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1、东南大学计算机学院,计算机控制技术,主讲教师： 徐造林,第4 章 输入输出接口 与过程通道,4.1 概述,4.1.1 输入输出接口与过程通道的构成,过程通道,图4.2 计算机接口示意图, 接口是计算机与外围设备交换信息桥梁，接口技术是研究它们之间如何交换信息的技术；,4.1.2 过程通道的作用与分类, 过程通道是计算机与生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道；, 有模拟量输入、输出通道，数字量输入、输出通道。过程通道包含输入接口和输出接口。, 过程输入通道是为了检测生产过程的状态而设置的检测通道；, 过程输出通道是控制信号输出通道。,4.2 数字量输入输出通道,4.2.1 数字量输入输出接
2、口技术, 数字量输入接口,图4.3 数字量输入接口,图4.4 数字量输出接口, 数字量输出接口,图4.5 采用8255A的数字量输入输出接口,PC总线,4.2.2 数字量输入通道,图4.6 数字量输入通道结构, 用于接收外部装置或生产过程的状态信号, 输入调理电路,图4.7,去抖动积分电容,图4.8,从高电压接点引入数字量,4.2.3 数字量输出通道, 用于输出控制信号去控制被控对象,图4.9, 小功率输出驱动电路,图4.10,图4.11, 大功率输出驱动电路,图4.12,4.3 模拟量输入通道 4.3.1 信号的采样和量化,图4.13, 信号的采样,图4.14 离散信号F*(j)的频谱图,
3、采样定理, 采样后的离散模拟信号f * (t)：, 要使采样信号f * (t)能反映连续信号f (t)的变化规律采样频率s至少是f (t)频谱最高频率max的两倍。, 香农采样定理, 实际的工程应用中取：, 量化, 量化：用一组数码（二进制编码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。, 量化单位q=ymax- ymin/(2n-1) 转换结果D=VIN/q 量化误差为q/2,4.3.2 模拟量输入通道的组成,图4. 15,1、信号处理, 信号处理：对采集到的现场多路模拟信号进行放大、滤波、隔离、电平转换、阻抗匹配、非线性补偿和电流/电压转换等；, 传感器将过程参数转换为电参数，多为01
4、0mA或420mA电流；需要电流/电压转换。, I/V转换, 无源I/V转换； 输入电流为010mA时，取R1=100，R2=500；输入电流为420mA时，取R1=100，R2=250 。,图4. 16, 有源I/V转换如图4.17 运算放大器的放大倍数,2、多路转换器,图4. 18, 可将多路模拟信号依次或随机地连接到公共放大器或A/D转换器上。,图4.19,3、采样保持, 孔径时间和孔径误差的消除,U=Umsin t,dU=2fUmcostdt,U=2fUmt = 2fUmtA/D,(U/Um)100= 2ftA/D100 取量化精度为0.1%，孔径时间10s，算得信号最大频率为 16H
5、z。,图4. 20, 采样保持原理, 采样信号的量化过程所需的时间为A/D转换时间，在转换时间内信号变化过大，会引起转换误差。, 使用采样保持器把t=kT时刻的采样值保持到A/D转换结束。,图4. 21, 外接CH的减小可提高采样频率，但会降低精度； LF398 CH取0.01F，信号达0.01%精度所需的获取时间为25s，保持期间电压下降率为每秒3mV。, 常用采样保持器,4.3.3 A/D转换器及其接口技术, A/D转换器是实现模拟量转换为数字量的器件；, 三种类型：逐次逼近型、V/F转换型、双积分型等；, 双积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，精度较高，但转换速度较慢； 逐次逼近型
6、A/D转换器易于集成，且具有较高的分辨率和转换速度。, A/D转换器的主要参数,1、分辨率 模拟量经A/D转换器转换为二进制数字量的位数；,2）转换时间 ADC完成一次模拟量的测量到数字量的转换所需的时间；,3）精度 ADC转换后所得数字量代表的模拟量与实际模拟量输入值之差；,4）线性误差（1/(2LSB)） 、量程、基准电源。, 8位A/D转换器ADC0809 （逐次逼近式）,量化单位q=VREF(+)-V REF(-)/28 转换结果D=VIN/q,图4.23,转换时间,t, 12位A/D转换器AD574A/AD674A, 12位逐次逼近型ADC芯片,为0表示转换结束,+12V +15V,
7、-12V -15V,图4.25,图4.26,0V,10V,图4.27,转换时间,图4.28, 用8255的PA口作为A/D并行输入接口,图4.29 采用A/D器并行输入接口,1. 接口的任务, 发转换启动信号, 取回“转换结束”状态信号, 读取转换的数据, 进行通道寻址, 发S/H控制信号,2. 接口形式 与数据总线直接交换信息；,3. 转换数据的传送 程序查询方式，常用于不急于读取转换结果的场合；, 通过I/O接口芯片或三态门锁存器与CPU的数据总线连接。, 中断方式，转换结束信号作为中断请求信号； 特点：A/D转换器和CPU能并行工作，效率较高，硬件接口简单；, DMA方式 用转换结束信号
8、作为DMA的请求信号，通过DMA控制器将A/D转换结果直接送入指定的内存，适用于高速大数据量采集是场合。, 固定延时等待方式 启动转换后，执行一个固定的延时程序；因此要预先精确地计算完成一次转换所需要的时间；, ADC0809与PC总线工业控制机接口,图4.30,8255A的端口地址为2C0H2C3H,1）发选择通道信号； 2）发A/D转换启动信号； 3）检测转换结束信号； 4）从端口取数据。, ADC0809直接与8086CPU的接口,808H,30XH,启动,检测转换是否结束,取转 换结果, 数据采集程序段： MOV BX，BUFFER ；置数据缓冲区首址 MOV CX，08H ；设置通道
