【正文】 的運(yùn)行狀態(tài) 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 圖 26 集中控制、 (a) 集中控制； (b) 集散控制； (c) 現(xiàn)場總線控制 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 2． 現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)是數(shù)字通信 ， 通信就必須有協(xié)議 ， 現(xiàn)場總線的協(xié)議是參照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)的開放系統(tǒng)互連 (OSI)協(xié)議 。 目前 ， 各個(gè)公司生產(chǎn)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品沒有一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) ， 但是各公司在制定自己的通信協(xié)議時(shí) ， 都參考了 OSI七層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) ， 且大都采用了其中的第 1層 、 第 2層和第 7層 ， 即物理層 、 數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層 ， 同時(shí)考慮現(xiàn)場裝置的控制功能和具體運(yùn)用增設(shè)了第 8層即用戶層 。 現(xiàn)場總線有兩種編碼方式： 曼徹斯特編碼 （ Manchester） 和不歸零編碼 （ NRZ） ， 前者同步性好 ， 但頻帶利用率低 ， 后者則剛好相反 。 其調(diào)制方式主要有 CPFSK和 COFSK。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 2） 關(guān)于 MAC層 ， 目前有以下三種協(xié)議： （ 1） 集中式輪詢協(xié)議 。 （ 2） 令牌總線協(xié)議 。 （ 3） 總線仲裁協(xié)議。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 3） 應(yīng)用層可以分為兩個(gè)子層 。 應(yīng)用層的功能是進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的傳送及現(xiàn)場總線變量的訪問 。 應(yīng)用層的管理功能在初始化期間初始化網(wǎng)絡(luò) ， 指定標(biāo)記和地址 。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 4） 用戶層 用戶層是現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)在 OSI模型之外新增加的一層 ， 是使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)開放與可互操作性的關(guān)鍵 。 事實(shí)上 ， 各廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)功能塊的程序可能完全不同 ， 但對(duì)功能塊特性描述 、 參數(shù)設(shè)定及相互連接的方法是公開統(tǒng)一的 。 功能塊除了輸入 /輸出信號(hào)外 ， 還輸出表征該信號(hào)狀態(tài)的信號(hào) 。 由于本身的特點(diǎn) ， 其應(yīng)用范圍已不再局限于汽車工業(yè) ， 而向過程控制 、 機(jī)械工業(yè) 、 紡織機(jī)械 、 機(jī)器人 、 數(shù)控機(jī)床 、 醫(yī)療器械 、 智能建筑等領(lǐng)域發(fā)展 。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 2) LONWORKS(局域操作網(wǎng)絡(luò) ) LONWORKS由美國 Echelon公司研制 ， 其核心是 Neuron(神經(jīng)元 )芯片 ， 內(nèi)含 3個(gè) 8位的 CPU。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 3) PROFIBUS(過程現(xiàn)場總線 ) PROFIBUS是德國標(biāo)準(zhǔn) ， 有幾種改進(jìn)型 ， 分別用于不同的場合 。 4) HART(可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路 ) HART由美國 Rosemount公司研制 ， HART協(xié)議參照 ISO／ OSI模型的第 7層 ， 即物理層 、 數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層 。 FF現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)共有 4層協(xié)議 ， 即物理層 、 數(shù)據(jù)鏈路層 、 應(yīng)用層和用戶層 。 圖 27所示為一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。 再通過測控接口與模擬或數(shù)字輸入通道 、 模擬或數(shù)字控制通道 、 智能儀器儀表等連接起來 。 其中 ， 硬件結(jié)構(gòu)主要有傳感器 、 多路開關(guān)及采樣 /保持器 （ S/H） 、 濾波器和放大器 （ IA） 、 A／ D轉(zhuǎn)換器 、 計(jì)算機(jī)及接口電路等 。 （ 1） 多通道同步型 。 這種結(jié)構(gòu)可允許對(duì)各通道之間的相互關(guān)系 (如互相關(guān) 、 互功率譜等 )進(jìn)行分析 。 