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1、第五章 过程输入输出通道技术,过程输入输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。,根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道和数字量(开关量)输出通道。,51 过程输入输出通道的组成与功能,52 过程输入输出通道的控制方式,52l 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种： 1数据信息：反映生产现场的参数及状态的信 息，它包括数字量、开关量和模拟量。 2状态信息：又叫协议信息，如应答信息、握手信 息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号。 3控制信息：用来控制过程通道的启动和停止
2、等 信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动 等。 在过程输入输出通道中，必须设置一个与CPU联系的接口电路，传送数据信息、状态信息和控制信息。,522 过程通道的编址方式 由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通道编址方式有两种： 1过程通道与存储器统一编址方式 这种编址方式又称存储器映像方式，它从存贮器空间划出一部分地址空间给过程通道，把过程通道的端口当作存贮单元一样进行访问，对IO端口进行输入输出操作跟对存储单元进行读写操作方式相同，只是地址不同。,2过程通道与存储器独立编址方式 这种编址方式将过程通道的端口地址单独编址，有自己独立的
3、过程通道地址空间，而不占用存储器地址空间。在过程通道地址空间中，每一个过程通道的端口有一个唯一对应的过程通道的端口地址。这种独立编址方式要求CPU有专用的I/O指令（IN及OUT指令）用于CPU与过程通道端口之间的数据传输。地址总线配合存储器操作信号实现存储器的访问控制，地址总线与IO操作信号配合则可访问过程通道。实现这种编址方式的CPU分别有存储器访问和IO访问的指令及相应的控制信号。,编址方式的比较 统一编址的最大优点是无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计，并能省去相应的I/O操作的对外引线。而且CPU可直接对I/O数据进行算术和逻辑运算，指令丰富。 统一编址的不足之处在于I/O
4、端口地址占用了一部分存储器空间；另外访问内存的指令长度一般比专用的I/O指令长，因而取指周期较长，又多占了指令字节。,523 CPU对过程通道的控制方式 计算机的外围设备及过程通道种类繁多，它们的传送速率又很不相同。因此输入输出产生复杂的定时问题，也就是CPU采用什么控制方式向过程通道输入和输出数据。常用的控制方式有三种：程序查询方式、中断控制方式和直接存储器存取(DMA)方式。,1程序查询方式,采用中断控制方式时，CPU与IO通道处于并行工作方式。当CPU与IO通道需要传送数据时，过程通道作好准备后，主动向CPU请求中断，CPU响应这一请求，并暂停正在运行的程序。一般用优先级来解决中断响应的
5、先后顺序问题。,DMA方式是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式。在这种方式下，IO通道和存储器之间不通过CPU而直接进行数据交换。,2中断控制方式,3直接存储器存取(DMA)方式,所谓“可编程接口”是指其功能可由程序指令（接口芯片功能设定的初始化程序）设定接口芯片的功能。故接口的设计与应用除了合理选择/接口芯片进行硬件设计外，还应包括对接口芯片的功能初始化程序和接口程序的分析与设计。,CPU对过程通道的控制方式比较,程序查询方式的主要优点是能保证主机与输入输出通道之间协调工作。主要缺点是重复查询输入输出通道是否“准备就绪”，从而浪费了CPU的时间。 过程通道需要传送数据时就向CPU发出中
6、断请求信号，实时性比程序查询方式好。主要缺点：由于为了能接受中断请求信号，CPU内部需要有一些线路来控制。另外采用中断控制方式时，每传送一次数据就要中断一次CPU原来的运行，CPU响应中断后，每次都要执行“中断处理程序”，而且在其中都要保护断点、恢复断点，浪费了很多不必要的CPU时间。 DMA方式的主要优点是速度快，数据传送速度只受存储器存取时间的限制，主要缺点是需要一个专用的芯片控制器来加以控制、管理，硬件连接也稍微复杂一些。,524 过程通道接口设计应考虑的问题,接口电路起着连接过程通道与CPU的桥梁作用，它的基本任务有： 1控制信息的传递路径：即根据控制的任务在众多的信息源中进行选择，以
7、确定该信息传送的路径和目的地。 2控制信息传送的顺序：计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适时地发出一组有序的门控信号。,在过程通道接口电路设计中应解决以下问题： 1触发方式：有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭(触发)信号，这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。 2时序：控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的。 3.负载能力：一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系
8、密切，器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负载是否匹配。,53多路开关及采样-保持器,在计算机测量及控制系统中，往往需要对多路或多种参数进行采集和控制。 另一方面，模拟量参数经放大、滤波等一系列处理后，尚需转变成数字量，才能进入计算机系统。由于AD转换过程需要一定的时间，为了保证AD转换的精度，必须在AD转换进行时保持待转换值不变，而在/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。同时，在模拟量输出通道中，为使各输出通道得到一个平滑的模拟量输出，也必须保持有一个恒定的值。能够完成上述两项任务的器件叫做采样保持器。,单片机和被控实体间的接口示意,531 多路开关与多路分配器,多
