智能仪表原理与设计PPT电子教案（完整版） .ppt

智能仪表原理与设计任课教师：王久龙,江苏技术师范学院 电信学院60-321,课程的性质：电子与测控、电气类专业课、考查课。学时：40学时。成绩评定：开卷考试等。平时成绩30+考试成绩70。教材：智能化测量控制仪表原理与设计 第2版,课程的作用与任务 随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域内的一场新的技术革命。通过它能够很容易地将计算技术与测量控制技术相结合，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。在计算机与仪表一体化设计中具有其他微型计算机无法比拟的优势。,适用专业：电子与测控、电气类,参考书:1.吕能元等编著，80C51单片微型计算机原理，科学出版社，1993年 2.赵新民等编著，智能仪器原理及设计，哈尔滨工业大学出版社，1991年 3.杨吉祥编著，智能仪器，南京工学院出版社，1986年,第一章 绪论,基本要求：了解智能仪表的组成、发展趋势、主要功能特点及基本设计思想和研制步骤。,重点：智能仪表的组成难点：1.智能仪表的功能特点2.智能仪表的设计方法,学时：2,作业：1,教学内容：1.智能仪表的基本组成与发展2.智能仪表的功能特点3.智能仪表的设计方法,一、智能化测量控制仪表的概念：以单片机为主体的测量控制仪器仪表。二、智能化测量控制仪表的特点：1.测量过程自动化2.测量结果的数据处理（最突出的特点）a.对随机误差和系统误差进行处理 b.数值处理和非数值处理3.多功能 如电力需求分析仪，可测量有功功率、电能、频率、功率因素、峰值等，可预置用电需求计划，并有记录、打印、报警、控制等功能。,第一章 绪论,三、功能：数据运算、存储、逻辑判断、命令识别、自诊断自校正、自适应自学习等功能。设计重点从模拟和逻辑电路转向单片机、功能部件、接口电路、输入输出通道设计等。,1.1 智能化测量控制仪表的基本组成与发展,智能化测量控制仪表的主体：单片机。单片机内部：CPU、存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口甚至A/D等。,一、智能化测量控制仪表的基本组成：,二、智能化测量控制仪表的发展。国内市场上比如：能自动进行差压补偿的智能节流式流量计、能对各种频谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪、能进行程序控温的智能多段式温度控制仪、能实现数字PID控制和各种复杂控制规律的智能式调节器等。其发展速度很快的一个重要因素是集成电路和计算机技术的飞速发展。如80C51、80C552等。DSP芯片如TMS320系列。,光纤荧光光谱仪的结构框图,1.2智能化测量控制仪表的功能特点,一、传统测控仪表对输入信号测量的准确性和正确性方面不能保证。,1、准确性：智能化测量控制仪表采用自动校准技术消除零点漂移，用校正算法（自校准）消除系统误差，提供数字滤波算法消除随机误差。,2、正确性：设有自检功能确保对输入信号测量的正确性。,主要功能特点：利用单片机的数据处理能力，可消除随机误差和系统误差。,二、其他方面功能：利用数据处理技术对仪表进行非线性特性的校正（线性化）；利用串行和并行通讯接口组成自动测控系统等。GP-IB的接口能力及总线结构图。,1.3智能化测量控制仪表的设计方法,一、智能化测量控制仪表设计的主要内容：1)硬件2)软件3)仪表结构工艺。,在设计一台智能仪表时首先应根据仪表要完成的任务确定其具体的功能。1)在硬件设计时首先考虑单片机的选择。,选择单片机时应考虑的因素：字长 用于工业现场的单片机和用于通用计算机系统的微处理器不同。字长为8位、时钟频率为20-30MHZ满足要求。2.寻址能力 64K3.指令功能和执行速度 111条指令4.中断能力 5个基本中断源5.市场上对该单片机的软硬件支持状况 80C51,其他几种51系列单片机的选择（了解）：1、AT89C52 内部有3个定时器T0、T1、T2，6个中断源，有256字节内部RAM可供使用，其中：低128B（007FH）可以直接或间接寻址 高128B（80FFH）只能间接寻址 特殊功能寄存器只能直接寻址，它与高128BRAM是靠寻址方式不同来区分的,2、ADuC831 具备AT89C52的全部资源，另外，还有：片内扩展的2KB数据XRAM，占用外部数据存储空间的低2KB空间，必须用MOVX指令访问 4KB片内EEPROM数据存储器 8通道12位ADC，可247KSPS高速采样，可实现ADC至RAM的DMA控制器 2路12位电压输出DAC 另外还有：SPI串行接口，看门狗定时器等。