它是多個(gè)單通道 DAS的組合 ， 可以對(duì)各通道數(shù)據(jù)描述同時(shí)實(shí)時(shí)給出 ， 具有靈活性強(qiáng) 、 高速 、 高精度的特點(diǎn) 。 當(dāng) 為 “ 1”時(shí) ， 通道斷開 ， 禁止模擬量輸入；當(dāng) 為 “ 0， 通道接通 ， 允許模擬量輸入 。 INHINH第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 圖 2— 10 CD4051原理圖 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 圖中 ， 邏輯電平轉(zhuǎn)換單元完成 CMOS到 TTL的電平轉(zhuǎn)換 ， 因此這種多路開關(guān)輸入電平范圍廣 ， 數(shù)字量輸入為 3～ 15 V， 模擬量可達(dá) 15 V。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 2） CD4052 CD4052為雙向 4通道多路開關(guān) ， 其工作原理與 CD4051相似 ， 兩者不同之處在于 CD4052只有兩個(gè)通道選擇輸入端 A、 B， 這樣可以選擇 4種狀態(tài) 。 因此 ， 這種開關(guān)適宜做差動(dòng)信號(hào)輸入的多路開關(guān) 。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 圖 211 CD4052原理圖 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 3） CD4053 CD4053為三重兩通道多路開關(guān) ， 其原理與 CD4052基本相同 。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 圖 212 CD4053原理圖 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 表 22 CD4051／ CD4052／ CD4053的真值表 輸入狀態(tài) 接通通道 I N H C B A C D 4 0 5 1 C D 4 0 5 2 C D 4 0 5 3 0 0 0 0 0 0X ， 0Y c x , b x , a x 0 0 0 1 1 1X ， 1Y c x , b x , a y 0 0 1 0 2 2X ， 2Y c x , b y , a x 0 0 1 1 3 3X ， 3Y c x , b y , a y 0 1 0 0 4 c y , b x , a x 0 1 0 1 5 c y , b x , a y 0 1 1 0 6 c y , b y , a x 0 1 1 1 7 c y , b y , a y 1 無 無 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 2． 采樣／保持電路是為了保證在 A／ D轉(zhuǎn)換過程中 ， 使模擬信號(hào)以較高的精度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 。 采樣／保持器有兩種工作方式：一種是采樣方式；另一種是保持方式 。 在采樣方式中 ， 采樣／保持器的輸出跟隨模擬輸入電壓；在保持方式中 ， 采樣／保持器的輸出將保持采樣命令發(fā)出時(shí)刻的輸入值 ， 直到保持命令撤消 (即轉(zhuǎn)到采樣命令 )時(shí)為止 。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 圖 213 采樣 / (a) 工作方式； (b) 采樣 /保持器 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 1) AD582 AD582是由高性能運(yùn)算放大器 、 低泄漏電阻的模擬開關(guān)及一個(gè)由結(jié)型場效應(yīng)管組成的輸入放大器等三部分組成 。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 圖 2— 14 AD582的引腳及原理圖 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 AD582的各引腳功能如下： +IN、 － IN：采樣／保持器模擬輸人信號(hào)端 。 NULL：調(diào)零端 。 CH：外接保持電容 。 0UTPUT：采樣／保持器輸出端。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 Logic IN+、 Logic IN－：邏輯控制差動(dòng)輸入端 。 +Vs、 － Vs：電源端 。 NC：空腳。 該時(shí)間與所選擇的保持電容的大小有關(guān) 。 該比值越大 ， 表明保持電壓下降速率越低 。 V S， 可適用于 12位的 A／ D轉(zhuǎn)換器 。 （ 5） 可與任何獨(dú)立的運(yùn)算放大器連接， 以控制增益或頻率響應(yīng)， 并提供反相信號(hào)。 當(dāng)邏輯控制信號(hào)為高電平時(shí) ， 處于跟隨狀態(tài)；為低電平時(shí)處于保持狀態(tài) 。 LF198系列采用兩種封裝方式 ， 一種是雙列直插式封裝 （ 見圖 216(a)） ， 另一種是 8腳金屬管殼封裝 （ 見圖 216(b)） 。 18 V； ② 功率耗散 (封裝限制 )為 500 mW； ③ 工作環(huán)境溫度范圍： LF198／ LF198A為－ 55～ +125℃ ， LF298為－ 25～ +85℃ ， LF398為 0～ +150℃ ； ④ 存儲(chǔ)溫度范圍為－ 65～ +150℃ ； ⑤ 輸入電壓為電源電壓； ⑥ 邏輯到邏輯基準(zhǔn)的差動(dòng)電壓為 +7 V， － 30 V； ⑦ 輸出短路持續(xù)時(shí)間不確定； ⑧ 保持電容器短路持續(xù)時(shí)間為 10 s； ⑨ 引線溫度 (焊錫， 10 s)為 300℃ 。 