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1、计算机控制技术 Computer Controlled System,中南大学信息科学与工程学院 袁 艳 2018年10月14日,第二章 输入输出接口与过程通道,概 述2.1 数字量输入输出通道2.2 A/D转换器及其接口技术2.3 模拟量输入通道2.4 D/A转换器及其接口技术2.5 模拟量输出通道2.6 硬件抗干扰技术,概 述,接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，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，根据信息的来源和类型不同，可以分为模拟量输入/输出通道（AI/AO），数字量（或开
2、关量）输入/输出通道（DI/DO）四种。,输入通道又称为检测通道。一般，反映生产过程状态的各种参数(如压力、流量、温度、速度、位置等)都是随时间变化的模拟量，它们通过检测元件和变送器转换成相应的模拟电流或电压信号后，必须通过模拟量输入通道转换成相应的数字信号后才能送入计算机。而生产过程中的一些开关量、电平信号、脉冲量，以及一些数字传感器等产生的数字信号等，则可直接通过数字量输入通道送入计算机。,输出通道又称为控制通道。由于计算机输出的控制信号是数字量，而很多生产过程的执行机构却要求提供模拟电压或电流，这就必须采用模拟量输出通道，将数字量转换成模拟电压或电流。如果执行机构只要求提供数字量(如开关
3、量、脉冲量或其他形式的数字量)，则应采用数字量输出通道。输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。,1、过程通道的组成框图如图2.1所示。2、通道与接口通道：信号变换电路；接口：主机与外设的连接电路（信号传输控制电路）。3、显示、报警、时钟的作用显示：指示运行状态；报警：报告故障状态；时钟：提供系统时钟。,返回,图2.1 计算机控制系统的过程通道,2.1 数字量输入输出通道,返回,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,2.1.1 数字量输入输出接口技术,1、数字量数值量信号是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的。如：开关的合与开，
4、指示灯的亮与灭，继电器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。开关量（数字量）的种类按类型分有电平式和触点式两种电平式为高电平或低电平；触点式为触点闭合或触点断开。,按电源分有有源和无源两种 有源即直接提供高、低电平; 无源即提供物理触点，或感应器件。 常见的数字信号有：编码数字（二进制或十进制）：如成组拔码开关设置控制给定值或控制参数，用绝对编码的编码器检测位置等。开关量：如按钮或转换开关的启/停、阀门的开/闭，指示灯亮/灭等。,数字脉冲列信号：如光电脉冲编码器检测速度、晶闸管的脉冲触发器等。特点：幅值离散，可用一位或多位二进制码表示。2、数字量输入接口缓冲器防止外设数据干扰数据
5、总线。 三态门缓冲器74LS244，用来取得设备的输入状态信息，可同时输入8个开关状态。,数字量输入接口,实现：可用如下指令完成8个开关量的状态采集：MOV DX, portIN AL, DX 其中port为片选端口的地址，在初始化程序中分配。三态门缓冲器74LS244用来隔离输入和输出线路，起缓冲作用。,3、数字量输出接口锁存器用74LS273作为8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。保持到下次给出新的状态输出信号。,返回,实现：可用下列指令完成8位开关量的输出控制。MOV AL, DATAMOV DX, portOUT DX, AL,2.1.2 数字量输入通道,1、数字量输入通道的结构如
6、图2.2所示。主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。2、输入调理电路作用：将信号经转换、安全保护、消除抖动、滤波、隔离处理后转换成计算机能接收的逻辑信号。(1) 信号转换处理逻辑上表现为“1”或“0”，信号形式为电压、电流信号或开关的通断，幅值范围不符合数字电路的要求（标准TTL电平05V），需经转换处理。,74LS244,(2) 安全保护措施对可能出现的输入过电压（稳压管）、瞬间尖峰（稳压管、压敏电阻）或极性接反（二极管）的情况，采取安全保护措施。(3) 消除机械抖动影响操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在通/断时会产生机械抖动，体现在计算机输入上是输入信号在0、1间
7、多次振荡，可能导致错误控制。方法：积分电路或R-S触发器消除消除（P21图2.4所示）。,消除抖动电路,双稳态消抖电路工作原理：该电路主要由两个RS触发器构成，当开关S处于常闭位置时，1端为低电平，输出端A则为高电平；此时3、4端均为高电平，输出端B则为低电平，2端被锁定。这样，开关触头即使在常闭端产生振颤，但只要不和常开端连接，B端(2端)电位不变，则输出端A始终处于高电平。同理，开关处于常开位置时也是如此。因此，该电路在开关闭合或断开时只产生一个脉冲，触点抖动现象被消除。,(4)滤波处理长线传输、电路内外部干扰，使输入信号中带有干扰信号，造成计算机的误读出错。方法：RC滤波电路等。(5)隔
8、离处理用于现场输入设备与计算机系统间的隔离保护，保障计算机系统安全。使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。价格低廉，可靠性好。方法：光电耦合器件隔离、变压器磁隔离。,光电耦合器又称光隔离器，能实现输入与输出之间隔离。它通过光传输信号，输入端为发光二极管，输出端为光敏三极管。当输入端有电流输入时，发光二极管会发光，输出端由于光敏效应三极管导通，产生相应的电信号。因为器件的输入和输出在电气上是绝缘的，故可以起到隔离干扰的作用。原理：光的有/无光敏管的通/断电位的高/低。,光电隔离及电平转换电路 当开关S闭合时，发光二极管导通发光，光耦合作用使光敏三极管导通，对应“1”状态输入；反之
