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1、第8章 输入输出通道及接口技术,8.1 输入输出通道概述 8.2 当电隔离接口 8.3 常用人机交互设备接口 8.4 D/A、A/D转换器及其接口 8.5 步进电机及其接口,8.1 输入输出通道概述,8.1.1输入通道 将单片机用作测控系统时，系统都会有一个被测信号的输入通道，单片机通过输入通道拾取必要的输入信号。对于测量系统而言，如何准确获取被测信号是核心任务;而对于测控系统来讲，对被测对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。,下一页,返回,8.1 输入输出通道概述,输入通道是设置在单片机和被测对象之间的信息传送和转换的连接通道，单片机对被测对象状态的拾取，一般离不开传感器或敏感
2、元件。这是因为被测信号的状态参数通常是一种非电量的物理量(如温度、压力、载荷、位移等)，而单片机只能识别处理电信号的数字量，因此利用传感器将非电量的物理量转换成电信号才能实现测量和控制的任务。输入通道的结构，如图8-1所示。,下一页,返回,上一页,8.1 输入输出通道概述,输入通道的特点: (1)输入通道的类型取决于从传感器送入信号的类型，由于不同的信号需要不同的转换电路，这也就决定了输入通道的类型。 (2)输入通道对于传感器输出的微弱信号必须加以放大。 (3)输入通道的主要技术指标是信号的转换精度和速度，它们是选择转换器件的依据。 (4)对于被测现场环境较差的情况，为防止干扰信号进入单片机控
3、制系统，需要在输入通道中加入抗干扰措施。,下一页,返回,上一页,8.1 输入输出通道概述,8. 1. 2输出通道 输出通道是单片机用以连接各种被控装置的信号通道。单片机完成对输入通道所输入的数据处理后，总是以数字信号送往输出通道的。根据被控装置控制信号的要求，在输出通道中将送入的信号进行变化，以达到控制被控装置的目的输出通道的结构，如图8 -2所示。,下一页,返回,上一页,8.1 输入输出通道概述,输出通道的特点: (1)小信号输入，大功率控制。在目前的集成电路制造工艺下，单片机还不能输出直接控制装置所要求的功率信号，因此在输出后必须进行功率放大。 (2)输出通道直接与控制装置的执行机构连接，
4、而控制装置多为大功率的伺服驱动机构，各类电磁干扰会经输出通道窜入微机系统，因此必须在输出通道中采取抗干扰措施。,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,8. 2. 1光电藕合器概述 在单片机控制系统中，往往要求将单片机部分和强电回路的信号进行隔离，以防止强电磁场或工频干扰电压通过输出通道影响到单片机控制系统。信号的隔离，最常用的是光电藕合器，因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号。,下一页,返回,8.2 光电隔离接口,光电藕合器是以“光-电-光”转换的过程进行工作的。内部包括发光部分和受光部分，组装在一个密封管壳内。发光部分为发光二极管，作为输入端;受光部分为光敏元件，作为输出
5、端。图8 -3为常用的三极管型光电藕合器原理图。当输入端加上电信号，发光二极管导通发光，光敏三极管受到光照后产生光电流，光敏三极管导通。这样就以光为媒介，实现了电信号的传输。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,光电藕合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提高，主要有以下几方面的原因: (1)光电藕合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106 。即使干扰电压的幅度较大，到光电藕合器输入端的噪声电压也会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。,下一页,返回,上一页,8.2
6、光电隔离接口,(2)光电藕合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地，之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电藕合器馈送到另一边去，避免了共阻抗藕合的干扰信号的产生。 (3)光电藕合器可起到很好的安全保障作用，当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光藕合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,(4)光电藕合器的响应速度极快，其响应延迟时间只有10 s左右，适于对响应速度要求很高的场合。 光电藕合器的发光部分一般采用砷化镓发光二极管，受光部分的结构不同可分为晶体管型、晶
7、闸管型和集成电路型3种类型。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,8.2.2常用的光电藕合器件 光电藕合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强、无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点。因而在各种电子设备上得到广泛的应用。光电藕合器可用于隔离电路、负载接口及各种家用电器等电路中。常见的光电藕合器件有以下几种。 (1)二极管- 晶体管藕合的4N25、TLP541; (2)二极管- 达林顿管藕合的4N38、TPL570; (3)二极管- TTL藕合的6N137。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,8. 2. 3光电藕合器接口电路 1.微机中的光电隔离接口电路 微机
8、接口电路中常用的光电隔离器件TLP541 - 4的引脚，如图8-4 (a)所示。由其构成的光电隔离接口电路，如图8-4 (b)所示。R1取4001000 ,R2取200400 。因为普通光电藕合器的电流传输比比较小，所以一般要用三极管对输出电流进行放大，也可以直接采用达林顿型光电藕合器来代替普通光藕合器件，如东芝公司的4N30、4N38等器件。对于输出功率要求更高的场合，可以选用达林顿晶体管来替代普通三极管，如ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，它的输出电流和输出电压分别达到500mA和50V。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,2.功率驱动中的光电隔离接口电路 在微机
