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1、第3章 I/O接口与过程通道,南京邮电大学 电气信息工程系,3.1 输入输出与过程通道3.2 模拟量输入通道3.3 模拟量输出通道3.4 D/A、A/D转换器的电源、接地与布线3.5 硬件抗干扰技术,OUTLINE,3.1 数字量输入输出通道,数字量（开关量）信号： 开关的闭合与断开 继电器或接触器的吸合与释放 马达的启动与停止 阀门的打开与关闭 用 “0”和“1”表示,1.数字量输入接口,74LS244：隔离输入和输出起缓冲作用八个通道，可同时输入8个开关状态,MOV DX, PORT IN AL, DX,生产过程的状态信息,3.1.1 数字量输入输出接口技术,2. 数字量输出接口,控制状态
2、,需要保持，直到下次给出新的值为止,MOV AL, DATAMOV DX, PORT OUT DX, AL,可用锁存器74LS273对状态输出信号进行锁存,基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号,1、数字量输入通道结构,3.1.2 数字量输入通道,输入调理电路 把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 计算机能够接收的逻辑信号,小功率输入调理电路 大功率输入调理电路,2. 输入调理电路,开关去抖电路,图3.4 采用积分电路,（1）小功率输入调理电路,RS触发器去抖电路,（2）大功率输入调理电路,大功率系统中，需从电磁离合等大功率器件的接点输入信号为使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上
3、的直流电压由于所带电压高，故高、低压之间，用光电耦合器进行隔离,图3.6 大功率信号输入电路,1、数字量输出通道结构,3.1.3 数字量输出通道,小功率直流驱动电路 大功率驱动电路,2、输出驱动电路,采用功率晶体管输出驱动继电器电路 采用高压输出的门电路驱动,图3.8 继电器驱动电路,（1）小功率直流驱动电路,达林顿阵列输出驱动继电器电路,（2）大功率驱动电路,(a)直流固态继电器的结构,可以利用固态继电器(SSR)等实现,(b)交流固态继电器的结构,数字(开关)量输入/输出通道模板举例,PCL-730板卡组成框图,3.2 模拟量输入通道,功能：把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，
4、经接口送往计算机,3.2.1 模拟量输入通道的组成,信号调理部分将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号 依据检测信号及受干扰情况的不同而不同 是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分 通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压转换、滤波、线性化、共模抑制及隔离等,3.2.2 信号调理,1、量程自动转换技术,单参数测量系统,多参数测量系统,量程自动转换： 根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求,可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier)，简称PGA 可编程增益放大器
5、有两种：组合PGA和集成PGA,仪用测量放大器电路,图3.13 组合PGA,组合PGA,MCP6S系列产品主要特点：,8种可编程增益选择：+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16 或+32 V/V；SPI串行编程接口；级联输入和输出；低增益误差，最大：1%；低漂移，最大：275V；高带宽频率，典型值：212MHz；低噪声，典型值：10 nV/rtHz 10 kHz低电源电流，典型值：1mA；单电源供电，2.5V5.5V；,集成PGA,图3-19 无源I/V变换电路,V=R2*I,无源I/V变换,2. I/V变换,图3-20 有源I/V变换电路,有源I/V变换,2. I/V变换,CD4051
6、的原理电路图,3.2.3 多路转换器,CD4051的真值表,1. 信号的采样,采样过程（简称采样）是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程,图3.22 信号的采样过程,3.2.4 信号的采样和量化,采样频率由香农（Shannon）采样定理确定：s2max 一般取： s(410) max,2. 量化,量化：采样信号经整量化后成为数字信号的过程 量化过程就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号，执行量化动作的装置是A/D转换器 字长为n的A/D转换器把yminymax范围内变化的采样信号，变换为数字02n-1，其最低有效位（LSB）
