儀器智能化技術(shù)

1、儀器智能化技術(shù)儀器智能化技術(shù) 河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 孫潔TEL-mail:本課程的性質(zhì)、目的和任務(wù)：本課程的性質(zhì)、目的和任務(wù)： 隨著微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電子測(cè)量及儀器受到了巨大的沖擊，目前生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的儀表測(cè)控已不多見(jiàn)，更多的是采用智能化儀表或者大型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制要求。 作為自動(dòng)化儀表專業(yè)的本科學(xué)生，我們不僅要將傳統(tǒng)的儀表測(cè)控搞清，更要將先進(jìn)的微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)儀表測(cè)控融合起來(lái)，這樣才能真正掌握現(xiàn)代控制技術(shù)。選用教材：選用教材： 趙茂泰編著.智能儀器原理及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.1999.3. 主

2、要參考書目：主要參考書目： 1楊吉祥.智能儀器.南京工學(xué)院出版社，1986。 2張乃國(guó).新型電子示波器.中國(guó)計(jì)量出版社， 1990。 3賈伯年，俞樸主.傳感器技術(shù).東南大學(xué)出版社，1992.2。 4謝劍英.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).國(guó)防工業(yè)出版社，1992.3。 一、自動(dòng)化的概念 自動(dòng)化就是在工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備上配備自動(dòng)化裝置以代替工人的直接勞動(dòng)，從而使生產(chǎn)在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)行。那么，這些用自動(dòng)化裝置來(lái)管理和控制生產(chǎn)過(guò)程的方法則稱為自動(dòng)化。而用相應(yīng)的自動(dòng)化裝置來(lái)管理和控制化工生產(chǎn)過(guò)程的則稱為化工自動(dòng)化。圖1-2 人工操作圖圖1-3 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖n人工操作與自動(dòng)控制比較圖人工操作與自動(dòng)控制比較圖控

3、制速度和精度不能滿足大型控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要二、自動(dòng)化的主要內(nèi)容 1. 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 2. 自動(dòng)信號(hào)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng) 3. 自動(dòng)操縱及自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng) 4. 自動(dòng)控制系統(tǒng)利用各種檢測(cè)儀表對(duì)主要工藝參利用各種檢測(cè)儀表對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄的，稱數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄的，稱為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。它代替了操作為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。它代替了操作人員對(duì)工藝參數(shù)的不斷觀察與記人員對(duì)工藝參數(shù)的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。錄，起到人的眼睛的作用。圖1-1 熱交換器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖當(dāng)工藝參數(shù)超過(guò)了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，當(dāng)工藝參數(shù)超過(guò)了允許范圍，在事故即將發(fā)

4、生以前，信號(hào)系統(tǒng)就自動(dòng)地發(fā)出聲光信號(hào)，告誡操作人員注信號(hào)系統(tǒng)就自動(dòng)地發(fā)出聲光信號(hào)，告誡操作人員注意，并及時(shí)采取措施。如工況已到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，意，并及時(shí)采取措施。如工況已到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動(dòng)采取緊急措施，打開(kāi)安全閥或切聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動(dòng)采取緊急措施，打開(kāi)安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車，以防止事故的發(fā)生斷某些通路，必要時(shí)緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。它是生產(chǎn)過(guò)程中的一種安全裝置。和擴(kuò)大。它是生產(chǎn)過(guò)程中的一種安全裝置。 自動(dòng)操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)自動(dòng)操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。自動(dòng)開(kāi)停

5、車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。 在受到外界干擾（擾動(dòng)）的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，在受到外界干擾（擾動(dòng)）的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍自動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。內(nèi)。 三、 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成組組成成自動(dòng)化裝置自動(dòng)化裝置被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量元件與變送器測(cè)量元件與變送器自動(dòng)控制器自動(dòng)控制器執(zhí)行器執(zhí)行器 方塊圖中， x 指設(shè)定值；z 指輸出信號(hào)；e 指偏差信號(hào)；p 指發(fā)出信號(hào)；q 指出料流量信號(hào)；y 指被控變量；f 指擾動(dòng)

6、作用。當(dāng)x 取正值，z取負(fù)值，e= x- z，負(fù)反饋；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反饋。四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖n液位自動(dòng)控制的方塊圖液位自動(dòng)控制的方塊圖液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖第一講：智能儀器的典型結(jié)構(gòu)第一講：智能儀器的典型結(jié)構(gòu) 【教學(xué)目標(biāo)和要求教學(xué)目標(biāo)和要求】 本課程是測(cè)控專業(yè)類等專業(yè)的主要專業(yè)課之一、選修課。通過(guò)這門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握儀器智能化技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識(shí)及相關(guān)電工、電子學(xué)的一些基礎(chǔ)知識(shí)。 【重點(diǎn)與難點(diǎn)】【重點(diǎn)與難點(diǎn)】 智能儀器的組成、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)，智能儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展。 1.1 1.1 智能儀器的組成智能儀器的組成 ： 一.硬件 1.主機(jī)電路（CPU 程序

7、存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器） 2.模擬量輸入輸出通道（A/D、D/A轉(zhuǎn)換、模擬信號(hào)處理電路） 3.人機(jī)聯(lián)系部件與接口電路（鍵盤、顯示器） 4.標(biāo)準(zhǔn)通訊接口（RS-232C）GP-IB 二.軟件 1.監(jiān)控程序（系統(tǒng)軟件）鍵盤分配、操作方式、工作參數(shù)設(shè)置等 2.接口管理程序（用戶程序、應(yīng)用程序）1.2 1.2 智能儀器通用結(jié)構(gòu)框圖：智能儀器通用結(jié)構(gòu)框圖：圖圖1-11-1 內(nèi) 部 總 線I/O接口微處理器MPU程序存儲(chǔ)器ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM鍵盤與顯示接口標(biāo)準(zhǔn)儀用通信接口主機(jī)電路輸入電路模擬執(zhí)行器外部?jī)x用標(biāo)準(zhǔn)總線被測(cè)量A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器鍵盤顯示模擬量輸入輸出人機(jī)接口通信接口1.3 1.3 智能儀器的主

8、要特點(diǎn)智能儀器的主要特點(diǎn): : 與傳統(tǒng)的測(cè)控儀表相比較與傳統(tǒng)的測(cè)控儀表相比較 1、智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的旋轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)對(duì)儀器實(shí)現(xiàn)控制，有利于面板布置的功能部件的設(shè)置。 2、智能儀器采用微處理器進(jìn)行運(yùn)算和邏輯判斷，它按照一定的算法可以很方便地清除由于漂移、增益的變化和干擾的因素所引起的誤差（如單片機(jī)溫度、根數(shù)檢測(cè)的信號(hào)誤差），從而可以大大地提高儀器的測(cè)量精度。 3、具有自診斷功能。 4、人-機(jī)對(duì)話功能強(qiáng)。 5、能方便地與其它儀器或計(jì)算機(jī)聯(lián)用，構(gòu)成多功能測(cè)控系統(tǒng)。 1.4 1.4 智能儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)智能儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn): : 智能儀器是以微處理器為核心的電子儀器，因此要求設(shè)計(jì)者不僅要熟悉電子儀