,3、STC89C54RD+STC89C54RD+单片机在引脚和外形与AT89C52完全兼容，另外扩展了1KB内部XRAM，其地址为0003FFH，必须使用MOVX指令访问，另有2KB EEPROM数据存储器，可存放非易失性数据。STC单片机可用普通单片机开发装置开发、在线下载，,输入输出接口包括：1.A/D接口2.D/A接口3.键盘显示器打印机接口4.通信接口先画电路图，在试验板上调试，PCB板。,2)软件设计常用的程序设计方法：模块法 监控管理程序三大模块：监控主程序 接口管理程序 命令处理子程序2.自顶向下设计方法3.结构化程序设计,结构化程序设计三种基本结构：a.顺序结构b.选择结构,c.循环结构：,以上三种结构可嵌套任意层数优点：利用该三种结构可构成任意程序。缺点：1.执行速度慢，占用存储器多。2.只采用三种结构，某些复杂任务实现 困难。,第二章 智能化测量控制仪表的专用微处理器,基本要求：了解80C51系列单片机的特点和结构。,重点难点：1.80C51系列单片机的特点2.80C51系列单片机的结构 3.80C51单片机的系统扩展,学时：4,作业：,教学内容：1.80C51系列单片机的特点 2.80C51单片机的结构3.80C51单片机的存储器结构4.80C51单片机的CPU时序5.80C51单片机的复位信号与复位电路6.80C51单片机的并行I/O口7.80C51单片机的指令系统8.80C51单片机的汇编语言程序设计与实用子程序9.80C51单片机的定时器/计数器10.80C51单片机的串行口11.80C51单片机的中断系统12.80C51单片机的节电工作方式13.80C51单片机的系统扩展,第二章 智能化测量控制仪表的专用微处理器,很多仪表厂家都采用8位微处理器。单片机在内部集成：CPU、ROM、RAM、定时器/计数器、串行口、并行I/O口、中断系统、时钟电路等。目前市场上单片机的硬件支持芯片及软件应用程序十分丰富，许多仪表厂家都采用80C51系列单片机作为其生产的测量控制仪表的专用微处理器。,80C51系列单片机在片内集成了：CPU、并行I/O口、异步串行口、16位定时器/计数器、中断系统、片内RAM、片内ROM等。80C51系列单片机分为无片内ROM型(80C31)和带片内ROM型（80C51、87C51、89C51）。80C51系列单片机在存储器上采用ROM 和RAM分开结构；七种寻址方式；111条指令；5个中断源。,2.1 80C51系列单片机的特点,2.2 80C51单片机的结构,2.2.1 基本组成,80C51单片机通常采用40引脚双列直插式封装。,2.2.2 引脚功能,2.3 80C51单片机的存储器结构,80C51单片机的存储器结构组成：四个存储器空间：64K内部ROM64K外部ROM128B内部RAM64K外部RAM,80C51单片机特殊功能寄存器一览表：,工作寄存器组选择由程序状态字寄存器PSW中的两位RS0和RS1决定。,RS1、RS0与工作寄存器组的关系：,2.4 80C51单片机的CPU时序,CPU执行一条指令所需的时间以机器周期为单位，80C51单片机的一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个S状态：S1S6。指令的执行速度与其需要的机器周期数有关，机器周期数越少速度越快。,2.5 80C51单片机的复位信号与复位电路,80C51单片机在启动时需要复位，使CPU和系统的各个部件处于一种确定的状态。80C51单片机复位电路有上电自动复位电路和按键手动复位电路。复位以后不影响片内RAM内容。,80C51单片机有4个并行I/O口：P0、P1、P2、P3，每个口都有8根引脚，都是双向通道，每个引脚都能独立地用作输入或输出。,2.6 80C51单片机的并行I/O口,80C51单片机并行I/O口一位的逻辑图：,80C51单片机并行I/O口一位的逻辑图：,P0、P2口用作地址/数据总线，P3口用其第二功能，可以对外形成地址、数据和控制三总线。在利用三总线时需在P0口加接一地址锁存器，而P2口不用。,单片机与外部存储器、I/O端口的连接：,2.7.1 指令和助记符,2.7 80C51单片机的指令系统,2.7.2 指令的字节数,指令是一组二进制代码。助记符一般采用英文单词缩写。