【正文】 大器才能轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，在這種情況下，模擬輸出電壓0V 與輸入數(shù)字量 A 和參考電壓 RV 的關(guān)系為 RAVV ??0 ( A?0 1) 這是一種工作范圍為二象限的 D/A 轉(zhuǎn) 換接口，即單值數(shù)字量 A 和正負(fù)參考電壓177。要達(dá)到此目的，模擬輸出接口應(yīng)包括兩部分的設(shè)計，一是 CPU 與 D/A 轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號傳輸接口部分的硬件、軟件設(shè)計，二是 D/A 轉(zhuǎn)換器與執(zhí)行器之間模擬信號傳輸接口的接口硬件設(shè)計。選型時主要考慮的因素有如下幾點： （ 1） 80C196KB 采用 寄存器－寄存器結(jié)構(gòu)， CPU 操作的 256 字節(jié)寄存器空間，每一寄存器都可作累加器，消除了 8 位 MCU 中累加器的瓶頸效應(yīng)，操作速度更快和數(shù)據(jù)吞吐能力更強， CPU 有更簡潔的程序代碼，能更充分利用內(nèi)存。 模擬量輸出卡利用 高速輸入中斷實現(xiàn)與控制卡數(shù)據(jù)通信。因此， T1 的計數(shù)值和存儲器空間類似，屬于閉合空間。 MSCIS 接口系統(tǒng)板卡的單片機控制程序是依據(jù)這幾個基本要求設(shè)計和調(diào)試的，采用了模塊化程序設(shè)計、靜態(tài)或動態(tài) 仿真程序設(shè)計模擬現(xiàn)實的運行、軟件抗干擾等手段。 GAL 器件就是把 EEPROM 的工藝用于 PLD 的結(jié)果。下面分別介紹 4 種開關(guān)單元的功能。它由 AC0 和 AC1（ N）作用到一個二輸入端的或非門，通過或非門的輸出對多路開關(guān)選擇進(jìn)行控制。 輸入腳 9 和輸出腳 11 與三態(tài)緩沖門74LS125 的輸出端和控制端相連接，其作用是實現(xiàn)上位機將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線寫入選中的 I/O端口，輸出腳 12和數(shù)據(jù)地址鎖存器 74LS573的使能端相連，其作用為對 I/O 端口地址譯碼、對 I/O 端口的數(shù)據(jù)傳輸使能、對下位功能板卡片選使能、機箱總線 I/O 信號有效，輸入腳 18 和 19分別接程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的片選端，其目的就是為數(shù)據(jù)和程序存儲器分配存儲地址空間，各個引腳的邏輯表達(dá)式如下： OUT12 = IN9 OUT13 = IN11 OUT16 = IN1* IN2* IN3* IN4* IN5* IN6* IN7 OUT18 = IN1 OUT19 = IN1 + IN1* IN2* IN3* IN4* IN5* IN6* IN7 二、 AO卡中 GAL16V8(U5)邏輯功能 AO 卡中的 U5 單元 GAL16V8(請見附錄 1 AO 卡原理圖 )的目的是實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的片選和所需的控制邏輯。當(dāng) （ N） = 01 時，三態(tài)門處于高阻狀態(tài)，無輸出，此時 I/O 可作輸入用。 OLMC 的異或門和 4 個多路開關(guān)的控制，是由一些結(jié)構(gòu)控制字 XOR（ N） 、 AC0、 AC（ N）和 SYN 進(jìn)行編程控制的。軟件抗干擾方法具有簡單、靈活方便、耗費硬件資源少的特點，在微機測控系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。在工程應(yīng)用軟件設(shè)計中，采用匯編語言比高級語言更具有實時性。作為系統(tǒng)時鐘的定時器 T1 一直在循環(huán)計數(shù)，任何時候都可以讀它，但只有系統(tǒng)復(fù)位操作才能使它停止計數(shù)并復(fù)位。 HSI 能檢測到每個引腳上產(chǎn)生的 4 種 形式的外武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 部事件，事件形式由 HSI 事件形式寄存器確定。