9、器的工作原理，也就是要具備電子、電路的基本知識(shí)，而且要掌握微型計(jì)算機(jī)硬件軟件的原理，因而其設(shè)計(jì)不能完全沿用傳統(tǒng)電子儀器的設(shè)計(jì)方法和手段。 設(shè)計(jì)、研制智能儀器的一般過(guò)程設(shè)計(jì)、研制智能儀器的一般過(guò)程 1.確定設(shè)計(jì)任務(wù)： 根據(jù)儀器最終要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，編寫設(shè)計(jì)任務(wù)書、明確儀器應(yīng)具備的功能和應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)； 2.制定總體設(shè)計(jì)方案，選擇微處理器芯片： 該階段，設(shè)計(jì)者應(yīng)首先根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和一些約束條件，提出幾種可能的方案，每個(gè)方案應(yīng)包括儀器的工作原理、采用的技術(shù)、關(guān)鍵元器件的性能等。同時(shí)要對(duì)各方案進(jìn)行可行性論證，最后確定總體設(shè)計(jì)方案。 注意：微處理器是核心部件，它的選擇非常關(guān)鍵。 3.確定儀器工作總框圖

10、： 總體方案和微處理器確定之后，采用自上而下的方法，將儀器劃分成若干個(gè)便于實(shí)現(xiàn)的功能模塊，并分別繪制出相應(yīng)的硬件和軟件工作框圖。 4.硬件與軟件的設(shè)計(jì)、調(diào)試： 一旦儀器工作總框圖確定以后，硬件電路和軟件電路的設(shè)計(jì)工作就可以齊頭并進(jìn)。 硬件設(shè)計(jì)：按模塊分別對(duì)各單元電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行硬件合成，繪制印刷電路板，裝配與調(diào)試。 軟件設(shè)計(jì)：先分析儀器系統(tǒng)對(duì)軟件的要求，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件總體設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、流程圖及編程語(yǔ)言的選擇，最后是軟件的分模塊調(diào)試、整體調(diào)試以及與硬件聯(lián)調(diào)。 5.整機(jī)聯(lián)調(diào)： 當(dāng)軟、硬件分別調(diào)試合格后，再對(duì)硬件和軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，不斷地對(duì)軟件、硬件進(jìn)行合理的修改，直至合格。1.

11、5 本章的小結(jié)和作業(yè)： 【小【小 結(jié)】結(jié)】 本章介紹了智能儀器的典型結(jié)構(gòu)，智能儀器的硬件組成框圖，智能儀器的主要特性, 智能儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)等內(nèi)容，為智能儀器的進(jìn)一步學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。 【作【作 業(yè)】業(yè)】 1.智能儀器是由哪幾部分典型結(jié)構(gòu)組成的？ 2.設(shè)計(jì)、研制智能儀器的一般過(guò)程主要有那些步驟？第二講：智能儀器輸入輸出通道智能儀器輸入輸出通道 【教學(xué)目標(biāo)和要求教學(xué)目標(biāo)和要求】 本講主要介紹了模擬量輸入通道中A/D轉(zhuǎn)換的原理及與微機(jī)的接口，如逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換，高速模擬量輸入通道中的并行比較式A/D轉(zhuǎn)換等；模擬量輸出通道中D/A轉(zhuǎn)換的原理及與微機(jī)的接口；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中模擬多路開(kāi)關(guān)

12、及接口、模擬信號(hào)的采樣與保存等等。 通過(guò)對(duì)本部分學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生了解數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的相關(guān)知識(shí)，熟知各種A/D、D/A轉(zhuǎn)換的原理及與微機(jī)的接口技術(shù)，掌握各種A/D、D/A轉(zhuǎn)換的原理及與微機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)的相關(guān)應(yīng)用。 【重點(diǎn)與難點(diǎn)】 各種A/D、D/A轉(zhuǎn)換的原理及與微機(jī)的接口電路的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等實(shí)際應(yīng)用。 2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)： A/D: Analog to digital 1.分辨率與量化誤差： 分辨率是衡量A/D轉(zhuǎn)換器分辨模擬量最小變化程度的技術(shù)指標(biāo)。它取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。 量化誤差是由于A/D轉(zhuǎn)換器有限字長(zhǎng)數(shù)字量對(duì)輸入模擬量進(jìn)行離散取樣（量化）而引起的誤差，其大

13、小在理論上是一個(gè)單位分辨率。 所以，量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，即提高分辨率可以減少量化誤差。 2.轉(zhuǎn)換精度： 它反映了一個(gè)實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器與一個(gè)理想A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值，用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差來(lái)表示。 由于理想的A/D轉(zhuǎn)換器也存在著量化誤差，因此，實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換精度所對(duì)應(yīng)的誤差指標(biāo)是不包括量化誤差在內(nèi)的。 3.轉(zhuǎn)換速率： A/D轉(zhuǎn)換器在每秒鐘內(nèi)所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。它也可以表述為轉(zhuǎn)換時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換從啟動(dòng)到結(jié)束所需的時(shí)間，兩者互為倒數(shù)。 如：A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率為5MHz，則其轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ns。 4.滿刻度范圍： 指A/D轉(zhuǎn)換器所允許輸入電壓的范圍。 如：05V，010V

14、，-5+5V等等。 滿刻度值只是個(gè)名義值，但實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入值總比滿刻度小1/2n (n是轉(zhuǎn)換器的位數(shù))，這是因?yàn)?值也是2n各轉(zhuǎn)換狀態(tài)中的一位。 如：12位的A/D轉(zhuǎn)換器，其滿刻度值為10V，而實(shí)際的允許最大輸入電壓值為（1-1/4096）10=9.9976V。2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的種類及比較： 逐次比較式的轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換精度比較適中，轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在s級(jí)，轉(zhuǎn)換精度在0.1%左右，適用于一般工業(yè)測(cè)量場(chǎng)合。 雙積分式的核心部件是積分器，因此速度較慢，轉(zhuǎn)換時(shí)間在ms級(jí)或更長(zhǎng)，但抗干擾能力較強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.01%或更高，適用于數(shù)字電壓表類儀器中使用。 并行式又稱閃爍式，由于采用并行比

15、較，轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到很高，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)ns級(jí)，但抗干擾性能較差?？捎糜跀?shù)字示波器等要求轉(zhuǎn)換速率較快的儀器中。 改進(jìn)型是在上述某種形式的基礎(chǔ)上，為滿足某種高性能指標(biāo)而改進(jìn)或復(fù)合而成的。如：余數(shù)比較式就是在逐次比較式的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，使其在保持原有較高轉(zhuǎn)換速率的前提下精度可達(dá)0.01%以上。它主要用于已高精度數(shù)字電壓表為基礎(chǔ)的智能儀器中。2.3 逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器： 逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理的核心就在于“比較”。 它是用一套標(biāo)準(zhǔn)電壓與被測(cè)電壓逐次比較，不斷逼近，最后達(dá)到一致，這樣標(biāo)準(zhǔn)電壓的大小就表示被測(cè)電壓的大小。 那么將這個(gè)和被測(cè)電壓相平衡的標(biāo)準(zhǔn)電壓以二進(jìn)制的形式輸出，就實(shí)現(xiàn)了模擬數(shù)字的