,一条指令通常由操作码和操作数组成。,1）单字节指令2）双字节指令3）三字节指令,2.7.3 寻址方式,寻址：寻找操作数的地址。,1.寄存器寻址2.直接寻址3.立即寻址4.寄存器间接寻址5.变址寻址6.相对寻址7.位寻址,可以位寻址的SFR：,2.8 80C51单片机的汇编语言程序设计,2.8.1 汇编语言格式与伪指令,汇编语言源程序转换为目标程序称为汇编。,1.设置程序起始地址ORGORG nnnn,2.定义字节DB标号：DB 项或项表,3.定义字DW标号：DW 项或项表,4.保留存储器空间DS标号：DS 表达式,5.为标号赋值EQU字符名 EQU 表达式,设计应用程序时首先要确定算法。一般先编写一个主程序框架，再编写各个功能子程序。,2.8.2 应用程序设计,6.源程序结束END END,2.9 80C51单片机的定时器/计数器,方式控制寄存器TMOD的控制字格式：,2.9.1 定时器/计数器的控制寄存器与逻辑结构,80C51单片机内部有两个16位定时器/计数器：T0和T1。定时器/计数器在硬件上由双字节加法计数器TH和TL组成。定时器/计数器的工作方式由TMOD和TCON编程决定。,运行控制寄存器TCON的控制字格式：,1）方式0和方式1 以定时器/计数器T1为例，方式0为13位定时器/计数器，由TL1的低5位和TH1的8位构成。方式1为16位定时器/计数器，TL1和TH1均为8位。,定时器T1方式0和方式1逻辑结构：,2）方式2,定时器T1方式2逻辑结构：,3）方式3,定时器T0方式3逻辑结构：,T2CON控制字格式：,80C52：T2，其控制寄存器T2CON地址为C8H。,T2定时器操作方式：,1）常数自动装入方式 当T2工作于此方式时，由TL2和TH2构成16位计数器，RCAP2L和RCAP2H组成16位常数寄存器。,常数自动重新装入方式时定时器T2的逻辑结构：,3）串行口波特率发生器方式,2）16位捕捉方式,捕捉方式时定时器T2的逻辑结构：,80C51定时/计数器在进行定时或计数之前要初始化，初始化步骤：1.确定工作方式，即给TMOD写入控制字。2.设置初值，将初值写入寄存器TL0、TH0或TL1、TH1。3.对中断控制寄存器IE置初值，即决定是否开放定时器中断。4.使TCON中TR0或TR1置位，以启动定时/计数器。,2.9.2 定时器/计数器应用举例,2.10 80C51单片机的串行口,异步通信字符格式：,80C51单片机在与外设或其他计算机之间交换信息时，通常采用并行通信和串行通信方式。,2.10.1 串行通信方式与串行口控制寄存器,1.异步串行通信方式,串行通信分为异步传送和同步传送。,同步传送格式：,在串行通信中有个反映串行通信速率的重要指标：波特率。波特率不等于时钟频率，时钟频率通常是波特率的16或64倍。,2.同步串行通信方式,串行通讯中数据传送方式：,80C51串行口组成。,串行口控制寄存器SCON格式：,串行口工作方式：,波特率系数控制寄存器PCON格式：,2.10.2 串行口应用举例,串行口一般用定时器T1作为波特率发生器，通常将T1设置为工作方式2。,2.11 80C51单片机的中断系统,中断的类型：1.屏蔽中断。2.非屏蔽中断。3.软件中断。,2.11.1 中断的概念,中断就是CPU暂时终止当前正在执行的程序转而执行中断服务子程序。,中断系统的任务：1.开中断、关中断。2.中断的排队。3.中断的响应。4.中断撤除。,2.11.2 中断申请与控制,80C51单片机的中断系统由若干个SFR组成：定时器运行控制寄存器TCON中断允许寄存器IE中断优先级寄存器IP串行口控制寄存器SCON,80C51有5个中断源：外部中断0外部中断1T0T1串行口,定时器控制寄存器TCON格式：,串行口控制寄存器SCON格式：,中断允许寄存器IE格式：,中断优先级寄存器IP格式：,80C51单片机的5个中断源及其优先级固定查询次序：,表2-8 80C51单片机的中断源：,2.11.3 中断响应,响应中断的条件：1.没有同级或更高级别的中断正在得到相应。2.等到当前正在执行的指令执行完毕后，CPU响应新的中断申请。3.若正在执行的指令是RETI或任何访问IE或IP的指令，要在执行完该指令以及其后的一条指令后才响应新的中断。,80C51单片机5个中断源中，响应后系统能通过硬件自动清0的有：1.T0或T1的中断请求标志TF0或TF1。2.外部中断0或1的中断请求标志IE0或IE1。80C51单片机对于串行口的中断请求标志TI和RI不予以自动撤除。