第二章輸入通道接口技術(shù).ppt

1、第2章 輸入通道接口技術(shù),輸入通道接口技術(shù),2.1 信號測量與傳感器技術(shù) 2.2 模擬信號輸入通道接口 2.3 鍵盤接口技術(shù) 2.4 開關(guān)量信號輸入接口,輸入通道包括： 信號測量部分 信號調(diào)理部分 模擬多路開關(guān) A/D轉(zhuǎn)換器 計(jì)算機(jī)接口。,輸入通道接口技術(shù),2.1 信號測量與傳感器技術(shù),傳感器能將需要測量的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號便于計(jì)算機(jī)處理。 2.1.1 溫度測量傳感器 溫度測量方式有接觸式和非接觸式兩大類。,2.1 信號測量與傳感器技術(shù),金屬熱電阻類傳感器屬于接觸式溫度測量傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是：信號可以遠(yuǎn)傳，靈敏度高，無須參比溫度。 當(dāng)鉑的純度W100

2、= R100 /R0 =1.3850，R0選用10和100兩種阻值（分度號分別為Pt10和Pt100）時(shí)，鉑熱電阻溫度測量范圍為 200850，其電阻與溫度的關(guān)系為： 當(dāng)T0時(shí) R(T ) = R0 (1+AT+BT 2) 當(dāng)T0時(shí) R(T ) = R0 1+AT+BT 2+CT 3(T100) 式中，A=3.90831031, B = 5.7751072, C = 4.18310124。,2.1 信號測量與傳感器技術(shù),表2-3 鉑熱電阻分度表,2.1 信號測量與傳感器技術(shù),熱電阻結(jié)構(gòu)分為普通型和鎧裝型兩種。圖2-1所示為鎧裝鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)。,圖2-1 鎧裝鉑熱電阻的結(jié)構(gòu),2.1 信號測量與傳

3、感器技術(shù),2.1.2 壓力測量傳感器 壓電式壓力傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號。在彈性范圍內(nèi)，壓電元件產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系，即： q = kSp 式中，q為電荷量，k為壓電常數(shù)，S為作用面積，p為壓力。 圖2-2為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。,2.1 信號測量與傳感器技術(shù),圖2-2 壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖,2.1 信號測量與傳感器技術(shù),2.1.3 流量測量傳感器 流體的流量是指在單位時(shí)間內(nèi)流過某一個(gè)流通截面的流體的體積或者質(zhì)量。 流量計(jì)的種類繁多，分別適合于不同的工作場合。按檢測原理分類的典型流量計(jì)列在表2-4中。,2.1 信號測量與傳感器技術(shù),表2

4、-4 流量計(jì)的分類,2.2 模擬信號輸入通道接口,2.2.1 模擬多路開關(guān) 在實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，往往需要對多路信號或者多種信號進(jìn)行測量，而計(jì)算機(jī)在任意時(shí)刻只能處理一路信號，因此，需要將各路信號分時(shí)地送給計(jì)算機(jī)處理。圖2-3所示是實(shí)現(xiàn)這一過程的常用方案。,圖2-3 多路模擬信號檢測框圖,2.2 模擬信號輸入通道接口,表2-5 常用模擬多路開關(guān)芯片,2.2 模擬信號輸入通道接口,半導(dǎo)體模擬多路開關(guān)的一些主要特點(diǎn)： 具有多種集成電路的封裝形式（如DIP、SMD封裝等），尺寸小，便于安排； 直接與TTL（或CMOS）電平相兼容； 可采用雙極性輸入； 轉(zhuǎn)換速度快，通常其導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間在1s左右，有

5、些產(chǎn)品已達(dá)到幾十ns； 壽命長，無機(jī)械磨損； 接通電阻較低，一般小于100，有的可達(dá)幾。 斷開電阻高，通常達(dá)109以上。,2.2 模擬信號輸入通道接口,1模擬多路開關(guān)CD4051 CD4051是單端輸入8通道多路開關(guān)，它帶有3個(gè)通道選擇輸入端A、B、C和一個(gè)禁止輸入端INH，輸入端A、B、C的信號用來控制選擇8個(gè)通道之一被接通。,2.2 模擬信號輸入通道接口,表2-6 CD4051真值表,圖2-4 CD4051的原理與引腳圖,2.2 模擬信號輸入通道接口,2CD4051多路開關(guān)的擴(kuò)展應(yīng)用 圖2-5所示為兩個(gè)CD4051構(gòu)成的16通道多路開關(guān)連接圖。,圖2-5 CD4051的擴(kuò)展電路,表2-7