16、轉(zhuǎn)換過(guò)程。 一、該原理可以用天平稱重 的情景來(lái)模擬： 例如一架天平有以下一套砝碼： 2mg、1mg、0.5mg、0.25mg、 0.125mg、 0.0625mg共六種砝碼。 某一物體的重量為3.5626mg，則我們可以作如下測(cè)量： 1.將2mg的砝碼放上，不夠，留下并記為“1” 2.再將1mg的砝碼放上，不夠，留下并記為“11” 3.再將0.5mg的砝碼放上，不夠，留下并記為“111” 4.再將0.25mg的砝碼放上，超重，去掉并記為“1110” 5.再將0.125mg的砝碼放上，超重，去掉并記為“11100” 6.再將0.0625mg的砝碼放上，不夠，留下并記為“111001” 這樣，將記

17、為“1”的砝碼的重量加起來(lái)，就是被測(cè)物體的重量，稱出的重量是3.5625mg，而實(shí)際重量是3.5626mg，存在誤差0.0001mg，若將砝碼繼續(xù)細(xì)分，則誤差將趨近于零。 二、對(duì)于電壓我們同樣也可以 用這樣的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量！ 例如：設(shè)一套標(biāo)準(zhǔn)電壓分別為：2.5V、1.25V、0.625V、0.3125V、1/210 *2.5V 共十一種電壓，相鄰兩個(gè)電壓為二進(jìn)制關(guān)系，此時(shí)測(cè)量3V電壓： 1.將2.5V與3V比較，小則保留并記為1； 2.將1.25V+2.5V與3V比較，超了去掉1.25V記為0，即10； 3.將0.625V+2.5V與3V比較，超了去掉0.625V記為0，即100； 4.將0.

18、3125V+2.5V與3V比較，小則保留并記為1，即1001； 依此類推，直到將1/210 *2.5V +2.5V與3V比較，則可以得到10011001100的數(shù)字量，即用數(shù)字量10011001100來(lái)表示3V的模擬量。 三、將一個(gè)模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)碼表示的形式必須具備的條件： 1.一套相鄰關(guān)系為二進(jìn)制的標(biāo)準(zhǔn)電壓： 由一個(gè)稱為解碼網(wǎng)絡(luò)的電路產(chǎn)生這套電壓。 2.一個(gè)比較鑒別器： 將由解碼網(wǎng)絡(luò)來(lái)的每次試探的電壓和被轉(zhuǎn)換的電壓進(jìn)行比較，并判別出誰(shuí)大誰(shuí)小，以決定是否保留這位電壓。 3.一個(gè)數(shù)碼寄存器： 每次比較的結(jié)果1或0由它保存下來(lái)。 4.一套控制線路： 該控制線路完成兩個(gè)任務(wù)：一是比較由高位開(kāi)始，由

19、高到低逐次比較；二是根據(jù)每次比較的結(jié)果，使相應(yīng)位的數(shù)碼寄存器記1或0，并由此來(lái)決定是否保留這位“解碼網(wǎng)絡(luò)”來(lái)的電壓。注意：ATTENTION “解碼網(wǎng)絡(luò)”的輸出電壓由數(shù)碼寄存器的狀態(tài)決定，而這個(gè)電壓反過(guò)來(lái)又要與輸入的被轉(zhuǎn)換電壓進(jìn)行比較，其比較的結(jié)果1或0決定這位數(shù)碼寄存器的狀態(tài)。 因此，這是一個(gè)相互聯(lián)系、相互依賴的過(guò)程，稱之為電壓反饋；而整個(gè)過(guò)程又是一位一位地進(jìn)行的，故這種電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換的方法總稱為逐次比較電壓反饋編碼型，簡(jiǎn)稱逐次比較型。2.4 ADC0809芯片及其接口： 一、ADC0809主要有三大部分組成： 第一部分：8路模擬量選擇電路。8路模擬量輸入信號(hào)分別接到IN0IN7端，每一路的選

20、通由地址鎖存器與譯碼器電路控制，A、B、C為輸入地址選擇線，地址信息由ALE的上升沿打入地址鎖存器。 第二部分：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。START為啟動(dòng)信號(hào)，要求輸入正脈沖信號(hào)，在上升沿“復(fù)位”逐次逼近寄存器，在下降沿“啟動(dòng)”A/D轉(zhuǎn)換；EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，0表示正在轉(zhuǎn)換，1表示一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束；CLOCK為外部時(shí)鐘輸入信號(hào)，時(shí)鐘頻率決定了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。 第三部分：三態(tài)輸出緩沖鎖存器：A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果由EOC信號(hào)打入三態(tài)輸出緩沖鎖存器，OE為輸出允許信號(hào)，當(dāng)向OE端輸入一個(gè)高電平時(shí)，三態(tài)門電路被選通，這是便可讀取結(jié)果，否則三態(tài)輸出緩沖鎖存器輸出為高阻狀態(tài)。二、ADC0809芯

21、片簡(jiǎn)介： ADC0809是8路8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它能分時(shí)地對(duì)8路模擬量信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，結(jié)果為8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。 ADC0809每一通道的轉(zhuǎn)換約需6673個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)時(shí)鐘頻率取640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換一次約需100s，這是ADC0809所能容許的最短轉(zhuǎn)換時(shí)間。三、ADC0809時(shí)序圖：圖2-5ALE地址穩(wěn)定INXSTARTEOCOE輸出穩(wěn)定ALEP08031INT1RDP2.0WR1 11 1C DQQG74LS373AB07P0.0P0.2ABCD07EOCOEALESTART0809IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7VccR+R-GND+5V 四、ADC0809與單片

22、機(jī)8031接口電路：圖2-62.5實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換所需軟件的設(shè)計(jì)： 根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器連接方式以及智能儀器本身的要求的不同，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換所需軟件的設(shè)計(jì)方法也不同，目前常用的控制方式主要有： 程序查詢方式 延時(shí)等待方式 中斷申請(qǐng)方式一、程序查詢方式 所謂程序查詢方式，就是首先由微處理器向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，然后讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，若轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀入數(shù)據(jù)，否則再繼續(xù)讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)進(jìn)行查詢，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束再讀入數(shù)據(jù)。 該程序設(shè)計(jì)方法比較簡(jiǎn)單，可靠性高，但由于微機(jī)將許多時(shí)間都消耗在“查詢”上，因而效率低。實(shí)際應(yīng)用中，許多系統(tǒng)對(duì)于消耗這點(diǎn)兒時(shí)間還是允許的，因此這種方法應(yīng)用

23、比較普遍。二、延時(shí)等待方式 所謂延時(shí)等待方式是指在向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)后，先根據(jù)所采用的A/D轉(zhuǎn)換器所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間（如ADC0809為100s）進(jìn)行延時(shí)等待，延時(shí)程序執(zhí)行完以后，A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程也已結(jié)束，便可讀入數(shù)據(jù)。 該種方式中，為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，通常延時(shí)時(shí)間應(yīng)略大于A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，占用了較多的時(shí)間，因而多用于微處理器處理任務(wù)比較少的場(chǎng)合。其優(yōu)點(diǎn)是可靠性較高，不占用查詢端口。三、中斷申請(qǐng)方式 前兩種方式，在A/D轉(zhuǎn)換的整個(gè)過(guò)程中，微處理器實(shí)際上一直處于等待方式，因而效率較差。 中斷方式則是當(dāng)微處理器啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器后可轉(zhuǎn)去處理其它事情，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束便向微處理器發(fā)出中斷申請(qǐng)信號(hào)，微處

