智能儀器第4章 輸出通道及數(shù)據(jù)通信接口技術(shù)

第四章輸出通道及通信接口技術(shù)4.1智能儀器輸出通道信號(hào)種類

DC電流信號(hào)長(zhǎng)距離傳送、負(fù)載串聯(lián)、0~10mA或

4~20mA、抗干擾強(qiáng)DC電壓信號(hào)短距離、負(fù)載并聯(lián)、0~5V或1~5V越限報(bào)警比較被測(cè)量與所設(shè)定的高低限值，根據(jù)比較結(jié)果以開關(guān)量的形式驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警，并輸出給控制設(shè)備采取措施。開關(guān)量控制某些被控對(duì)象采用位執(zhí)行機(jī)構(gòu)或開關(guān)式器件進(jìn)行自動(dòng)控制，它們的動(dòng)作是用于開關(guān)信號(hào)的控制的，如電磁閥、繼電器、接觸器等。按控制的開關(guān)信號(hào)的電氣接口形式分為有源和無(wú)源兩類。指示工作狀態(tài)讓上位機(jī)或操作人員了解智能儀器自動(dòng)或手動(dòng)、正?；蚬收系鹊墓ぷ鳡顟B(tài)。數(shù)字量輸出信號(hào)數(shù)字量的輸出信號(hào)分為串行和并行兩種。其中串行用于較遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，并行傳輸速度快，但需要導(dǎo)線多一般用于近距離傳輸。儀器1儀器3儀器2儀器1儀器2儀器3IINVIN4.2DAC工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)

DAC工作原理VREFVo-+A??????RfR/2nRR/21S0S1Snd0d1dnIOUTVo=-IOUTRf=-(d+d×21+?

?

?

?

?

?

d×2n)VREFRRf2DAC轉(zhuǎn)換主要技術(shù)指標(biāo)

2.1分辨率

分辨率是指輸入數(shù)字量的最小有效位（LSB）產(chǎn)生一次變化時(shí)，DAC輸出變化的最小增量相對(duì)滿刻度的百分比。2.2準(zhǔn)確度(線性誤差)

準(zhǔn)確度是指DAC的實(shí)際輸出與理論值的最大偏差，是DAC各種誤差之和，包括非線性誤差、零點(diǎn)誤差、增益誤差和溫度漂移等。2.2.1絕對(duì)精度

常用LSB作為單位。2.2.2相對(duì)精度

表示為滿刻度輸出值的百分?jǐn)?shù)。2.3建立時(shí)間數(shù)字量從全“0”變?yōu)槿?”（或從全“1”變?yōu)槿?”）時(shí)，DAC輸出模擬量達(dá)到終值1/2LSB誤差范圍之內(nèi)所需要的時(shí)間。

位數(shù)建立時(shí)間μs非線性誤差工作電壓V基準(zhǔn)電壓V功耗mW輸出數(shù)據(jù)總線接口路數(shù)DAC0832810.2%FSR+5～+15-10～+1020I并行1AD752480.50.1%FSR+5～+15-10～+1020I并行1MAX50686±1LSB+5或±50～5或±525V并行4MAX51886±1LSB+50～512.5V串行2MAX5031025±1LSB+52.048（內(nèi)）1.25V并行1MAX5151025±1LSB+50～30.7V串行1AD7520100.50.2%FSR+5～+15-25～+2520I并行1DAC12101210.1%FSR+5～+15-10～+1020I并行1MAX5381225±1LSB+50～30.7V串行1幾種常用DAC芯片的技術(shù)指標(biāo)4.3DAC轉(zhuǎn)換與接口

