1、第十二章第十二章 微機在測控系統中的應用微機在測控系統中的應用12.1 12.1 計算機測控系統概述計算機測控系統概述12.2 12.2 實現計算機測控系統的關鍵技術實現計算機測控系統的關鍵技術12.3 12.3 計算機測控系統的設計與開發計算機測控系統的設計與開發12.4 12.4 實際測控系統舉例實際測控系統舉例12.1 12.1 計算機測控系統概述計算機測控系統概述q計算機測控系統的一般結構計算機測控系統的一般結構q測控系統的實時性概念測控系統的實時性概念q測控系統對計算機的要求測控系統對計算機的要求q構成測控系統計算機系統的方案選擇構成測控系統計算機系統的方案選擇12.1.1 12.1

2、.1 計算機測控系統的一般結構計算機測控系統的一般結構i/oi/o通道通道測測控控對對象象傳傳感感器器執執行行機機構構. . . . . . .信信號號調調理理信信號號變變換換didia/da/ddodod/ad/a. . . . . . . . . . . . .總線總線計計算算機機12.1.1 12.1.1 計算機測控系統的一般結構計算機測控系統的一般結構計算機測控系統一般由三大部分組成：計算機測控系統一般由三大部分組成：1)1)計算機計算機-測控系統的核心測控系統的核心2)i/o2)i/o通道通道-計算機與測控對象的接口計算機與測控對象的接口3)3)測控對象測控對象-反映設備或過程的工況

3、的參數和狀態反映設備或過程的工況的參數和狀態, ,它包括：它包括：傳感器：將參數和狀態敏感、變換為電信號傳感器：將參數和狀態敏感、變換為電信號執行機構：對參數、狀態實施控制執行機構：對參數、狀態實施控制統稱測控統稱測控計算機系統計算機系統12.1.1 12.1.1 計算機測控系統的一般結構計算機測控系統的一般結構隨著測控規模和功能的不同隨著測控規模和功能的不同, ,測控計算機系統在體系結測控計算機系統在體系結構上可有所不同。常見體系結構：構上可有所不同。常見體系結構：單處理機結構單處理機結構多處理機并行處理結構多處理機并行處理結構分布或集散式處理結構分布或集散式處理結構分層遞階控制結構分層遞階

4、控制結構網絡結構網絡結構 無論哪種結構無論哪種結構, ,作為與測控對象直接聯系的底層作為與測控對象直接聯系的底層, ,都是都是由一個或多個裝置級直接數字控制計算機組成。所以本章由一個或多個裝置級直接數字控制計算機組成。所以本章針對的只是這種裝置級直接控制的計算機應用系統。針對的只是這種裝置級直接控制的計算機應用系統。12.1.1 12.1.1 計算機測控系統的一般結構計算機測控系統的一般結構計算機測控系統三大功能：采集計算機測控系統三大功能：采集( (檢測檢測) )、處理和控制、處理和控制先在計算機控制下對測控對象中有關參數、狀先在計算機控制下對測控對象中有關參數、狀態信號進行檢測態信號進行檢

5、測q對于模擬信號對于模擬信號, ,先通過傳感器變成電信號先通過傳感器變成電信號, ,再經信號調理再經信號調理電路進行預處理電路進行預處理, ,變成統一量程的電壓或電流信號變成統一量程的電壓或電流信號, ,然后由然后由a/da/d轉換器變成數字量轉換器變成數字量, ,采入計算機。采入計算機。q對于數字信號，則通過傳感器、信號調理電路和數字輸入通對于數字信號，則通過傳感器、信號調理電路和數字輸入通道道, ,變換成幅值和格式與計算機匹配兼容的信號變換成幅值和格式與計算機匹配兼容的信號, ,采入計算機。采入計算機。信號采入計算機后，在計算機中進行加工、分析、信號采入計算機后，在計算機中進行加工、分析、

6、處理，根據分析處理的結果和選用的控制模型、算法處理，根據分析處理的結果和選用的控制模型、算法作出判斷和決策作出判斷和決策, ,發出數字量控制信號發出數字量控制信號, ,通過執行機構通過執行機構去達到控制目的。去達到控制目的。q對模擬式受控變量對模擬式受控變量, ,需經需經d/ad/a轉換再輸出。轉換再輸出。q對開關對開關/ /脈沖式受控變量，只需經電平、時序、功率變換。脈沖式受控變量，只需經電平、時序、功率變換。測控工作原理測控工作原理12.1.2 12.1.2 測控系統的實時性概念測控系統的實時性概念q實時性：測控系統對輸入信號即時作出響應的能力。實時性：測控系統對輸入信號即時作出響應的能力

7、。可用可用 響應時間響應時間 對實時性作定量描述。其含義是指一對實時性作定量描述。其含義是指一個系統響應輸入數據所需的時間，它是數據采集、數個系統響應輸入數據所需的時間，它是數據采集、數據處理和決策控制三步操作的總時間，亦稱據處理和決策控制三步操作的總時間，亦稱控制周期控制周期。為了增強系統實時性，必須做到實時采集、實時處理、為了增強系統實時性，必須做到實時采集、實時處理、實時決策控制，合稱實時決策控制，合稱實時控制實時控制。q實時性是相對的：在不同系統中有不同要求。實時性是相對的：在不同系統中有不同要求。所謂實時控制，應理解成系統具有滿足某一特定生所謂實時控制，應理解成系統具有滿足某一特定生