6、16通道選擇真值表,2.2 模擬信號輸入通道接口,芯片1的多路開關(guān)接通工作時(shí)，芯片2的多路開關(guān)就全部斷開；反之，芯片2的多路開關(guān)接通工作時(shí)，芯片1的多路開關(guān)就全部斷開。 通過改變通道選擇線D3D0的狀態(tài)，即可選通IN0IN15 這16個(gè)通道之一。 若需要通道數(shù)更多，兩個(gè)多路開關(guān)擴(kuò)展仍不能達(dá)到系統(tǒng)要求，此時(shí)，可通過譯碼器控制CD4051的控制端INH，把4個(gè)CD4051芯片組合起來，構(gòu)成32通道或16通道差動輸入系統(tǒng)。,2.2 模擬信號輸入通道接口,3雙16通道模擬多路開關(guān)ADG726 ADG726是雙16通道輸入模擬多路開關(guān)（單向），輸入信號可以是單端輸入或雙端輸入。 單端輸入時(shí)兩個(gè)16通道相

7、互獨(dú)立；雙端輸入時(shí)兩個(gè)16通道組合使用。 帶有內(nèi)部鎖存器， 4個(gè)通道選擇輸入端A3A0， 當(dāng)CSA 或CSB 為邏輯0時(shí)，WR 信號的上升沿將A3A0鎖存。 EN 是芯片工作使能端。,2.2 模擬信號輸入通道接口,表2-8 ADG726真值表,2.2 模擬信號輸入通道接口,2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器 能將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器。 按位數(shù)來分有8位、10位、12位、16位等幾種。 按結(jié)構(gòu)而分，有單一的A/D轉(zhuǎn)換器、內(nèi)含多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換器、多功能的A/D轉(zhuǎn)換器等。,2.2 模擬信號輸入通道接口,18位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808/0809 ADC0808/0

8、809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，芯片內(nèi)還包含有8通道多路開關(guān)及與計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯。 8通道多路模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)輸入通道中任意接通一個(gè)通道的模擬信號。其原理框圖如圖2-7所示。,圖2-7 ADC0808/0809原理框圖,2ADC0808/0809的應(yīng)用,圖2-8 ADC0808/0809的應(yīng)用原理圖,2.2 模擬信號輸入通道接口,圖2-9 ADC0808/0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)各引腳時(shí)序圖,2.2 模擬信號輸入通道接口,3A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器的連接 1）模擬量輸入通道的連接 2）數(shù)字量輸出引腳的連接 3）A/D轉(zhuǎn)換器的啟動方式 A/D轉(zhuǎn)換器啟動方式分脈沖

9、啟動和電平啟動兩種。 4）轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理方法 微處理器檢查判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法有以下3種： 中斷方式 查詢方式 軟件延時(shí)方法 5）參考電源的選擇 6）時(shí)鐘信號的連接 7）接地問題,2.2 模擬信號輸入通道接口,48位A/D轉(zhuǎn)換器控制程序設(shè)計(jì),圖2-10 ADC0809與計(jì)算機(jī)的接口原理圖,A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束信號EOC作為狀態(tài)信號，經(jīng)三態(tài)門接入數(shù)據(jù)總線的D7位。,2.2 模擬信號輸入通道接口,2.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理方法 1數(shù)字濾波 為了減小乃至消除疊加在采樣數(shù)據(jù)中隨機(jī)干擾信號值的影響，可以利用計(jì)算程序，對多次采樣信號所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理（也就是數(shù)字濾波），以保證控制的精度和系統(tǒng)工作的

