第3章 基本輸入輸出接口技術

1、微機(wi j)控制技術第3章 基本輸入輸出接口技術共四十九頁第3章基本(jbn)輸入輸出接口技術3.1 數(shù)字濾波3.2 標度變換3.3 越限報警(bo jng)3.4 鍵盤接口3.5 顯示接口共四十九頁3.1 數(shù)字濾波 所謂數(shù)字濾波，就是(jish)在計算機中用某種計算方法對輸入的信號進行數(shù)學處理，以便減少干擾在有用信號中的比重，提高信號的真實性。 這種濾波方法不需要增加硬件設備，只需根據(jù)預定的濾波算法編制相應的程序即可達到信號濾波的目的。 數(shù)字濾波可以對各種干擾信號，甚至極低頻率的信號進行濾波。 數(shù)字濾波由于穩(wěn)定性高，濾波參數(shù)(cnsh)修改也方便，一種濾波子程序可以被各控制回路調(diào)用，因此

2、得到廣泛的應用。共四十九頁3.1 數(shù)字濾波3.1.1 程序判斷(pndun)濾波 程序判斷濾波的方法，是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，確定出兩次采樣輸入信號可能出現(xiàn)的最大偏差y。若超過此偏差值，則表明(biomng)該輸入信號是干擾信號，應該去掉；如小于此偏差值，可將信號作為本次采樣值。 當采樣信號由于隨機干擾，如大功率用電設備的啟動或停止，造成電流的尖峰干擾或誤檢測，以及變送器不穩(wěn)定而引起的嚴重失真等，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實際值太遠，可采用程序判斷濾波。 程序判斷濾波可分為兩種，即限幅濾波和限速濾波。共四十九頁3.1 數(shù)字濾波1限幅濾波(lb)當| Y（n）-Y（n-1）|Y時，則取Y（n）= Y（n），取本次

3、(bn c)采樣值當| Y（n）-Y（n-1）|Y時，則取Y（n）= Y（n-1），取上次采樣值 Y（n）第n次采樣值； Y（n-1）第n-1次采樣值； Y相鄰兩次采樣值所允許的最大偏差，它的大小取決于采樣周期T及被測參數(shù)Y應有的正常變化率。 一定要按照實際情況來確定Y，否則非但達不到濾波效果，反而會降低控制品質。Y通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得，必要時，也可由實驗得出。 共四十九頁3.1 數(shù)字濾波程序(chngx)流程圖如圖3-1所示。 共四十九頁3.1 數(shù)字濾波2限速濾波(lb) 設順序采樣時刻tn-1、tn、tn+1所采集的參數(shù)(cnsh)分別為Y（n-1）、Y（n）、Y（n+1），那么共四十九

4、頁3.1 數(shù)字濾波 限速濾波是一種折衷的方法，既照顧了采樣的實時性，又顧及了采樣值變化的連續(xù)性。 缺點: 第一是Y的確定不夠靈活，必須根據(jù)現(xiàn)場的情況不斷更換新值； 第二是不能反映采樣點數(shù)n3時各采樣數(shù)值受干擾情況。因此，它的應用受到一定的限制。 在實際使用中，可用 取代Y，這樣也可基本保持(boch)限速濾波的特性，雖增加一步運算，但靈活性大為提高。 共四十九頁3.1 數(shù)字濾波程序(chngx)流程圖如圖3-2所示 共四十九頁3.1 數(shù)字濾波3.1.2 算術(sunsh)平均值濾波 算術平均值法濾波的實質即把一個采樣周期內(nèi)對信號的n次采樣值進行算術平均，作為本次的輸出 ，即 （3-3） n值決