電流轉(zhuǎn)換成電壓Vo-+ADAC-+ADAC-VREF單極性輸出雙極性輸出RFRFR1VOUTIOUTIOUT2DAC芯片與微型計(jì)算機(jī)及接口2.1DAC位數(shù)等于CPU數(shù)據(jù)總線位數(shù)接口時(shí)的接口P1.7P1.0～8031DB7DB0～Vef（+）Vef（-）I0RfA-+580+5VV02DAC與微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)2.2DAC位數(shù)大于CPU數(shù)據(jù)總線位數(shù)接口時(shí)的接口Vo-+ADAC1210Iout1Voref(+)AD5088031P1.0P1.7DB0~DB3P2.0P2.1P2.7WRDB4~DB11BYTE1/BYTE2CSXFERWR1WR2Iout2Rfb+5V2DAC與微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)2.3多通道模擬量輸出時(shí)的DAC接口8031接口DACDACDAC每路使用獨(dú)立的DAC8031接口DAC2DAC與微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)2.3多通道模擬量輸出時(shí)的DAC接口模擬開關(guān)S/HS/HS/H多路共享一個(gè)DAC2.4采用單片多路DA芯片實(shí)現(xiàn)多通道模擬量輸出：MAX506:四路、八位DAC芯片。2DAC與微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)2.5串行輸入DAC與CPU接口

串行數(shù)字輸入DAC的數(shù)字量輸入端可以使用很少幾個(gè)引腳，從而使DAC的總管腳數(shù)達(dá)到很少，接口布線大為簡(jiǎn)化，占用印刷電路板的面積也很少，而且是用于遠(yuǎn)距離傳輸。但串行數(shù)字輸入DAC的不利在于接收數(shù)據(jù)較慢。典型芯片：TLC5615是10位串行DA轉(zhuǎn)換器。

2.5串行輸入DAC與CPU接口MAX515為低功耗、單5V電源、電壓輸出的10位DA轉(zhuǎn)換器。2DAC與微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)1.1階梯波和鋸齒波1數(shù)字波形合成4.4數(shù)字波形合成與V/I轉(zhuǎn)換電路

DAC輸出的模擬電壓或電流取決于DAC的輸入數(shù)字量，利用程序的方法不斷地給DAC輸入不同的數(shù)字量，可以在DAC輸出端得到連續(xù)變化的波形，這就是數(shù)字波形合成的基本原理。

MOV A,#0 LOOP1: MOV P1,A ;輸出數(shù)碼到DAC

ADD A,#N ;數(shù)碼增加N CALL DELAY SJMP LOOP1 ;循環(huán) END1.1階梯波和鋸齒波DAP0: MOV R7,#00H ;置輸出初值

DAP1: MOV A,R7 ;數(shù)字量送A MOV P1,A ;送D/A轉(zhuǎn)換

INC R7 ;修改數(shù)字量 CJNE R7,#255,DAP1 ;數(shù)字量不等于255，轉(zhuǎn)DAP1 AJMP DAP0 ;重復(fù)下一個(gè)波形1.2三角波（程序有錯(cuò)）數(shù)字波形形成4.4數(shù)字波形合成與V/I轉(zhuǎn)換電路

DAS0: MOV R7,#80H ;DAS1: MOV A,R7 ; MOV P1,A ; INC R7 ; CJNE R7,#255,DAS1 ;DAS2: DEC R7 ; MOV A,R7 ; MOV P1,A ; CJNE R7,#80H,DAS2 ; AJMP DAS0 ;1.3方波數(shù)字波形生成4.4數(shù)字波形合成與V/I轉(zhuǎn)換電路

LOOP4: MOV P1,#HIGH ;輸出高電平到數(shù)碼管DAC CALL DT1 ;延時(shí)T1 MOV P1,#LOW ;輸出低電平到數(shù)碼管DAC CALL DT2 ;延時(shí)T2 SJMP LOOP4 ;循環(huán) END

T1T21.4正弦波數(shù)字波形生成4.4數(shù)字波形合成與V/I轉(zhuǎn)換電路

SIN: MOV R7,#00H ;置偏移量DAS0: MOV A,R7 ; MOV DPTR,#TAB ;設(shè)指針 MOVC A,@A+DPTR ;取數(shù)據(jù) MOV P1,A ;送D/A轉(zhuǎn)換 INC R7 ;修改偏移量 CJNE R7,#64,DAS0 ; AJMP SIN ;TAB: DB 80H,83H,86H,8DH,90H DB 93H,96H,99H,9CH,9FH,0A2H DB 0A5H,0A8H,0ABH,0AEH … DB 6FH,72H,76H,79H,7CH,80H(64個(gè)數(shù)據(jù))2V/I轉(zhuǎn)換電路（b）取