9、，开关S打开，则发光二极管不发光，光敏三极管截止，对应“0”状态输入。,光电耦合器的种类：一般隔离用光耦，交流用光耦，高速光耦(6N137系列)，PhotoMOS继电器(输出为MOSFET)。(6)应用实例小功率输入调理电路：如图2.4（P21）所示。大功率输入调理电路：如图2.5（P21）所示 。,返回,2.1.3 数字量输出通道,1、数字量输出通道的结构如图2.3所示。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、输出驱动电路功能：输出锁存器输出的信号的电压等级、输出功率无法满足执行机构的要求，应进行隔离处理、电平转换和功率放大。根据被控对象控制信号的作用要求，将开关量输出
10、信号转变为以下形式：TTL电平逻辑信号、电子无触点开关输出和继电器输出等。,74LS273,实现：(1) 中小功率直流驱动电路这类电路一般用于驱动发光二极管、LED显示器、小功率继电器等元件或装置，要求电路的驱动能力为1040mA或50500mA 。一般采用功率晶体管输出驱动继电器的电路，如P22图2.7所示。除此以外，目前还较多采用达林顿阵列输出驱动继电器的电路。,功率晶体管输出驱动继电器,因为继电器线圈是感性负载，所以继电器线圈J两端必须并联反电势保护用续流二极管VD。,MC1413（国产型号为5G1413）是七路达林顿驱动器阵列，每一路为集电极开路的反相器（相当于OC门），其电流放大系数
11、hFE1500倍，ICM200mA。但七路同时工作时，每路的电流应小于40mA。每个内部反相器的输出端还接有续流二极管VD。MC1413的内部结构如图2.8(P22)所示。MC1413亦可用ULN2003A来代替。,(2) 大功率交流驱动电路如图2.9(P23)所示。通过固态继电器的触点控制大功率接触器的通断，完成从直流低压到交流高压，小功率到大功率的转换。输入输出间采用光电耦合器进行隔离。固态继电器（SSR）是一种无触点功率型电子开关。它利用光电隔离技术实现了控制端（输入端）与负载回路（输出端）之间的电气隔离，同时又能控制电子开关的动作。它具有驱动功率小、噪声低、抗干扰能力强、开关速度快、体
12、积小、寿命长、无触点、能与CMOS、TTL电路兼容等优点，在许多场合可取代电磁继电器（EMR）用于自动控制。,按照负载电源来划分，SSR有直流固态继电器(DC-SSR)、交流固态继电器(AC-SSR)两种。DC-SSR属于五端器件，它以功率晶体管为开关器件，控制直流负载电源的通断。AC-SSR属于四端器件，以双向晶闸管（TRIAC）作开关器件，用来控制交流负载电源的通断。它们至少包括以下四部分：输入电路，隔离电路（一般为光耦合器），开关电路（功率晶体管或双向晶闸管），保护电路（续流二极管或RC吸收网络）。对于过零型AC-SSR，还有过零触发器和过零检测器，仅当交流电源电压u通过零点时才被接通。
13、SSR典型产品有美国国际整流器公司（IR）生产的16045580（DC-SSR，驱动电流IS38mA）；SP2210（AC-SSR，IS1020mA）。,直流型固态继电器的结构和工作原理其结构一般由耦合电路、整形放大电路、开关电路和吸收电路四部分构成，结构如图所示。,各部分作用 耦合电路由光电耦合器组成，作用是耦合控制信号同时实现隔离； 整形放大电路的作用是将光电管接收到的控制信号进行整形放大用于触发电子开关； 开关电路的作用是使电子开关T导通与负载构成回路； 吸收电路D的作用是用于防止从负载电源传来的尖峰、浪涌电压对开关器件的冲击。,过零型固态继电器（AC-SSR）的结构和工作原理 过零检测
14、电路（零交叉电路）可使交流电压变化到零状态附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。,SSR应用中应注意的问题 直流型和交流型用途不同，不能互换。 交流型有过零型和移相型两种，要求射频干扰小的场合应使用过零型。 使用交流型应有吸收电路。 SSR的输入均为发光二极管，可直接由TTL驱动，也可以用CMOS电路再加一级跟随器驱动。驱动电流约510mA时输出端导通，1mA以下输出端断开。 选用SSR时，电压和电流是两个最重要的参数。 为减少SSR的射频干扰，可在电源变压器原边处与电源引线之间并接0.047F电容。 切忌负载短路。,返回,2.2 A/D转换器及其接
15、口技术,返回,2.2.1 A/D转换器2.2.2 A/D转换器接口技术,2.2.1 A/D转换器,定义：A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。转换方式包括：双斜积分式(间接比较式) ：转换时间长（几十毫秒几百毫秒），精度高，抗干扰能力强；常用的双斜积分式A/D转换器有3位半的MC14433，4位半的ICL7135等。 逐次逼近式(直接比较式)：转换时间短（几微秒几百微秒），可很好地兼顾速度和精度，抗干扰能力差，在16位以下的A/D转换器中广泛应用。常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0809，12位分辨率的AD574等。,1、主要技术指标转换时间：完成一次模拟量到
16、数字量转换所需的时间。低速：130毫秒；中速：50 微秒左右；高速：50纳秒左右。逐次逼近式A/D转换器的转换时间为1200s。 分辨率（字长）：转换器对微小输入量变化的敏感程度。用数字量的位数n来表示，如8位、12位、16位等。线性误差：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。用LSB的分数表示，如1/2LSB或1LSB。,量程：指所能转换的电压范围，如05V、-5V+5V、010V等。转换精度：指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度与相对精度两种表示。绝对精度常用数字量的位数表示，如绝对精度为(1/2)LSB。相对精度用相对于满量程的百分比表示。例如，满量程为10V的8位A/D转换器，其绝对精度为1/210/2819.5mV， 而相对精度为1/281000.39。应该注意，精度和分辨率是两个不同的概念。即使分辨率很高，但由于温度漂移、线性不良等原因，也可以造成精度不是很高。,