5、定了信號平滑度和靈敏度。隨著n的增大，平滑度提高，靈敏度降低。應視具體情況選取n，以便得到滿意的濾波效果。為方便求平均值，n值一般取4、8、16之類的2的整數(shù)冪，以使用移位來代替除法。通常流量信號取12項，壓力信號取6項，溫度(wnd)、成分等緩慢變化的信號取2項甚至不平均。共四十九頁3.1 數(shù)字濾波 算術平均值濾波主要用于對壓力、流量等周期脈動的采樣值進行平滑加工，但對偶然出現(xiàn)(chxin)的脈沖性干擾的平滑作用尚不理想，因而它不適用于脈沖性干擾比較嚴重的場合。另外該濾波方法比較浪費RAM。共四十九頁3.1 數(shù)字濾波3.1.3 加權平均值濾波(lb)加權平均值濾波(lb)法公式為（3-4）

6、其中，k0、k1、kn-1為加權系數(shù)，體現(xiàn)了各次采樣值在平均值中所占的比例，它們都為大于0的常數(shù)項，且滿足（3-5） 一般采樣次數(shù)愈靠后，取的比例愈大，這樣可增加新的采樣值在平均值中的比例。這種濾波方法可以根據(jù)需要突出信號的某一部分，抑制信號的另一部分。適用于純滯后較大的被控對象。共四十九頁3.1 數(shù)字濾波3.1.4 中值濾波(lb) 所謂中值濾波是對某一參數(shù)連續(xù)采樣n次（一般n取奇數(shù)），然后(rnhu)把n次的采樣值從小到大或從大到小排隊，再取中間值作為本次采樣值。 n 個數(shù)據(jù)按大小順序排隊的具體做法是兩兩進行比較，設R1為存放數(shù)據(jù)區(qū)首地址，先將（R1）與（R1）+1）進行比較，若是（R1）

7、（R1）+1）則不交換存放位置，否則將兩數(shù)位置對調(diào)。繼而再?。≧1）+1）與（R1）+2）比較，判斷方法亦然，直到最大數(shù)沉底為止。然后再重新進行比較，把次大值放到n-1位，如此做下去，則可將n個數(shù)從小到大順序排列。 共四十九頁3.1 數(shù)字濾波 設采樣(ci yn)值從8位A/D轉換器輸入5次，存放在SAMP為首地址的內(nèi)存單元中，其程序流程圖如圖3-3所示 。共四十九頁3.1 數(shù)字濾波3.1.5 去極值(j zh)平均濾波 去極值(j zh)平均值濾波的算法是：連續(xù)采樣n次，去掉一個最大值，再去掉一個最小值，求余下n-2個采樣值的平均值。程序的流程圖如圖3-4所示。 為使平均濾波方便，n-2應為

8、2、4、8、16，故n常取4、6、10、18。共四十九頁3.1 數(shù)字濾波圖3-4 去極值(j zh)平均濾波共四十九頁3.1 數(shù)字濾波3.1.6 滑動平均(pngjn)濾波 滑動平均濾波法把n個測量數(shù)據(jù)看成一個隊列，隊列的長度固定為n，每進行一次新的采樣(ci yn)，把測量結果放入隊尾，而去掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，這樣在隊列中始終有n個“最新”的數(shù)據(jù)。然后把隊列中的n個數(shù)據(jù)進行算術平均運算，就可獲得新的濾波結果。 滑動平均值濾波對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低；但對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用差，不易消除由于脈沖干擾引起的采樣值的偏差，因此它不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，而

9、適用于高頻振蕩系統(tǒng)。 通常對流量信號，n取12，壓力信號n取4，液面參數(shù)n取412，溫度信號n取14。共四十九頁3.1 數(shù)字濾波3.1.7 低通數(shù)字濾波 對于變化過程比較緩慢的隨機變量采用短時間內(nèi)連續(xù)采樣，然后求平均值的方法進行濾波，其效果(xiogu)往往不夠理想。為了提高濾波效果(xiogu)，可以仿照模擬系統(tǒng)RC低通濾波器的方法，將普通硬件RC低通濾波器的微分方程用差分方程來表示，便可以用軟件算法來模擬硬件濾波器的功能。 RC低通濾波器如圖3-5所示。圖3-5 RC低通濾波器共四十九頁3.1 數(shù)字濾波 由圖3-5可以(ky)寫出模擬低通濾波器的傳遞函數(shù)為（3-6） 其中， 為RC濾波器的

