输入通道接口技术课件.ppt

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1、April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,1,第2章 输入通道接口技术,2.1 信号测量与传感器技术2.2 模拟信号输入通道接口2.3 键盘接口技术2.4 开关量信号输入接口 本章小结 作业,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,2,2.1 信号测量与传感器技术,传感器是计算机控制系统的“感触器官”；传感器能将需要测量的各种参数转换为电信号，电信号经调理、A/D转换后变为数字信号，然后送给计算机进行处理。传感器有很多种类：温度传感器，压力传感器，流量传感器，等等。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,3,2.2 模拟信号输入通道接口,一、模拟多路开关二、

2、A/D转换器三、数据采集与处理方法,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,4,一、模拟多路开关,在实际的计算机控制系统中，往往需要对多路信号进行测量，而计算机在同一时刻只能处理一路信号，因此需要将各路信号分时地送给计算机处理。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,5,1、模拟多路开关CD4051,*CD4051是8通道多路开关*带有3个通道选择输入端A、B、C，用于选择8个通道之一*一个禁止输入端INH，高电平时，禁止模拟信号输入；低电平时允许模拟信号输入,*VDD与VSS的电平差为0.5 15V,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,6,2、CD4

3、051多路开关的扩展应用,在实际应用中，如果被测参数多于8路，可以采用将多个CD4051 相连进行扩展。,*由D0D1D2D3来选择16路通道之一*其中D30，选中1*其中D31，选中2,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,7,二、A/D转换器,A/D转换器 能将模拟信号转换为数字信号的器件，称为模数转换器，即A/D转换器。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,8,1、8位A/D转换器ADC0809,*芯片内包含有8通道多路开关及计算机兼容的控制逻辑*一个高阻抗斩波稳定比较器*一个带有模拟开关树组的256R电阻分压器*一个逐次逼近型寄存器SAR,ADC0809是

4、8位逐次逼近型AD转换器,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,9,ADC0809的引脚功能：*IN7IN0:8个模拟量输入端*START：启动信号。当START为高电平时，A/D转换开始*EOC：转换结束信号。当A/D转换结束后，发出一个正脉冲，表示A/D转换完毕*OE：输出允许信号，高电平有效*CLOCK:实时时钟,1、8位A/D转换器ADC0809,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,10,1、8位A/D转换器ADC0809,*ALE:地址锁存允许，高电平有效*CBA:选择通道*D7D0:数字量输出端*VREF、VREF:参考电压端子*VCC:电源端子，接5

5、V*GND：接地,ADC0809的引脚功能：,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,11,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,12,2、ADC0809的应用,应用原理图：,转换结束，EOC变成高电平，作为中断请求信号,计算机发出一个允许命令，OE变高电平，则可读数据,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,13,2、ADC0809的应用,*启动脉冲START和地址锁存允许脉冲ALE的上升沿将地址锁存，将CBA所指定的通道信号送至A/D转换器,*在START正脉冲下降沿t时刻后，EOC变负，直至转换结束，EOC变正,*此时，计算机发出一个允许命令，使OE

6、变高电平，则可读出数据,A/D转换时序图：,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,14,3、A/D转换器与微处理器的连接,（1）模拟量输入通道的连接 A/D转换器接受的模拟量大都为05V的标准电压信号（2）数字量输出引脚的连接 A/D转换器数字量输出引脚和微处理器的连接方法与其内部结构有关：*若内部含有数据输出锁存器则可以直接与微处理器连接；*若内部无数据输出锁存器，一般通过I/O接口与微处理器连接。（3）A/D转换器启动方式*脉冲启动(ADC0809)*电平启动,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,15,3、A/D转换器与微处理器的连接,（4）结束信号处理方法*

7、中断方式 将转换结束标志信号接到微处理器系统的中断申请引脚；*查询方式 把结束信号送到微处理器数据总线或IO接口的某一位；微处理器向AD转换器发出启动信号后，就开始查询AD转换是否结束。*软件延时方法 微处理器启动AD转换后，就根据转换芯片完成转换所需要的时间，调用一段延时程序。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,16,3、A/D转换器与微处理器的连接,（5）参考电源的选择 在AD转换器中，参考电源的作用是作为标准电源，直接关系到AD转换的精度。*通常8位AD转换器由外电源供给；*12位AD转换器内部设置有精密参考电源。（6）时钟信号的连接*一种是由芯片内部提供；*一种是由外