10、可靠性。 數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn) 1、2、3、4 下面介紹幾種常用的數(shù)字濾波算法。,2.2 模擬信號輸入通道接口,1）程序判斷濾波 根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣之間可能出現(xiàn)的最大偏差E。如果采樣得到的值超過E，則表明該輸入信號中存在較大的干擾信號，應(yīng)予以剔除；如果采樣得到的值小于偏差值E，則本次采樣值為正常值。 可分為限幅濾波和限速濾波兩種。,2.2 模擬信號輸入通道接口,1）程序判斷濾波限幅濾波 所謂限幅濾波，就是把相鄰兩次采樣值相減，求出其增量的絕對值，然后與最大允許偏差E 進(jìn)行比較，如果小于或等于E ，則取為本次采樣值；若大于E ，則仍取上一次的采樣值作為本次的采樣值。 即： | Yn-Yn

11、-1 |E ，則YnYn |Yn-Yn-1 |E ，則YnYn-1 式中，Yn為第n次采樣值，Yn-1 為第n-1次采樣值。,2.2 模擬信號輸入通道接口,1）程序判斷濾波限速濾波 設(shè)相鄰的采樣時(shí)刻t1，t2，t3的采樣值為Y1，Y2，Y3，則 限速濾波的算法為： 若|Y2-Y1|E ，則以Y2作為濾波輸出值; 若|Y2-Y1|E ，則不采用Y2，但仍保留其值，再取第三次的采樣值Y3 ； 若|Y3-Y2|E ，則以Y3作為濾波輸出值; 若|Y3-Y2|E ，則以(Y3+Y2)/2作為濾波輸出值。,限速濾波是一個(gè)折中方案，既照顧了濾波輸出值的實(shí)時(shí)性，又照顧了其變化的連續(xù)性。 程序判斷濾波可以用于

12、變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、濕度、液位等。 其關(guān)鍵在于最大允許誤差E 的選取，E 太大，干擾會“乘機(jī)而入”，E 太小，又會使某些有用的信號被“拒之門外”，使采樣效率變低。通常E 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，必要時(shí)可由實(shí)驗(yàn)得出。,2）中值濾波 中值濾波是指對被測參數(shù)連續(xù)采樣n次(n3，且為奇數(shù))，再將這n個(gè)采樣值從小到大(或從大到小)排序，最后取中間值作為本次采樣值。 中值濾波能有效地濾去脈動性質(zhì)的干擾，對變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果，但對快速變化過程的參數(shù)則不宜使用(如流量)。程序中只要改變n值，就可以對任意采樣值進(jìn)行中值濾波。,2.2 模擬信號輸入通道接口,2.2 模擬信號輸入通道接口,3）算術(shù)

13、平均值濾波 把N 次采樣值進(jìn)行相加，然后取其算術(shù)平均值為本次采樣值。 算術(shù)平均值法適用于對壓力、流量等周期脈動信號的平滑，這種信號的特點(diǎn)是往往在某一數(shù)值范圍附近作上、下波動，有一個(gè)平均值。這種算法對信號的平滑程度取決于平均次數(shù)N，當(dāng)N較大時(shí)平滑度高，但靈敏度低；當(dāng)N 較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高，應(yīng)該視具體情況選取N 值。,4）加權(quán)平均值濾波 在算術(shù)平均濾波中，N 次采樣值在結(jié)果中所占的比重是均等的，即每次采樣值具有相同的加權(quán)因子1/N。但有時(shí)為了提高濾波效果，往往對不同時(shí)刻的采樣值賦以不同的加權(quán)因子。這種方法稱為加權(quán)平均濾波法,2.2 模擬信號輸入通道接口,2.2 模擬信號輸入通道接口,5）

14、滑動平均值濾波 動態(tài)保留N個(gè)最近的采樣數(shù)據(jù)，每采樣一個(gè)新數(shù)據(jù)，便將保留時(shí)間最長的采樣數(shù)據(jù)移走一個(gè)，隨后按算術(shù)平均值濾波方法或加權(quán)平均值濾波方法計(jì)算出有效的采樣值。 對周期性干擾有良好的抑制作用,2.2 模擬信號輸入通道接口,6）低通濾波 消除高頻周期性干擾 低通RC濾波器電路， =RC為濾波器的時(shí)間常數(shù)。其傳遞函數(shù)可寫為：,離散化后，可得差分方程,2.2 模擬信號輸入通道接口,6）低通濾波 消除高頻周期性干擾 低通RC濾波器電路， =RC為濾波器的時(shí)間常數(shù)。其傳遞函數(shù)可寫為：,2.2 模擬信號輸入通道接口,6）低通濾波 式中,Xn為第n次采樣值；Yn-1 為上次濾波輸出值；Yn為第n次采樣后的