7、所对应的模拟量q称为量化单位，其表达式为：,3.2.5 采样保持器,孔径时间和孔径误差的消除,采样保持原理,3.2.5 采样保持器,采样保持器的主要作用： (1) 保持采样信号不变，以便完成A/D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D/A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D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/389,图3.23 LF198/298/398原理图及引脚,(a)LF198/298/398原理图,(b)LF19
8、8/298/398的引脚排列,3.2.6 A/D转换器,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，是模拟输入通道的核心部件A/D转换方法有逐次逼近式、双积分式、并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈式等常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0801、ADC0809等，12位分辨率的AD574A等；常用的双积分式A/D转换器有3位半（相当于2进制11位分辨率）的MC14433等,1、A/D转换器的主要指标,A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间 分辨率：分辨率表示A/D转换器对模拟信号
9、的反应能力 ，通常用数字量的位数n（字长）来表示量程：即所能转换的电压范围,1、A/D转换器的主要指标,精度：精度有绝对精度和相对精度 输出逻辑电平：多数为TTL电平，有并行和串行两种输出形式工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标基准电源的精度将对整个A/D转换结果的输出精度产生影响,(1) 8位A/D转换器ADC0809,ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装,2、常用的A/D转换器,图3.25 AD574内部结构图,(2) 12位A/D转换器AD574A,AD
10、574A引脚功能,3.2.7 A/D 转换器接口设计,1硬件设计,模拟量输入信号的连接 数字量输出引脚的连接 参考电平的连接 时钟的选择 A/D转换器的启动方式转换结束信号的处理,1硬件设计,转换结束信号的硬件连接有三种形式：中断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上。查询方式：把转换结束信号经三态门送到PC数据总线或I/O接口的某一位上。转换信号悬空：即该管脚与其它管脚之间无电气连接。,2软件设计,启动A/D转换，中断、查询或延时等待转换时间后根据数据输出格式读出转换结果 (1)启动A/D转换 (2) 转换结果的读出。中断方式：查询方式：软件延
11、时方法：,图3.27 ADC0809与PC总线的连接,3.2.8 A/D 转换器与PC接口,1ADC0809与PC总线工业控制机接口,一次A/D转换操作分两步进行：(1)启动ADC0809，并锁存通道地址 (2)判断A/D转换结束并读出转换结果,START： MOV AL，00H ； 设定通道数 OUT 220H，AL ； 送通道地址、启动A/D转换 CALL DELAY ； 等待转换完成 IN AL，220H ； 读取A/D转换结果,设ADC端口地址为220H，要把0通道的模拟量转换成数字量，利用软件延时方式实现,图3.28 AD574A通过8255A与PC总线的连接图,2AD574A与PC
12、总线工业控制机接口,首先进行8255A的初始化实现一次A/D转换包括A/D转换的启动、检测转换是否结束、数据的读出采用查询方式,2AD574A与PC总线工业控制机接口,(1)8255A初始化设置 INIT：MOV AL，9AH；设置A、B口及C口的工作方式 MOV DX，2D3H ；8255A的控制寄存器 OUT DX，AL ；方式字送控制寄存器(2)启动A/D转换START：MOV AL，00H MOVDX，2D2H；8255A的端口C OUTDX，AL；使=0，启动A/D转换,(3) 检测转换是否结束及数据的读出 LOOP： MOV DX，2D2H ；8255A的端口C IN AL，DX
13、；查询STS的状态 TESTAL，80H JNZ LOOP ；转换未完成则等待 MOVAL，01H ；置位，即=1 OUTDX，AL DECDX ；指向8255A的端口B INAL，DX ；读入端口B高8位数据 MOVBX+1，AL；数据保存 DECDX ；指向8255A的端口A INAL，DX ；读入端口A数据 ANLAL，0F0H；屏蔽低四位数据 MOVBX，AL；数据保存,3.3.1 模拟量输出通道的结构形式,模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、采样保持器、V/I变换等组成。,1、一个通路设置一个D/A转换器的形式,图3.29 一个通路一个D/A转换器的结构,3.3
