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模拟量输入输出通道

模拟量输入输出通道. （共 2 学时）. 训练目的. 1 、 了解计算机如何采集工业系统中的模拟信号。 Inportb—— 读端口 ( 寄存器 ) Intvar=Inportb ( 基地址 + 偏移地址 ) 2 、了解计算机如何输出模拟信号。 Outportb—— 写端口 ( 寄存器 ) Outportb( 基地址 + 偏移地址， Intvar). 设备与器材. IPC-610 工业控制计算机一台（带 ACL-8112 PG 数据采集卡一块） PCLD-880 REV. A1 端子板一块 37 芯扁平电缆一条 直流稳压电源一台 示波器一台

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模拟量输入输出通道

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  1. 模拟量输入输出通道 （共2学时）

  2. 训练目的 1、 了解计算机如何采集工业系统中的模拟信号。 Inportb——读端口(寄存器) Intvar=Inportb (基地址+偏移地址) 2、了解计算机如何输出模拟信号。 Outportb——写端口(寄存器) Outportb(基地址+偏移地址，Intvar)

  3. 设备与器材 • IPC-610工业控制计算机一台（带ACL-8112 PG数据采集卡一块） • PCLD-880 REV. A1端子板一块 • 37芯扁平电缆一条 • 直流稳压电源一台 • 示波器一台 • 数字万用表一个 • 信号发生器一台

  4. 数字量 模拟量输出/输入系统的一般组成 Outportb(基地址+偏移地址，Intvar) A/D转换 D/A转换 模拟信号 Intvar=Inportb (基地址+偏移地址) 端子板 信号调理电路 驱动电路 工业系统

  5. 1）A/D不主动工作，要有 触发信号； 2）多种触发方式可以选择 3）方式要约定 4）转换是逐位进行，需要 一定时间30us 5）完成通知CPU 6）按照规定的数据传输方 式传入计算机 模拟量输入通道的一般组成 每个通道输入的模拟量的范围不同，选择不同的增益 AD0 AD1 AD15 先采样，再保持，等待处理（存放在寄存器） 公用一套电路，要进行通道选择

  6. V1 模拟传感器 信号调理 V2 模拟传感器 信号调理 可编程 放大器 Vk 模拟传感器 信号调理 Vn 模拟传感器 信号调理 A/D通道内部工作原理 工业系统 多 路 开 关 M U X Vk Vd VG Vh A/D 寄 存 器 S/H 接口 电路 … … 采样 触发 信号 gain 锁存 信号 … … 控制电路 channel = k 控制线 数据总线 选通道：channel = k 设定增益：gain 选择触发方式

  7. 模拟量输入的实现 1. 多路控制:决定哪一路信号进入通道 2. 可编程放大器:调节输入信号幅值范围 3. A/D转换:模拟量转化成计算机可处理的数字量 4. 数据传输:转化结果传送到内存

  8. 问题1： 同时会有多路模拟信号输入，每一路信号选用一个A/D通道，采集卡有16路A/D通道，哪一路工作？

  9. V1 模拟传感器 模拟传感器 模拟传感器 模拟传感器 信号调理 信号调理 信号调理 信号调理 V2 Vk Vn 多路开关MUX的工作原理 channel=k 工业系统 MUX Vk … … … …

  10. A/D通道多路开关寄存器 解决： 多路转换控制寄存器 地址：base＋10 属性:只写 说明：CL3～CL0 A/D转换通道号 • 数据格式：低4位提供了A/D通道号：CL3~CL0对应0~15号通道 • 0000 ~ 1111 （AD0~AD15） • outportb（base＋10,channels ）