10、時間常數(shù)， 。 將式（3-6）離散(lsn)后，可得：Y（n）=（1-）Y（n-1）+X（n） （3-7） 式中，X（n）本次采樣值； Y（n-1）上次的濾波輸出值； 濾波系數(shù)，共四十九頁3.1 數(shù)字濾波 RC濾波器時間常數(shù)，=RC； T采樣周期；Y（n）本次(bn c)濾波的輸出值。 低通數(shù)字濾波適用于高頻(o pn)和低頻的干擾信號。共四十九頁3.1 數(shù)字濾波3.1.8 復合(fh)濾波程序 為了進一步提高濾波效果，改善控制精度，有時可以把兩種或兩種以上(yshng)有不同濾波效果的數(shù)字濾波器組合起來，形成復合數(shù)字濾波器，或稱多級數(shù)字濾波器。 例如：把中值濾波和算術平均值濾波結合起來，就可

11、以結合兩者的優(yōu)點，既可以消除周期性的干擾信號，又可對隨機的脈沖干擾信號進行濾波。濾波步驟為： 把n次采樣值按照從大到小或者從小到大的順序排列。 采用中值濾波，去掉最大值和最小值。 對其余的n-2個采樣值取算術平均值，作為濾波的輸出值。共四十九頁3.1 數(shù)字濾波 如果把n次采樣值已經(jīng)(y jing)按照從小到大的順序排列了，并且依次為Y1、Y2、Yn，則濾波輸出值為 （3-8） 此外，也可以采用多重濾波的方法，把多個濾波器串聯(lián)起來，前一個(y )數(shù)字濾波器的輸出作為后一個(y )數(shù)字濾波器的輸入。 比如:可以把兩個低通濾波器串聯(lián)起來，形成雙重濾波，這樣濾波效果會更好些。其濾波算式可以采用迭代方法

12、求出。 共四十九頁3.1 數(shù)字濾波由式（3-7）可知(k zh)：第一級濾波(lb)輸出為 Y（n）=（1-）Y（n-1）+X（n） （3-9） 第二級濾波輸出為 Z（n）=（1-）Z（n-1）+Y（n） （3-10）將式（3-9）代入式（3-10）得Z（n）=（1-）Z（n-1）+（1-）Y（n-1）+2X（n） （3-11）共四十九頁3.1 數(shù)字濾波由式（3-10）可以(ky)求出 Y（n）= Z（n）-（1-）Z（n-1） （3-12）再用n-1代替(dit)n，可得Y（n-1）= Z（n-1）-（1-）Z（n-2） （3-13）將式（3-13）代入式（3-11），就得到兩級數(shù)字濾波算式

13、Z（n）=2（1-）Z（n-1）-（1-）2Z（n-2）+2X（n） （3-14）共四十九頁3.2 標度(bio d)變換標度變換： 在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)(shngchn)中的各個參數(shù)都有著不同的數(shù)值和量綱，所有這些參數(shù)都經(jīng)過變送器轉換成A/D轉換器所能接收的05V統(tǒng)一電壓信號，又由AD轉換成00FFH（8位）的數(shù)字量。為進一步顯示、記錄、打印以及報警等，必須把這些數(shù)字量轉換成不同的單位，以便操作人員對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視和管理。這就是所謂的標度變換。共四十九頁3.2 標度(bio d)變換3.2.1 線性參數(shù)(cnsh)標度變換 所謂線性參數(shù)，指一次儀表測量值與A/D轉換結果具有線性關系，或