8、產工藝所需的數據測量、處理和決策控制的速度。產工藝所需的數據測量、處理和決策控制的速度。12.1.3 12.1.3 測控系統對計算機的要求測控系統對計算機的要求測控系統一般應從下列幾方面對測控計算機提出要求：測控系統一般應從下列幾方面對測控計算機提出要求：q平均無故障工作時間平均無故障工作時間mtbfmtbfq抗干擾性能和抗惡劣環境能力抗干擾性能和抗惡劣環境能力qi/oi/o總線驅動能力總線驅動能力q定時重新自啟動能力定時重新自啟動能力q掉電自動檢測和復電后從斷點再入的能力掉電自動檢測和復電后從斷點再入的能力q實時性實時性q為應用軟件提供的二次開發能力為應用軟件提供的二次開發能力q系統自檢測、

9、自診斷能力系統自檢測、自診斷能力12.1.4 12.1.4 構成測控計算機系統的方案選擇構成測控計算機系統的方案選擇通常有三種構建測控計算機系統的可選方案：通常有三種構建測控計算機系統的可選方案：1.1.采用工業標準的通用微機采用工業標準的通用微機-工控機工控機2.2.采用可編程序控制器采用可編程序控制器3.3.采用單片機采用單片機/ /單板機擴展單板機擴展i/oi/o接口，構成非結構化設接口，構成非結構化設計方案。計方案。-適于小型測控系統，特別是智能化儀器儀表。適于小型測控系統，特別是智能化儀器儀表。12.2 12.2 實現計算機測控系統的關鍵技術實現計算機測控系統的關鍵技術q傳感器及測量

10、傳感器及測量q模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立q數據處理數據處理q執行機構及驅動執行機構及驅動q可靠性與抗干擾技術可靠性與抗干擾技術12.2.1 12.2.1 傳感器及測量傳感器及測量 實現計算機測控系統的關鍵技術之一是信息感知與測量。實現計算機測控系統的關鍵技術之一是信息感知與測量。q傳感器是實現信息感知與測量的基本器件，它為系傳感器是實現信息感知與測量的基本器件，它為系統提供賴以進行處理和決策控制所必須的原始信息。統提供賴以進行處理和決策控制所必須的原始信息。q傳感器是決定能否實現自動化的關鍵。其性能好傳感器是決定能否實現自動化的關鍵。其性能好壞，是影響測控性能好壞的第一要素。壞，是影

11、響測控性能好壞的第一要素。q傳感器主耍應具有三方面能力：傳感器主耍應具有三方面能力：(1)(1)能感知被測量能感知被測量( (多為非電量多為非電量) )(2)(2)能將被測量轉換為電氣參量能將被測量轉換為電氣參量( (如電壓、電如電壓、電流、電阻等流、電阻等) )(3)(3)要形成便于后級接收和傳輸的電信號形式要形成便于后級接收和傳輸的電信號形式12.2.1 12.2.1 傳感器及測量傳感器及測量q一個完整的傳感器一個完整的傳感器, ,一般由以下三部分構成：一般由以下三部分構成：1)1)敏感元件敏感元件2)2)變換元件變換元件3)3)檢測電路檢測電路對于有源傳感器，還需加上電源。對于有源傳感器

12、，還需加上電源。敏感元件變換元件檢測電路電信號電源傳感器的一般結構傳感器的一般結構 圖中結構是對于間接測量式傳感器而言的。對于圖中結構是對于間接測量式傳感器而言的。對于直接變換式傳感器，敏感元件和變換元件是統一的，直接變換式傳感器，敏感元件和變換元件是統一的，合二而一的合二而一的( (如熱敏電阻等如熱敏電阻等) )。12.2.1 12.2.1 傳感器及測量傳感器及測量v間接測量式傳感器的傳感過程是：先感知再變換，間接測量式傳感器的傳感過程是：先感知再變換，即先作一次變換，再作二次變換即先作一次變換，再作二次變換( (如某些加速度傳感如某些加速度傳感器器) )。這種間接測量的方法可以擴大檢測范圍

13、，使有些這種間接測量的方法可以擴大檢測范圍，使有些看來似乎不能檢測的量得以檢測。間接測量的實看來似乎不能檢測的量得以檢測。間接測量的實現現, ,可用硬件方法可用硬件方法, ,也可用軟件方法。也可用軟件方法。v傳感器中是否需要檢測電路，要視各類傳感器的工傳感器中是否需要檢測電路，要視各類傳感器的工作原理及性能指標來定。作原理及性能指標來定。12.2.1 12.2.1 傳感器及測量傳感器及測量q根據輸出電信號形式的不同，傳感器可分為以下三類：根據輸出電信號形式的不同，傳感器可分為以下三類：(1)(1)開關式傳感器開關式傳感器-輸出以高、低電平形式出現輸出以高、低電平形式出現(2)(2)數字式傳感器