  11. 问题2： 各路模拟的信号幅值范围不同 ,怎么办？

  12. A/D增益寄存器 采集卡的最大输入电压，由跳线决定，可以是±5V或±10V 模拟信号输入的最大电压 Outportb（base＋9,0）

  13. 问题3： 模拟电压输入后，如何使A/D转换开始？

  14. 触发：给一控制信号，使A/D开始 A/D转换触发 模拟电压经端子板送到采集卡输入口后，采集卡并不会主动开始工作，需要给它一个触发信号启动A/D过程。 A/D转换触发方式： • 软件触发； • 板上定时触发； • 外部脉冲触发。

  15. A/D操作模式控制寄存器 outportb(Base+11，1) • 模式控制寄存器 • 地址：base＋11 • 属性：只写 • 说明：若触发方式跳线跳到内部时，内部触发可选方式：

  16. A/D软件触发寄存器 • 如果给ACL－8112PG的A/D转换产生一个触发脉冲，只要向这个软件触发寄存器写一个任意值，A/D转换器就会被触发； • 软件触发寄存器 • 地址：Base＋12 • 属性：只写 outportb（BASE＋12,0） 可以为任意值

  17. 问题4： 如何知道A/D转换已经完成？

  18. A/D转换逐位进行，需要一定的时段( )，因此必须使CPU知道转换已完成，并约定方式使转换结果送入内存 • A/D转换结果的传输方式有三种： 1. 查询方式传输： 查询A/D完成位DRDY，然后再从寄存器读取数据到内存变量。 2. 中断传输： A/D转换完成后发中断请求，然后由中断服务程序读取数据。 3.DMA传输： (Direct Memory Access)直接内存访问，DMA方式下由于不直接访问计算机的CPU，而直接在RAM与设备之间传输，因而大大提高了数据传输速度,适用于高速采集。

  19. A/D数据寄存器 Data ReaDY 说明：DRDY为转换完成标志位 DRDY=1：A/D转换没有完成 =0：A/D转换完成 。 当读A/D低字节寄存器(Base+4)时，变回1。 例：判断A/D是否转换完成：inportb(Base+5)&0x10 说明：AD11~AD0：A/D转换完成后的数据。 AD0是最低位(LSB)，AD11是最高位(MSB)。

  20. 问题5： 如何读取A/D转换完成后的数据？

  21. 数据读取 A/D数据寄存器 地址：base＋4（低字节） AD7 ～AD0 base＋5（高字节）AD11 ～AD8 属性：只读 说明： AD11～AD0 12位 注意： 先读高字节，再读低字节

  22. 问题6： 如何将高字节和低字节合并为一个12位二进制数？

  23. 解决： 将高字节左移8位后，与低字节相加。 temp=Hbyte<<8 +Lbyte inputData＝Inportb(Base+5)&0x0F<<8 + inportb(Base+4)

  24. 问题7: 如何将读入的12位二进制数转换为十进制电压值？

  25. ±10V 0－4095(=212-1) 12位二进制数 数字信号与模拟信号的对应：

  26. 0 – 4095（212-1） ±10V 12位2进制数 inputData＝Inportb(Base+5)&0x0F<<8 + inportb(Base+4) Volt=(inputData-2047)*20.0/4095 Volt=inputData*20.0/4095-10.0

  27. +10V 0V -10V 12位A/D的量化 umax 1111 1111 1111 =4095 1111 1111 1110 =4094 0.004884V 0111 1111 1111 =2047 q=( umax-umin)/2n-1 0000 0000 0001 = 1 umin 0000 0000 0000 = 0

  28. 模拟量输入通道小结 Outportb (Base+11,控制字) Outportb (Base+12,控制字) Outportb (Base+9,增益) Outportb (Base+10,通道号) Inportb(Base+5) Inportb(Base+4)

  29. 模拟量输入过程总结 • 选择A/D通道，通过写多路转换控制寄存器(Base+10) • 确定增益，通过写增益控制寄存器(Base+9) • 选择触发方式，通过写模式控制寄存器(Base+11) • 启动软件触发，通过写寄存器(Base+12) • 判断DRDY，通过读寄存器(Base+5）&0x10，等待A/D完成 • 完成后从数据寄存器(Base+5)(Base+4)中读数据读数据，先读高字节(Base+5)，再读低字节(base+4)。 • 将整数值转换成模拟电压值，用作计算机显示。