14、者說一次儀表是線性刻度的。 標度變換公式為 （3-15） 式中， A0 一次測量儀表的下限； Am 一次測量儀表的上限； Ax 實際測量值（工程量）； N0 儀表下限對應的數(shù)字量； Nm 儀表上限對應的數(shù)字量； Nx 測量值所對應的數(shù)字量。共四十九頁3.2 標度(bio d)變換 為使程序(chngx)簡單，一般把被測參數(shù)的起點A0（輸入信號為0）所對應的A/D輸出值為0，即N0=0，這樣上式可化作（3-16） 比如：某熱處理爐溫度測量儀表的量程為2001000，在某一時刻計算機采樣并經(jīng)數(shù)字濾波后的數(shù)字量為0CDH，設儀表量程為線性的，求出此時溫度值。A0=200 ，Am=1000 ，Nx=0

15、CDH=（205）D，Nm=0FFH=（255）D，根據(jù)式（3-16）可得此時溫度為共四十九頁3.2 標度(bio d)變換 有時，工程量的實際值還需經(jīng)過一次變換。如電壓測量值是電壓互感器的二次測的電壓，則其一次側的電壓還有一個(y )互感器的變比問題，這時上式應再乘上一個(y )比例系數(shù)，即（3-17） 共四十九頁3.2 標度(bio d)變換3.2.2 非線性參數(shù)(cnsh)標度變換比如:在過程控制中，最常見的非線性關系是差壓變送器信號P與流量Q的關系（3-18） 式中，Q流量； K流量系數(shù)，與流體的性質及節(jié)流裝置的尺寸有關；P節(jié)流裝置前后的差壓。共四十九頁3.2 標度(bio d)變換據(jù)

16、此，可得測量流量(liling)時的標度變換式為 整理得 （3-19） 共四十九頁3.2 標度(bio d)變換式中 Q0流量儀表的下限值； Qm流量儀表的上限值； Qx被測量的流量值； N0差壓變送器下限(xixin)所對應的數(shù)字量； Nm差壓變送器上限所對應的數(shù)字量； Nx差壓變送器所測得的差壓值（數(shù)字量）。 對于流量測量儀表，一般下限取0，此時Q0=0，N0=0，故上式變?yōu)椋?-20） 共四十九頁3.3 越限報警(bo jng) 在計算機控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設有上、下限檢查及報警系統(tǒng)，以便(ybin)提醒操作人員注意或采取相應的措施。其方法就是把計算

17、機采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計算機進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波、標度變換之后，與該參數(shù)上、下限給定值進行比較，如果高于（或低于）上限（或下限），則進行報警，否則就作為采樣的正常值，以便(ybin)進行顯示和控制。 報警系統(tǒng)一般為聲光報警信號，在某些系統(tǒng)中，需要增加功能，還帶有打印輸出，如記下報警的參數(shù)、時間等，并能自動進行處理，如自動切換到手動，切斷閥門或自動撥出電話號碼等。共四十九頁3.3 越限報警(bo jng)報警程序的設計方法主要有兩種: 一種是軟件報警。這種方法的基本作法是把被測參數(shù)如溫度、壓力、流量、速度、成分等參數(shù)，經(jīng)傳感器、變送器、AD轉換(zhunhun)送入計算機后，再與規(guī)定的上、下限值進行比

18、較，根據(jù)比較的結果進行報警或處理，整個過程都由軟件實現(xiàn)。 另一種是直接報警?；咀鞣ㄊ潜粶y參數(shù)與給定值的比較在傳感器中進行，如果被測參數(shù)超過給定值，就會通過硬件向CPU提出中斷請求，CPU響應中斷后，會產(chǎn)生報警信號。共四十九頁3.3 越限報警(bo jng)不論是軟件報警(bo jng)，還是直接報警(bo jng)，都需要經(jīng)過以下三個步驟： 對被測參數(shù)進行采樣。 將采樣值與給定值的上、下限值進行比較。 根據(jù)比較結果執(zhí)行相應的報警處理程序。共四十九頁3.4 鍵盤(jinpn)接口1鍵盤(jinpn)的組成及特點 一個按鍵電路如圖3-10所示。當按鍵未按下時，VA=1，為高電平；當按鍵S按下時，