15、濾波輸出值；為濾波平滑系數(shù)， T/；為濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期。 通常，采樣周期T遠(yuǎn)小于濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，和T的選擇可根據(jù)具體情況確定，只要使被濾波的信號不產(chǎn)生明顯的波紋即可。,2.2 模擬信號輸入通道接口,7）復(fù)合數(shù)字濾波 將兩種或兩種以上的數(shù)字濾波方法聯(lián)合起來使用，其目的是進(jìn)一步提高濾波效果。 算術(shù)平均值濾波法 + 中值濾波法：消除脈動干擾和脈沖干擾 兩級或兩級以上低通濾波,上面介紹了幾種常用的數(shù)字濾波方法，它們各有特點(diǎn)。 一般來說，對于變化緩慢的參數(shù)(如溫度)，可選用程序判斷濾波和一階滯后濾波；而對變化較快的信號(如壓力、流量等)，則可選用算術(shù)平均值濾波； 對要求較高的系統(tǒng)可選

16、用復(fù)合濾波。如果不適當(dāng)?shù)貞?yīng)用數(shù)字濾波(例如把真實(shí)的參數(shù)波動也濾掉了)，反而會降低控制效果，以致適得其反。,2.2 模擬信號輸入通道接口,2.2 模擬信號輸入通道接口,2標(biāo)度變換 生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)都有不同的量綱和數(shù)值變化范圍，如電壓的單位為V，電流的單位為A，溫度的單位為，壓力的單位為Pa等。這些參數(shù)經(jīng)傳感器和A/D轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)數(shù)字量，該數(shù)字量僅表示一個(gè)代表參數(shù)大小的數(shù)值，并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值。 為了顯示、記錄、打印和便于操作人員監(jiān)控，必須把二進(jìn)制表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的實(shí)際數(shù)值和單位。這一轉(zhuǎn)換過程就稱為標(biāo)度變換。,2.2 模擬信號輸入通道接口,1）線性參數(shù)標(biāo)度變換 指參數(shù)值與

17、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間為線性關(guān)系 式中，Rx表示參數(shù)測量值，Rm表示參數(shù)量程的最大值，R0表示參數(shù)量程的最小值，Sm表示量程最大值Rm對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換輸出值，S0表示量程起點(diǎn)R0對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換輸出值，Sx表示測量值Rx對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值。,例如，已知某溫度測量儀表的量程為1050，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，在某一時(shí)刻計(jì)算機(jī)經(jīng)采樣、數(shù)字濾波后得到的數(shù)字量為7BH，測得的溫度是多少？ 設(shè)該儀表的量程是線性的，在R0=10時(shí)，S0為0；Rm=50時(shí)，Sm=FFH=255 ；Sx=7BH=123 。因此，根據(jù)公式，此時(shí)的溫度為：,2.2 模擬信號輸入通道接口,2）非線性參數(shù)標(biāo)度變換 當(dāng)傳感器測出的數(shù)據(jù)與實(shí)際

18、被測參數(shù)之間不是線性關(guān)系時(shí)，其標(biāo)度變換公式應(yīng)根據(jù)具體問題具體分析。首先應(yīng)求出它們之間所對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，如果這種函數(shù)關(guān)系可以用解析式來表示，就可以直接按它所對應(yīng)的標(biāo)度變換公式進(jìn)行計(jì)算。 例如，在流量測量中，從差壓變送器來的信號P與實(shí)際流量G成平方根關(guān)系，即 式中，K為刻度系數(shù)，與流體的性質(zhì)及節(jié)流裝置的尺寸有關(guān)。,2.2 模擬信號輸入通道接口,根據(jù)式（2-3）測流量時(shí)，計(jì)算機(jī)處理程序應(yīng)包含以下3個(gè)步驟： 對A/D采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波； 利用式（2-2）對數(shù)字濾波后的數(shù)值進(jìn)行線性參數(shù)標(biāo)度變換，求得流量計(jì)節(jié)流裝置兩邊的壓差值； 將求得的壓差值代入式（2-3）計(jì)算，求得測量結(jié)果流量。,許多非線性傳感器并不

