【文章內(nèi)容簡介】 AL,03H OUT DX,AL POLLING:IN AL,DX 。查詢 STS狀態(tài) TEST AL,80H JNZ POLLING MOV AL,01H OUT DX,AL NOP MOV AL,05H 。允許讀出 OUT DX,AL MOV DX,02C0H IN AL,DX AND AL,0FH MOV BH,AL INC DX IN AL,DX MOV BL,AL INC DX MOV AL,03H OUT DX,AL 三、模擬量輸入通道的設(shè)計(jì) 1．模擬量輸入的光電隔離 為了抑制數(shù)字系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)尤其是對(duì)小信號(hào)的干擾，同時(shí)避免模擬量輸入串入高電壓而破壞數(shù)字系統(tǒng)，應(yīng)該對(duì)模擬量輸入采取電隔離措施。常用的電隔離措施是光電隔離，一般在計(jì)算機(jī)接口與 A/D 轉(zhuǎn)換電路之間實(shí)施，如圖 所示。 圖 模擬量輸入的光電隔離示意圖 2. 設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換器接 口要解決的幾個(gè)問題 (1)啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換器的起動(dòng)方式分為自動(dòng)轉(zhuǎn)換和外部使能控制。大多數(shù) A/D 芯片屬于后者，這時(shí)要先給出 A/D轉(zhuǎn)換器的片選信號(hào)，再給出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)。信號(hào)形式有兩種形式：電平啟動(dòng)信號(hào)和脈沖啟動(dòng)信號(hào)。電平啟動(dòng)信號(hào)要求在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中都必須保證啟動(dòng)信號(hào)有效。如果中途撤走啟動(dòng)信號(hào)，那就會(huì)停止轉(zhuǎn)換而得到錯(cuò)誤結(jié)果。為此， CPU 一般要通過并行接口來對(duì) A/D 芯片發(fā)啟動(dòng)信號(hào)，或者用 D 觸發(fā)器使啟動(dòng)信號(hào)在 A/D轉(zhuǎn)換期間保持在有效電平。脈沖信號(hào)啟動(dòng)是其前沿用于復(fù)位 ADC，后沿才用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，對(duì)脈沖的寬度也有不同的要求，通常用 CPU 執(zhí)行輸出指令時(shí)發(fā)生的片選信號(hào)和寫信號(hào)即可產(chǎn)生啟動(dòng)脈沖。 (2)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的，也可以是差動(dòng)的。差動(dòng)輸入的芯片，如 ADC 0804，常用 VIN(+)、VIN()或 IN(+)、 IN()一類標(biāo)號(hào)注明輸入端。如果用單端輸入的是正向信號(hào)，則把 VIN()接地，信號(hào)加到VIN(+)端；如果用單端輸入的是負(fù)向信號(hào)，則把 VIN(+)接地，信號(hào)加在 VIN()端；如果用差動(dòng)輸入，則模擬信號(hào)加到 VIN()端和 VIN(+)端之間。 (3)數(shù)據(jù)輸出線和系統(tǒng) 總線的連接 A/D 轉(zhuǎn)換器一般有兩種輸出方式。一種是具有可控的三態(tài)輸出門，這種芯片的輸出端可以直接和系統(tǒng)總線連接，由讀信號(hào)控制三態(tài)門，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后， CPU通過執(zhí)行一條指令，從而產(chǎn)生讀信號(hào)，將數(shù)據(jù)從 A/D轉(zhuǎn)換器中取出，如 ADC0809。另一種是內(nèi)部有三態(tài)輸出門，但其不受外部控制，而是由 A/D 轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)自動(dòng)選通。此外，還有某些 A/D 轉(zhuǎn)換器甚至根本沒有三態(tài)輸出門電路。這種情況下， A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出線不能直接和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連，而是必須通過 I/O 接口來實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換器和 CPU 之間的數(shù)據(jù)傳輸。 (4)ADC 和 CPU間的時(shí)間配合 在 A/D 轉(zhuǎn)換器和 CPU 連接時(shí)，最重要的問題是時(shí)間配合問題。 A/D 轉(zhuǎn)換器從接到啟動(dòng)命令到完成轉(zhuǎn)換給出結(jié)果數(shù)據(jù)總是需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，一般來說快者幾微秒，慢者幾十甚至幾百毫秒，這與 CPU 的指令周期相比長得多。