9、数 MOV DX，300H ；通道IN0口地址 L1：OUT DX，AL ；启动A/D转换（AL可为任意数） PUSH DX ；保存通道号 MOV DX，808H ；指向状态口地址 L2：IN AL，DX ；读EOC状态 TEST AL，01H ；转换是否开始？ JNZ L2 ；若未开始，等待,L3：IN AL，DX ；再读EOC状态 TEST AL，01H JZ L3 POP DX ；转换结束，恢复通道号 IN AL，DX ；读取转换数据 MOV BX，AL INC DX ；指向下一个输入通道 INC BX ；指向下一个缓冲单元 LOOP L1 ；判断8路模拟量是否全部采样完毕, 12位AD
10、574与PC机的接口,312H,310H,启动转换，R/C=0 ，D0=1, 用AD574进行12位A/D转换，以左对齐的方式存放在首址为400H的内存区；共采集64个数据，采用查询方式交换数据。,12位数据 4位0, AD574与PC总线工业控制机接口,8255A的端口地址为2C0H2C3H,00000100B,(PC7),; 8255A的端口地址为 ; 2C0H2C3H,BX 4位0 12位数据,(PA3PA0),(PB7PB0),4.3.4 模拟量输入通道设计, 采用12位A/D转换器AD574A，采样保持器LF398，多路开关CD4051、8255A并行接口芯片，设计PC 总线工业控制
11、机的模拟输入通道电路模板。, 主要技术指标： 8通道模拟量输入 12位分辨率 输入量程为单极性010V A/D转换时间为25s 查询应答方式,图4.34,8255A的端口地址为2C0H2C3H,通道选择,启动转换,采样 保持,转换,图4.35,读PA0 PA3,读PB0 PB7,；下一个通道,4.4 模拟量输出通道,4.4.1 模拟量输出通道的结构型式, 任务：将计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，驱动执行机构，实现控制。,图4.36,图4.37, 多个通道共用一个D/A转换器的形式, 单极性与双极性电压输出电路,图4.38,单极性：,双极性：,D=0 2n,4.4.2 D/A转换器及
12、其接口技术, D/A转换器是把数字量变换成模拟量的线性电路器件。,1. D/A转换器的主要参数,1）分辨率 D/A转换器能够转换的二进制数的位数；若8位二进制数转换后的电压满量程是5V，则它能分辨的最小电压=5V/25620mV。,2）转换时间 数字量输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间；在几ns 几百s之间。,3）精度 D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差；用1/2LSB表示。,4）线性度 当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按比例关系变化的程度。,2. D/A转换器的输入输出特性,1）输入缓冲能力,2）输入数据的宽度,3）电流型还是电压型,4）输入码制 对单极性，有
13、二进制码或BCD码； 对双极性，有偏移二进制码或补码。, 8位D/A转换器DAC0830/0831/0832,1）特点, 采用双缓冲、单缓冲或直接数字输入；, 8位的分辨率；功耗低，只需200mW；, 采用+5 +15V单电源；满足TTL电压电平 规范的逻辑输入；, 具有8、9或10位线性度。,图4.39 DAC0830内部结构,2）内部结构,0C,C0,图4.40 DAC0830/0831/0832引脚图,3）引脚功能,4）DAC0832工作方式,b. 单缓冲方式 只进行一级缓冲,MOV DX，300H ；DAC0830的地址为300H MOV AL，data OUT DX，AL ；AL中数
14、据送DAC寄存器 HLT, 8位D/A转换器与PC总线工业控制机的接口,+5V,MOV AL，data MOV DX，300H ；送输入锁存器地址 OUT DX，AL ；AL中的数据送输入锁存器 MOV DX，301H ；送DAC寄存器地址 OUT DX，AL ；数据写入DAC寄存器并转换,c. 双缓冲方式 进行两级缓冲, DAC0832最适合多片DAC同时进行转换的系统,图4.42 多片DAC0832同时进行转换的时序图,5） DAC0832输出方式,a. 单极性模拟电压输出,b. 双极性模拟电压输出,V1,6）DAC0832应用举例,(1) 锯齿波的产生,图4.45 用DAC0830产生锯
15、齿波,8255A初始化 MOV DX，0E003H MOV AL，80H OUT DX，AL ；A口、B口为方式0输出,；B口控制DAC的转换 MOV DX，0E001H ；8255A的B口地址 MOV AL，10H ；置0830为直通工作方式 OUT DX，AL,；生成锯齿波 MOV DX，0E000H ；设置DAC端口号 MOV AL，0H ；设置初值 L1： OUT DX，AL ；向DAC送数据 INC AL ；输出数据加1，减1则生成反向锯齿波 NOP ；延时 JMP L1,(2) 三角波的产生 MOV DX，0E000H MOV AL，0H ；输出数据从0开始 L2： OUT DX，AL INC AL ；输出数据加1 JNZ L2 ；AL是否加满？未满，继续 MOV AL，OFF ；已满，AL置全“1” L3： OUT DX，AL DEC AL ；输出数据减1 JNZ L3 ；AL是否减到“0”？不是，继续 JMP L2, 12位D/A转换器DAC1210,1）特点, 片内有两级锁存器，不必外加锁存器即可与CPU相连。, 12位的分辨率。,图4.46 DAC1210内部原理框图,D11 原数据