19、像上面講的流量傳感器那樣，可以寫出一個(gè)簡單的公式，或者雖然能夠?qū)懗龉絹?，但是?jì)算相當(dāng)困難。這時(shí)可以采用多項(xiàng)式插值法、線性插值法或查表進(jìn)行標(biāo)度變換。,2.2 模擬信號輸入通道接口,2.3 鍵盤接口技術(shù),2.3.1 獨(dú)立式按鍵 獨(dú)立式按鍵是指直接用輸入端口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，常用于需要少量幾個(gè)按鍵的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。,圖2-11 具有8個(gè)獨(dú)立式按鍵的硬件連線圖,2.3 鍵盤接口技術(shù),2.3.2 行列式鍵盤 行列式鍵盤由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列結(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)上，行列線分別連在按鍵開關(guān)的兩端。 行列式鍵盤與計(jì)算機(jī)的連接多采用I/O接口芯片，如8155、8255等。有時(shí)為了簡單起見，也采用鎖存器

20、，如74LS273、74LS244、74LS373等。 根據(jù)計(jì)算機(jī)進(jìn)行掃描的方法可分為定時(shí)掃描法和中斷掃描法兩種。,2.3 鍵盤接口技術(shù),1定時(shí)掃描法 下圖所示為采用8255端口構(gòu)成的48矩陣鍵盤。,2.3 鍵盤接口技術(shù),定時(shí)掃描法的工作過程如下： 1）定時(shí)掃描鍵盤，判斷是否有鍵按下 2）消除按鍵抖動 3）求按鍵鍵值 4）等待按鍵釋放,2.3 鍵盤接口技術(shù),2中斷掃描法 為了節(jié)省CPU時(shí)間，鍵盤處理可以采用中斷掃描法。 圖2-15所示為中斷掃描法硬件原理圖。 中斷掃描法節(jié)省了CPU的時(shí)間，但增加了硬件資源，多占用了中斷資源。,2.3 鍵盤接口技術(shù),圖2-15 中斷掃描法硬件原理圖,2.3 鍵盤

21、接口技術(shù),2.3.3 軟鍵盤與觸摸屏接口 所謂軟鍵盤，就是以圖形顯示方式形成的鍵盤圖案，而非物理鍵盤。 1電阻式觸摸屏的接口電路與坐標(biāo)值 時(shí)X（或Y）端接正電源及X（或Y）端所接地，將Y （或X ）與 Y （或X ）端電壓 A/D轉(zhuǎn)換得到Y(jié) （或X ）坐標(biāo)。,2.3 鍵盤接口技術(shù),2.3.3 軟鍵盤與觸摸屏接口 電阻式觸摸屏所得坐標(biāo)值精度將受幾個(gè)因素的影響： 觸摸屏本身電阻材料的均勻性 ADS7846模擬電子開關(guān)的內(nèi)阻和A/D轉(zhuǎn)換器自身的轉(zhuǎn)換精度 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)X（或Y）端所接正電源及X（或Y）端所接地的干擾,2.3 鍵盤接口技術(shù),圖2-16 4線電阻式觸摸屏與ADS7846的接口原理圖,2.3 鍵盤接口技術(shù),2干擾誤差的消除方法 為了盡可能減小干擾誤差對點(diǎn)觸精度的影響，必須對ADS7846的電源和接地采取一些抗干擾措施。 應(yīng)該仔細(xì)處理電源旁路和接地方法的問題，還應(yīng)該采取軟件方法克服隨機(jī)干擾。 3坐標(biāo)定位與坐標(biāo)變換 觸摸屏常和點(diǎn)陣式LCD屏疊加在一起配套使用。二者的坐標(biāo)原點(diǎn)與標(biāo)度不同。 因此，獲得筆在觸摸屏上的觸點(diǎn)坐標(biāo)后，還需經(jīng)過坐標(biāo)變換，才能得到筆觸點(diǎn)在LCD屏上的位置坐標(biāo)。,2.3 鍵盤接口技術(shù),圖2-17所示為電阻式觸摸屏與 點(diǎn)陣式LCD屏重疊放置的4點(diǎn)定位圖。 LCD屏MN 點(diǎn)， 觸摸屏中心點(diǎn)坐標(biāo)（ X