極性電壓，輸入模擬電壓的極性不同,其輸入電路也不同。 44 2）.數(shù)據(jù)輸出和系統(tǒng)總線的連接

A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出有兩種方式。一種是A/D芯片內(nèi)部帶有三態(tài)輸出門，其數(shù)據(jù)輸出線可以直接掛到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上去。另一種是A/D芯片內(nèi)部不帶三態(tài)輸出門，或雖有三態(tài)輸出門，但它不受外部信號(hào)控制，而是當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)自動(dòng)開門，如AD570就是這種芯片。45 3）.轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取

A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換芯片輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)也有兩種：電平信號(hào)和脈沖信號(hào)。CPU檢測到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)后,即可讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。CPU一般可以采用以下3種方式和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行聯(lián)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀?。? （1）程序查詢方式。 （2）中斷方式。 （3）固定的延遲程序方式。46圖5-56ADC0808/0809與8086CPU的連接原理圖47圖5-57AD574與8031的接口電路48

二模擬量輸出接口

1.D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

D/A轉(zhuǎn)換器是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與輸入量成比例的模擬信號(hào)的器件。

D/A轉(zhuǎn)換通道的結(jié)構(gòu)形式（1）一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式。

(2）多個(gè)通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式。通過多路模擬開關(guān)選擇通路。49 2.D／A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) （1）分辨率。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率表示當(dāng)輸入數(shù)字量變化了1時(shí)，輸出模擬量變化的大小。它反映了計(jì)算機(jī)的數(shù)字量輸出對執(zhí)行部件控制的靈敏程度。對于一個(gè)N位的D/A轉(zhuǎn)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(yīng)。所以，N位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨率。50

（2）穩(wěn)定時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間是指D/A轉(zhuǎn)換器中代碼有滿刻度值的變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定（一般指穩(wěn)定到與±1/2最低位的值相當(dāng)?shù)哪M量范圍內(nèi)）所需的時(shí)間，一般為幾十納秒到幾微秒。 （3）輸出電平。不同型號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大，一般為5～10V。也有一些高壓輸出型，輸出電平為24～30V。還有一些電流輸出型，低的為20mA，高的可達(dá)3A。 （4）輸入編碼。一般二進(jìn)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(zhuǎn)換前用CPU進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換變成二進(jìn)制編碼。

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（5）溫度范圍。較好的D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍為-40～85℃，較差的為0～70℃。可按計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用環(huán)境查器件手冊選擇合適的器件類型。

3.8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。圖5-41和圖5-42分別為DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換時(shí)間為1μs，基準(zhǔn)電壓為+10～-10V，供電電源為+5～+15V，功耗為20mW，與TTL電平兼容。52圖5-41DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖53

從圖5-41中可見，在DAC0832中有兩級(jí)鎖存器；第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號(hào)為ILE；第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)XFER。因?yàn)橛袃杉?jí)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(hào)的同時(shí)，可以采集下一個(gè)數(shù)據(jù)。這樣可以有效地提高轉(zhuǎn)換速度。另外，有了兩級(jí)鎖存器以后，可以在多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，利用第二級(jí)鎖存器的鎖存信號(hào)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)換器的同時(shí)輸出。54 5-42中各引腳的功能定義如下：

CS——片選信號(hào)，它和允許輸入鎖存信號(hào)ILE合起來決定WR1是否起作用。

ILE——允許鎖存信號(hào)。

WR1——寫信號(hào)1，它作為第一級(jí)鎖存信號(hào)將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器中，WR1必須和CS、ILE同時(shí)有效。圖5-42DAC0832引腳圖55 WR2——寫信號(hào)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(jìn)行鎖存，此時(shí)，傳送控制信號(hào)XFER必須有效。

XFER——傳送控制信號(hào)，用來控制WR2。DI7～DI0——8位數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。IOUT1——模擬電流輸出端，當(dāng)DAC寄存器中全為1時(shí)，輸出電流最大；當(dāng)DAC寄存器中全為0時(shí)，輸出電流為0。IOUT2——模擬電流輸出端，IOUT2為一個(gè)常數(shù)與IOUT1的差，即IOUT1+IOUT2=常數(shù)。

圖5-42DAC0832引腳圖56 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(yùn)算放大器的輸出端，這樣，相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)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(gè)正電壓，也可接負(fù)電壓，范圍為+10～-10V。外部標(biāo)準(zhǔn)電壓通過UREF與T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。圖5-42DAC0832引腳圖57 UCC——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(dāng)ILE接高電平，CS、WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時(shí)，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達(dá)DI7～DI0輸入端，就立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器上被轉(zhuǎn)換成模擬量。例如在構(gòu)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(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。58

（2）單緩沖方式。只要把兩個(gè)寄存器中的任何一個(gè)接成直通方式，而用另一個(gè)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(hào)，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(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。59

（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(zhuǎn)換： 其一，需在程序的控制下，先把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳入輸入寄存器，然后在某個(gè)時(shí)刻再啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。這樣可以做到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸入同時(shí)進(jìn)行，因此轉(zhuǎn)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(gè)不同的I/O地址譯碼信號(hào)。執(zhí)行OUT指令時(shí)，WR1和WR2均變?yōu)榈碗娖?。這樣，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(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。60

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(jī)相連的邏輯圖。其中，CS的口地址為320H，XFER的口地址為321H。當(dāng)CPU執(zhí)行第一條OUT指令時(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)換。執(zhí)行第二條OUT