9、控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的I/ O输出，而I/O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些电磁执行器件，必须加接驱动接口电路。为避免微机受到驱动电路的干扰，须采取隔离措施。如晶闸管所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，此时可应用光电藕合器将微机控制信号与晶闸管触发电路进行隔离。功率驱动电路中的光电隔离接口电路，如图8 -5所示。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,在电机控制电路中，也可采用光电藕合器来把控制电路和电机高压电路隔离开。电机靠OSFET或IGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级
10、。在光藕隔离级一放大器级一大功率管的连接形式中，要求光电藕合器具有高输出电压、高速和高共模抑制。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,3.远距离传送中的光电隔离接口电路 在计算机应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真，另外，在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致低环路电流，对电路形成差模干扰电压。为确保长线传输的可靠性，可采用光电藕合隔离措施，将2个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光
11、电藕合器将长线完全“浮置”起来。远距离传送的光电隔离接口电路，如图8-6所示。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,长线的“浮置”去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生噪声电压形成相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题;同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,4.过零检测中的光电隔离接口电路 过零检测，即零交叉，是指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使电子开关在此时刻开始开通。现代的零交叉技术已与光电藕合技术相结合。过零检测电路中的光电隔离接口电路，如图8 -7所示。,下一页,返回,
12、上一页,8.2 光电隔离接口,5.注意事项 (1)在光电藕合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电藕合器的隔离作用将失去意义。 (2)当用光电藕合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号(包括数字量信号、控制量信号、状态信号)全部隔离，使得被隔离设备的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,8. 3. 1键盘接口电路 在单片机应用系统中键盘是最常用的输入设备。通过键盘可以输入数据和命令，实现简单的人机对话。键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线路来实现键盘编码，每按一个键，键盘能自动生成
13、按键代码;非编码键盘仅提供键的开关状态，依靠软件来识别闭合的键，并去除抖动以及产生相应的代码。,下一页,返回,8.3 常用人机交互设备接口,全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。本节主要讨论单片机应用系统中使用较多的非编码键盘的接口方法。 非编码键盘的结构形式有两种，即独立式键盘和矩阵式键盘。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,1.独立式键盘 独立式键盘的各个按键相互独立，各按键的状态互不影响，其结构如图8 -8所示。当键盘上没有键闭合时，其数据线
14、X0X7状态呈现高电平。当键盘上某个键闭合时，该键相对应的数据线状态被拉至低电平。单片机可以通过检测其各数据线的状态，来判断是否有键闭合以及哪一个键闭合。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,2.矩阵式键盘 矩阵式键盘的结构如图8 -9所示。图中列线Y3Y0 (Pl. 7P1. 4)定义为输出口，行线X3 X0 (P1. 3 P1. 0 )定义为输入口。在程序控制下，首先使列线Y3(Pl. 7)为低电平，其余3根列线Y2Y0 (Pl. 6P1. 4)为高电平，然后单片机通过输入口读行线的状态，如果X3X0 (P1.3Pl. 0)都为高电平，则说明此列上无键闭合;如果X3X0 (
15、P1. 3P1. 0)中有一个不为高电平，则说明此列上有键闭合，闭合键为低电平的行线和Y3相交的键。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,如果Y3这一列线上没有键闭合，接着再使列线Y2为低电平，其余的列线为高电平。用同样的方法检查Y2这一列上有无键闭合。以此类推，最后使Y0为低电平，其余的列为为高电平，检查Y0这一列上是否有闭合键。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。 3.键盘的工作方式 在单片机应用系统中，为了节省硬件，通常采用矩阵式键盘。键盘的工作方式一般有程序控制扫描方式和中断扫描方式。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,1)程序控制扫
16、描方式 这种方式是利用CPU在完成其他工作的空余时间调用键盘扫描子程序，来响应键盘的输入要求。其键盘扫描程序一般应具备如下功能: (1)判断键盘有无按下。即扫描口输出全“0” （Y0Y3均为低电平)，再读取入X0X3的状态，判断其是否为全“1“:若是则为无键按下，否则为有键按下。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,(2)去键抖动影响。键盘是一个机械开关，当按键在闭合或断开时会产生机械抖动，一般抖动时间为510ms。因此当判断到有键按下后，可采用软件延时一段时间(一般1015 ms)，再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键被按下，否则按照键抖动处理。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,(3)确定闭合键的键号。根据前面介绍的键盘扫面方法，对键盘进行逐行逐列的扫描，以确定闭合键的键号。如图8-9所示，从Y3Y0依次输入列扫描字0111B、1011B、1101B、 1110B，即依次使键盘的一根列线为“0”，其余为+1。相应地依次读取X3X0的值，若全为“1”，则列线为“0”的这