，則當(dāng)

時(shí)，

。4.5開關(guān)量輸出開關(guān)量輸出通道的一般結(jié)構(gòu)1.隔斷微機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的電氣聯(lián)系防止電位差、外界電磁等干擾。

2.防止執(zhí)行錯(cuò)誤。3.防止儀器自身?yè)p壞。注意：所有進(jìn)出智能儀器的信號(hào)線全部加隔離！1.1光電耦合器件1.輸出信號(hào)與輸入信號(hào)電氣完全隔離，抗干擾能力強(qiáng)，隔離電壓可達(dá)幾千伏以上。2.無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可靠性好。3.響應(yīng)速度快，易與TTL電路配合使用。4.驅(qū)動(dòng)能力差。開關(guān)量的隔離光電耦合電路數(shù)字輸出隔離1.2繼電器隔離電路繼電器驅(qū)動(dòng)電路繼電器觸點(diǎn)分類電磁式繼電器是一種電流通斷控制大電流通斷的常用開關(guān)控制器件。2數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)TTL三態(tài)門緩沖器：74LS240、244、245，IOH=-15mA，IOL=24mA。注意：它們沒(méi)有鎖存。集電極開路（OC）門：7406、07、38，IOL=40mA，VOH=30V。可實(shí)現(xiàn)高壓輸出。門電路外加晶體管驅(qū)動(dòng)：可實(shí)現(xiàn)高壓大電流輸出。OC門輸出驅(qū)動(dòng)電路晶體管輸出驅(qū)動(dòng)電路2數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)2.4達(dá)林頓晶體管陣列驅(qū)動(dòng)

MC1416內(nèi)部結(jié)構(gòu)MC1416驅(qū)動(dòng)七個(gè)繼電器電路達(dá)林頓晶體管陣列驅(qū)動(dòng)器芯片適用于多路開關(guān)量中功率驅(qū)動(dòng)電路。1.每路輸出電流可達(dá)500mA，但是每一塊雙列直插芯片總的輸出電流不得超過(guò)2.5A。輸出端截止時(shí)耐壓可達(dá)100V。輸出端可與多種TTL及CMOS電路兼容。當(dāng)總輸出電流較大時(shí)，必須加散熱片。3固態(tài)繼電器(SSR)隨機(jī)型和過(guò)零型固態(tài)繼電器波形圖固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖固態(tài)繼電器既有放大驅(qū)動(dòng)作用，又有隔離作用，很適合于驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)式執(zhí)行器件。固態(tài)繼電器是一種四端有源器件，其中的兩端為輸入控制端，功耗很小，易與TTL、CMOS兼容；另外兩端是輸出端，內(nèi)部設(shè)有輸出保護(hù)電路。輸入電路與輸出電路之間采用光電隔離，絕緣電壓可達(dá)2500V。單向直流固態(tài)繼電器的輸出端與直流負(fù)載適配，雙向交流固態(tài)繼電器的輸出端與交流負(fù)載適配。交流固態(tài)繼電器分為過(guò)零觸發(fā)型（零通、零斷）和隨機(jī)開啟型（隨機(jī)通、零斷）