  30. A/D初始化 A/D转换 软件触发方式的A/D流程图 选择通道 base+10, channel 设置增益 base+9, gain 设置触发模式 base+11, 1 触发A/D转换 base+12, 1 N N 转换完成？ DRDY=0? Y Y base+5, base+4 读取A/D寄存器数据 拼接成12位二进制码 hbyte&0x0f<<8+lbyte 译码 计算AD采样值 V_out = A/D_word*20.0/4095-10.0

  31. 模拟量输出通道（AO） • 任务：把计算机输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以便去驱动相应的执行机构，达到控制目的； • 组成：一般由接口电路、数/模转换器和电压/电流变换器组成； • 核心：数/模转换器，简称D/A或DAC (digital-to-analog converter)，通常也把模拟量输出通道（AO）简称为D/A通道。

  32. 模拟量输出通道的一般组成 每一路都是独立的 Outportb (Base+4) Outportb (Base+5)

  33. D/A输出寄存器

  34. D/A输出寄存器 D/A#1 outportb(Base+4,lbyte); outportb(Base+5,hbyte); 先写低字节 后写高字节 D/A#2 outportb(Base+6,lbyte); outportb(Base+7,hbyte);

  35. D/A的实现 • 明确使用的D/A通道，第1路对应高字节(Base+5)，低字节(Base+4)；第2路对应高字节(Base+7)，低字节(Base+6)。 • 先写低字节，后写高字节。写高字节时，和低字节的内容同时送到DA转化器。 • D/A通道输出范围为0~10V。

  36. scanf(“%f”,&Vout) 得到一个十进制数值 V_word = Vout*4095/10 把10进制数转换为12位2进制编码 V_wordbase+4(6), base+5(7) 把12位2进制编码送出 delay(30) 延迟30μs hbyte=(V_word>>8)&0x0F; lbyte= V_word&0xFF; outportb(Base+4+port*2,lbyte); outportb(Base+5+port*2,hbyte); D/A输出操作流程 注意： D/A转换需要时间(30μs)，对于高速的CPU，相邻两次D/A操作之间可能需要加等待延时。

  37. ACL-8112PG采集卡在工控机中的安装 (DO) (AD/DA) • CN1：开关量输出 • CN2：开关量输入 • CN3：模拟量单端输入与输出 (DI)

  38. 采集卡和端子板对应关系 至采集卡CN3

  39. 采集卡和端子板对应关系 • AD10 ：A6 • GND ： • A17 ～A20 • DA1 ：B2 • GND ： • B7 、B9

  40. 训练内容 1.模拟量输出通道D/A （1）运行演示程序（test.exe) 产生一个方波或正弦波信号，周期1ms～5ms可调，幅值0～10V可调。用示波器观察上述波形： DA 1号通道（B2、B7） （！！！注意示波器的探头的正确使用，不能相碰；否则设备损害，照价赔偿） （2）单步运行范例程序 按F8键，单步运行DA_ONE.C程序，由键盘键入需要输出的直流电压值（ 0～＋10V，源程序见附录5）。利用“watch”区域观察有关变量的值，确认并记录程序中的关键语句及其作用。注意对采集卡各端口的寻址和数据格式。 （运行E:\第二层次\DA_ONE.C;用数字电压表量DA输出端的电压）