,80C51单片机中断系统的初始化：1.开中断。2.确定各中断源优先级。3.若是外部中断，应规定是低电平触发还是负边沿触发。中断处理包括：1.保护现场。2.为中断服务。,编写中断服务程序时需注意：1.如果中断服务程序的长度超过8个地址单元，应在中断入口地址处安排一条转移指令。2.若执行当前中断服务程序时需要禁止更高级中断源，则要用指令关闭中断。3.在保护和恢复现场前关中断。4.及时清除不能被硬件自动清0的中断请求标志。,2.12 80C51单片机的节电工作方式,80C51单片机的两种节电工作方式：1.空闲方式2.掉电方式,特殊功能寄存器PCON格式：,2.12.2 节电方式的应用,2.13 80C51单片机的系统扩展,2.13.1 程序存储器扩展,1.地址线2.数据线3.控制线,2.13.2 数据存储器扩展,80C51单片机采用哈佛式存储器结构，程序存储器和数据存储器在物理上是独立的，且各自具有不同的控制信号。,2.13.3 并行I/O端口扩展,对于无ROM型单片机，由于P0和P2口不能再用作并行I/O口，所以很多情况下需要进行外部并行I/O口扩展。,为了唯一选中某个外部存储器单元或外部I/O端口，必须进行两种选择操作：片选和字选。,1.线选法,2.地址译码法,1.线选法,线选法利用单片机的一根空闲高位地址线选中一个外部扩展I/O口芯片。,2.地址译码法,80C51单片机的工作方式,1.复位方式,2.程序执行方式 80C51单片机的基本工作方式。所执行的程序可放在内部ROM、外部ROM或同时存放在内外ROM中。,3.单步执行方式 使程序的执行处在外加脉冲的控制之下，使程序指令逐条执行。单步执行方式可以利用80C51单片机的中断控制来实现。,4.编程和校验方式,(1)8751H EPROM的操作方式：,8751H EPROM的编程线路：,8751H EPROM的校验线路：,8751H EPROM的保密位编程线路：,87C51 EPROM的操作方式：,(2)87C51 的编程方法：,CMOS型单片机的EPROM编程线路：,CMOS型单片机的EPROM校验线路：,第三章 智能化测量控制仪表的ADC和DAC接口,基本要求：了解智能仪表的过程通道接口技术，掌握A/D，D/A转换接口及数据采集系统的设计方法。,重点难点：1.DAC接口技术 2.ADC接口技术 3.数据采集系统,学时：8,作业：7,教学内容：1.A/D及D/A转换器的主要技术指标 2.DAC接口技术 3.ADC接口技术 4.数据采集系统,第三章 智能化测量控制仪表的ADC和DAC接口,智能化测量控制仪表的工作过程：,1.分辨率2.精度3.量程（满刻度范围）4.线性度误差5.转换时间,3.1.1 A/D转换器的主要技术指标,3.1 A/D及D/A转换器的主要技术指标,3.1.2 D/A转换器的主要技术指标,3.2 DAC接口技术,DAC的功能是将数字量转换为与其成比例的模拟量。,几种常用DAC芯片的特点及性能：,将电流型DAC芯片连接成电压输出方式：,将电流型DAC芯片连接成电压输出方式：,将电流型DAC芯片连接成电压输出方式：,3.2.1 常用DAC芯片的接口方法,1.无内部锁存器的DAC接口方法,10位DAC接口,(a)无内部锁存器的DAC接口,(b)毛刺,采用双组缓冲器的10位DAC接口：,图3.4 采用双组缓冲器的10位DAC接口,DAC0832逻辑框图,2.带内部锁存器的DAC接口方法,图3.5 DAC0832逻辑框图,DAC0832与80C51单片机的接口,图3.6 DAC0832与80C51单片机的接口,二路DAC0832与80C51的接口,图3.7 二路DAC0832与80C51的接口,多通道模拟量输出接口,图3.8 多通道模拟量输出接口,DAC1208的结构,图3.9 DAC1208的结构,DAC1208与单片机80C51接口,图3.10 DAC1208与单片机80C51接口,3.2.2 DAC接口的应用,DAC0832与80C51单片机的接口,图3.6 DAC0832与80C51单片机的接口,3.2.2 DAC接口的应用,正向阶梯波,双通道正交可程控正弦波发生器原理图,图3.13 双通道正交可程控正弦波发生器原理图,正弦波形的离散化：,调制型DAC任意波形发生器原理图,3.3 ADC接口技术,ADC的功能是将输入模拟量转换为与其成比例的数字量。它是智能化测量控制仪表的一种重要组成器件，按其工作原理分为：比较式ADC，积分式ADC以及VFC式ADC（电压频率转换式）。