24、理器響應(yīng)中斷后再來(lái)讀入數(shù)據(jù)。這樣，微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器可以并行工作，大大的提高了工作效率。a.程序查詢方式轉(zhuǎn)換程序： MOVMOV DPTRDPTR，#0FEFFH#0FEFFH MOV AMOV A，#00H#00H MOVX DPTRMOVX DPTR，A A ；啟動(dòng)啟動(dòng)ININ0 0通道轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換 MOV RMOV R2 2，320H320HDLYDLY： DJNZ RDJNZ R2 2，DLY DLY ；延時(shí)，等待延時(shí)，等待EOCEOC變低變低WAITWAIT： JB PJB P3.33.3，WAIT WAIT ；查詢，等待查詢，等待EOCEOC變高變高 MOVX AMOVX A，

25、DPTRDPTR MOV 30H MOV 30H，A A ；結(jié)果存結(jié)果存30H30Hb.延時(shí)等待方式轉(zhuǎn)換程序：MOV DPTR,#0FEFFHMOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H MOV A,#00H MOVX DPTR,A MOVX DPTR,A ；啟動(dòng)啟動(dòng)ININ0 0OO通道通道 MOVX RMOVX R2 2,#40H,#40HWAIT: DJNZ RWAIT: DJNZ R2 2,WAIT ,WAIT ；延時(shí)約延時(shí)約120s120s MOVX A,DPTR MOVX A,DPTR MOV 30H,A MOV 30H,A ；轉(zhuǎn)換結(jié)果存轉(zhuǎn)換結(jié)果存30H30HC. C.

26、中斷方式轉(zhuǎn)換程序中斷方式轉(zhuǎn)換程序主程序：主程序：MAIN: SETB IT1 ;MAIN: SETB IT1 ;選選INTINT1 1為邊沿出發(fā)為邊沿出發(fā) SETB EX1 ;SETB EX1 ;允許允許INTINT1 1中斷中斷 SETB EA ;SETB EA ;打開(kāi)中斷打開(kāi)中斷 MOV DPTR,#0FEFFHMOV DPTR,#0FEFFH MOV A, #00H ; MOV A, #00H ;啟動(dòng)啟動(dòng)A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 ; ;執(zhí)行其他任務(wù)執(zhí)行其他任務(wù)中斷服務(wù)程序：中斷服務(wù)程序：INTR1: PUSH DPL ;INTR1: PUSH DPL ;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) PUSH DPHPU

27、SH DPH PUSH A PUSH A MOV DPTR MOV DPTR，#0FEFFH#0FEFFH MOVX A MOVX A，DPTR ;DPTR ;讀轉(zhuǎn)換結(jié)果讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV 30H,A ;MOV 30H,A ;結(jié)果存結(jié)果存30H30H MOV A, #00H MOV A, #00H MOVX A, DPTR ; MOVX A, DPTR ;啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換 POP A POP A POP DPH POP DPH POP DPL POP DPL RETI ; RETI ;返回返回2.6 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器： 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接式A/D轉(zhuǎn)換器，其工作原理是

28、先用積分器將模擬電壓轉(zhuǎn)換成中間量（時(shí)間T或頻率F），然后再將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字。 它的轉(zhuǎn)換速率較慢，但轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)。一、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器工作原理：其工作原理框圖如圖2-1 圖2-1中電阻R、電容C和直流放大器A組成積分器，輸出電壓V0為輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分，積分器的輸入電壓有兩個(gè)；一個(gè)為反映被測(cè)參數(shù)大小的未知電壓VX，另一個(gè)為已知的標(biāo)準(zhǔn)電壓Vr，積分器由開(kāi)關(guān)S輪流與VX、Vr接通。 它是將一段時(shí)間內(nèi)的模擬電壓通過(guò)兩次積分變換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，然后由脈沖發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量此時(shí)間間隔而得到的數(shù)字量。 該轉(zhuǎn)換器是在一次測(cè)量過(guò)程中，用同一次積分器進(jìn)行兩次積分，一次是對(duì)被測(cè)電

29、壓VX的定時(shí)積分，另一次是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓Vr的定值積分。因此稱為雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。 二、轉(zhuǎn)換原理圖與工作波形圖：圖2-10_ _+_ _+邏輯控制電路時(shí)鐘計(jì)數(shù)門計(jì)數(shù)器顯示S1S2S3S4+UR-URDUCUBUAUiURU01t1t2t3T1T2N1T0N2T0N1N2(a)(b)復(fù)零溢出DUCUBUAS1S3S4S2Ui 整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程可以按以下三個(gè)階段進(jìn)行： 1.預(yù)備階段： 邏輯控制電路發(fā)出復(fù)位指令，計(jì)數(shù)器清零。即將S4閉合，積分器輸入輸出都為零。 2.定時(shí)積分階段： 在t1時(shí)刻，邏輯控制電路發(fā)出啟動(dòng)指令，使S4斷開(kāi)，S1逼和，于是積分器開(kāi)始對(duì)輸入電壓Ui進(jìn)行積分，同時(shí)打開(kāi)計(jì)數(shù)門，計(jì)數(shù)器開(kāi)始

30、計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿N1時(shí)（t2時(shí)刻），計(jì)數(shù)器的溢出脈沖式邏輯控制電路發(fā)出控制信號(hào)使S1斷開(kāi)，于是，定時(shí)積分階段T1結(jié)束。此時(shí)，積分器的輸出電壓位U01：式中Ui輸入電壓Ui在T1內(nèi)的平均值21101)(1ttiiURCTdtURCU（2.1） 3.定值積分階段T2： 邏輯控制電路在t2時(shí)刻令S1斷開(kāi)的同時(shí)，也使與輸入電壓Ui極性相反的基準(zhǔn)電壓接入積分器。圖中設(shè)置了S2、S3兩個(gè)開(kāi)關(guān)，分別接+Ur和-Ur。如Ui為負(fù)值時(shí)，則令S2逼和，于是積分器開(kāi)始對(duì)基準(zhǔn)電壓+Ur進(jìn)行定值積分，積分器的輸出電壓從U01值向零點(diǎn)平傾斜，與此同時(shí)，計(jì)數(shù)器也重新從零開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)積分器輸出電壓達(dá)到零點(diǎn)平時(shí)刻（即t3時(shí)刻

31、），比較其反轉(zhuǎn)，邏輯控制電路發(fā)出計(jì)數(shù)器關(guān)門信號(hào)，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)，計(jì)數(shù)器保留的計(jì)數(shù)值為N2。 定值積分階段結(jié)束時(shí)，積分器輸出電壓為零，則： 將公式2.1 2.2整理得：321001ttRdtURCU（2.2）iRUUTT12（2.3）結(jié)論： T2與輸入電壓的平均值Ui成正比，如果在T2時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，那么所得的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)也與Ui成正比，從而也就完成了電壓數(shù)字的轉(zhuǎn)換過(guò)程。 設(shè)時(shí)鐘脈沖的周期為T0，計(jì)數(shù)器的容量為N1，則：T1=N1T0，T2=N2T0，公式2.3可改寫為：N2=N1/Ur*Ui 該計(jì)數(shù)值N2經(jīng)寄存器輸出，則完成了由模擬電壓Ui向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。2.7 模擬量輸出