。當(dāng)輸入端施加有效控制信號(hào)時(shí)，隨機(jī)固態(tài)繼電器輸出端立即導(dǎo)通，而過(guò)零固態(tài)繼電器則要等到負(fù)載電壓過(guò)零區(qū)域時(shí)才導(dǎo)通，關(guān)斷時(shí)間是一樣的，都是小于維持電流時(shí)關(guān)斷。隨機(jī)開啟繼電器容易造成電網(wǎng)污染，除非要求快速響應(yīng)、調(diào)壓、變壓器等感性負(fù)載控制，一般不用。3固態(tài)繼電器(SSR)直流電源驅(qū)動(dòng)直流電感負(fù)載交流電源驅(qū)動(dòng)直流電感負(fù)載交流電源驅(qū)動(dòng)交流電感負(fù)載（1）小電流負(fù)載SSR內(nèi)部除去輸入電路之外的所有其它電路都是由輸出端供電的。因此，即使在輸出關(guān)斷狀態(tài)下，SSR仍存在關(guān)斷電流。為使負(fù)載可靠地關(guān)斷，流過(guò)負(fù)載的開啟電流至少應(yīng)該是SSR關(guān)斷電流的10倍。如果負(fù)載電流低于這個(gè)值，負(fù)載上需要并聯(lián)一個(gè)電阻，提高開啟電流數(shù)值。（2）電感式負(fù)載直流感應(yīng)式負(fù)載，必須使用DCSSR，負(fù)載上并聯(lián)續(xù)流二極管保護(hù)SSR。直流感應(yīng)式負(fù)載使用交流負(fù)載電源時(shí)，應(yīng)外接全橋整流其變?yōu)橹绷?。交流電感式?fù)載，必須使用AC

SSR，SSR輸出端并聯(lián)壓敏電阻以保護(hù)SSR。4.6串行數(shù)據(jù)通信接口概念1.1波特率：每秒串行發(fā)送和接收的二進(jìn)制位（bit）數(shù)，單位為bps（每秒比特?cái)?shù)）。它是衡量數(shù)據(jù)快慢的指標(biāo)，也是衡量傳送通道頻寬的指標(biāo)。1.2串口工作方式1）單工方式：只允許數(shù)據(jù)單方向傳播。2）半雙工方式：發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)分時(shí)地使用同一條傳送線，即在某一時(shí)刻只能有一個(gè)方向的數(shù)據(jù)在進(jìn)行傳送。3）全雙工方式：用兩根傳送線來(lái)連接兩個(gè)設(shè)備，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可同時(shí)進(jìn)行。單工方式：半雙工方式：全雙工方式：1.3串口通信方式及規(guī)程1.3.1同步通信方式：發(fā)送和接收方使用同一個(gè)時(shí)鐘。同步通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移率比異步方法快，但硬件電路更為復(fù)雜。pc機(jī)的串口是異步設(shè)備,因此只支持異步串行通信。不易于長(zhǎng)線傳輸。

1.3.2異步通信方式：發(fā)送和接收方使用自己的時(shí)鐘，如果不給每個(gè)字符設(shè)置起始和停止標(biāo)志，兩個(gè)時(shí)鐘的差異可能導(dǎo)致接收方辨認(rèn)傳送信號(hào)是比特錯(cuò)位。0D1D2D3D4……

Dn0/110異步傳送格式異步傳送的每個(gè)字符必須①由起始位：（一位“0”）開始；②數(shù)據(jù)位：7位或8位，低位在先、高位在后；③停止位：（一位、一位半或兩位“1”）表示字符結(jié)束。一位奇偶校驗(yàn)位為可選位。從起始位開始到停止位結(jié)束組成一幀信息，停止位后面也可能不立刻緊接下一字符的起始位，這是停止位后面一直維持“1”狀態(tài)，這些稱為空閑位。2RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線2.1RS-232C總線描述數(shù)據(jù)線、控制線、地共9根線。數(shù)據(jù)線采用負(fù)邏輯，控制線采用正邏輯。數(shù)據(jù)發(fā)送端：邏輯“0”：+5V~+15V。邏輯“1”：-5V~-15V。數(shù)據(jù)接收端：邏輯“0”：>+3V。邏輯“1”：<-3V。噪聲容限為2V。