,几种常用A/D芯片的特点和性能：,3.3.1 比较式ADC接口,(a)原理电路,图3.17 阶梯波比较式ADC工作原理,（b)工作波形,软件ADC的接口,图3.18 软件ADC的接口,软件ADC的程序框图：,ADC0809的原理结构框图：,图3.20 ADC0809的原理结构框图,ADC0809的工作时序：,ADC0809的引脚排列：,ADC0809与单片机80C51的接口：,图3.23 ADC0809与单片机80C51接口,AD574的转换方式和数据输出格式：,表3-4 AD574的转换方式和数据输出格式,AD574A单极性和双极性输入：,AD574A与80C51接口电路,图3.27 AD574A与80C51的接口电路,AD578的管脚排列：,AD578的工作时序：,AD578与单片机8751的接口电路,图3.30 AD578与单片机8751的接口电路,3.3.2 积分式ADC接口,有些智能化测量控制仪表要求能在工业现场使用，现场通常存在很强的干扰，如大功率电机的磁场等，而被测信号往往是微弱的直流信号，如果不能有效地抑制干扰测量结果则没有意义，这时可考虑采用积分式ADC。,双积分式ADC的原理及工作波形：,图3.31 双积分工ADC的原理及工作波形,(a)原理电路,（b）工作波形,5G14433的引脚排列：,EOC和DS的时序：,单片机80C51与5G14433A/D转换器的接口,中断服务子程序,ICL7135引脚排列：,ICL7135输出时序：,ICL7135与单片机的接口电路：,转换数据在内存中的存放格式：,图3.35 7135A/D转换流程,（a）主程序,三积分式AD原理及工作波形：,三积分式ADC中的计数器：,3.3.3 压频转换式ADC接口,(a)原理电路,（b)工作波形,图3.38 VFC原理电路与工作波形,用VFC组成ADC的原理：,图3.39 用VFC组成AD转换器的原理框图,LM331的主要性能特点：1.满量程频率范围：1Hz100kHz2.最大非线性度：0.01%3.脉冲输出与所有逻辑形式兼容4.最佳的温度稳定性5.可在双电源或单电源下工作6.功率低7具有电源电压输出短路保护8.价格低廉,LM331的引脚排列：,LM331与单片机80C51的接口,图3.41 LM331与单片机80C51的接口,图3.42 用LM331实现A/D转换的程序流程,3.4 数据采集系统,在智能化测量控制仪表中，为了能够实现对外界各种模拟信号的测量，必须要采用数据采集系统将信号送入仪表中，数据采集系统是外部信号进入仪表内部的必经通道。,多通道数据采集系统原理：,多通道数据采集系统原理：,多通道数据采集系统原理：,3.4.1 前置放大器,ICL7650接法：,ADOP07接法,程控放大器原理：,AD521的管脚排列和基本接法：,AD521与输入信号不同耦合方式下的接地方法：,AD524的结构框图及引脚排列：,3.4.2 采样保持器,采样保持放大器（SHA）原理：,图3.52 采样保持器原理图,3.4.2 采样保持器,采样保持器SH的基本特性参数：,AD582和LF398的引脚和接法：,AD7506多路模拟开关,第四章 智能化测量控制仪表的 键盘、显示器及打印输出接口,基本要求：了解智能仪表的人-机接口技术，掌握键盘、显示器及打印机接口的设计原理和方法。,重点难点：1.键盘接口技术 2.显示器接口技术 3.液晶显示器LCD接口技术4.打印机输出接口技术,学时：6,作业：13,教学内容：1.键盘接口技术 2.显示器接口技术 3.8279可编程键盘/显示器芯片接口 技术 4.液晶显示器LCD接口技术5.打印机输出接口技术,4.1 键盘接口技术,键盘由一组按压式或触摸式开关构成阵列。键盘分为编码式键盘和非编码式键盘。,1.按键识别,第四章 智能化测量控制仪表的 键盘、显示器及打印输出接口,2.反弹跳,3.串键保护,处理串键的技术：1.两键同时按下2.n 键同时按下3.n 键锁定,矩阵式16键键盘接口,4.1.1 非编码键盘,行扫描法按键识别：,键位与行列线关系：,串键保护流程图：,第2行第一列有键按下时的矩阵键盘接口：,接口总线方向反转后的矩阵键盘接口：,键盘、显示器与单片机80C51的接口：,4.1.3 编码键盘,静态编码键盘接口电路：,扫描式编码键盘：,4.2 LED显示器接口技术,LED是近似于恒压的元件。发光二极管显示器驱动的方法：1.静态驱动方法给欲点亮的LED通以恒定的电流。2.动态驱动方法给欲点亮的LED通以脉冲电流。