14、，又分為：數字式傳感器，又分為：直接數字傳感器直接數字傳感器頻率式傳感器頻率式傳感器脈沖傳感器脈沖傳感器共同特點：精度較高，共同特點：精度較高，便于和微機接口連接便于和微機接口連接(3)(3)模擬傳感器模擬傳感器-輸出以連續變化電量形式出現，需通過輸出以連續變化電量形式出現，需通過a/da/d通道與數字系統相連。通道與數字系統相連。12.2.1 12.2.1 傳感器及測量傳感器及測量q傳感器基本性能可由它的靜態特性和動態特性來反映。傳感器基本性能可由它的靜態特性和動態特性來反映。v常用的靜態特性參數有：線性度、重復性、遲常用的靜態特性參數有：線性度、重復性、遲滯、靈敏度和分辨率等。滯、靈敏度和

15、分辨率等。v動態特性參數主要有：動態響應時間、工作頻動態特性參數主要有：動態響應時間、工作頻率范圍和穩定度等。率范圍和穩定度等。v實用中常從以下幾方面對傳感器提出綜合要求：實用中常從以下幾方面對傳感器提出綜合要求：(1)(1)具有特定的傳感特性，即能保證一定的靈敏度、具有特定的傳感特性，即能保證一定的靈敏度、精確度和長時間穩定性。精確度和長時間穩定性。(2)(2)具有可靠性，即在成本適中的前提下有較長的具有可靠性，即在成本適中的前提下有較長的工作壽命。工作壽命。(3)(3)能適應工作環境，少受外界因素的影響，不受能適應工作環境，少受外界因素的影響，不受其它物理量干擾。其它物理量干擾。(4)(4

16、)具有較小或者適宜的幾何尺寸，以方便使用。具有較小或者適宜的幾何尺寸，以方便使用。12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立q模擬模擬i/oi/o通道概述通道概述q模擬輸入通道的結構形式模擬輸入通道的結構形式q模擬輸出通道的結構形式模擬輸出通道的結構形式q模擬多路開關與采樣保持器模擬多路開關與采樣保持器q模擬模擬i/oi/o通道的設計和建立通道的設計和建立12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立1.1.模擬模擬i/oi/o通道概述通道概述(1)(1)模擬輸入通道模擬輸入通道-微機用于對單個微機用于對單個/ /多個模擬量進行采集的多個模擬量進行采集的

17、a/da/d通通道，也叫前向通道。道，也叫前向通道。v建立目的：參數測量、數據采集、狀態監視。建立目的：參數測量、數據采集、狀態監視。v基本組成：基本組成：adcadc及其與及其與mpumpu的接口的接口-核心部件核心部件采樣采樣/ /保持器保持器(s/h)(s/h)模擬多路開關模擬多路開關(amux)(amux)具體取決于具體取決于通道結構通道結構12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立(2)(2)模擬輸出通道模擬輸出通道-微機用來發送單路微機用來發送單路/ /多路模擬信號的多路模擬信號的d/ad/a通通 道，有時也叫后向通道。道，有時也叫后向通道。v建立目的：參數控

18、制、記錄顯示建立目的：參數控制、記錄顯示v基本組成：基本組成：dacdac及其與及其與mpumpu的接口的接口-核心部件核心部件數字或模擬寄存器數字或模擬寄存器模擬多路開關模擬多路開關(amux)(amux)具體取決于具體取決于通道結構通道結構12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立2.2.模擬輸入通道的結構形式模擬輸入通道的結構形式單路通道單路通道不帶采樣保持器的單路模入通道不帶采樣保持器的單路模入通道帶采樣保持器的單路模入通道帶采樣保持器的單路模入通道多路通道多路通道各路獨立轉換的多路模入通道各路獨立轉換的多路模入通道同時采樣、分時轉換型多路模入通道同時采樣、分時轉

19、換型多路模入通道分時采樣、分時轉換型多路模入通道分時采樣、分時轉換型多路模入通道12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立(1)(1)不帶采樣保持器的單路模入通道不帶采樣保持器的單路模入通道viadci/oi/o接口接口mpu這是最簡單的模入通道，實際上就是這是最簡單的模入通道，實際上就是adcadc及其及其與與mpumpu的接口。的接口。一般只采集一個點的直流或低頻信號時可用它。一般只采集一個點的直流或低頻信號時可用它。適用條件：適用條件：vivi=maxdvidvidtdtmaxtconvvfsvfs2 2n= =q q12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o

20、通道建立通道建立(2)(2)帶采樣保持器的單路模入通道帶采樣保持器的單路模入通道vis/hadci/oi/o接口接口mpu當當vivi的變化率較大，以致的變化率較大，以致tconvdvidtmaxvfs2n=q時，應采用它。時，應采用它。12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立(3)(3)各路獨立轉換的多路模入通道各路獨立轉換的多路模入通道vi2vin.s/hadcvi1s/hadci/os/hadci/oi/ompuv特點：各路都有自己獨立的特點：各路都有自己獨立的a/da/d轉換通道，可同轉換通道，可同時采樣、同時轉換、同時得到轉換結果。時采樣、同時轉換、同時得到轉