14、 模拟量输出通道,2、多个通路共用一个D/A转换器的形式,图3.30 多个通路共用一个D/A转换器的结构,D/A转换器：将数字量转换成模拟量的元件或装置，其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比例 输入输出关系： VVrefD/(2n1) 常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器,3.3.2 D/A转换器,1. D/A转换器的主要技术指标,主要技术指标有分辨率、建立时间、非线性误差等,分辨率：用D/A转换器数字量的位数n(字长)来表示 建立时间：指D/A转换器中代码有满度的变化时，其输出达到稳定(离终值1/2LSB相当的模拟量范围
15、内)所需要的时间 非线性误差：实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量 输出信号：不同型号的DAC输出信号相差较大，如05V、 010V、 030V、 03A等 输入编码：一般为并行或串行二进制码输入，也有BCD码输入,2. D/A转换器,8位D/A转换器DAC0832,图3.33 DAC1210的内部结构,12位D/A转换器DAC1210,3.3.3 D/A转换器接口技术,D/A转换器应用接口的设计，主要包括数字量输入信号的连接以及控制信号的连接D/A编程相对简单，包括：选中D/A转换器、送转换数据到数据线，启动D/A转换1.数字量输入信号的连接 数字
16、量输入信号连接时要考虑数字量的位数，D/A转换器内部是否有锁存器。2.控制信号的连接 片选信号、写信号及转换启动信号,图3.34 DAC0832与PC总线接口电路,3.3.4 D/A转换器与PC接口,1、8位D/A转换器DAC0832与PC的连接,若DAC0832的地址为：200H，则8位二进制数56H转换为模拟电压的接口程序如下： CONVERT： MOV DX，200H；DAC0832地址 MOV AL，56H ；要转换的立即数 OUT DX，AL ；CS/=WR1/=0，启动D/A 转换,DAC1210与PC总线的连接,2. 12位D/A转换器与PC的连接,CONVERT：MOV AL，
17、68H ；高8位数据 MOVDX，220H ；OUTDX，AL ；=0，=1，=0，高8位数据送数据线INCDX ；修改地址指针，指向221HMOVAL，0F0H ；低4位数据OUTDX，AL ；=0，=0，=0，低4位数据送数据线INCDX ；修改地址指针，指向222HOUTDX，AL ；启动12位数据开始转换,转换12位二进制数68FH，则程序如下,3.3.5 D/A转换器的输出形式,D/A转换器的输出有电流和电压两种方式一般电流输出需经放大器转换成电压输出电压输出可构成单极性电压输出和双极性电压输出电路 单极性电压输出指输入值只有一个极性(或正或负)，D/A的输出也只有一个极性双极性电压
18、输出指当输入值为符号数时，D/A的输出反映正负极性D/A转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，而与其位数无关,利用DAC0832实现的单、双极性输出电路,图3.36 单、双极性输出电路,根据上面两式，对于8位D/A转换器，有：,D=0时，,D=80H时，,D=FFH时，,实现了双极性输出,1、V/I变换电路,图3.37 V/I转换电路,3.3.6 V/I变换,2、集成V/I变换器ZF2B20,2、集成V/I变换器ZF2B20,集成V/I转换器AD694,集成V/I转换器AD694,3.4 D/A、A/D转换器的电源、接地与布线,数据采集系统中，接地点分为两类：逻辑电路的返回端(数字地
19、)和模拟公共端(模拟地)模拟电源和数字电源分别接地，所有器件的模拟地和数字地也要分别连接，然后，再把这两种“地”用一根导线连接起来在全部电路中的数字地和模拟地仅仅连在一点上，在芯片和其它电路中不可再有公共点,图3.39 正确的地线连接,3.4 D/A、A/D转换器的电源、接地与布线,接地,电源 D/A、A/D转换电路中，供电电源电压的不稳定会影响转换结果一般要求纹波电压小于1%，可采用钽电容或电解电容滤波。为改善高频特性，还应用高频滤波电容电路板设计时，每个芯片的电源线与地线之间要加旁路电容，并应尽量靠近D/A、A/D转换芯片，一般选用0.010.1F的电容,布线印刷电路板布线的一般原则：尽量
20、缩短传输导线长度；数字信号与模拟信号尽量远离；电源线和地线的电流密度不应太大，以减少电源线和地线引入的干扰；印刷电路板中导线宽度与电流关系一般为2A/mm,模拟量输出通道模板举例,PCL-726板卡组成框图,3.5 硬件抗干扰技术,干扰就是有用信号以外的噪声或造成计算机或设备不能正常工作的破坏因素外部干扰指与系统结构无关，由外界环境决定的影响系统正常运行的因素，如空间或磁的影响，环境温度、湿度等的影响等 内部干扰指由系统结构、制造工艺等决定的影响系统正常运行的因素，如分布电容、分布电感引起的耦合、多点接地引起的电位差、寄生振荡引起的干扰等,串模干扰(常态干扰) ：串模干扰指叠加在被测信号上的干