當(dāng)紅燈亮?xí)r，表示系統(tǒng)進(jìn)入 通信中斷服務(wù) 程序，上位機正在給本卡傳輸轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和各個通道的屬性字；當(dāng)綠燈亮?xí)r，表示本卡與上位機通信結(jié)束，執(zhí)行主程序初始化各參數(shù)，進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換并等待上位機下傳數(shù)據(jù)和各個通道的屬性字。該信號與 WR2 信號相結(jié)合，用將輸 入鎖存器中的 12 位數(shù)據(jù)送至 D/A 寄存器； DI0DI11:12 位數(shù)據(jù)輸入端，其中的高 8 位 DI11DI4 直接和單片機的DI7DI0 相連，低 4 位 DI3DI0分別和單片機的 DI7DI4 相連； IOUT1:D/A 電流轉(zhuǎn)換輸出 1， D/A 寄存器全“ 1”時，輸出電流最大，全“ 0”時輸出為 0； IOUT2:D/A 電流轉(zhuǎn)換輸出 2，并滿足 IOUT1+IOUT2=常數(shù)； Rf:反饋電阻； VREF:參考電壓輸入端（－ 10V +10V）； VCC:電源電壓輸入端（＋ 5V +15V）； DGND:數(shù)字地； AGND:模擬地。使用內(nèi)部帶有參考電壓源的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片不 僅能保證有較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡化接口電路。 D/A 轉(zhuǎn)換接口設(shè)計的一般性問題 模擬量輸出通道不論采用何種形式，都要取決于數(shù) /模轉(zhuǎn)換器和與 CPU的接口，在 D/A 轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計中，主要考慮的問題是 D/A 轉(zhuǎn)換芯片的選擇、武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 數(shù)字量碼的輸入及模擬量的極性輸出、參考電壓電流源、模擬電量輸出的調(diào)整與分配等。 （ 6）饋送誤差 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 15 饋送誤差是指雜散信號通過 D/A 器件內(nèi)部電路耦合到輸出端而造成的誤差。例如， 8 位二進(jìn)制 D/A 轉(zhuǎn)換器，其分辨率位 8 位。但使用了較多 的 D/A 轉(zhuǎn)換器，因而成本較高，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，成本將不成問題。每一個 CAN 總線控制鏈路中，最多可連接 10 個機箱，通信鏈路總長度理論上可達(dá) 10km，系統(tǒng)通信位速率理論上可達(dá) 1Mbps。 微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，為實時仿真系統(tǒng)的 I/O 接口系統(tǒng)研制提供了更開闊的研究思路、更先進(jìn)的技術(shù)路線和更豐富集成電路資源。 20 世紀(jì) 90 年代以來，微電子技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，其工藝水平以達(dá)到了深亞微米級，在一個芯片上可以集成數(shù)百萬乃至上千萬只晶體管，工作速度可達(dá)到 Gb/s，這為制造出規(guī)模更大、速度和信息容量更高的芯片提供了基礎(chǔ)條件。 20 世紀(jì) 70年代末美國 NMI 公司率先推出了可編程陣列邏輯 PAL（ Programmable Array Logic）器件，它 成為第一個得到普遍應(yīng)用的可編程邏輯器件。