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1、第二章 输入输出接口与过程通道接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，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。外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机进行处理，计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备进行控制。尤其在工业过程的计算机控制系统中，输入输出接口无时无刻都在起着重要的作用，因为信息的交换是时刻发生的。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（AI），模拟量输出通道（AO），数字量（开关量）输入通道（DI），数字量（开关量）输出通道（DO）。在计算机控制系统中，工控机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通
2、道中又包含有输入输出接口，因此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。本章对工业控制机的输入输出接口和过程通道进行设计和分析。【补充知识】采用输入输出（I/O）接口的必要性：键盘，鼠标，磁盘，扫描仪，U盘等是大家熟悉的输入设备，而磁盘，CRT，打印机，绘图仪等则是最常见的输出设备。所有这些设备可以统称为计算机的外围设备，简称外设（Peripherals），或I/O设备。为了让这些设备能够按照计算机的要求有次序的输入或接收数据，CPU必须能够控制这些输入输出设备的启动和停止，以及了解它们的当前工作状态，并据此送出相应的控制命令。通常，我们把计算机与外设之间的这种交换数据，状态，和控
3、制命令的过程统称为通信（Communication）。CPU与外设交换信息的过程，和它与存储器的交换数据一样，也是在控制信号的作用下，通过数据总线来完成的。但后者要简单的多。因为存储器芯片的存取速度与CPU是在同一数量级的，而且存储器本身具有数据缓冲的能力。因此，CPU可以通过数据总线方便，迅速的与存储器进行数据交换。而外设则不同，因为外部设备的种类繁多，要求也各不相同，容易带来以下许多问题，因此大多不能直接通过数据总线直接连接。1 速度不匹配。2 信号电平不匹配。CPU往往采用TTL电平TTL: Transister-Transister Logic,晶体管晶体管逻辑，TTL电路的电源供电允
4、许在正负5V加减10的范围内。与此对应的是CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor 互补型金属氧化物半导体)电路，其电源供电允许在正负5V到15V的范围内。而外设则是复杂的机电设备，不能用TTL电平来驱动，有各自专用的电源和信号电平。3 信号格式不匹配。有模拟量，数字量，电流量，电压量，串行，并行多种形式。4 时序不匹配。许多外设有自己的定时与控制逻辑。因此，I/O设备常常不能直接与CPU的系统总线相连，而必须设置专门的接口（Interface）电路来解决上述的问题。接口电路的基本功能除了解决上述4个矛盾之外，还应该能提供地
5、址译码电路。CPU要与多个外设打交道，一个外设接口常包含若干个端口，而同一时刻CPU只能与某一个端口交换信息，只有被CPU选中的设备才能接收和发送数据，这就需要有外设地址译码电路。【补充知识】戴梅萼，微型机算计技术及应用，清华大学出版社，P1361 串行接口和串行通信，并行接口和并行通信许多外部设备和计算机是按照串行方式来进行通信的，就是说，数据是一位接一位进行传输的，在传输过程中，每一位数据都占据了一固定的时间长度。这种情况就需要用串行接口把这个外部设备连接到总线上。并行通信就是把一个字符的各数位用几条线同时进行传输。可编程串行通信接口8251A，可编程并行通信接口8255A2 全双工方式，
6、半双工方式如果一个数据通信系统中，对数据的两个传输方向采用不同的通路，这样的系统就可以工作在全双工方式，可以同时进行发送和接受。在半双工方式中，输入过程和输出过程使用同一个通路。例如，计算机用串行接口连接显示终端，而终端带有键盘。一方面键盘上输入的字符送到主机内存；另一方面，主机内存的信息可以送到屏幕显示。前一个字符的回送过程和后一个字符的输入过程是同时进行的，即工作于全双工方式。从键盘打入的字符在发送到主机的同时就被送到终端上显示出来，而不是回送的方法。对于打印机这种单方向传输的外部设备，只用半双工即可。3 同步通信方式，异步通信方式同步通信时，将许多字符组成一个信息组，字符可以一个接一个的
7、传输。在每组信息的开始要加上同步字符，没有信息要传输时，填上控字符，不允许有间隙。异步通信时，两个字符之间的传输间隔是任意的，每个字符的前后都要用一些数位作为分隔符。在传输率相同时，同步方式的信息有效率要比异步方式高。但同步方式下要求信息传输的双方有同一个时钟进行协调，必须传输时钟信号。而异步方式，接受方与发送方的时钟频率不必完全一样。2.1 总线技术2.1.1 总线的定义、层次结构及种类 所谓总线，就是计算机各模块之间互联和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。以微处理器为核心，总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。 片级总线是位于cpu芯片内部，用于连接
8、芯片内各部件的总线，如寄存器，ALU及控制部件间的总线。包括数据总线、地址总线、控制总线等。 系统总线也称为板级总线，指计算机系统中各部分之间的连接总线。包括ISA、EISA、PCI总线。 外部总线主要是指通信总线，包括RS232C、RS485、IEEE-488、USB等。2.1.2 PC/ISA/EISA总线 1981年，62线的IBM PC总线诞生，是ISA总线的前身。1987年，IEEE正式制定了ISA (Industry Standard Architecture)总线标准。ISA总线共有98根信号线，数据线宽度为16位，地址线宽度为24位，总线时钟为8MHz。EISA (Extend