9、路开关的主要用途是把多个模拟量参数分时地接通并送入A/D转换器，即完成多到一的转换；或者把经计算机处理，且由D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换。前者成为多路开关，后者叫做多路分配器，或叫做反多路开关。 这类器件中有的只能做一种用途，成为单向多路开关，如AD7501（8路）、AD8506(16路)；有些则既能做多路开关，又能当多路分配器，成为双向多路开关，如CD4051。从输入信号的连接方式来分，有的是单端输入，有的则允许双端输入（或差动输入）。,表5.1 常用的多路开关芯片,在以前的数字控制系统中，大多采用干簧（湿簧）继电器。由于这
10、类开关结构简单，闭合时接触电阻小，而断开接点时阻抗高，工作寿命长，且不受外界环境温度的影响，所以应用比较广。随着大规模集成电路的发展，厂家已推出各式各样的半导体多路开关。从组成开关的电路来看，有TTL电路、CMOS和HMOS电路等。有的芯片还能在其内部进行TTL与CMOS之间的电平转换（如CD4051），更加拓宽了芯片的使用环境。,半导体多路开关的特点是： (1)采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排； (2)直接与TTL(或CMOS)电平相兼容； (3)内部带有通道选择译码器，使用方便； (4)可采用正或负双极性输入； (5)转换速度快，通常其导通或关断时间在ls左右，有些产品已达到几十
11、到几百纳秒 (ns)； (6)寿命长，无机械磨损； (7)接通电阻低，一般小于100，有的可达几欧姆： (8)断开电阻高，通常达109以上。,1CD4051,表52CD4051的真值表,CD4067B是16通道双向多路模拟开关。,2CD4067BCD4097B,表53 CD4067B通道控制真值表,CD4097B为双向双8通道多路模拟开关。 CD4097B的双通道多路开关的原理是每当接到选通信号时，X，Y两通道同步切换，且两个通道均受同一组选择控制信号C，B，A的控制。它主要用于两个通道信号的同步输入，如差动放大器的输入等。,38816,随着控制系统的增大，被控参数的增多，不仅要求多路输入，也
12、要求能有多通道输出，最好是输入输出都能控制。能够满足这种要求的装置称做矩阵多路开关。,4多路开关的扩展,由于两个多路开关只有两种状态，1#多路开关工作，2#必须停止，或者相反。所以，只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号，而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址(或数据)总线。 改变数据总线D2D0(也可以用地址总线A2A0)的状态，即可得到分别选择IN7IN0的8个通道之一。 若需要通道数很多，两个多路开关扩展仍不能达到系统要求，此时，可通过译码器控制CD4051的控制端INH，把4个CD4051芯片组合起来，构成32个通道或16路差动输入系统。,表54 CD4051扩
13、展电路真值表,532 采样保持器,如果直接将模拟量送入AD转换器进行转换，则应考虑到任何一种AD转换器都需要用一定的时间来完成量化与编码的操作。在转换过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的参量需取自同一瞬时，而各参数的AD转换又共享一个芯片，所得到的几个量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完成上述任务的器件叫做采样保持器(Sample/Hold),简写为S/H。,A/D转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称转换时间，对变化快
14、的模拟信号来说，转换期间将引起转换误差，这个误差叫做孔径误差。,设模拟信号为： (5.1),它的微分为：,(5.2),最大变化率为：,(5.3),在信号与横座标交点处，信号变化率最大，可能引起最大的信号误差，设孔径时间为 ，这时最大误差为：,(5.4),为满足A/D转换精度要求，希望在 时间内，信号变化最大幅度应小于A/D转换器的量化误差 。对于12位A/D转换器ADS1211，转换时间为100s，基准电压为10.24V，其量化误差为：,若 ，由此要求输入信号的最高变化频率,当转换时间越长时，不影响转换精度所允许的信号最高频率就越低，这将大大地限制A/D转换器的工作频率范围。因此，为了在满足转
15、换精度的条件下提高信号允许的工作频率，可在A/D转换前加入采样保持器。,为满足A/D转换精度要求，希望在 时间内，信号变化最大幅度应小于A/D转换器的量化误差 。对于12位A/D转换器ADS1211，转换时间为100s，基准电压为10.24V，其量化误差为：,采样保持器又叫做采样保持放大器（SHA），它的原理如图59所示。它由模拟开关S、保持电容C和缓冲放大器组成。其工作原理如下： SH有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。,图59 采样保持器原理图,采样保持器的主要性能参数有采样时间、孔径时间、输出电压衰减率、直通馈入等。 (1)采样时间：给出采样指令，跟踪输入信号到满量程并稳定
16、在终值误差的(0.2-0.005)%内变化所滞留的最小时间； (2)孔径时间：保持指令给出后到采样开关真正断开所需的时间； (3)输出电压衰减率：保持阶段中泄漏电压引起的放电速度； (4)直通馈入：输入信号通过采样保持开关的极间电容穿通到保持电容上的现象。,采样保持器的主要用途是：(1)保持采样信号不变，以便完成AD转换；(2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；(3)减少DA转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；(4)把一个DA转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。,图50 LFl98298398的原理图,选择采样保持器时主要考虑的因素包括：输入信号范围、输入信号变化率、多路转换器的切换速度、采集时间等。若输入模拟信号变化缓慢、D/A转换器转换速度相对很快，可以不用采样保持器。,54开关量（数字量）输出通道,541开关量（数字量）输出通道的