同傳統(tǒng)的集散系統(tǒng) DCS 相比， FCS 的優(yōu)點與現(xiàn)場總線的原理密切關(guān)聯(lián)，有如下優(yōu)點： （ 1）經(jīng)濟(jì)性，一對 N 結(jié)構(gòu)，一對傳輸線，連接 N 臺儀表雙向傳輸多個信號，節(jié)省電纜費用可觀，且安裝簡單，維護(hù)容易； （ 2）可靠性，現(xiàn)代數(shù)字信號傳輸技術(shù)抗干擾能力強，精度高； （ 3）可控性，操作員在控制室既可了解現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整； （ 4）綜合性，現(xiàn)場總線儀表（簡稱現(xiàn)場儀表）具備智能和綜合能力，可檢測，變換，補償，又有控制和運算功能，實現(xiàn)一表多用，既方便，又節(jié)?。? （ 5）互換性和互操作性，打破了傳統(tǒng) DCS自成體系，互相封鎖的局面；現(xiàn)場總線允許選用各制造商性能價格比最高的產(chǎn)品集成在一起，實現(xiàn)“即接即用”，即對不同品牌的儀表或設(shè)備互相連接，統(tǒng)一組態(tài)。 1992 年，由 Siemens、 Foxboro、Rosemount、 ABB 等公司成立 ISP 組織，以德國 Profibus 為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。從我 國乃至目前世界應(yīng)用范圍來看，單片微型計算機應(yīng)用的主流品種仍然是 Intel 公司的 MCS51 系列及其兼容品種、 MCS96 系列， Motorola 公司的 MC68 系列，以及 Philips公司的 51LPC 系列等。仿真中心新研制的仿真模擬器正在從 UNIX系統(tǒng)下仿真支持平臺向 WINDOWS系統(tǒng)仿真支持平臺過渡。 在電子技術(shù)高速發(fā)展和計算機信息技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，以計算機為核心，操作控制盤臺為基礎(chǔ)所構(gòu)成的各種仿真訓(xùn)練器，已成為當(dāng)今重大生產(chǎn)或過程控制 設(shè)備運行人員上崗操作、監(jiān)控、養(yǎng)護(hù)訓(xùn)練的重要手段，受到國內(nèi)外高度重視，并在電力、石化、航空、航天、航海等諸多領(lǐng)域廣泛使用。由于系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)為：控制面向多元化、系統(tǒng)面向分散化。 由武漢理工大學(xué)系統(tǒng)仿真及控制技術(shù)研究中心自行研制的 WMS 系列遠(yuǎn)洋船舶輪機模擬器是 運用于輪機系統(tǒng)仿真的典型的分布式控制系統(tǒng)，采用計算機圖形技術(shù)設(shè)計仿真模擬器操作界面，用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)各操作臺以及其它功能臺間的通訊。 MSCIS 接口系統(tǒng)的開發(fā)對 提高我校 WMS系列 船舶仿真訓(xùn)練器的技術(shù)水平及自主知識產(chǎn)權(quán) ，具有重大社會、經(jīng)濟(jì)意義。同時隨著芯片制造技術(shù)的發(fā)展，該芯片的價格也較低。高速總線 H2 也完成了部分測試試驗和其它工作。同時，它可以廉價地用于交通運載工具電氣系統(tǒng)中，例如，燈光聚束 、 電氣窗口等等以代替所需要的硬件連接。 FPGA（ Field Programmable Gates Array，現(xiàn)場可編程門陣列） 的門延時已小于 3ns， Xilinx 公司生產(chǎn)的 FPGA 從最初的 1200個可利用門發(fā)展到現(xiàn)在可達(dá) 25 萬個可利用門，規(guī)模已擴大 200 多倍。各種 EDA 工具在該框架中可以并行使用。 模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式 [12][19] 模擬量輸出通道的任務(wù)是把微型機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬量。 R R R Rf ?? U0 + 2R 2R ?? 2R 2R K Kn2 Kn1 UR 002a 222?? nna 112?? nna 圖 T 型網(wǎng)絡(luò)組成的 D/A 轉(zhuǎn)換器 R2R 式 T 型網(wǎng)絡(luò)只用兩種數(shù)值的電阻 R 和 2R 組成，該電路的特點是，任何一個節(jié)點的 3 個分支，其等效電阻是相等的。 （ 3）失調(diào)誤差 失調(diào)誤差是指數(shù)字輸入全為 0 碼時，模擬輸出值與理論值之偏差。轉(zhuǎn)換速率反映了電壓型輸出的轉(zhuǎn)換器中輸出運算放大器的特性。 數(shù)字輸出特性：指 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出電量特性（電壓還是電流），多數(shù) D/A 轉(zhuǎn)換器采用電流輸出。 采用偏移二進(jìn)制碼方法實現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出比較容易，而且與計算機輸出兼容，因為只需將最高位求反，就可將二進(jìn)制的補碼轉(zhuǎn)換為偏移碼。 系統(tǒng)總體設(shè)計原理框圖參見圖 。 80C196KB 單片機是屬于 CHMOS MCS96 系列，是以高速輸入輸出（ HSIO）結(jié)構(gòu)為特征的微控制器。它由 HSO命令寄存器、時間寄存器、保持寄存器、內(nèi)容定址存儲器（ CAM）陣列、控制邏輯、比較器、多路開關(guān)、定時器 T定時器 T2 和信號輸出部件組成。選用 ASM96 宏匯編語言，主要是考慮了以下幾個原因： (1) 編譯器支持豐富的數(shù)據(jù)類型：字、字節(jié)、短整形數(shù)、整形數(shù)、位、雙字、和長整形數(shù)； (2) 直接利用 CPU 的硬件特性，跟蹤系統(tǒng)的硬件單元，程序設(shè)計更直觀，系統(tǒng)定時更精確； (3) 編譯器產(chǎn)生目標(biāo)碼更緊湊，編譯效率更高，執(zhí)行時間更短。因此，要使系統(tǒng)可靠地運行，必須采取有效的抗干擾措施。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 26 1．可編程邏輯器件 GAL 的特點 系統(tǒng)在設(shè)計中選用 GAL 作為可編程的邏輯部分的元件，主要考慮了 GAL的以下幾個優(yōu)點和特點： (1) 快速電擦、電寫，可重復(fù)編程 100 次以上； (2) 有重構(gòu)器件功能；； (3) 低功耗、高速度； (4) 可靠的“防可控硅”效應(yīng)； (5) 100%的成品率， 100%功能可測性； (6) 具有輸出邏輯宏單元 OLMC，可使用戶形成所需的輸出； (7) 可設(shè)置加密位，防止非法復(fù)制邏輯。當(dāng) AC0 = 1 且 AC1（ N） = 1 時，第一個積項不用作輸入項，而用作三態(tài)門的控制項；當(dāng) AC0、 AC1（ N）為其它組合時，第一個積項用作或門的一個輸入項。在最靠外兩端的 OLMC 中， !SYN 代替 AC0， SYN 代替 AC1（ M）（ M 表示臨級）作為 FMUX 的輸入。 3． GAL 在模擬量輸出接口卡上的應(yīng)用 在接口系統(tǒng)的 AO 卡上使用了 4 片 GAL16V8D 這種可編程邏輯芯片，主要用于板卡數(shù)字邏輯控制、系統(tǒng)重構(gòu)、邏輯加密電路、多路開關(guān)等方面。四個輸入分別為：由與陣列來的第一個積項、由公共端來的可作八個 OLMC 公用的控制信號（ OE）、固定的高電平（ VCC）和固定的低電平（ GND）。 2．輸出邏輯宏單元 OLMC 及工作原理 GAL 器件的輸出邏輯宏單元結(jié)構(gòu)參見圖 。抗干擾措施有硬件措施和軟件措施。但是 ASM96 宏匯編作為一種傳統(tǒng)的編譯器仍然能夠立足，可以看出有許多其它編譯器是無法超越的優(yōu)勢方面。執(zhí)行后一操作時，會自動地把命令和時間同時裝入 HSO 保持寄存器中，此時若有空的 CAM寄存器，上述數(shù)據(jù)就進(jìn)一步裝入到 CAM 陣列中，否則就只能保存在保持寄存器中等待而不能進(jìn)入。 80C196KB系統(tǒng)集成度高，配置多種外設(shè)接 口，構(gòu)成單片機系統(tǒng)簡單，便于設(shè)計與維護(hù)且性能價格比高。輸出電壓范圍 :單極性 :0～ +5V 和 0～ +10V，雙極性 :5V～+5V,10V～ +10V，并且可在軟件