9、ed Industry Standard Architecture)是为32位中央处理器设计的总线扩展工业标准。它总线宽度为32位，总线频率为16MHz。2.1.3 PCI总线 PCI(Peripheral Component Interconnect：外围部件互联)是美国SIG集团推出的64位总线，该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80MB/s。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路（北桥芯片）实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。PCI和ISA总线之间也通过桥接电路
10、（南桥芯片）相连。2.1.4 RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线RS-232总线是目前广泛使用的串行通信接口标准。美国电子工业协会（EIA Electronic Industries Association）制定的串行接口标准。RS是英文Recommend Standard的缩写，推荐标准，232是标识号，C表示修改次数。25芯的标准接头。它有一系列的不足：数据传输速率局限于20KB/s；传输距离局限于15m；该标准没有规定连接器，有时互不兼容；接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号间产生干扰；每个信号使用一根导线，并公用一根信号地线，由于采用单端输入和公共信号地线，容
11、易引进干扰。 RS-422A采用了平衡驱动和差分接收方法，解决了RS-232中存在的地电平的电位差问题。它需要两对平衡差分电路形成全双工传输电路。 RS-485是RS-422A的变型，为半双工工作方式。IEEE488并行通信总线IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers,美国电气及电子工程师协会，一个美国的工程技术和电子专家成立的组织，但它因大量其他国家的会员而出名，致力于电子，电气，计算机工程领域的发展和研究，有大约175个国家的36万多名会员。其出版了大量高水平专业刊物和会议。也称为GPIB. General Purpos
12、e Interface Bus。总线电缆是一条无源电缆线，16条信号线和9条地线。通过总线互联的设备不超过15台。长度不超过20米，传输速率不大于500kbps，最多不过1Mbps。2.1.5 USB(Universal Serial Bus：通用串行总线) USB是新一代接口标准，是一种连接外部设备的机外总线，USB产生的原因在于新型电脑外设对计算机接口技术提出了更高的要求：要求高速的双向数据传输；要求免除总线扩展板卡，不必打开机箱连接外设；要求可热插拔，即插即用；可以方便地连接多台设备；可以免除设备外接电源。 USB的主要性能特点有： （1）具有热插拔功能。 （2）采用“级联”的方式连接各
13、个设备。每个USB设备用一个USB插头连接到前一个设备的USB插座上，最多可达127个外设，两个外设间距离可达5m。 （3）可适用于低速外设连接。根据USB规范，USB1.1传送速度可达12MB/s，USB2.0传送速度可达120480MB/s。2.2 数字量输入过程通道在生产过程中有一类最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）信号。比如：开关的闭合和断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器的吸合与释放，电机的启动与停止，阀门的开关等等，这些信号的共同特征是它们都是有两个状态来工作的，这反映到计算机里就可以以二进制的逻辑“1”和“0”来表示，因此在计算机控制系统中，对应的二进制数码的每一位都可以代
14、表生产过程中某一个二值设备的一个工作状态。本节就是研究如何把这类数字量信号通过输入过程通道输入到计算机中。2.2.1 数字量输入过程通道的结构输入调理电路图2.1 数字量输入过程通道结构数字量输入过程通道主要由输入缓冲器，输入调理电路，输入地址译码电路等组成，如图2.1所示。从图中可以看出，对于生产过程的开关量设备的状态信息首先要经过输入调理电路的处理，把开关量信号转换成计算机能够接受的逻辑信号，然后由输入缓冲器对其进行缓冲，在地址译码电路的协调下，在适当的时机把信号读入到计算机内部进行运算处理。2.2.2 输入调理电路生产过程中的状态信号的形式可能是电压，电流等。而且由于实际操作中可能会引起
15、高电压，过电压，接触抖动不稳定等各种现象。为了将外部的开关量信号安全有效的输入到计算机，必须将现场的信号经过转换，保护，滤波，隔离等措施转换成计算机能够接受的逻辑信号，这些功能称为信号调理。图2.3 数字量输入接口74LS2445VKCR1R2图2.2 输入调理电路例：小功率输入调理电路图2.2为开关，继电器等接点输入信号的小功率输入调理电路。把接点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号和计算机相连。为了清除由于接点的抖动而产生的振荡信号，一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除。2.2.3 数字量输入接口（输入缓冲器）一般对生产过程中的数字量状态信息，常常采用三态门缓冲器74LS244来取得状态信息，如图2.3。当CPU需要输入数据时，在它的使能控制段G（或EN）给一个低电平脉冲，使它内部的各个缓冲单元接通，数据被送上总线。当使能端为高电平时，处在高阻态，相当于一个断开的开关。74LS244是一种8路的数据缓冲器，内部包括8个缓冲单元，被分为两组，分别由门控信号和控制。74LS244的内部实际分成了两组，其中门控信号控制1A11A4，门控信号控制2A12A4，门控信号为低电平有效，因此芯片上加一个圈表示。芯片的引脚排序判断方法，将芯片放正，一般来说从芯片的左上角的第一个引脚为1号引脚，然后逆时针依次排序，其右上角的引脚为最后一个引脚。如