21、扰噪声,共模干扰(共态干扰) ：共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压,3.5.1 过程通道抗干扰技术,1、串模干扰的抑制,(1) 滤波法,图3.40 RC滤波器,3.5.1 过程通道抗干扰技术,(2) 对于电磁感应产生的串模干扰，应对被测信号尽可能早的进行信号放大，以提高电路中的信号噪声比；或者尽可能早的完成A/D转换再进行长线传输；或者采用隔离和屏蔽等措施,(3) 从选择元器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰，如采用双积分A/D转换器；也可以采用高抗干扰度的逻辑器件，通过提高阈值电平来抑制低频噪声的干扰；此外，也可以人为地附加电容器，以降低某个逻辑器件的工作速度来抑制高频
22、干扰,(4) 利用数字滤波技术对已进入计算机的串模干扰进行数据处理，可以有效地滤去难以抑制的串模干扰,共模干扰示意图,2、共模干扰的抑制,(1) 利用双端输入的放大器作前置放大器，如AD521等(2) 利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载和数字信号隔离，即“模拟地”与“数字地”断开，被测信号通过变压器或光电耦合器获得通路，而共模干扰不能形成回路而得到抑制,图3.42 输入隔离,(3)采用双层屏蔽浮地输入方式 该方法是将测量装置的模拟部分对机壳浮地，从而达到抑制干扰的目的,3、数字量传输通道的干扰抑制,(1) 数字信号负逻辑传输,提高输入信号的电压等级,(2) 提高数字信号的电压等级,(3) 通
23、过光电耦合隔离,(4) 提高输入端的门限电压,图3.46 提高门限电压的抗干扰电路,图3.47 一般供电结构,过压、过流保护措施，在重要的场合要配有UPS不间断电源,3.5.2 系统供电与接地技术,1、接地分类 (1)安全接地 ：保护接地、保护接零 (2)工作接地 ：浮地方式、直接接地方式、电容接地方式(3)屏蔽接地,2接地技术(1)浮地屏蔽接地 (2)一点接地(3)多点接地 (4) 屏蔽接地 (5)设备接地,图3.48 一点接地的两种方法,基于串行总线的计算机控制系统硬件技术,基于RS-485的分布式测控系统结构图,智能远程I/O模块,智能远程I/O模块是传感器和执行机构到计算机的多功能远程
24、I/O单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计，具有内置的微处理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以独立提供智能信号调理、I/O隔离、模拟量I/O、数字量I/O、数据显示和串行数字通信接口远程I/O模块可以安装在现场，就地完成A/D、D/A转换、I/O操作及脉冲量的计数、累计等操作，以通信方式和计算机交换信息，构成数据采集控制系统,智能远程I/O模块,通过采用RS-485中继器，可以将多达256个远程模块连接到RS-485网络上，或者将最大通信距离延伸到10km典型的远程I/O模块有研华公司的ADAM-4000系列、研发公司的DAC-8000系列、研祥公司的Ark-14000系列以及威达公司的牛顿-
25、7000系列,智能调节器,智能调节器一般具有RS-485数字通信接口，除了在控制系统中作为常规的单机控制器使用外，在现代工业控制中还可以作组态使用，常常与上位机一起使用构成计算机监督控制系统常用的智能调节器国外的品牌有：SHIMADEN（日本岛电）、YAKOGAWA（日本横河）、HONEWELL（美国霍尼韦尔）、OMRON（日本欧姆龙）以及RKC（日本理化）等,变频器,变频器的主要任务就是把恒压恒频（constant voltage constant frequency，CVCF）的交流电转换为变压变频（variable voltage variable frequency，VVVF）的交流电
26、，以满足交流电机变频调速的需要从结构上分，变频器可以分为交-交变频器（亦称直接变频器）和交-直-交变频器（亦称间接变频器）。变频器的使用日益普及，功能也越来越强，已经跳出了仅作为交流电机调速驱动器应用的范围，现在很多变频器具有PID调节功能，与温度、压力、流量等传感器配合使用，可以构成一个单独的控制系统应用，而省去了控制器,变频器,新一代变频器均具有标准通信接口，用户可以利用通信接口在远处，如中央控制台对变频器进行集中控制，适应了自动化的要求也可以使多台变频器组网应用，与计算机连接构成分布式控制系统使用场地相对分散，远距离集中控制成为变频器管理的趋势在变频器中使用的串行通信接口通常为标准485接口，这种接口具有控制距离远、抗干扰能力强等优点,END,