RS-232是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA公布的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，目前廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備的串行異步通信接口中。2.1RS-232C總線描述2.1.125針接口2.1.29針接口功能信號(hào)引腳功能數(shù)據(jù)TxD3發(fā)送數(shù)據(jù)-ORxD2接收數(shù)據(jù)-I握手RTS7請(qǐng)求發(fā)送-OCTS8允許發(fā)送-IDSR6DCE就緒DCD1載波檢測(cè)-IDTR4DTE就緒-O公共端Com5--其它RI9振鈴指示-IDCE就緒-IRS-232C總線25針接口RS-232C總線9針接口功能信號(hào)引腳功能數(shù)據(jù)TxD2發(fā)送數(shù)據(jù)-ORxD3接收數(shù)據(jù)-I握手RTS4請(qǐng)求發(fā)送-OCTS5允許發(fā)送-IDSR6DCE就緒DCD8載波檢測(cè)-IDTR20DTE就緒-O公共端Com7--其它RI22振鈴指示-IDCE就緒-I2.2RS-232C接口的常用系統(tǒng)連接（半雙工）2RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線1.A設(shè)備發(fā)送RTS信號(hào)給A設(shè)備MODEM，請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。2.A設(shè)備MODEM發(fā)CTS信號(hào)給A設(shè)備，允許其發(fā)送數(shù)據(jù)。3.A設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給A設(shè)備MODEM。4.A設(shè)備MODEM發(fā)送載波振鈴（RI）信號(hào)給B設(shè)備MODEM。5.B設(shè)備MODEM收到載波信號(hào)，給B設(shè)備發(fā)送DCD信號(hào)，表示線路上有載波振鈴信號(hào)。6.B設(shè)備發(fā)送DTR信號(hào)給B設(shè)備MODEM，表示B設(shè)備準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。7.B設(shè)備MODEM發(fā)送DSR信號(hào)，應(yīng)答B(yǎng)設(shè)備的DTR信號(hào)，接收線路上的載波數(shù)據(jù)信號(hào)。8.B設(shè)備MODEM將數(shù)據(jù)發(fā)送給B設(shè)備。早期帶有通信設(shè)備的RS-232信號(hào)功能TxD發(fā)送數(shù)據(jù)-ORxD接收數(shù)據(jù)-IRTS請(qǐng)求發(fā)送-OCTS允許發(fā)送-IDSRDCD載波檢測(cè)-IDTRDTE就緒-ODCE就緒-I2.2RS-232C接口的常用系統(tǒng)連接（全雙工）2RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線全雙工標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)連接全雙工最簡(jiǎn)系統(tǒng)連接全雙工標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)略去兩個(gè)MODEM（DCE設(shè)備），用導(dǎo)線直接相連接，導(dǎo)線即為DCE設(shè)備。1.DTR與DSR為固定有效電平，在傳輸過(guò)程中不變。2.CTS、RTS和DCD相連，可隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)不用等待DCE設(shè)備的應(yīng)答。MOVSBUF,AJNBTI,$CLRTIJNBRI,$CLRRIMOVA,SBUF4RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行總線在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)被廣泛采用。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力?？偩€收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。通常RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，可并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器，甚至更多。操作方式最大傳輸距離最大傳輸速率可連接的臺(tái)數(shù)驅(qū)動(dòng)器輸出電壓(無(wú)負(fù)載)驅(qū)動(dòng)器輸出電壓(有負(fù)載)接收器輸入靈敏度接收器輸入阻抗RS-232單端15m20kbps1臺(tái)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)接收±15V±5～±15V±3V3～7kΩRS-485差分1200m10Mbps32臺(tái)驅(qū)動(dòng)32臺(tái)接收±5V±1.5V±0.2V≥12kΩ實(shí)踐證明，在構(gòu)成RS-485總線網(wǎng)時(shí)，要系統(tǒng)有較高的可靠性，通常需要考慮以下幾點(diǎn)：1.傳輸線選擇和阻抗匹配。2.隔離。3.抗靜電放電沖擊。4RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線4.1傳輸線選擇和阻抗匹配RS-485總線多站互連原理圖在差分平衡系統(tǒng)中，一般選擇雙絞線作為信號(hào)傳輸線。信號(hào)在線上傳送時(shí)，當(dāng)遇到阻抗不連續(xù)的情況，會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，并且