32、通道： 模擬量輸出通道的作用主要是將經(jīng)智能儀器處理后的數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換成模擬量送出，去控制現(xiàn)場(chǎng)的模擬設(shè)備(如電動(dòng)執(zhí)行器等)。它也是許多智能設(shè)備（如X-Y繪圖儀、電平記錄儀、波形發(fā)生器等）的重要組成部分。 模擬量輸出通道一般由D/A轉(zhuǎn)換器、多路模擬開(kāi)關(guān)、采樣/保持器等組成。 本節(jié)重點(diǎn)討論D/A轉(zhuǎn)換器及其與微處理器的接口。一、D/A轉(zhuǎn)換原理： D/A轉(zhuǎn)換器由電阻網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)關(guān)及基準(zhǔn)電源等部分組成。目前，采用最多的是R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器。圖2-26給出了一個(gè)4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖： 由圖可見(jiàn)，D/A轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的規(guī)格僅為R，2R兩種，Ur為基準(zhǔn)電壓，它可有內(nèi)部電子開(kāi)關(guān)S3，S2，S1,S0

33、在二進(jìn)制碼D=D3D2D1D0的控制下分別控制4個(gè)支路，并使電流各自進(jìn)入A3，A2，A1，A0 4個(gè)節(jié)點(diǎn)。二、 R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖：圖2-26D0(20)D1(21)D2(22)D3(23)_ _+URUOIOUT1IOUT2A0A1A2A3RRR2RRfb2R2R2R2R2RS0S1S2S3三、 R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)： 該網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的三個(gè)分支的等效電阻都是2R，因此由任一個(gè)分支流入節(jié)點(diǎn)的電流都為I=Ur/3R，并且 I將在節(jié)點(diǎn)處被平分為相等的兩部分，經(jīng)另外兩個(gè)分支流出。 現(xiàn)假定數(shù)字輸入D=0001，即S0閉合，S1，S2，S3斷開(kāi)，則基準(zhǔn)電壓Ur經(jīng)開(kāi)關(guān)S0流入

34、支路所產(chǎn)生的電流為I=Ur/3R，此電流經(jīng)過(guò)A0，A1，A2，A3等4個(gè)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)4次平分得到1/16I注入運(yùn)算放大電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換位電壓信號(hào)。若反饋電阻Rfb=3R，則運(yùn)算放大器輸出端產(chǎn)生的電壓為：RRURRURIU402133161316根疊加據(jù)原理，可以得出D為任意數(shù)時(shí)四位D/A轉(zhuǎn)換器的總輸出電壓：DUDDDDUURR400112233402)2222(2當(dāng)UR為正時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出U0為負(fù)，反之為正。四、 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)： 1.分辨率： 指的是當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量輸出的變化量。具體表達(dá)方式與A/D轉(zhuǎn)換器分辨率基本一致。 2.轉(zhuǎn)換精度： 指的是在整個(gè)工作

35、區(qū)間的輸出電壓與理想輸出電壓之間的偏差，可用絕對(duì)值或相對(duì)值來(lái)表示。轉(zhuǎn)換精度包含了造成D/A轉(zhuǎn)換器誤差的所有因素，其指標(biāo)有時(shí)以綜合誤差方式來(lái)描述，有時(shí)又用分項(xiàng)誤差的方式來(lái)描述。 3.轉(zhuǎn)換時(shí)間： 指當(dāng)輸入的二進(jìn)制代碼從最小值突跳到最大值時(shí)，其模擬量電壓達(dá)到與其穩(wěn)定值之差小于1/2LSB所需的時(shí)間。也稱為穩(wěn)定時(shí)間，其值通常比A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間要短的多。 4.尖峰誤差： 指的是輸入代碼發(fā)生變化時(shí)刻而使輸出模擬量產(chǎn)生尖峰所造成的誤差。產(chǎn)生尖峰的原因是由于各個(gè)開(kāi)關(guān)在切換過(guò)程中響應(yīng)時(shí)間不一致和寄生參數(shù)所致。尖峰持續(xù)的時(shí)間雖然很短，但幅值可能很大，在某些應(yīng)用場(chǎng)合必須施加措施予以避免。五、 D/A轉(zhuǎn)換器與微

36、機(jī)接口： 1.DAC0832簡(jiǎn)介： DAC0832是含有雙輸入數(shù)據(jù)鎖存器的八位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 其內(nèi)部的LE為寄存命令，當(dāng)LE為1時(shí)，寄存器的輸出數(shù)據(jù)隨輸入變化；當(dāng)LE為0時(shí)，數(shù)據(jù)被所存在寄存器中，而不再隨數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)變化而變化。 其邏輯表達(dá)式為：LE(1)ILECSWR1由此可見(jiàn)，當(dāng)ILE為，CS和WR為時(shí)，LE(1)為，允許數(shù)據(jù)輸入；而當(dāng)WR1為時(shí)， LE(1)為，數(shù)據(jù)被鎖存。能否進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，除了取決于LE(1)外，還有賴于LE() 。由圖可見(jiàn)，當(dāng)WR2和XFER均為低電平時(shí)， LE() 為，此時(shí)允許數(shù)據(jù)通過(guò)去進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，否則當(dāng)LE()為時(shí)，將不允許數(shù)據(jù)通過(guò)并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。

37、 2、DAC0832內(nèi)部原理圖：圖2-308位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器614151645137D0D1D2D3D4D5D6D7812119RfbVREFIOUT2IOUT1Rfb&1912181732010ILECSWR2XFERWR1LE(1)*LE(2)* VCC （+5V或+15V） AGND（模擬地）AGND（數(shù)字地）* LE=1時(shí)，輸出數(shù)據(jù) 跟隨輸入 LE=0時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖 存 3、DAC0832與微機(jī)的接口： 在與微處理器接口時(shí)，可以采用雙緩沖方式（兩級(jí)輸入鎖存），也可以采用單緩沖方式（只用一級(jí)輸入鎖存，另一級(jí)始終直通），還可以接成全直通的形式，再外加鎖存器

38、與微機(jī)接口。 因此，這種D/A轉(zhuǎn)換器使用非常靈活方便。 a.DAC0832與8031單片機(jī)連接成單緩沖方式的接口電路： 該種方式主要應(yīng)用于只有一路模擬量輸出，或有幾路模擬量輸出但不需要同步的場(chǎng)合。 該種方式下，兩級(jí)寄存器的控制信號(hào)并接，即將WR1和WR2同時(shí)于8031的WR端口相接，CS和XFER相連接到P2.0，使DAC0832作為8031的一個(gè)外部I/O裝置，口地址為#FEFFH，這樣，8031對(duì)它進(jìn)行一次寫操作，輸入數(shù)據(jù)便在控制信號(hào)的作用下，直接打入0832內(nèi)部的DAC寄存器中，并由D/A轉(zhuǎn)換成輸出電壓。其相應(yīng)的程序段如下： MOV DPTR，#0FEFFH；給出0832的地址 MOV

39、A，#DATA ；欲輸出的數(shù)據(jù)裝入A MOVX DPTR，A ；數(shù)據(jù)裝入0832并啟動(dòng) D/A轉(zhuǎn)換。 單緩沖方式接口電路圖如圖2-31：_ _+P0.0.P0.6P0.7P2.0WRD0.D6D78031CSXFERWR1WR20832ILEVCCVRRfbIOUT1IOUT2AG+5VUO4.DAC0832與8031單片機(jī)連接成雙緩沖方式的接口電路：若需要兩路以上的模擬量同步輸出，則DAC0832必須按雙緩沖方式連接。其接口電路圖如圖2-32。按圖中連接，兩片0832輸入寄存器的地址分別為FEFFH和FDFFH，DAC寄存器的地址都是FBFFH。設(shè)欲輸出的數(shù)據(jù)置于R2，R3中，可編制相應(yīng)的程