8、部时钟提供，一般由系统时钟分频得到。（7）接地 将AD转换器的模拟地和数字地分别与系统的模拟地和数字地相连；整个系统中，模拟地和数字地只在一点接通。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,17,4、8位A/D转换器控制程序设计,ADC0809与计算机的接口原理图：,AD转换的结束信号EOC作为状态信号，经三态门接入数据总线D7位；设各输入通道地址是200H207H；（1）8个模拟通道的信号进行AD转换的程序（通过查询EOC）：,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,18,4、8位A/D转换器控制程序设计,DATA SEGMENT COUNT EQU 8 BUFFER

9、 DB COUNT DUP(0)DATA ENDS,PROG SEGMENRT MAIN PROC FAR ASSUME CS:PROG，DS:DATA START:PUSH DS PUSH AX PUSH BX MOV AX，DATA MOV DS，AX LEA BX，BUFFER MOV DX,200H(接下页),;数据段,;为系统返回做准备,;设置数据段,;取测试数据存放区首地址,;送通道IN0地址,;子程序,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,19,4、8位A/D转换器控制程序设计,(接上页)START1:SUB AX，AX OUT DX，AL PUSH DX MOV

10、DX，220HSTART2:IN AL，DX TEST AL，80H JZ START2 POP DX IN AL，DX MOV BX，AL INC BX INC DX LOOP START1 RET,;启动AD转换,;AX清零,;取EOC的地址,;读入EOC值,;比较,;为零则返回,;为1，取通道IN0地址,;读取AD转换结果,;存入数据区,;指向下一存储单元,;指向下一通道,;循环程序，取下一通道采样数据,;通道IN0地址入栈,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,20,4、8位A/D转换器控制程序设计,（2）利用延时方法进行8个模拟通道的AD转换的程序：,MOV DX，20

11、0HSTART1:SUB AX，AX OUT DX，AL CALL DELAY0 IN AL，DX MOV BX，AL INC BX INC DX LOOP START1,;送通道IN0地址,;启动AD转换,;延时，等待转换结束,;读取AD转换结果,;存入指定数据区,;程序循环，转向下一个通道采样,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,21,在工业控制和工业测量中，经AD转换器采样得到的数据，必须经过计算机的加工处理后才能得到相应的准确结果。这个加工处理的过程可以包括数字滤波、标度变换等步骤。,克服现场干扰,2、标度变换,1、数字滤波,获得直观数据,三、数据采集与处理方法,Apr

12、il 2,2023,第2章 输入通道接口技术,22,1、数字滤波,数字滤波为了减小甚至消除叠加在采样数据中的随机信号值的影响，利用程序对多次采样信号所得到的数据进行加工处理，以保证采样数据的准确性及精度。数字滤波，可以简化硬件设计，参数调整方便，多通道共用。,常用的数字滤波算法（1）程序判断滤波（2）中值滤波（3）算术平均值滤波（4）加权平均值滤波（5）滑动平均值滤波（6）低通滤波（7）复合数字滤波,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,23,（1）程序判断滤波,所谓程序判断滤波，就是根据经验，确定出两次采样之间可能出现的最大偏差E。*如果采样得到的值与上次采样值之差超过E，则表

13、明该采样数据中存在较大的干扰信号，应予以剔除；*如果采样得到的值与上次采样值之差小于E，则本次采样值为正常值。程序判断滤波分为两种：限幅滤波、限速滤波,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,24,（1）程序判断滤波,限幅滤波：把两次相邻的采样值相减，求出其差值(以绝对值表示)，然后与两次允许的最大差值E进行比较。若小于等于E，则本次采样值有效；若大于E，则取上一次采样值。*E的选取非常重要（通常可根据经验数据获得）E太大无法剔除各种干扰；E太小又有可能使正常值丢失，影响测量的实时性。*限幅滤波主要用于变化比较缓慢的参数，如温度等。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技