管腳 2是調(diào)零端 。 固定電阻以其流過 mA為宜選取阻值 。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 圖 217 LF398應(yīng)用典型電路 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 3. 模 /數(shù) （ A／ D） 轉(zhuǎn)換器 A／ D轉(zhuǎn)換器是一種將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件 ， 通常也稱為 ADC。 為此 ， 需要在傳感器與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換 ， 以便將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào) 。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 A／ D轉(zhuǎn)換器的類型較多 。 并行與串行 ADC各有其優(yōu)勢 。 串行 ADC占用的數(shù)據(jù)線少 ， 轉(zhuǎn)換速度慢 ， 但它也有自身的優(yōu)點(diǎn)： 一是便于信號(hào)隔離 ， 只需少數(shù)幾路光電隔離器件就可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離 ， 在轉(zhuǎn)換位數(shù)較多的情況下具有較高的性價(jià)比；二是其芯片小 、 引腳少 ， 便于線路板的制作 。 A／ D轉(zhuǎn)換器的分辨率習(xí)慣上以輸出二進(jìn)制位數(shù)或 BCD碼位數(shù)表示 。 ?12位 A／ D轉(zhuǎn)換器 AD574的分辨率為 12位，用百分?jǐn)?shù)表示為 %%1004096 1%1002 112 ????第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 它的滿度字位為 1 999，其百分?jǐn)?shù)表示的分辨率為 %%1001999 1 ?? A／ D轉(zhuǎn)換器的分辨力 (1 LSB)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總分辨力起著決定性作用 。 1/2LSB。 完成一次 A／ D轉(zhuǎn)換的時(shí)間 TC為 A／ D轉(zhuǎn)換時(shí)間 ， 在這段時(shí)間里輸入 A／ D的模擬電壓數(shù)值應(yīng)穩(wěn)定不變 ， 否則就會(huì)造成 A／ D轉(zhuǎn)換的誤差 。 (4) 轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時(shí)間 Tc的倒數(shù) ， 如 Tc=20 ns， 即轉(zhuǎn)換速率為 50MSPS， 就是說每秒完成 50 100次 A／ D轉(zhuǎn)換 。 A／ D轉(zhuǎn)換器除了以上主要技術(shù)特性外，作為一個(gè)測量系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，它也有測量環(huán)節(jié)的基本特性 (靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性 )相對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，如零點(diǎn)、非線性誤差 (線性度 )、量程等，除廠家給出外，用戶可以自行檢驗(yàn)或標(biāo)定。 一次轉(zhuǎn)換時(shí)間為 25μ s， 轉(zhuǎn)換速率為 40MSPS， 分辨率 12位 ， 非線性誤差小于 177。 采用 28腳雙立直插式封裝 ，各引腳功能如圖 218所示 ， 圖 219是其管腳圖 。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 2) 模擬信號(hào)輸入引腳 AD574A可提供四種模擬量量程范圍的輸入：單極性 0～ +10 V， 0～ +20 V；雙極性－ 5～ +5 V， － 10～ +10 V。 10 VIN(13腳 )——接量程 0～ +10 V輸入信號(hào)； 20 VIN(14腳 )——接量程 0～ +20 V輸入信號(hào) 。 10 VIN(13腳 )——接量程－ 5～ +5 V輸入信號(hào)； 20 VIN (14腳 )—— 接量程－ 10～ +10 V輸入信號(hào)。 1％ 。 說明： 使用片內(nèi)參考電壓源時(shí) ， 8腳經(jīng) 100 Ω 可調(diào)電阻接 10腳；使用外部參考電壓源時(shí) ， 10腳接外部參考電壓源 。 (5) 芯片工作控制信號(hào)引入腳 CE(6腳 )—— 片能用信號(hào)輸入端； CS(3腳 )—— 片選信號(hào)輸入端 。 第 2章 檢測信號(hào)的傳輸與采集 6) A／ D轉(zhuǎn)換啟動(dòng) 、 R／ C(5腳 )——讀／信號(hào)轉(zhuǎn)換 ， 低電平 “ 0”啟動(dòng) A／ D轉(zhuǎn)換 ，高電平 “ 1”讀 A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)； 12／ 8(2腳 )——數(shù)據(jù)輸出方式選擇 ， “ 1”高電平 (必須接 +5 V(1腳 ))對(duì)應(yīng) 12位并行數(shù)碼輸出； “ 0”低電平 (必須接 15腳 、 地 )對(duì)應(yīng) 8位雙字節(jié)輸出； A0(4腳 )——字節(jié)選擇 。 ② 當(dāng) R/C=0且 A0=0時(shí) ， 按 12位 A／ D轉(zhuǎn)換方式工作；當(dāng) R/C=0且 A0