,4.2.1 七段LED显示器,七段LED数码显示器的连接：,共阴极接法,共阳极接法,内部段的排列,七段数码显示器的段码表：,采用硬件译码器的LED接口：,软件译码的动态扫描多位LED显示接口：,点阵式LED显示器,75点阵式LED显示电路：,4.3 8279可编程键盘/显示器芯片接口技术,4.3.1 8279的工作原理,8279分为两部分：键盘部分和显示部分。,8279的内部逻辑结构：,4.3.2 8279的数据输入、显示输出及命令格式,1.数据输入,2.显示输出,（1）键盘、显示器工作模式设置命令,左端输入方式写入过程：,右端输入方式写入过程：,K2、K1、K0用于设置键盘的工作方式定义：,（2）扫描频率设置命令,（3）读FIFO堆栈的命令,（4）读显示RAM命令,（5）写显示RAM命令,（6）显示屏蔽消隐命令,（7）清除命令,（8）中断结束/显示出错方式命令,状态字：,4.3.3 8279的接口方法,用8279实现键盘/显示器接口：,单片机80C51与8279的接口电路：,8279工作程序框图：,4.4.1 LCD显示器的工作原理和驱动方式,LCD显示器工作原理：液晶的扭曲向列效应。LCD显示器采用交流驱动，驱动方式：静态和动态。,4.4 液晶显示器LCD接口技术,LCD的基本驱动电路及波形：,1/3偏压法驱动原理：,4.4.2 段式LCD显示器的驱动接口,采用硬件译码器的段式LCD驱动接口：,动态LCD驱动接口：,MC145000显示寄存器与显示矩阵的对应关系：,4.4.3 点阵式液晶显示模块,EAD系列点阵式液晶显示模块外部特性：,EAD20040AR的内部结构：,EAD20040AR显示地址码,CGROM和CGRAM字符表,CGRAM自定义字符：,（1）清显示命令,EAD20040AR显示命令：,（2）光标返回命令,（3）设置输入方式命令,（4）显示/开关控制命令,（5）光标或显示屏移动命令,（6）功能设置命令,（7）设置CGRAM地址命令,（8）设置DDRAM地址命令,（9）读忙标志和地址命令,（10）向CGRAM或DDRAM写数据命令,（11）从CGRAM或DDRAM读数据命令,液晶显示模块EAD20040AR与单片机80C51的接口,4.5 打印输出接口技术,4.5.1 PP40的接口信号,4.5.2 PP40的操作方式,PP40文字符号编码,4.5.3 PP40的接口方法和打印程序设计,PP40的接口方法：,第五章 智能化测量控制仪表的抗干扰技术,基本要求：了解智能仪表的硬件和软件抗干扰技术。,重点难点：1.硬件抗干扰措施 2.软件抗干扰措施,学时：4,作业：1、10,教学内容：1.干扰源 2.硬件抗干扰措施 3.软件抗干扰措施,第五章 智能化测量控制仪表的抗干扰技术 5.1 干扰源,干扰信号主要通过三个途径进入仪表内部：1.电磁感应2.传输通道3.电源线,5.1.1 串模干扰、共模干扰及电源干扰,串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到智能化测量控制仪表上。,共模干扰是指输入通道两个输入端上共有的干扰电压。,单端对地输入方式：,5.1.2 数字电路的干扰,平行导线的电容耦合：,5.2 硬件抗干扰措施,5.2.1 串模干扰的抑制,串模干扰的抑制能力用串模抑制比NMR来衡量。智能化测量控制仪表中，主要的抗串模干扰措施是用低通输入滤波器虑除交流干扰。对直流串模干扰则采用补偿措施。,常用的低通滤波器：RC滤波器LC滤波器双T滤波器有源滤波器,5.2.2 共模干扰的抑制,共模干扰的抑制能力用共模抑制比CMR来衡量。共模干扰是一种常见的干扰源，采用双端输入的的差分放大器作为仪表输入通道的前置放大器，是抑制共模干扰的有效方法。,5.2.3 输入输出通道干扰的抑制,二极管三极管型的光电耦合器内部结构：,接入光电耦合器的数字电路：,具有4个模拟量输入通道的抗干扰A/D转换电路：,5.2.4 电源与电网干扰的抑制,为了抑制电网干扰所造成稳压电源的波动，可采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源。,接地设计应注意以下几点：1.一点接地和多点接地的使用原则。2.屏蔽层与公共端的连接。3.交流地、功率地同信号地不能共用。4.屏蔽地（机壳地）。5.电缆和接插件的屏蔽。,5.3 软件抗干扰措施,5.3.1 数字量输入输出中的软件抗干扰,数字量输入过程中的干扰，其作用时间较短，因此在采集数字信号时，可多次重复采集，直到若干次采样结果一致时才认为有效。