14、术,25,（1）程序判断滤波,限速滤波：是限幅滤波的一种折中，既考虑了采样的实时性，又照顾到采样值变换的连续性。设按时间顺序t1、t2、t3的三个采样值分别为y1、y2、y3；当|y2y1|E时，y2有效，取值 y2；当|y2y1|E时，如果当|y3y2|E时，则y3有效，取值 y3；否则，取值(y3+y2)/2.*E的选取不太灵活，不能反映采样点数大于3时各采样值受干扰的情况。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,26,（2）中值滤波,中值滤波：对某一参数连续采样N(奇数)次，然后把N次采样的值从小到大或从大到小排列，再取中间位置上的值作为本次采样值。*可以克服偶然因素引起的

15、波动干扰，或者采样器本身不稳定引起的脉动干扰；*只适用物理量变化较慢的工作场合。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,27,（3）算术平均值滤波,*算术平均值滤波主要用于对压力、流量等周期脉动参数采样值进行平滑加工，已使所测数据相对稳定，不适宜于克服随机性干扰。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,28,（4）加权平均值滤波,算术平均值滤波中N个采样值对滤波结果的影响因子是相同的，而加权平均值滤波则对N个采样值y1，y2，yN，考虑不同的加权系数，得,A1，A2，AN为加权系数，满足,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,29,（5）滑动平均值滤波

16、,滑动平均值滤波方法是，动态保留N个最近的采样数据，每采样一个新数据，便将保留时间最长的采样数据移走一个，随后按算术平均值或加权平均值方法计算出有效的采样值。*对周期性干扰有抑制作用，减少了总的采样次数，提高了采样速度。*不适用脉冲干扰比较严重的场合。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,30,（6）低通滤波,在工业控制系统中，大部分被测信号都是低频信号，比如温度、流量等等，而脉冲干扰信号属于高频信号，因此采用低通滤波的方法，可以消除高频干扰对测量精度的影响。,传递函数：,将上式离散后得差分方程：,为第k次采样值；,为第k次滤波结果的输出值；,为滤波平滑系数；,为采样周期。,A

17、pril 2,2023,第2章 输入通道接口技术,31,（7）复合数字滤波,复合数字滤波，也称为多级数字滤波，就是将两种或以上的数字滤波方法联合起来使用，其目的是进一步提高滤波效果。*算术平均值滤波与加权平均值滤波能较好地消除脉动干扰，而中值滤波则能较好地消除随机脉冲干扰。将两者结合起来的方法是首先把采样值从小到大排列，去掉最大值和最小值，将余下的采样值求平均。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,32,2、标度变换,将测量得到的二进制数据转换成对应的实际数值和单位，这一转换过程称为标度变换。（1）线性参数标度变换（2）非线性参数标度变换,April 2,2023,第2章 输入

18、通道接口技术,33,（1）线性参数标度变换,当被测参数值与A/D采样值成线性关系时，采用线性参数标度变换方法。,转换公式：,分别是测量仪表的下限值、上限值和当前测量值；,分别是测量仪表对应的A/D采样器的下限值、上限值和当前测量值。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,34,（1）线性参数标度变换,例题：某温度测量仪表，其量程为10 C50 C，采用的是8位A/D转换器，在某次测量过程中，A/D采样值经数字滤波后得到的数值为7BH，试求这次测量的实际温度值。,解：已知测量仪表的,8位A/D转换器的对应值,8位A/D转换器的当前值为：,利用公式：,所以，这次测量的实际温度值为29

19、.3 C。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,35,（2）非线性参数标度变换,有些参数的测量，对于A/D采样值，除了需要进行线性标度变换外，还需要经特定的公式计算才能得到测量结果。当这些特定的公式是非线性的时候，这样的计算过程被称为非线性参数标度变换。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,36,2.3 键盘接口技术,一、独立式按键二、行列式键盘 作业三、软键盘与触摸屏接口,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,37,一、独立式按键,独立式按键是指直接用输入端口线构成的单个按键电路。,设8255A的端口A连接8个按键，初始化设置为输入。*当无键按下

20、时，PA0PA7输入状态均为1（高电平）；*当有键按下时，则按键对应的端口线输入为0（低电平）。适用于按键比较少的系统，按键之间互不影响。,A,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,38,二、行列式键盘,行列式键盘(矩阵式键盘)由行线和列线组成，按键设置在行、列结构的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端。,A,列线输出,行线输入,判断有无键按下：*若C口的低四位全为高电平(即0FH)，则无键按下；*若C口低四位不全为高电平，则说明有键按下。,（先使A口输出均为低电平）,（再定时从PC端口读入行值）,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,39,1、定时扫描法,（1）