40、序段如下： MOV DPTR，#0FEFFH MOV A，R2 MOVX DPTR，A；數(shù)據(jù)送1#0832輸入寄存器 MOV DPTR，#0FDFFH MOV A，R3 MOVX DPTR，A；另一數(shù)據(jù)送2#0832輸入寄存器 MOV DPTR，#0FBFFH MOVX DPTR，A；1#，2#D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)輸出 雙緩沖方式接口電路圖：P39圖2-32_ _+_ _+5V-5V+5V-5VU02U01P0P2.1P2.0P2.2WR8031D0 D7CSWR1WR2XFERILEVRRfbIout1Iout2Iout2Iout1RfbVRILED0 D7CSWR2WR1XFERDAC 083

41、2 1#DAC 0832 2#2.6 小結(jié) 本講介紹了模數(shù)轉(zhuǎn)換 ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換的種類，主要任務(wù)，轉(zhuǎn)換原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。重點(diǎn)講授了逐次比較型和雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器、ADC0809與微機(jī)的接口以及模擬量輸出通道中DAC0832及與微機(jī)的接口等方面的相關(guān)知識(shí)。 作業(yè)： 1.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809與微機(jī)接口電路及A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)？ 2.DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器與微機(jī)接口是怎樣實(shí)現(xiàn)的？第三講：智能儀器人機(jī)接口 【教學(xué)目標(biāo)和要求教學(xué)目標(biāo)和要求】 本講主要介紹了智能儀器人機(jī)接口的相關(guān)知識(shí)，如鍵盤與接口，LED顯示與接口，CRT顯示與接口，微型打印機(jī)接口的相關(guān)技術(shù)。通過(guò)對(duì)本部分學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生掌

42、握諸如鍵盤與接口，LED顯示與接口，CRT顯示與接口，微型打印機(jī)接口的相關(guān)技術(shù)。 【重點(diǎn)與難點(diǎn)】【重點(diǎn)與難點(diǎn)】 鍵盤與接口，LED顯示與接口，CRT顯示與接口，微型打印機(jī)接口的相關(guān)技術(shù)。3.1鍵盤與接口 操作者對(duì)智能儀器進(jìn)行狀態(tài)干預(yù)和數(shù)據(jù)輸入，智能儀器向報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)和處理結(jié)果。例如：鍵盤、顯示器、打印。 鍵盤與微處理器的接口包括硬件與軟件兩部分： 硬件：鍵盤的組織，即鍵盤結(jié)構(gòu)及其與主機(jī)的連接方式。 軟件：按鍵操作的識(shí)別與分析稱為鍵盤管理程序。它主要包括識(shí)鍵、譯鍵和鍵值分析三部分。 識(shí)鍵：判斷是否有鍵按下。 譯鍵：識(shí)別出哪一個(gè)鍵被按下，并指出被按下鍵的鍵值。 鍵值分析：根據(jù)鍵值找出對(duì)應(yīng)處理程序的

43、入口并執(zhí)行。3.1.1鍵盤的組織。 編碼式鍵盤 ： 由按鍵鍵盤和專用鍵盤編碼器兩部分組成，當(dāng)鍵盤中某一按鍵按下時(shí)，鍵盤編碼器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的按鍵代碼，并輸出一選通信號(hào)與CPU進(jìn)行信息聯(lián)絡(luò)。鍵盤編碼器是用很方便，目前市場(chǎng)上已有數(shù)種大規(guī)模集成電路的鍵盤編碼器出售。例如：MM5740AA芯片就是一種專用于64鍵電傳打字機(jī)的鍵盤編碼器，其輸出位ASC碼。 非編碼式鍵盤： 非編碼式鍵盤不含編碼器，當(dāng)某鍵按下時(shí)，鍵盤只能送出一個(gè)簡(jiǎn)單的閉合信號(hào)，對(duì)應(yīng)的按鍵代碼的確定必須借助于軟件來(lái)完成。顯然，非編碼式鍵盤的軟件是比較復(fù)雜的，并且要占用較多地CPU時(shí)間，這是它的不足之處。但非編碼鍵盤可以任意組合、成本低、使

44、用靈活。因而智能儀器大多采用非編碼式鍵盤。3.1.2 鍵盤的工作方式： 智能儀器中CPU對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描時(shí)，要兼顧兩方面的問(wèn)題： 一是要及時(shí)，以保證對(duì)用戶的每一次按鍵都能做出相應(yīng)的響應(yīng)； 二是掃描還不能占用CPU過(guò)多的時(shí)間，CPU還有大量的其它任務(wù)去處理。因此，要根據(jù)智能儀器中的CPU忙、閑情況，選擇適當(dāng)?shù)逆I盤工作方式。 鍵盤有三種工作方式： 編程掃描方式 中斷工作方式 定時(shí)掃描方式 1.編程掃描方式： 該方式也稱查詢方式，它是利用CPU在完成其它工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描程序，以相應(yīng)鍵輸入的要求。問(wèn)題是當(dāng)CPU在運(yùn)行其它程序時(shí)，它就不會(huì)再響應(yīng)鍵輸入的要求，因此，選擇該方式編程時(shí)，應(yīng)考慮程序是否能

45、對(duì)用戶的每次按鍵都會(huì)作出及時(shí)的響應(yīng)。 2.中斷工作方式： 在這種工作方式下，當(dāng)鍵盤中有鍵按下時(shí)，硬件會(huì)產(chǎn)生中斷申請(qǐng)信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷申請(qǐng)后對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵功能處理程序。該方式的優(yōu)點(diǎn)是：由于在無(wú)鍵按下時(shí)不進(jìn)行鍵掃描，因而可以提高CPU的效率，同時(shí)也能確保對(duì)用戶的鍵操作作出迅速的反應(yīng)。 3.定時(shí)掃描方式：該方式利用一個(gè)專門的定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生定時(shí)中斷申請(qǐng)信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷申請(qǐng)后便對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵功能處理程序。由于每次按鍵按下的持續(xù)時(shí)間一般為100ms左右，所以為了不漏檢，定時(shí)中斷周期一般應(yīng)小于100ms。3.1.3鍵抖動(dòng)及消除 1.鍵抖動(dòng)的概念： 鍵盤的按鍵一

46、般都采用觸點(diǎn)式按鍵開(kāi)關(guān)，當(dāng)按鍵被按下或釋放時(shí)，按鍵觸點(diǎn)的彈性會(huì)產(chǎn)生一種抖動(dòng)現(xiàn)象，即當(dāng)按鍵按下或釋放時(shí)，觸點(diǎn)不是迅速可靠的接通或斷開(kāi)；而是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的抖動(dòng)才能穩(wěn)定下來(lái)，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短隨按鍵材料的不同而不同，一般在5ms10ms之間。鍵抖動(dòng)的波形圖如圖3-2。(010)ms(50200)ms(010)ms 2.鍵抖動(dòng)的消除： 鍵抖動(dòng)可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)將一次操作識(shí)別為多次操作而連續(xù)出現(xiàn)一個(gè)鍵多次重復(fù)地出現(xiàn)的誤操作現(xiàn)象。為克服這種由于鍵抖動(dòng)所致的誤判斷，常采用以下的消除方法： 硬件電路消除法： 利用RS觸發(fā)器來(lái)吸收鍵的抖動(dòng)，其硬件電路如圖3-3所示。一旦有鍵按下時(shí)，觸發(fā)器就立即翻轉(zhuǎn)，觸點(diǎn)的抖動(dòng)便不會(huì)再對(duì)