為了得到正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須解決好啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀取結(jié)果數(shù)據(jù)這兩步操作間的時(shí)間配合問題。 常用的方法有四種。 178。延時(shí)等待法。 178。保持等待法。 178。查詢法。 178。中斷響應(yīng)法。 3. 模擬量輸入通道的精度 設(shè)計(jì)模擬量輸入通道時(shí)，還應(yīng)該考慮到其精度是否能夠滿足控制要求。即： 檢測元件的精度 +放大 器的精度 +A/D 的精度＜控制精度 這可以作為選擇模擬量輸入通道各元件的條件之一。這里主要介紹 A/D 轉(zhuǎn)換器的字長選擇。 (1)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍 設(shè)輸入信號(hào)的最大值和最小值之差為 ][)12( 1m i nm a x mvXX n ???? 式中 1n 為 A/D 轉(zhuǎn)換器的字長， ? 為轉(zhuǎn)換當(dāng)量〔 mv/bit〕。則動(dòng)態(tài)范圍為 ? mi nmax12 1 XXn ??? 因此， A/D 轉(zhuǎn)換器字長 )1(lo g m i nm a x21 ? XXn ??? (2)分辨率 有時(shí)對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換器的字長要求以分辨率形式給出。分辨率定義為： 12 11 ?? nD 例如， 8位的分辨率為 00 39 21 18 ???D 如果所要求的分辨率為 0D ，則字長 )11(log 021 Dn ?? 例如，某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為 0至 200℃，要求分辨率為 (即相當(dāng) 于 1℃ )，可求出 A/D 轉(zhuǎn)換器字長 ) 11(lo g)11(lo g 2021 ????? Dn 因此，取 A/D轉(zhuǎn)換器字長為 8 位。 第三節(jié) 模擬量輸出通道 一、模擬量輸出通道的作用 模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制輸出的關(guān)鍵，它的任務(wù)是將 CPU 輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到控制的目的。 二、模擬量輸出通道的組成 模擬量輸出通道一般由接口電路、 D/A 轉(zhuǎn)換器、功率放大和 V/I變換等信號(hào)調(diào)理電路組成。 D/A 轉(zhuǎn)換器 模擬量輸出通道的核心是數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 (Digital/Analog Converter,簡稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或 DAC)。它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置。 D/A轉(zhuǎn)換器原理及接口電路見微機(jī)接口課。 圖 是 DAC0832 與 PC 總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的接口電路。 圖 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器與 PC 總線工業(yè)控制機(jī)接口電路圖 若 DAC 0832 的口地址為 300H，則 8 位二進(jìn)制數(shù) 7FH 轉(zhuǎn)換為模擬電壓的接口程序?yàn)? MOV DX,300H MOV AL,7FH OUT DX,AL V/I 變換 一般情況下， D/A 轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓信號(hào)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場，為了便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，減少由于傳輸 帶來的干擾和衰減，需要采用電流方式輸出模擬信號(hào)。許多標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是采用 0～ 10mA 或 4～ 20mA 的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。因此，需要將模擬電壓信號(hào)通過電壓 /電流 (V/I)變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。 采用分立元件或運(yùn)算放大器均可以構(gòu)成 V/I轉(zhuǎn)換電路。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，目前已采用集成 V/I轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)。 