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1、第三章 输入输出接口与信息通道技术,3.1 数字量输入输出通道3.2 模拟量输入通道3.3 模拟量输入通道3.4 人-机交互通道,一、信息通道的概念,信息通道包括过程通道和人-机交互通道。,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。,1.过程通道（掌握）,根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道分类如下：,模拟量输入通道：,模拟量输出通道：,生产过程的参数(如温度、压力、流量、速度、位移等)一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件或变送器将其转换为对应的模拟电压或电流，并转化为数字信号的过程；,把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）并传输给被控对象的
2、过程；,数字量(开关量)输入通道：,数字量(开关量)输出通道：,拾起或检测反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）、脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）并传输给微机的过程；,将数字信号从微机传输给那些接受数字信号的执行机构和显示、指示装置的过程。,过程输入输出通道示意图,3控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等 信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动 等。,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。,过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：,注意：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
3、信息、状态信息和控制信息。,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过程通道与存储器独立编址方式,1过程通道与存储器统一编址方式,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：,2.人-机交互通道,主要功能是实现人-机对话，实现操作人员与计算机之间的信息交流。,二、输入输出接口（掌握）,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； 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，
4、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。以确定该信息传送的路径和目的地。,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
5、配。,3.1 数字量输入输出通道数字量输入信号：开关闭合与断开，继电器吸合与释放（检测）数字量输出信号：指示灯亮灭，电机的启和停，阀门的开闭（控制）数字量信号的两个状态：导通和截止变换为二进制0和1来表示,3.1.1数字量输入输出接口技术（掌握）1.数字量输入接口2.数字量输出接口,3.1.2数字量输入输出通道,数字量输入输出通道结构（掌握）： 数字量输入输出通道一般由三部分组成：输入输出地址译码电路、输入缓冲器输出锁存器、输入输出电气接口亦即数字量输入信号调理输出信号驱动电路。,各种数字量输入输出电气接口作用：主要完成滤波、电平转换、隔离和功率驱动等功能。,输入缓冲器功能：对输入信号缓冲、加
6、强和选通；,输出锁存器功能：对输出信号锁存供外围设备使用；,1）信号转换处理,从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转换处理。,对于电压输入，V2某一值，为逻辑1对于电流输入，V2某一值，为逻辑1,电压输入电路,如果是电压输入，R1和R2电阻分压，使得V2符合TTL逻辑规范,电流输入电路,如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范,开关触点输入电路,对于开关输入，S断开，V2=5V，为逻辑“1” S闭合，V2=0V，为逻辑“0”,V2,2）安全保护措
7、施,在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取安全保护措施。 信号转换电路，虽然也考虑逻辑电平问题，但在工业应用中，还可能出现意外的过电压（电流），瞬间干扰等。 就是非工业控制应用也可能出现瞬间尖峰过电压（过电流），例如雷电引起的等。因此还需要有安全保护电路。常用的保护电路为：,输入保护电路,电平转换与保护电路组合使用的一个例子：,这时，我们可以把分压电阻去掉，用稳压二极管,3）隔离处理,从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平； 即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号； 因此必须采取电隔离措施
8、，以保障计算机系统的安全。 常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。 下图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。,工业控制的现场开关，一般使用24VDC电源。注意：现场侧和CPU侧两边没有电的联系（独立的电源和地线）,机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510 ms。,4）消除触点抖动,去抖的方法：软件（延时）硬件 在硬件上可采用在输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路。,1）隔离处理,当计算机控制系统的开关量输出信