47、輸出產(chǎn)生影響。同樣釋放時(shí)也如此。&S輸出無(wú)彈跳+5VRRR=5K有彈跳 軟件延時(shí)法： 當(dāng)判定按鍵按下或釋放時(shí)，用軟件延時(shí)10ms20ms，等待鍵穩(wěn)定（即可靠的接通或斷開(kāi)）后重新再判定一次，以躲過(guò)觸點(diǎn)的抖動(dòng)期，從而消除鍵抖動(dòng)所帶來(lái)的誤操作。軟件流程圖如下： 讀P1口 有鍵按下？ 延時(shí)10ms 鍵處理 讀P1口 鍵分析 鍵已釋放？ 延時(shí)10ms 分析結(jié)束3.1.4 鍵連擊 1.鍵連擊的概念： 當(dāng)按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的功能便會(huì)通過(guò)鍵盤分析程序得以執(zhí)行。如果在操作者釋放鍵之前，對(duì)應(yīng)的功能得以多次執(zhí)行，如同操作者在連續(xù)不斷的操作按鍵一樣，這種現(xiàn)象就成為鍵連擊。 2.鍵連擊的消除： 鍵連擊現(xiàn)象可用圖3

48、-4所示流程圖的軟件方法來(lái)解決，當(dāng)某鍵按下時(shí)，首先進(jìn)行軟件延時(shí)去抖處理，確定鍵被按下后，便執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能，執(zhí)行完后不是立即返回，而是等待鍵釋放之后再返回，從而使一次按鍵只被響應(yīng)一次，避免連擊現(xiàn)象的發(fā)生。圖3-4a 圖3-4b 讀鍵 延時(shí)去抖 執(zhí)行 等健釋放 讀鍵延時(shí)去抖執(zhí)行 延時(shí)3.2 鍵盤的接口： 前面提到鍵盤按其工作原理可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤兩大類。 編碼式鍵盤是由按鍵鍵盤和專用鍵盤編碼器兩部分組成，當(dāng)鍵盤中某一按鍵按下時(shí)，鍵盤編碼器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的按鍵代碼，并輸出一選通信號(hào)與CPU進(jìn)行信息聯(lián)絡(luò)。鍵盤編碼器使用很方便，主要應(yīng)用于各類電傳打字機(jī)中。 而非編碼式鍵盤不含編碼器，當(dāng)某鍵

49、按下時(shí)，鍵盤只能送出一個(gè)簡(jiǎn)單的閉合信號(hào)，對(duì)應(yīng)的按鍵代碼的確定必須借助于軟件來(lái)完成。非編碼鍵盤可以任意組合、成本低、使用靈活。因而智能儀器大多采用非編碼式鍵盤。非編碼式鍵盤按照它與主機(jī)的接口方式又分為獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤兩種。3.2.1獨(dú)立式鍵盤接口方法 獨(dú)立式鍵盤結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是一鍵一線，即每一個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根檢測(cè)線，可以直接與單片機(jī)I/O線相連接或通過(guò)輸入口與數(shù)據(jù)線相接，結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單。這些測(cè)試線相互獨(dú)立無(wú)編碼關(guān)系，因而鍵盤軟件不存在譯碼問(wèn)題，一旦檢測(cè)到某測(cè)試線上有鍵閉合，便可直接轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的鍵功能處理程序進(jìn)行處理。其接口電路如圖3-5： 8031 P1.0 P1.1 P1.2RRR=10ks0

50、s1s2+5V 圖中的上拉電阻R用來(lái)保證按鍵斷開(kāi)時(shí)，檢測(cè)線上有穩(wěn)定的高電平，當(dāng)某一按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線就變成了低電平，而與其它鍵相對(duì)應(yīng)的的檢測(cè)線仍為高電平，從而很容易的識(shí)別出被按下的按鍵。其優(yōu)點(diǎn)是鍵盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各測(cè)試線相互獨(dú)立，按鍵識(shí)別容易；缺點(diǎn)是按鍵較多時(shí)占用的檢測(cè)線也較多，不便于組成大型鍵盤。 其鍵盤軟件的流程圖如圖3-6：（采用查詢的方式進(jìn)行軟件編程） 首先判斷有無(wú)鍵按下，若檢測(cè)到郵件按下，就延時(shí)10ms避開(kāi)抖動(dòng)的影響，查詢是哪一鍵被按下并執(zhí)行相關(guān)的操作。然后再用軟件查詢等待按鍵的釋放，當(dāng)判明鍵釋放后，用軟件延時(shí)10ms在返回。一方面避開(kāi)按鍵釋放時(shí)抖動(dòng)的影響，另一方面防止鍵連擊的產(chǎn)生

51、。獨(dú)立式接口軟件流程圖：圖3-6鍵分析讀P1口延時(shí)10msP1.0=0?P1.1=0?P1.2=0?S0鍵處理S1鍵處理S2鍵處理讀P1口延時(shí)10ms鍵已釋放？分析結(jié)束有鍵按下NYYYNNYYNN 在上述查詢掃描工作方式下，CPU經(jīng)常處于空掃描狀態(tài)，為進(jìn)一步提高CPU的工作效率，可采用中斷工作方式，即只有當(dāng)鍵盤中有鍵被按下時(shí)，才執(zhí)行掃描工作。圖3-7給出了采用中斷工作方式處理8只按鍵的電路圖。 當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí)，8條測(cè)試線均為高電平，經(jīng)8與非門及反相器后仍為高電平，因而不會(huì)產(chǎn)生中斷，當(dāng)其中任一按鍵按下時(shí)，中斷信號(hào)INT0變?yōu)榈碗娖?，?031申請(qǐng)中斷，8031響應(yīng)中斷后便進(jìn)入中斷服務(wù)程序，用掃描的

52、方法尋找到申請(qǐng)中斷的按鍵，并執(zhí)行相應(yīng)鍵功能處理程序。P0P2.3P2.4WRRDALEINT08PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7S0S1S2S3S4S5S6S7&1803181555k8D0D0IO/MCEWRRDALE+5V圖 3-73.2.2 矩陣式鍵盤接口方法 矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是把檢測(cè)線分為兩組，一組為行線，一組為列線，按鍵放在行線和列線的交叉點(diǎn)上 ，每一按鍵都通過(guò)不同的行線和列線與主機(jī)相連。4*4矩陣共有16只按鍵，但只需要8條檢測(cè)線，m*n矩陣鍵盤與主機(jī)相連只需要m+n條檢測(cè)線。 顯然，鍵盤規(guī)模越大，矩陣式鍵盤的優(yōu)勢(shì)越顯著。 一般鍵盤數(shù)大于8時(shí)，大多采用矩陣

