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1、第2章 输入输出接口与过程通道,接口: 是计算机与外部设备（部件与部件之间）交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。 接口技术: 是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。 过程通道: 是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它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、数字量(开关量)输出通道。AI/AO、DI/DO.,2.1 数字量输入输出通道,2.1.1 数字量输入输出接口技术 2.1.2 数字量输入通道 2.1.3 数字量输出通道,明确概念,1、数字量(开关量)信号 开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器的吸合与释放，马达的启动与停止，
2、阀门的打开与关闭等。 共同特征:这些信号的是以二进制的逻辑 “1”和“0”出现的，代表生产过程的一个状态。 2、PC总线,2.1.1 数字量输入输出接口技术,1.数字量输入接口（DI） 作用：采集生产过程的状态信息。 完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号。当在执行IN指令周期时，产生I/O读信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器。,设片选端口地址为port，可用如下指令来完成取数. MOV DX， port IN AL， DX 注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语言),2数字量输出接口 作用：当对生产
3、过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。 完成过程：用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。由于PC总线工业控制机的I/O端口写总线周期时序关系中，总线数据D0D7比I/O写前沿(下降沿)稍晚，因此利用I/O写的后沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生I/O写信号。,设片选端口地址为port，可用以下指令完成数据输出控制。 MOV AL， DATA MOV DX， port OUT DX， AL 注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语 言),2.1.2 数字量输入通道,1.数字量输入通道的
4、结构 数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成。,2. 输入调理电路,数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。 这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。 为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理 。 （1）小功率输入调理电路 （2）大功率输入调理电路,（1）小功率输入调理电路,开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTL电平信号与计算机相连。 为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡
5、信号，一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。,问题：利用什么原理消除了抖动？,采用积分电路的小功率输入调理电路 目的：把开关K的状态转化成二进制状态。 原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相 为1； 断开K时，电容C充电，反相器反相 为0。,RS触发器消除开关两次反跳电路,原理：当K在上时，输出上为1，下为0。 当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。,（2）大功率输入调理电路,当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。但是
6、这种电路，由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。 光电隔离：通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号，在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可以互相的隔离。,原理：当K 闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为1。 当K断开时，光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为0。 其中，用R1、R2进行分压，C进行滤波，要合理选择参数。,2.1.2 数字量输出通道,1.数字量输出通道的结构 数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成 。,2.输出驱动电路 在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的是TTL电
7、平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。 （1）小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 继电器包括线圈和触点。 因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。 D的作用是泄流，通过D放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。 R的作用是限流。 作用过程：当TTL电平为1时，晶体管截止，J不吸合 当TTL电平为0时，晶体管导通，J吸合,达林顿阵列输出驱动继电器电路。 MC1416是达林顿阵列驱动器. 达林顿晶体管DT（Dar1ington Transistor）亦称复合晶体管。它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合
8、到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。,(2)大功率交流驱动电路 在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSR作交流开关使用。 SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。,SSR作交流开关，相当于有一个触点，左边是TTL电平，在05V之间： 当TTL电平为高时，触点闭合； 当TTL电平为低时，触点断开。 当用计算机来控制电磁阀时，用固态继电器。,零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。,2.2 A/D转换器及其接口技术,A/D转换器的主要技术指
9、标： 转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。 分辨率：通常用数字量的位数n(字长)来表示，如8位、12位、16位等。 线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如(1/2)LSB或1LSB。 量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V+5V, 010V，05V等。 对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。,A/D转换方式 逐次逼近式：转换时间短(几个微秒几百个微秒)，但抗干扰能力较差。常用的逐次逼近
10、式A/D转换器ADC0809，AD574等； 双斜积分式：转换时间长(几十个毫秒几百个毫秒)，抗干扰能力较强。在信号变化缓慢、现场干扰严重的场合采用。常用的双斜积分式A/D转换器有3位半(相当于2进制11位分辨率)的MC14433，4位半(相当于2进制14位分辨率)的ICL7135等。,逐次逼近式A/D转换器逻辑框图,2.2.1 A/D转换器 1. 8位A/D转换器ADC0809 2. 12位A/D转换器AD574A 2.2.2 A/D转换器接口技术 1. ADC0809与PC总线工业控制机接口 2. AD574A与PC总线工业控制机接口,1. 8位A/D转换器ADC0809,ADC0809是
11、一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为64个时钟周期（时钟频率为640KHZ 时100s左右），线性误差为(1/2)LSB。 采用28脚双立直插式封装。 外加基准电源。,逻辑组成： (1) 8通模拟开关及通道选择 逻辑 该部分的功能是实现8选1操作，由通道选择信号C、B、A，在ALE的作用下送入通道选择逻辑。 注意：转换时序。,(3) 三态输出锁存缓冲器 用于存放转换结果D，输出允许信号OE为高电平时，D由DO7DO0上输出；OE为低电平输入时，数据输出线DO7DO0为高阻态。,(2) 8位A/D转换器 在START上收到一个启动转换命令(正脉冲)后开始转换，100s左
12、右(64个时钟周期)后转换结束(相应的时钟频率为640KHZ)。转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。 通过查询或中断方式读取。,212位A/D转换器AD574A （AD1674）,AD574A（AD1674）是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25（10）s，线性误差为1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。 AD1674有S/H。,AD574A由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器和10V基准电压源四部分构成。 控制逻辑的任务包含：启动转换、控制转换过程和控制转换结果的输出。C
13、E、CS均为片选信号，R/C为读/启动控制信号，12/8为数字量输出位数控制，A0为分辨率和字节选择：在转换启动时，A0=1代表选择AD574A作为12位转化器使用，在读数据时，A0=1代表读低字节。 STS为AD574A的状态输出信号。启动后，STS为高电平表示正在转换；25s后转换结束，STS为低电平。CPU可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。,2.2.2 A/D转换器接口技术,A/D转换器通常都具有三态数据输出缓冲器，因而允许A/D转换器直接同系统总线相连接。为便于或简化接口电路设计，也常通过通用并行接口芯片8255A实现与系统的接口。 1.ADC0809与PC总线工业控制机接口 2
14、.AD574A与PC总线工业控制机接口,1ADC0809与PC总线工业控制机接口,ADC0809与PC总线工业控制机接口电路图（P28）,P28程序：倒数第3行改为 MOV AL,00000110B 分析程序流程： （1）确定选择模拟通道号 （2）输出启动信号 （3）查询是否转换结束 （4）读取转换结果,2ADC574A与PC总线工业控制机接口,2.3 模拟量输入通道,2.3.1 模拟量输入通道的组成 2.3.2 I/V变换 2.3.3 多路转换器 2.3.4 采样、量化及采样保持器 2.3.5 模拟量输入通道设计,模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送
15、往计算机。 传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压(或电流)信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。 为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成010mA或420mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。,2.3.1 模拟量输入通道的组成,过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压)形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。 模拟量输入
16、通道一般由I/V变换，多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。,2.3.2 I/V变换,变送器输出的信号为010mA或420mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-型的输出信号标准为010mA,而DDZ型和DDZS系列的输出信号标准为420mA，因此，针对以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。 1.无源I/V变换 2.有源I/V变换 问题：为什么我们经常用到的标准信号是电流信号？,1.无源I/V变换,I/V变换的基本思想：电流 变换电路中各部分的作用： r1:限流电阻 D:将电压钳制在5V+0.3V以内 r2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密 电阻，精度为0.1%。 C和r1：组成阻容低通滤波电路,电压？,2.有源I/V变换,利用有源器件运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别在于信号的隔离上。电流不能直接流过R2,VI=I*R1。 利用