21、換結果。v優點：采樣頻率可達到幾乎與單路一樣高。優點：采樣頻率可達到幾乎與單路一樣高。v適用范圍：特別適于要求描述系統性能的各項參適用范圍：特別適于要求描述系統性能的各項參數必須是同一時刻數據的高速采集、控制系統。數必須是同一時刻數據的高速采集、控制系統。12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立(4)(4)同時采樣、分時轉換型多路模入通道同時采樣、分時轉換型多路模入通道vi1vi2.vins/hs/hs/h.模模擬擬多多路路開開關關adci/oi/o接口接口mpuv特點：各路都有自己獨立的放大、采樣保持器，然后通過模擬多特點：各路都有自己獨立的放大、采樣保持器，然后通過

22、模擬多路開關分時復用路開關分時復用adcadc，實現并行采樣、串行轉換。，實現并行采樣、串行轉換。v優缺點：比各路獨立轉換模入通道節省了硬件，降低了成本，優缺點：比各路獨立轉換模入通道節省了硬件，降低了成本，但影響精度和速度。但影響精度和速度。v適用范圍：在多點參數巡回檢測系統中，應用非常廣泛。適用范圍：在多點參數巡回檢測系統中，應用非常廣泛。12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立(5)(5)分時采樣、分時轉換型多路模入通道分時采樣、分時轉換型多路模入通道vi1vi2vin.模擬多路開關.s/hadci/oi/o接口接口mpuv特點：將各路分時共享的范圍擴大到全套特點

23、：將各路分時共享的范圍擴大到全套a/da/d通道設備。通道設備。v優缺點：比同時采樣、分時轉換型進一步節省了硬優缺點：比同時采樣、分時轉換型進一步節省了硬件，降低了成本，但速度更慢。精度與之差不多。件，降低了成本，但速度更慢。精度與之差不多。v適用范圍：在實際測控系統特別是多點參數巡回檢測適用范圍：在實際測控系統特別是多點參數巡回檢測系統中應用特別廣泛。系統中應用特別廣泛。12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立3.3.模擬輸出通道的結構形式模擬輸出通道的結構形式單路通道單路通道多路通道多路通道數字分配型多路模出通道數字分配型多路模出通道模擬分配型多路模出通道模擬分配型

24、多路模出通道12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立(1)(1)單路模出通道單路模出通道mpui/oi/o接口接口dacvo（數據緩存器）（數據緩存器）實際上就是實際上就是dacdac及其與及其與mpumpu的接口的接口12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立(2)(2)數字分配型多路模出通道有兩種結構形式。數字分配型多路模出通道有兩種結構形式。口地址口地址譯碼譯碼mpumpudbdbabab數據寄數據寄存器存器dacdacdacdac數據寄數據寄存器存器vo1vo1vonvonv特點：特點： 各路通道分時送數、分時各路通道分時送數、分時d/ad

25、/a轉換、分時輸出模擬量。轉換、分時輸出模擬量。 cpucpu將表示各路輸出數據的數字量分配給相應通道。將表示各路輸出數據的數字量分配給相應通道。v說明：如果說明：如果dacdac芯片上含有輸入緩存器芯片上含有輸入緩存器( (大多數大多數dacdac芯片芯片 都是如此都是如此) )，則圖中各個數據寄存器不必另加。，則圖中各個數據寄存器不必另加。結構形式一：結構形式一：12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立結構形式二：結構形式二：緩存器緩存器緩存器緩存器dacdacdacdac輸入寄輸入寄存器存器輸入寄輸入寄存器存器mpumpudbdbabab口地址口地址譯碼譯碼vo1

26、vo1vonvonv特點：各路通道分時送數、同時轉換、同時輸出模擬量。特點：各路通道分時送數、同時轉換、同時輸出模擬量。v說明：如果說明：如果dacdac芯片內集成了兩級輸入緩存器，就不必芯片內集成了兩級輸入緩存器，就不必 外加圖中兩級寄存器。外加圖中兩級寄存器。v適用范圍：適于用在對描述系統性能的各項參數需要適用范圍：適于用在對描述系統性能的各項參數需要 同時更新的實時控制場合。同時更新的實時控制場合。12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立(3)(3)模擬分配型多路模出通道模擬分配型多路模出通道結構之一：結構之一：保持器保持器保持器保持器mpumpui/oi/oda

27、cdac模擬模擬多路多路開關開關vo1vo1vonvon特點：各路共用一個特點：各路共用一個dacdac，各用一個保持器。，各用一個保持器。 各路輸出數據所對應的數字量由各路輸出數據所對應的數字量由mpumpu分時送到同分時送到同一個一個dacdac，轉換成，轉換成vovo，然后由，然后由amuxamux分配到相應通道的分配到相應通道的保持器去存儲下來。顯然，這里分配的是各路轉換保持器去存儲下來。顯然，這里分配的是各路轉換后的模擬信號。后的模擬信號。12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立結構之二：結構之二：mpumpui/oi/odacdacvo1vo1vonvons

28、/hs/hs/hs/hv當通道數目較多時，結構二比結構一的造價要高得多。當通道數目較多時，結構二比結構一的造價要高得多。v兩種模擬分配型結構均必須通過軟件來定時刷新數據。兩種模擬分配型結構均必須通過軟件來定時刷新數據。方法是編制程序，使輸入到方法是編制程序，使輸入到dacdac的數字量在一個輸出周的數字量在一個輸出周期內不斷循環更新。期內不斷循環更新。4.4.模擬多路開關與采樣保持器模擬多路開關與采樣保持器(1)(1)模擬多路開關模擬多路開關 -能夠分時的將多個模擬信號接通至一根線能夠分時的將多個模擬信號接通至一根線上的部件。上的部件。 模擬多路開關實際上是由多個模擬電子開模擬多路開關實際上是