53、式鍵盤。 當(dāng)采用矩陣式鍵盤時(shí)，為了編程方便，一般將矩陣鍵盤中的每一個(gè)按鍵按一定的順序編號(hào)，這種按順序排列的編號(hào)叫順序碼，也稱鍵值。鍵值求取的方法有行掃描法和線路反轉(zhuǎn)法。 1.1.行掃描法：行掃描法： 圖圖3-83-8為為4 4* *8 8矩陣組成的矩陣組成的3232鍵鍵盤與單片機(jī)接口鍵鍵盤與單片機(jī)接口電路。芯片電路。芯片81558155的端口的端口C C工作于輸出方式，用于工作于輸出方式，用于行掃描；端口行掃描；端口A A工作于輸入方式，用于讀入列值。工作于輸入方式，用于讀入列值。其中，其中，81558155的命令的命令/ /狀態(tài)寄存器、端口狀態(tài)寄存器、端口A A、端口、端口B B和端口和端口

54、C C的地址分別為：的地址分別為：0100H0100H、0101H0101H、0102H0102H和和0103H0103H。Y0P0P2.0P2.1WRRDALEWRRDALECEIO/MD0D780318155PC0PC1PC2PC3PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PA787 /6 /5 /4 /3 /1 /2 /0 /F /E /D /C /B /9 /A /8 /17 /16 /15 /14 /13 /11 /12/10 /1F /1E /1D /1C /1B /19 /1A /18 /+5VX0X1X2X3Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y75k8 采用編程掃描工作方式的行掃描法的步

55、驟如下： 判是否有鍵按下。其實(shí)現(xiàn)方法是使端口C所有的行輸出均為低電平，然后從端口A讀入列值。如無(wú)鍵按下，讀入值為FFH，如有鍵按下，則不是FFH。 有鍵按下，延時(shí)10ms，再判斷是否確實(shí)有鍵按下。 確實(shí)有鍵按下，求鍵值。實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)鍵盤進(jìn)行逐行掃描：即先令PC0為0，讀入列值，若列值為FFH，則該行無(wú)鍵按下；在令PC1為0，對(duì)下一行進(jìn)行掃描，若列值不是FFH，則該行有鍵按下，求其鍵值。此時(shí)設(shè)置行值寄存器和列值寄存器，每掃描完一行，無(wú)鍵按下，行值寄存器加08H；有鍵按下，行值寄存器保持原值，求相應(yīng)的列值。求列值方法為：將列值右移，每移位一次，列值寄存器加1，直至移出位為低電平為止，最后將行值和列

56、值相加即得十六進(jìn)制的鍵值。 為保證按鍵每閉合一次，CPU只做一次處理，程序需等閉合的按鍵釋放后再對(duì)其處理。 2.線路反轉(zhuǎn)法： 該方法識(shí)別鍵值的速度較快，但必須借助于可編程的通用接口芯片，如采用單片機(jī)，則可直接與單片機(jī)的I/O口相接。下面以圖3-9所示的4*4鍵盤電路為例說(shuō)明線路反轉(zhuǎn)法的原理：P1.0P1.1P1.2P1.3P1.0P1.0P1.0P1.080310/1/2/4/5/6/7/8/9/A/3/C/D/E/B/F/ 整個(gè)識(shí)別過(guò)程分為兩步: 先從P1的高4位輸出0電平，從P1的低4位讀取鍵盤的狀態(tài)，如某鍵（E鍵）被按下，此時(shí)從P1的低4位輸入的代碼為1101，顯然，0對(duì)應(yīng)著被按下鍵所代

57、表的劣，但只找到列的位置還不能識(shí)別按鍵，還必須找到它所在的行。 進(jìn)行線路反轉(zhuǎn)，即從P1的低4位輸出0電平，從P1的高4位讀取鍵盤的狀態(tài)，此時(shí)從高4位輸入的結(jié)果應(yīng)為0111，其中，0對(duì)應(yīng)著被按下鍵所代表的行位置。將兩次讀入的數(shù)據(jù)和合成一個(gè)代碼，即可確定被按下鍵的位置。3.3 LED顯示及接口 LED即發(fā)光二極管，它是由某些特殊的半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)，由于摻雜濃度很高，當(dāng)正向偏置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的電子-空穴復(fù)合，把多余的能釋放變?yōu)楣饽堋?LED顯示器具有工作電壓低，體積小，壽命長(zhǎng)（約十萬(wàn)小時(shí)），響應(yīng)速度快，（小于1s），顏色豐富（紅、黃、綠等）等特點(diǎn)。 LED的正向工作壓降一般在1.2V2.6V，

58、發(fā)光工作電流在5mA20mA，發(fā)光強(qiáng)度基本上與正向電流成正比，故電路需串聯(lián)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮琛?LED很適于脈沖工作狀態(tài)，在平均電流相同的條件下，采用脈沖工作狀態(tài)比直流工作狀態(tài)亮度增加20%。3.3.1 LED顯示器原理 LED顯示器有單個(gè)、七段和點(diǎn)陣式等幾種類型。 1.單個(gè)LED顯示器：常用于儀器的狀態(tài)指示，圖3-16位單個(gè)LED顯示器的接口電路。儀器內(nèi)微處理器經(jīng)數(shù)據(jù)總線D0-D7輸出待顯示的代碼，送至輸出接口，當(dāng)其輸出端Q0為低電平時(shí)，LED顯示器正向?qū)úl(fā)亮，反之則熄滅。74LS374能同時(shí)驅(qū)動(dòng)八個(gè)LED顯示器，表示一儀器的八種狀態(tài)信息。圖3-16CLKD7D0D07CS IOW.Q1Q0

59、Q7+5V74LS374 2.七段LED顯示：由多個(gè)LED發(fā)光二極管組成數(shù)字陣列并封裝于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的外殼中。最初始的“日”字，七段LED顯示器，可以組成09數(shù)字和多種字母，加上小數(shù)點(diǎn)，也可為八段。為適應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)電路，它有共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)形式。abcdefgdpabcdefgdp+5Vabcdefdpgabcdefdpg12345910876KKkk(a)共陰極(b)共陽(yáng)極(c)管腳圖 為了顯示某個(gè)字或者字符，就要點(diǎn)亮相應(yīng)的段，此時(shí)就需要將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行譯碼，將BCD碼轉(zhuǎn)換為七段字型碼（簡(jiǎn)稱段碼）。譯碼又分為硬件譯碼和軟件譯碼兩種。 硬件譯碼： 其譯碼顯示電路如圖3-18，BCD碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)

60、的七段字型碼的工作由七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器74LS47完成。該種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)時(shí)間的開(kāi)銷較小，但硬件成本高。圖3-1874LS374D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3ABCDabcdefgabcdefg74LS47CLK 軟件譯碼： 軟件譯碼顯示電路如圖3-19，與硬件譯碼顯示電路相比省去了硬件譯碼起，其BCD碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的段碼這項(xiàng)工作由軟件來(lái)完成。 微處理器有較強(qiáng)的邏輯控制能力，采用軟件譯碼并不復(fù)雜。采用軟件譯碼不僅可使硬件電路簡(jiǎn)化，而且其譯碼邏輯可隨編程設(shè)定，不受硬件譯碼邏輯的限定，所以智能儀器中使用較多的是軟件譯碼方式。D0D1D3D2D4D5D6D7D0D2D1D4D3D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q