  41. 训练内容(续) 2.模拟量输入通道A/D （1）运行演示程序：（test.exe) 计算机由10号A/D通道将信号采入，在显示器上显示0～＋10V直流电压、正弦波信号和方波信号（10HZ—100HZ），这时，计算机相当于一个数字示波器。演示中可以用信号发生器作为信号源，也可以将演示程序D/A部分所产生的信号作为信号源。 （2）单步运行范例程序 单步运行AD_ONE.C程序（源程序见附录5），该程序将一个直流电压信号采入计算机，以数字形式显示，程序运行中，利用“watch”区域观察有关变量的值，确认程序中的关键语句及其作用，作记录。 （运行E:\第二层次\AD_ONE.C;直流电压由直流稳压电源提供)

  42. DO AD/DA 输入 DI 输出 训练接线图 接示波器 1、输入A/D通道的电压严禁超出±10V； 2、输出D/A通道严禁短路； 3、在关机状态下接线！ 4、所有接线请注意和相应的读写寄存器地址对应； 5、不能同时接CN1和CN2！ 接信号发生器或直流稳压电源

  43. AD通道程序（附录5.1） #define BASS_ADDRESS 0x220 /*设置板卡基地址*/ int Channel=10; /*定义通道号变量*/ main() /*AD主函数*/ { unsigned short int DRDY; int hbyte,lbyte; float temp; char c; /*定义变量*/ outportb(BASS_ADDRESS+10,Channel); /*选择通道*/ outportb(BASS_ADDRESS+9,0); /*输入电压范围-10~+10V*/ outportb(BASS_ADDRESS+11,1); /*选择软件触发方式*/ while(1) { DRDY=1; /*转换完成标志位置于未完成*/ outportb(BASS_ADDRESS+12,1); /*AD软件触发*/

  44. AD通道程序(续) while((DRDY!=0)&&(!kbhit())) /*AD转换未完成且无键盘响应*/ { DRDY=inportb(BASS_ADDRESS+5)&0x10; } /*查询等待AD转换完成*/ hbyte=inportb(BASS_ADDRESS+5)&0x0F; /*先读高字节*/ lbyte=inportb(BASS_ADDRESS+4)&0xFF; /*再读低字节*/ temp=((hbyte<<8)+lbyte-2047)*20.0/4095.0; /*换算模拟电压值*/ printf(“\nValue=%f”,temp); /*显示输入的电压值*/ printf("\nPress N to next and Press other key to quit!!"); c=bioskey(0); if(c=='n'||c=='N') continue; else break; } }

  45. DA通道程序（附录5.2） #define BASS_ADDRESS 0x220 /*设置板卡基地址*/ int Channel=1; /*定义通道号变量*/ main() /*DA主函数*/ { float Outputdata; int lbyte,hbyte; int out=0; char c; /*定义变量*/ while(1) { clrscr(); /*清屏*/ printf("\nPlease input Amplitude (0~10V):"); scanf(“%f”,&Outputdata); /*键盘输入直流电压信号*/

  46. DA通道程序(续) out=Outputdata*4095.0/10.0; /*换算电压值对应的代码*/ hbyte=(out>>8)&0x0F; /*代码高4位放入高字节变量*/ lbyte=out&0xFF; /*代码低8位放入低字节变量*/ outportb(BASE_ADDRESS+4+2*(Channel-1),lbyte); /*先写DA低字节，通道1为Base+4，通道2为Base+6*/ outportb(BASE_ADDRESS+5+2*(Channel-1),hbyte); /*再写DA高字节，通道1为Base+5，通道2为Base+7*/ printf("\nPress N to next and Press other key to quit!!"); c=bioskey(0); if(c=='n'||c=='N') continue; else break; /*继续程序或退出*/ } outportb(BASE_ADDRESS+4+2*(Channel-1),0); outportb(BASE_ADDRESS+5+2*(Channel-1),0); } /*对应的DA通道寄存器清零*/

  47. 作业 1、改写AD和DA通道程序为子程序 • int AD (int channel) /*0-15*/ ｛ …… ｝ • DA(int channel, int data) /*1-2;0-10V */｛…… ｝ 2、预习：信号离散化

  48. 寄存器描述及板内地址分配表

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