29、由多個模擬電子開關加上通道選擇譯碼電路組成。關加上通道選擇譯碼電路組成。 12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立模擬多路開關模擬多路開關 的原理：的原理：通道譯碼通道譯碼 地址地址enamuxv0vi1vi2vin12n模擬多路開關的分類：模擬多路開關的分類：模擬多路開關的通道數n一般取2 值，實際中以 n=4,8,16居多12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立單向開關：單向開關：用于多到一分時切用于多到一分時切換換雙向開關：雙向開關：既可用于多到一切換既可用于多到一切換 ( (選擇選擇) )，又可用于一，又可用于一 到多切換到多切換( (分

30、配分配) )按被接通模擬信號按被接通模擬信號的傳輸方向分的傳輸方向分按一次能接通的按一次能接通的模擬信號端數分模擬信號端數分單端輸入開關單端輸入開關雙端輸入開關：雙端輸入開關：特別適合于轉換、特別適合于轉換、 切換差動輸入的模切換差動輸入的模 擬信號擬信號常見多通道模擬開關器件：常見多通道模擬開關器件：12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立ad7501/ad7503ad7501/ad7503ad7502ad7502ad7506/ad7507ad7506/ad7507由美國由美國adad公司生產公司生產 cd4051a/cd4052acd4051a/cd4052acd4

31、067b/cd4097bcd4067b/cd4097b由美國由美國rcarca公司生產公司生產ad7501/ad7503-8ad7501/ad7503-8通道單端輸入模擬開關通道單端輸入模擬開關方框圖方框圖 兩者的不同之處是兩者的不同之處是enen控制邏輯相反，控制邏輯相反，ad7501ad7501是高電平有效，是高電平有效，ad7503ad7503是低電平有效。是低電平有效。引腳圖引腳圖ttlttl到到cmoscmos電平轉換電平轉換譯碼驅動譯碼驅動v vdddd地地v vssssen aen a2 2 a a1 1 a a0 0 . . . . .out sout s0 0 . . . .

32、 .s s7 7adad75017501（75037503）a a1 1地地enena a2 2s s7 7s s6 6s s5 5s s4 4s s3 3s s2 2s s1 1s s0 0outoutv vddddv vssssa a0 01 116161 15 512128 89 912.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立ad7501/ad7503ad7501/ad7503通道選擇真值表通道選擇真值表12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立ad7501 ad7503ad7501 ad7503a a2 2 a a1 1 a a0 0 enen

33、a a2 2 a a1 1 a a0 0 enen0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 10 0 0 00 0 0 00 0 1 00 0 1 00 1 0 00 1 0 00 1 1 00 1 1 01 0 0 01 0 0 01 0 1 01 0 1 01 1 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 0onononon0 02 23 34 45 56 67

34、7無無0 01 11 12 23 34 45 56 67 7無無ad7502-ad7502-雙四通道模擬開關雙四通道模擬開關12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立ttlttl到到cmoscmos電平轉換電平轉換譯碼驅動譯碼驅動adad75027502ad7502ad7502通道選擇真值表通道選擇真值表方框圖方框圖en aen a1 1 a a0 0v vddddv vssss地地outout0 03 3 s s0 0.s.s3 3s s4 4s s7 7 out out4 47 7a a1 1地地enen0ut0ut4 47 70ut0ut0 03 3s s7 7s

35、s6 6s s5 5s s4 4s s0 0s s1 1s s2 2s s3 3a a0 0v vssssv vdddd1 116165 512128 89 9引腳圖引腳圖a a1 1 a a0 00 00 00 10 11 01 01 11 1 enen“on”“on”1 11 11 11 10 00 0、4 41 1、5 52 2、6 63 3、7 7無無ad7506ad7506和和ad7507ad7507 兩者均為有兩者均為有1616個輸入端的個輸入端的cmoscmos模擬開關，不同之處是模擬開關，不同之處是ad7506ad7506為為1616通道單端輸入，通道單端輸入，ad7505ad

36、7505為為8 8通道雙端輸出。通道雙端輸出。ttlttl到到cmoscmos電平轉換電平轉換譯碼驅動譯碼驅動adad75067506en aen a3 3 a a2 2 a a1 1 a a0 0。 。 。out sout s0 0 ， ， ，s s1515方框圖方框圖ad7506ad7506v vddddv vssss地地v vddddncncncncs s1515。 。 。a a3 3ncnc地地s s8 8outoutv vsssss s7 7。 。 。a a2 2a a1 1a a0 0enens s0 01 128288 8141415152121引腳圖引腳圖12.2.2 12.2

37、.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立ttlttl到到cmoscmos電平轉換電平轉換譯碼驅動譯碼驅動en aen a2 2 a a1 1 a a0 0v vdddd地地v vssssoutout0 07 7 s s0 0.s.s7 7s s8 8 s s1515 out out8 81515方框圖方框圖. . . . . . . . .ad7507ad7507引腳圖引腳圖adad75077507v vddddoutout8 81515ncncs s1515. . . . . .ncncncnc地地s s8 8outout0