三、模擬量輸出通道的設(shè)計(jì) 1. 模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式 一個(gè)實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，往往需要多路的模擬量輸出，其實(shí)現(xiàn)方法有兩種。 (1)每個(gè)通道設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的 D/A 轉(zhuǎn)換器，如圖 所示 。 圖 一個(gè)通路一個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖 (2)多通道復(fù)用一個(gè) D/A轉(zhuǎn)換器，并輔以多路模擬開關(guān)和采樣保持器來實(shí)現(xiàn)，如圖 所示。 圖 共用 D/A 轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖 2. 電壓輸出電路 對(duì)于電壓輸出，有時(shí)需要單極性輸出，有時(shí)需要雙極性輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用 D/A 轉(zhuǎn)換器外加運(yùn)算放大器的方法，把 D/A 轉(zhuǎn)換器的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。圖 給出了一個(gè)雙極性輸出的電路。 3. 模擬量輸出的光電隔離 在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中，為了消除公共地線帶來的互相干擾，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，應(yīng) 該采用光電隔離措施將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場被控系統(tǒng)隔離開來。模擬量輸出的光電隔離，一般在計(jì)算機(jī)與 D/A 轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字接口部分進(jìn)行，如圖 所示。 圖 D/A 轉(zhuǎn)換器的單極性與雙極性輸出電路圖 圖 模擬量輸出的光電隔離示意圖 4. D/A 轉(zhuǎn)換器的字長選擇 D/A轉(zhuǎn)換器輸出一般都通過功率放大器推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入值為 maxU ，最小輸入值為 minU ，靈敏度為 ? ，可得 D/A 轉(zhuǎn)換器的字長 )(lo g m i nm a x21 ? UUn ?? 即 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)范圍的要求。 8位 D/A轉(zhuǎn)換器可以滿足一般工程要求的精度，因而用的最多。 第四 節(jié) 工業(yè)現(xiàn)場的干擾及對(duì)系統(tǒng)的影響 一、干擾源與作用途徑 1. 干擾的來源 微機(jī)控制系統(tǒng)所受到的干擾源分為外部干擾和內(nèi)部干擾。 （ 1） 外部干擾 外部干擾的主要來源有：電源電網(wǎng)的波動(dòng)、大型用電設(shè)備 (如天車、電爐、大電機(jī)、電焊機(jī)等 )的啟停、高壓設(shè)備和電磁開關(guān)的電磁輻射、傳輸電纜的共模干擾等。 （ 2） 內(nèi)部干擾 內(nèi)部干擾主要有：系統(tǒng)的軟件干擾、分布電容或分布電感產(chǎn)生的干擾、多點(diǎn)接地造成的電位差給系統(tǒng)帶來的影響等。 2. 干擾的作用途徑 (1)傳導(dǎo)耦合 干擾由導(dǎo)線進(jìn)入電路中稱為傳導(dǎo)耦合。電源線、輸入輸出信號(hào)線 都是干擾經(jīng)常竄入的途徑。 (2)靜電耦合 干擾信號(hào)通過分布電容進(jìn)行傳遞稱為靜電耦合。系統(tǒng)內(nèi)部各導(dǎo)線之間，印刷線路板的各線條之間，變壓器線匝之間的繞組之間以及元件之間、元件與導(dǎo)線之間都存在著分布電容。具有一定頻率的干擾信號(hào)通過這些分布電容提供的電抗通道穿行，對(duì)系統(tǒng)形成干擾。 (3)電磁耦合 電磁耦合是指在空間磁場中電路之間的互感耦合。因?yàn)槿魏屋d流導(dǎo)體都會(huì)在周圍的空間產(chǎn)生磁場，而交變磁場又會(huì)在周圍的閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，所以這種電磁耦合總是存在的，只是程度強(qiáng)弱不同而已。 (4)公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是指多 個(gè)電路的電流流經(jīng)同一公共阻抗時(shí)所產(chǎn)生的相互影響。例如系統(tǒng)中往往是多個(gè)電路共用一個(gè)電源，各電路的電流都流經(jīng)電源內(nèi)阻 Rn 和線路電阻 RL， Rn 和 RL 就成為各電路的公共阻抗。