智能化测量控制仪表对外输出的控制信号多以数字量形式出现。,5.3.2 程序执行过程中的软件抗干扰,如果干扰信号通过某种途径作用到CPU上，CPU就不能按正常状态执行程序，从而引起混乱，这种现象叫做程序“跑飞”。,程序“跑飞”后将一些操作数当作操作码来执行，从而引起整个程序的混乱，采用“指令冗余”可以使“跑飞”的程序恢复正常。,“指令冗余”是指在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP。,如果“跑飞”的程序落到非程序区，或在执行到冗余指令之前已经形成一个死循环，则“指令冗余”就不能使“跑飞”的程序恢复正常。这时可采用软件陷阱软件抗干扰措施。,软件陷阱一般安排在下列四种地方：1.未使用的的中断向量区2.未使用的大片EPROM区3.表格4.程序区,第六章 智能化测量控制仪表的通信接口,基本要求：掌握智能仪表的串行通信接口技术、了解并行通信接口技术。,重点：串行通信接口难点：智能仪表与上位机的数据通信,学时：4,教学内容：1.串行通信接口 2.智能仪表与上位机的数据通信 3.并行通信接口,作业：2,第六章 智能化测量控制仪表的通信接口 本章主要介绍目前普遍使用的RS-232标准的串行通信接口和IEEE-488标准的并行通信接口。6.1 串行通信接口,串行通信是将数据一位一位地传送，适合远距离传输，主要用于集散型的工业控制系统中。,串行数据传送格式：,6.1.1 RS-232标准,总线接受、发送器：,新型RS-232电平转换器：,MAX211E/241E工作状态控制：,MAX213E工作状态控制：,完整的RS-232C接口信号有25根线，其中15根线组成主信道。RS-232C标准接口上的信号线分为4类：1.数据信号2.控制信号3.定时信号4.地,RS-232C接口信号:,RS-232C数据通信系统的结构：,串行数据同步通信的方法：,根据时钟控制数据发送和接受的方式，串行通信分为同步通信和异步通信。,6.1.2 串行通信方式,串行数据异步通信的方法：,6.2.1 仪表相互之间的通信,6.2 串行通信的实现,8251引脚功能：,8251方式选择命令格式：,8251控制命令字格式：,8251状态字格式：,8251与80C51的接口逻辑：,智能化测量控制仪表与上位计算机（例如IBM-PC）之间的数据通信通常采用串行通信方式。IBM-PC机内装有异步通信适配器板，其主要特点：1.波特率范围大。2.具有优先级的中断系统提供对发送、接受的控制以及错误、线路状态的检测中断。3.可编程设置串行通信数据长度、奇偶校验位、停止位位数。4.具有全双缓冲机构。5.独立的接收器时钟 输入。6.内部的各个寄存器都有独立的端口地址。7.具有调制解调器控制功能。,6.2.2 仪表与上位机之间的通信,8250内部寄存器和端口地址：,波特率因子与波特率的对应值：,8250中断控制寄存器中各位的含义：,8250中断标志寄存器中各位的含义：,8250线路控制寄存器中各位的含义：,8250调制解调器控制寄存器中各位的含义：,8250线路状态寄存器中各位的含义：,8250调制解调器状态寄存器中各位的含义：,RS-232C、RS-422和 RS-423连接方式比较：,6.2.3 RS-422、RS-423标准,6.3.1 IEEE-488标准（GP-IB标准）,总线插座引脚与信号线关系：,6.3 并行通信接口,在自动测控系统中一般包括3种基本接口功能要素：控者、讲者和听者。控者是对系统进行控制的设备，它能发出各种命令、地址，也能接受其他仪器发来的信息，一个系统中可以有多个控者，但每一时刻只能有一个控者在起作用。讲者是产生和向总线发送仪器消息的设备，一个系统中可以有多个讲者，但每一时刻只能有一个讲者在工作。听者是接受总线上传来的数据的设备，一个系统内可以同时有若干个听者在工作。,6.3.2 基本接口功能要素,各台仪器之间通过接口总线传输的各种信息称为消息。消息变为信号线上逻辑电平的过程称为编码。总线上传送的消息，按用途可分为接口消息和仪器消息。总线上传送的消息，按使用信号线数目又可分为单线消息和多线消息。多线接口消息分为：1.通用命令2.寻址命令3.地址,6.3.3 消息及其编码,GP-IB标准共规定了十种功能：1.讲者功能（T功能）2.听者功能（L功能）3.源挂钩功能（源握手功能、SH功能）4.受者挂钩功能（受者握手功能、AH功能）5.控者功能（C功能）6.服务请求功能（SR功能）7.并行点名功能（PP功能）8.远控/本控功能（R/L功能）9.