38、07 7v vsssss s7 7. . . . . .a a2 2a a1 1a a0 0enens s0 01 128288 8212114141515 12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立 0 無無 ad7501ad7503ad7503a3 a2 a1 a0 en“on”a a2 a1 a9 en“on” 0 0 0 0 10 0 0 0 10,8 0 0 0 1 11 0 0 1 11,9 0 0 1 0 12 0 1 0 12,10 0 0 1 1 13 0 1 1 13,11 0 1 0 0 14 1 0 0 14,12 0 1 0 1 15 1 0 1

39、 15,13 0 1 1 0 16 1 1 0 16,14 0 1 1 1 17 1 1 1 17,15 1 0 0 0 18 0無無 1 0 0 1 19 1 0 1 0 110 1 0 1 1 111 1 1 0 0 112 1 1 0 1 113 1 1 1 0 114 1 1 1 1 115 ad7506/ad7507ad7506/ad7507通道選擇真值表通道選擇真值表12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立cd4051a/cd4052acd4051a/cd4052acd4051acd4051a方框圖和引腳圖方框圖和引腳圖in/outin/out通道通道帶有禁

40、帶有禁止的二止的二進制進制8-18-1譯碼器譯碼器邏輯邏輯電平電平轉換器轉換器v vdddda ab bc cinhinha av vssssv veeeeout/inout/intgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtg公共公共7 7 6 6 5 5 4 34 3 2 2 1 1 0 04 4 2 2 5 5 1 1 12151215141413136 67 78 89 910101111161612.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立cd4052acd4052a方框圖及引腳圖方框圖及引腳圖x x通道通道in/outin/outy y通道通道in

41、/outin/out公共公共x xout/inout/in公共公共y yout/inout/in13133 3tgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtgtg帶有禁帶有禁止允許止允許控制的控制的譯碼器譯碼器邏輯邏輯電平電平轉換器轉換器v vddddv vssssv veeee161610109 96 67 78 8a ab binhinh3 2 1 03 2 1 00 1 2 30 1 2 311151412111514121 5 2 41 5 2 4cd4051a/cd4052acd4051a/cd4052a通道選擇真值表通道選擇真值表12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/

42、oi/o通道建立通道建立輸入狀態輸入狀態選中的通道選中的通道cd4051acd4051acd4052acd4052ainhinha b ca b c0 00 00 00 00 00 00 00 01 10 0 00 0 00 0 10 0 10 1 00 1 00 1 10 1 11 0 01 0 01 0 11 0 11 1 01 1 01 1 11 1 1 0 01 12 23 34 45 56 67 7沒有沒有沒有沒有0x,0y0x,0y1x,1y1x,1y2x,2y2x,2y1x,1y1x,1y2x,2y2x,2y3x,3y3x,3y3x,3y3x,3y0x,0y0x,0y12.2.2

43、 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立 通道選擇真值表與通道選擇真值表與cd4051a/cd4052acd4051a/cd4052a相似，相似，cd4067bcd4067b對應對應 cd4051acd4051a，只是輸入狀態為，只是輸入狀態為c c、d d、b b、a a決定的決定的1616種，分別選中種，分別選中 0 01515通道；通道；cd4097bcd4097b對應對應cd4052acd4052a，選中的通道為，選中的通道為x0/y0x0/y0x7/y7,x7/y7,分別由分別由c c、b b、a a的的8 8種控制狀態決定。種控制狀態決定。 前者是前者是1616通道雙向

44、多通道雙向多/1/1模擬開關，后者是雙輸入、模擬開關，后者是雙輸入、雙輸出雙輸出8 8路多路多/1/1模擬開關。模擬開關。通道通道通道通道in/outin/outin/outin/outin/outin/outin/outin/outx x通道通道y y通道通道out/inout/iny yout/inout/inout/inout/in公共公共7 70 0 0 0. . . . . .a ab bv vssssv vdddd8 81515inhinhc cd dx x. . . . . .7 70 0a ab bv vssss. . . . . .v vdddd0 06 67 7c cinh

45、inh. . . . . .1 12 23 34 45 56 67 79 98 81010111112122424232322222121202019191818171716161515141413131 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212242423232222212120201919181817171616151514141313cdcd4067b4067bcdcd4097b4097b模擬開關的主要參數：模擬開關的主要參數：12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立開關接通后導通電阻開關接通后導通電阻ronron所有開關斷開時輸

46、出端漏電流所有開關斷開時輸出端漏電流ioutiout所有開關斷開時輸入端漏電流所有開關斷開時輸入端漏電流isis開關接通時間延遲開關接通時間延遲tofftoff通道切換時間通道切換時間topentopen 這些參數值直接影響模擬開關所在這些參數值直接影響模擬開關所在a/da/d、d/ad/a通道的精通道的精度和速度。度和速度。模擬開關通道數擴展方法模擬開關通道數擴展方法12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立以以2 2個個ad7501ad7501擴展擴展為為1616路路amuxamux為例：為例：ad7501ad7501outoutoutoutoutoutenenene