21、定时扫描键盘，判断有否按键按下？先使A口输出(列)均为低电平，再定时从PC端口读入行值，监视有无键按下：*若C口的低四位全为高电平(即0FH)，则无键按下；*若C口低四位不全为高电平，则说明有键按下。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,40,1、定时扫描法,（2）消除按键抖动,如果有按键按下，则延时1020ms后，再次从C口读入行值，如果此时仍有键按下，则确认键盘有键按下。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,41,1、定时扫描法,（3）求按键键值,首先对键盘逐列扫描(即逐列输出低电平)。*首先令PA00，然后由C口读入行值，是否等于0FH？若等于0FH，说明

22、该列无键按下；*再令PA10，然后由C口读入行值，是否等于0FH？若不等于0FH，说明该列有键按下，则求按键键值。假设，列输出值为0FDH(1111 1101)，而行读入值为0EH(0000 1110)，即所按键值为1。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,42,1、定时扫描法,（4）等待按键释放,为保证按键每闭合一次，计算机只作一次处理，程序需等待按键释放后，才作下一按键的处理。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,43,1、定时扫描法,设8255A的4个口分别为800H803H，初始化时已设A口为输出，C口为输入，则键盘扫描程序：(1)检查有无按键子程序(K

23、_CHK）(2)求按键键值子程序(3)按键处理子程序,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,44,1、定时扫描法,设8255A的4个口分别为801H803H，初始化时已设A口为输出，C口为输入，则键盘扫描程序：(1)检查有无按键子程序(K_CHK）(2)求按键键值子程序(3)按键处理子程序,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,45,1、定时扫描法,设8255A的4个口分别为801H803H，初始化时已设A口为输出，C口为输入，则键盘扫描程序：(1)检查有无按键子程序(K_CHK）(2)求按键键值子程序（KEY）(3)按键处理子程序,April 2,2023,第2章

24、 输入通道接口技术,46,2、中断扫描法,中断扫描法与定时扫描法的不同之处在于，没有按键时，键盘程序不用执行，这样就节省了CPU的时间。只有当任一键按下时，即IRQ2由低电平转为高电平时，向CPU申请中断。CPU响应中断后，再调用键盘程序。,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,47,2.4 开关量信号输入接口,一、多路开关量信号输入接口技术二、光电隔离与大功率输入接口技术,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,48,一、多路开关量信号输入接口技术,有些被控对象本身具备双值逻辑，如：开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器的吸合与释放，马达的启动与停止，可控硅的通和

25、断 这些信号的共同特征是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的，所以可把这些信号统称为数字信号。能将生产过程中的数字信号传送给计算机，即为数字量输入通道。数字量(开关量)输入通道的结构简图：,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,49,一、多路开关量信号输入接口技术,*信号变换器：将生产过程的非电量开关量转换为电压或电流的双值逻辑；*整形变换电路：将不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波和矩形波；*电平变换电路：将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的逻辑电平；*总线缓冲器：暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接；*接口逻辑电路：协调各通道的同步工作。,April 2,20

26、23,第2章 输入通道接口技术,50,一、多路开关量信号输入接口技术,数字量输入接口一般采用74LS244：,*74LS244可用来隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。*74LS244共有8个通道，可输入8个开关状态。经过端口地址译码，得到片选信号CS，在执行IN指令时，产生IOR信号，则状态信息通过输入接口送到PC总线的数据线上，然后装入AL寄存器。,*假设片选端口地址是 port，可用如下指令来完成取数：MOV DX,port；大于8位I/O地址送DXIN AL,DX；从端口读入数据送AL,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,51,一、多路开关量信号输入接口技术,当输入开关量路数较多时，可以采用接口扩充的方法：,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,52,二、光电隔离与大功率输入接口技术,为了隔断外界电信号对计算机控制系统的干扰，通常采用光电隔离技术，以阻断外界电信号对电路的串扰。1、光电隔离技术 2、大功率输入接口,April 2,2023,第2章 输入通道接口技术,53,作业,P381、3(1)(2)(6)、4、6,