仪器触发功能（DT功能）10.仪器清除功能（DC功能）,6.3.4 接口功能,GP-IB接口总线有16条信号线：1.数据输入输出线（DIO1DIO8）2.挂钩线（1）DAV数据有效线（2）NRFD未准备好接受数据线（3）NDAC未接受到数据线3.接口管理线（1）ATN注意线（2）IFC接口清除线（3）REN远控可能线（4）SRQ服务请求线（5）EOI结束或识别线,6.3.5 总线结构,三线挂钩的简单时序：,总线中的三条挂钩线DAV、NRFD和 NDAC用来在消息传送的源方和受方进行联络。凡是通过DIO线传送的多线消息，都要在三线挂钩的管理下完成。,6.3.6 三线挂钩原理,8291A内部结构：,6.3.7 并行通信接口芯片,Intel 8291A的引脚排列：,单片机80C31与8291A组成的GP-IB接口：,第七章 智能化测量控制仪表中的数据处理技术,基本要求：了解智能仪表中的数据处理技术，掌握常用的数值计算和非数值处理方法及实用程序。,重点难点：1.数制之间的转换 2.数据的非数值处理,学时：2,作业：13,教学内容：1.定点数的运算程序2.浮点数的运算程序3.常用函数的计算方法4.数制之间的转换 5.数据的非数值处理,定点数运算子程序,定点数就是小数点固定的数。符号位.数值部分 和 符号位 数值部分.,1.原码表示法 优点：乘除运算简单；缺点：加减运算复杂。2.补码表示法优点：加减运算简单；缺点：乘除运算复杂。补码加减运算时，如果符号位和数值最高位都有进位或都无进位时，则运算结果没有溢出。,第七章 智能化测量控制仪表中的数据处理技术,浮点数就是小数点位置可以按数值的大小自动变化的数。一般浮点数均采用MCE 的形式来表示。单片机中常用三字节浮点数表示法来表示二进制浮点数。,7.1 浮点数运算程序,三字节浮点数格式：,1.台劳公式 2.三角函数的计算3.自然对数的计算4.平方根的计算(1)迭代法(2)牛顿迭代法(3)牛顿迭代法的典型应用平方根计算,常用函数的计算方法,1.十进制整数转换为二进制数,7.2 数制转换程序,2.十进制小数转换为二进制数 3.二进制整数转换为十进制数,4.二进制小数转换为十进制数,7.3.1 排序 1.冒泡排序法,7.3 数据的非数值处理,例7-13 泡沫法排序子程序 将内部RAM中的若干个字节无符号数的正整数，按从小到大的次序排序。入口时，数据缓冲器起始地址指针存放在R3，数据长度n存放在R4。程序框图如图7.13所示,2.希尔排序法,常用的表格一般为线性表：addr(ai)addr(a1)+(i-1)L 1.根据序号i值查找ai,7.3.2 查表,【例 7-14】有一个巡回检测报警装置，需对16路输入量进行测量控制，每路有一个最大允许值，它为双字节数。控制时根据测量的路数，找出该路的最大允许值，判断输入值是否大于最大允许值，偌大于则报警。取路数为x（0=15）,y为最大允许值，放在程序存储器的常数表中。查表之前路数存放于R2中，查表的结果存放在R3R4中。,【例 7-15】在一个温度控制器中，测出的电压与温度为非线性关系，需对它进行线性化补偿，若测出的为10位二进制数，可采用如下方法来构成一个表：测出不同温度下的测量输入值x，然后用测的数据构成一个表。表中放温度值为y,x为电压值。设测量输入值x放于R2R3中，可用如下程序把它转换为线性温度值，仍放在R2R3中。,2.根据ai值查找序号I,【例 7-16】命令序号查找程序 一个单片机80C51控制系统，按照从键盘输入的命令执行不同操作。输入命令为ASCII字符串，放在由（R0）指出的内部RAM中。命令共有 RESET、BEGIN、STOP、SEND、CHANNEL、CHANGE等6种。分别称为0、1、2、3、4、5命令。每个命令字符串为一个ai,它的最后一个字符的ASCII码的最高位为1，表示该命令字符串ai的结束。表格结束标志a*为0.该命令表放于程序存储器中。现在要求按（R0）指示的输入字符串，找出对应的命令号，放在R2中。根据问题要求和表的结构，可以画出程序框图如图7.15所示。,3.数据元素由n个数据项构成,【例 7-17】单字节命令转移程序 一个单片机应用系统，每输入一个ASCII字符命令，要求输入的命令字符，转向相应的处理程序。设合法的命令字符为“X”、“D”、“E”、“L”、“M”、“X”、“Z”7种，对应的命令处理程序入口地址标号分别为XA、XD、XE、XL、XM、XX、XZ。这里命令字为ai（关键字）。处理程序入口为bi，依次存放于表TAB5中。