47、ns s0 0s s7 7a a2 2a a1 1a a0 0s s0 0s s7 7a a2 2a a1 1a a0 0a a3 3s s0 0s s7 7a a2 2a a1 1a a0 0s s8 8s s1515. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .& &12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立(2)(2)采樣保持電路采樣保持電路(s/h)(s/h)主要參數主要參數 孔徑時間孔徑時間taptap：指該電路接到保持命令后，開關由導通到斷開所需的時間。：指該電路接到保持命令后，開關由導通到斷開所需的時間

48、。 捕捉時間捕捉時間tactac：指該電路處于保持模式時，從接到采樣命令到采樣保持器輸出跟蹤上：指該電路處于保持模式時，從接到采樣命令到采樣保持器輸出跟蹤上當前輸入信號所需的時間。當前輸入信號所需的時間。保持電壓衰減率保持電壓衰減率: :(v/s)(v/s) 饋送：保持模式時由于寄生電容、輸入電壓變化引起的輸出電壓的微小變化。饋送：保持模式時由于寄生電容、輸入電壓變化引起的輸出電壓的微小變化。 直流偏差：采樣期間將信號輸入端直流偏差：采樣期間將信號輸入端(vi(vi端端) )接到地電平時的輸出電壓值。接到地電平時的輸出電壓值。控制信號控制信號vvtt控制控制邏輯邏輯v vi ichchv vo

49、 os s- -+ + a2a2- -+ +a1a16 612.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通道建立s/hs/h集成芯片舉例集成芯片舉例以應用較普遍的以應用較普遍的lf398lf398為例。為例。lf398lf398的功能框圖和典型接線的功能框圖和典型接線偏置調節偏置調節模擬模擬輸入輸入控制控制輸入輸入3 37 76 62 230k30kd d1 1d d2 2s s300300a1a1+ + +- - -a2a2chch5 5輸出輸出24k24k1k1k采樣采樣保持保持保持保持lf398lf3985 5v vo ochchv vi iv+v+ v-v-5.5.模擬模擬i

50、/oi/o通道的設計和建立通道的設計和建立主要任務：主要任務：合理選擇通道結構合理選擇通道結構 正確設計或選用功能部件正確設計或選用功能部件(adc(adc、dacdac、amuxamux、s/hs/h、測量放大器等測量放大器等) ) 正確設計通道中各功能部件與正確設計通道中各功能部件與mpumpu的接口的接口( (包括硬件包括硬件和軟件和軟件) )設計原則設計原則( (指導思想指導思想) )：就低不就高就低不就高-以能滿足要求、達到預期指標為先決條件。以能滿足要求、達到預期指標為先決條件。方案的多解性方案的多解性-靈活性較大靈活性較大12.2.2 12.2.2 模擬模擬i/oi/o通道建立通

51、道建立12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理數據處理技術從一般意義上說，包括三方面內容：數據處理技術從一般意義上說，包括三方面內容： 信號調理信號調理-對傳感器輸出信號進行放大、濾波、對傳感器輸出信號進行放大、濾波、i/vi/v轉換等轉換等預處理。預處理。一次處理一次處理-對采集到計算機中的信號數據進行數字濾波、對采集到計算機中的信號數據進行數字濾波、 非線性補償、標度變換等加工處理，旨在提高非線性補償、標度變換等加工處理，旨在提高 采集數據的精確度、可信度，并使之標準化、采集數據的精確度、可信度，并使之標準化、 格式化，以運算和顯示、打印格式化，以運算和顯示、打印/ /記錄。記錄。二次

52、處理二次處理-對可信的數據進行分析、融合、處理、判對可信的數據進行分析、融合、處理、判斷、決策，形成控制信息。斷、決策，形成控制信息。 信號調理都是由硬件完成的，而一次信號調理都是由硬件完成的，而一次/ /二次處理一二次處理一般由軟件完成。般由軟件完成。通常所說的處理多指上述的一次處理。通常所說的處理多指上述的一次處理。 一次處理的主要任務是提高檢測數據的精確度、可一次處理的主要任務是提高檢測數據的精確度、可 靠度靠度, ,而精確度、可靠度主要受檢測過程的隨機誤差和系而精確度、可靠度主要受檢測過程的隨機誤差和系 統誤差的影響。因此數據處理實質上主要包括隨機誤差和統誤差的影響。因此數據處理實質上

53、主要包括隨機誤差和系統誤差兩種誤差的處理。系統誤差兩種誤差的處理。12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理1.1.隨機誤差的處理隨機誤差的處理隨機誤差隨機誤差-主要指外部干擾信號和內部噪聲源或主要指外部干擾信號和內部噪聲源或 某些意外情況出現所造成的檢測誤差。某些意外情況出現所造成的檢測誤差。隨機誤差特點隨機誤差特點單點誤差具有不可預知性單點誤差具有不可預知性( (即隨機性即隨機性) )。總體上服從統計規律，多數情況下接近正態分布。總體上服從統計規律，多數情況下接近正態分布。具有對稱性、有界性、互抵性，算術平均值趨于具有對稱性、有界性、互抵性，算