19、VA=0，為低電平。因此，可以通過高、低電平的檢測，便可確定按鍵是否被按下。 圖3-10 按鍵電路共四十九頁3.4 鍵盤(jinpn)接口 由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合或斷開時不會馬上穩(wěn)定下來，會有瞬間的抖動(dudng)，具體波形如圖3-11所示。 圖3-11 按鍵抖動波形共四十九頁3.4 鍵盤(jinpn)接口2消除(xioch)按鍵抖動的措施 消除按鍵抖動的措施有兩種：硬件方法和軟件方法。（1）硬件方法 采用RC濾波消抖電路或RS雙穩(wěn)態(tài)消抖電路，如圖3-12所示。共四十九頁3.4 鍵盤(jinpn)接口（2）軟件(run jin)方法 當按鍵數(shù)量較多時，硬件消抖將無法勝任。

20、在這種情況下，可以采用軟件的方法進行消抖。在第一次檢測到有按鍵閉合時，首先執(zhí)行一段延時10ms的子程序，然后再確認該按鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正有按鍵按下，從而消除了抖動的影響。共四十九頁3.5 顯示(xinsh)接口3.5.1 LED顯示器接口技術1LED數(shù)碼顯示器結構(jigu)與原理 LED數(shù)碼顯示器是由發(fā)光二極管組成的，如圖3-20所示。 圖3-20 LED數(shù)碼管的結構及外形圖共四十九頁3.5 顯示(xinsh)接口 LED數(shù)碼顯示管中的dp顯示段用來(yn li)顯示小數(shù)點。LED中每一段二極管與數(shù)據(jù)線的對應關系如下：數(shù)據(jù)線：D7D6D5D4D3D

21、2D1D0LED段：dpgfedcba這樣，共陰極和共陽極LED數(shù)碼顯示器的字型碼如表3-1所示。 共四十九頁3.5 顯示(xinsh)接口顯示字符共陰極接法共陽極接法顯示字符共陰極接法共陽極接法 03FHC0HC39HC6H106HF9HD5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH466H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82H31HCEH707HF8HY6EH91H87FH80HH76H89H96FH90HL38HC7HA77H88H“滅”00HFFHB7CH83H共四十九頁3.5 顯示(xinsh)接口2LED數(shù)碼(shm)顯示器的顯示方式

22、 圖3-21是4位共陰極LED顯示器的結構原理圖。共四十九頁3.5 顯示(xinsh)接口 從圖中可以看出，4位LED顯示器有4根位選線和84根段選線。則N位LED顯示器有N根位選線和8N根段選線。 段選線控制顯示字符的字型，而位選線則控制顯示位的亮、暗。 根據(jù)(gnj)位選線和段選線的連接方法不同，顯示方式也不同。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。共四十九頁3.5 顯示(xinsh)接口3.5.2 LCD顯示器接口技術1LCD顯示器的工作(gngzu)原理 LCD是一種借助外界光線照射液晶材料而實現(xiàn)顯示的被動顯示器件，結構原理圖如圖3-28所示。共四十九頁3.5 顯示(xinsh)接口2LCD顯示器的驅動(q dn)方式 LCD顯示器分為段式和點陣式兩種，對于數(shù)字顯示為主的儀器儀表，一般適宜于采用段式液晶顯示器，所以本節(jié)重點介紹段式LCD的接口技術。 段式LCD也有七段（或八段）顯示結構，不同之處就是LCD的每個字形段要由頻率為幾十赫茲到數(shù)百赫茲的節(jié)拍方波信號驅動，該方波信號加到LCD的公共電極和段驅動器的節(jié)拍信號輸入端。 液晶顯示器的驅動方式由電極引線的選擇方式確定。因此，在選擇好液晶顯示器后，用戶無法改變驅動方式。液晶顯示器的驅動方式一般有靜態(tài)驅