每一個(gè)電路的電流在公共阻抗上造成的壓降都將成為其它電路的干擾信號(hào)。 各種干擾信號(hào)通過不同的耦合方式進(jìn)入系統(tǒng)后，按照對(duì)系統(tǒng)的作用形式又可分為共模干擾和串模干擾。 （ 1）共模干擾 共模干擾是在電路輸入端相對(duì)公共接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾，也稱為共態(tài)干擾、對(duì)地干擾、縱向干擾、同向干擾等。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號(hào)源的地 之間的傳輸線上電壓降造成的，如圖 所示。 圖 共模干擾示意圖 （ 2）串模干擾 串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號(hào)上的干擾，也稱之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等。圖 描述了串模干擾的情況。共模干擾對(duì)系統(tǒng)的影響是轉(zhuǎn)換成串模干擾的形式作用的。 圖 串模干擾示意圖 第五 節(jié) 硬件抗干擾技術(shù) 一、共模干擾的抑制 抑制共模干擾的主要方法是設(shè)法消除不同接地點(diǎn)之間的電位差。 1. 變壓器隔離 利用變壓器把模擬信號(hào)電路與數(shù)字信號(hào)電路隔離開來，也就是把模擬地與數(shù)字地?cái)嚅_，以使共模干擾電壓不成回路， 從而抑制了共模干擾。注意，隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源，切斷兩部分的地線聯(lián)系，如圖 所示。 圖 變壓器隔離圖 2. 光電隔離 光電隔離是利用光電耦合器完成信號(hào)的傳送，實(shí)現(xiàn)電路的隔離，如圖 所示。根據(jù)所用的器件及電路不同，通過光電耦合器既可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離，更可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的隔離。注意，光電隔離前后兩部分電路應(yīng)分別采用兩組獨(dú)立的電源。 圖 光電隔離圖 3. 浮地屏蔽 采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾。所謂浮地，就是利用屏蔽方法使信號(hào)的“模擬地”浮空，從而達(dá)到 抑制共模干擾的目的。 4. 采用具有高共模抑制比的儀表放大器作為輸入放大器 儀表放大器具有共模抑制能力強(qiáng)、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號(hào)的器件。 二、串模干擾的抑制 抑制串模干擾主要從干擾信號(hào)與工作信號(hào)的不同特性入手，針對(duì)不同情況采取相應(yīng)的措施。 1. 在輸入回路中接入模擬濾波器 如果串模干擾頻率比被測信號(hào)頻率高，則采用輸入低通濾波器來抑制高頻串模干擾；如果串模干擾頻率比被測信號(hào)頻率低，則采用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；如果串模干擾頻率落在被測信號(hào)頻譜的兩側(cè)，應(yīng)采 用帶通濾波器。 一般情況下，串模干擾均比被測信號(hào)變化快，故常用二階阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。 2. 使用雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器 當(dāng)尖峰型串模干擾為主要干擾時(shí)，使用雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器，或在軟件上采用判斷濾波的方法加以消除。 雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的平均值而不是瞬時(shí)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以對(duì)尖峰干擾具有抑制能力。如果取積分周期等于主要串模干擾的周期或?yàn)橹饕８蓴_周期的整數(shù)倍，則通過積分比較變換后，對(duì)串模干擾有更好的抑制效果。 3. 采用雙絞線作為信號(hào)線 若串模干擾和被測信號(hào)的頻率相當(dāng)， 則很難用濾波的方法消除。此時(shí)，必須采用其它措施，消除干擾源。通常可在信號(hào)源到計(jì)算機(jī)之間選用帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜，并確保接地正確可靠。 采用雙絞線作為信號(hào)引線的目的是減少電磁。雙絞線能使各個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電勢相互抵消。一般雙絞線的節(jié)距越小抗干擾能力越強(qiáng)。 4. 電流傳送 當(dāng)傳感器信號(hào)距離主機(jī)很遠(yuǎn)時(shí)很容易引入干擾。如果在傳感器出口處將被測信號(hào)由電壓轉(zhuǎn)換為電流，以