54、術平均值趨于 0 0。12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理特點帶來的啟示特點帶來的啟示( (隨機誤差處理的基本思想和理隨機誤差處理的基本思想和理 論基礎論基礎):): 為了提高信噪比，可在每個采樣周期中進行多次重復為了提高信噪比，可在每個采樣周期中進行多次重復采樣，以其平均值作為該周期的采樣采樣，以其平均值作為該周期的采樣 當然，在檢測過程中有時可能會偶爾出現強干擾當然，在檢測過程中有時可能會偶爾出現強干擾 和意外情況，產生粗大誤差或個別數據丟失現象。和意外情況，產生粗大誤差或個別數據丟失現象。 這些偶爾出現的錯誤數據點常被稱作這些偶爾出現的錯誤數據點常被稱作 奇異點奇異點 。 顯然，

55、奇異點不符合上述一般隨機誤差的特點和顯然，奇異點不符合上述一般隨機誤差的特點和 規律。規律。12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理 所以，為了盡可能減小數據處理誤差，所以，為了盡可能減小數據處理誤差，對隨機誤差的處理一般分為兩步：對隨機誤差的處理一般分為兩步： (1)(1)檢拾并取代奇異點檢拾并取代奇異點(2)(2)數字濾波數字濾波(1)(1)檢拾并取代奇異點檢拾并取代奇異點檢拾檢拾( (判別判別) )奇異點奇異點 - -方法是根據采樣頻率和被測物理量變化方法是根據采樣頻率和被測物理量變化 特征，設定一個誤差窗口特征，設定一個誤差窗口w(w(也叫誤差容限也叫誤差容限) )，然，然 后看每

56、次的實測值后看每次的實測值xtxt與預測值與預測值xtxt之差是否超過之差是否超過w w，據此判斷。據此判斷。12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理取代奇異點取代奇異點 -用預測值用預測值xtxt取代實測值取代實測值xtxt。 如何得到預測值如何得到預測值xtxt，取決于所采用的預測方法及，取決于所采用的預測方法及所建立的預測模型。所建立的預測模型。 一般測控系統中常用一階差分方程作為預測模型來計一般測控系統中常用一階差分方程作為預測模型來計算預測值，即：算預測值，即： xt=xt-1+(xt-1-xt-2)xt=xt-1+(xt-1-xt-2

57、) 這種方法雖然簡單，但當采樣頻率的選擇符合采樣定理這種方法雖然簡單，但當采樣頻率的選擇符合采樣定理時，這樣得到的預測結果還是足夠精確的。時，這樣得到的預測結果還是足夠精確的。 為確保檢測結果的正確性、真實性，有時還應對連續出為確保檢測結果的正確性、真實性，有時還應對連續出現的奇異點進行計數，以防系統誤差造成的數據平移等假象。現的奇異點進行計數，以防系統誤差造成的數據平移等假象。12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理e=e-1(e=e-1(采樣點數減采樣點數減1 1） 設定誤差窗口設定誤差窗口w w和采樣點數和采樣點數n n設置工設置工作單元作單元a,b,c,d,e;nea,b,c,d,

58、e;ne讀入讀入xt-2xt-2、xt-1xt-1和和xt xt-xt xt-2a2a、xt-1bxtcxt-1bxtc計算預測值：計算預測值：xt=(b)+(b)(a),xtdxt=(b)+(b)(a),xtdc-dw?c-dw?奇異點計數清零奇異點計數清零(b)a,(c)b(b)a,(c)be=0?e=0?計算算術平均值：計算算術平均值：x=x=1 1n nxixin ni=1i=1返回返回舍去，返回采樣程序舍去，返回采樣程序3?3?奇異點計數奇異點計數( (加加1)1)(d)c(d)cn ny yn nn ny yy y12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理(2)(2)數字濾波數字

59、濾波 - -一種軟件濾波方法，即利用計算機程序代替硬件濾一種軟件濾波方法，即利用計算機程序代替硬件濾 波器，對剔除奇異點的檢測數據進行平滑加工，目的是提高波器，對剔除奇異點的檢測數據進行平滑加工，目的是提高信噪比。信噪比。程序判斷濾波法程序判斷濾波法中值濾波法中值濾波法算術平均濾波法算術平均濾波法加權平均濾波法加權平均濾波法比較取舍濾波法比較取舍濾波法平滑濾波法平滑濾波法一階遞推濾波法一階遞推濾波法12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理程序判斷濾波法程序判斷濾波法 - -根據生產經驗事先確定相鄰兩次采樣輸入信號可根據生產經驗事先確定相鄰兩次采樣輸入信號可 能出現的最大偏差值能出現的最大偏

60、差值xx，在采樣過程中若超出此，在采樣過程中若超出此xx，表，表 明屬干擾信號，予以舍棄；若小于明屬干擾信號，予以舍棄；若小于xx，則表明是正常采，則表明是正常采樣值。樣值。此法具體又分此法具體又分 為兩種：為兩種：限幅濾波限幅濾波限速濾波限速濾波( (兼顧實時性和連續兼顧實時性和連續 性的折衷方法性的折衷方法) ) 12.2.3 12.2.3 數據處理數據處理限幅濾波法流程圖限幅濾波法流程圖限速濾波法流程圖限速濾波法流程圖采集采集x1,x2x1,x2|x2-x1|x2-x1|x?x?不要不要x2x2，但仍，但仍保留保留x3x3n ny yn ny yy yn n|x3-x2|x3-x2|x?