9、号用于控制较大功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电压通过输出控制通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和计算机系统。 下图是采用了光电隔离的开关量输出电路。,低压小功率开关量输出,2 ）开关量输出驱动电路,小功率低压开关量输出 功率场效应输出 继电器输出可控硅输出, 小功率低压开关量输出,对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、OC门或运放等方式输出。 下图给出的两种电路一般仅能提供几十毫安级的输出驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。,低压小功率开关量输出, 功率场效应输出,功率场效应管(MOSFET)是压控电子开关，只要在其栅极G和源极S之间加上足够的控制电
10、压，漏极D和源极S之间可导通。 MOSFET的栅极控制电流为微安级，而导通后漏极D和源极S之间允许通过较大的电流。 例如IRF640导通时，D、S间允许通过的最大电流可达18安培。,功率场效晶体管的典型使用方法, 继电器输出,继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大即利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成从直流低压到交流(或直流)高压、从小功率到大功率的转换。,使用继电器输出时，为克服线圈反电势，常在继电器的线圈上并联一个反向二级管。继电器输出也可以提供电气隔离功能，但其触点在通断瞬间往往容易产生火花而引起
11、干扰，还是必须予以注意的，一般可采用阻容电路予以吸收。,继电器式开关量输出,继电器式开关量输出,带光电隔离的继电器输出接口电路, 可控硅输出,作为一种大功率半导体无触点开关器件，可控硅具有以较小的功率来控制大功率的特点，因此在计算机控制系统中被广泛地用作功率执行元件，一般是由计算机发出数字触发脉冲信号实现其通断控制。,光电隔离的双向可控硅输出,3.2 模拟量输入通道(掌握) 模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号与主控微处理器之间的接口，一般由传感器、信号调理电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器(S/H)和A/D转换器组成。其中A/D转换器是实现模拟待测信号到数字信号之间转换的关键部件。 模拟
12、量输入通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式。,1、单路模拟量输入通道,2、多路模拟量输入通道,1、多路转换器,多路转换器又称多路开关，它是用来切换模拟电压信号的关键元件。,多路开关功能：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（输入）；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（输出）。,3.2.1模拟量输入通道中的常用器件及电路,理想多路开关要求：开路电阻应为无穷大，接通时的导通电阻应为零，切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。,实际多路开关性能：导通电阻10几欧，开关速度几百纳秒,
13、多类开关的分类：1) 单向多路开关(1对多或多对1)，如AD7501（8路）、AD8506(16路)；2) 双向多路开关（1对多且多对1），如CD4051；3）矩阵多路开关（多对多），如MT8816；,多路开关实例：CD4051（双向）,CD4051是8通道多路开关带有3个通道选择输入端A、B、C，用于选择8个通道之一一个禁止输入端INH，高电平时，禁止模拟信号输入；低电平时允许模拟信号输入,CD4051的真值表,在实际应用中，如果被测参数多于8路，可以采用将多个CD4051 相连进行扩展。,*由D0D1D2D3来选择16路通道之一*其中D30，选中1*其中D31，选中2,CD4051多路开关
14、的扩展应用,1） 概述,问题：,模拟信号进行 AD 转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号变化较大时，会造成很大的转换误差。,解决方法：,采用一种器件，在AD转换时保持住输入信号电平，在AD转换结束后跟踪输入信号的变化。,这种功能的器件就是采样保持器。,2、采样保持器,2） 采样保持器的工作原理,采样保持器的一般结构形式如图所示。,组成,模拟开关K,保持电容CH,缓冲放大器A,在t1时刻前，控制电路的驱动信号为高电平时，模拟开关K 闭合，模拟输入信号Ui 通过模拟开关加到电容CH 上，使得CH端电压UC 跟随Ui 变化而变化。,在t1时刻，驱动信号为低电平，模拟
15、开关K断开，此时电容CH 上的电压UC 保持模拟开关断开瞬间的Ui 值不变并等待AD转换器转换。,工作原理如下：,t,控制信号,t,模拟输入,A,t,采样输出,跟踪,t1,A2,t2,A1,t3,保持,A3,t4,A,图5.2 采样保持器工作原理,而在t2时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到 来，此时驱动信号又为高电平，模拟开关K 重新闭合， CH 端电压UC 又跟随Ui 变化而变 化；,t3时刻，驱动信号为低电平时，模拟开关K断开，.。,从以上讨论可知：,采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。,采样保持器的工作状态：,跟踪状态,在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入
16、信号的变化，一直到接到保持指令为止。,保持状态,对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。,采样保持器主要作用：,“稳定” 快速变化的输入信号，以减少转换误差。,用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。,3）采样保持器使用中应注意的问题,采样保持器和AD转换器各完成一次动作所需时间之和应小于采样周期,采样保持器的性能在很大程度上取决于保持电容器的质量。因此，应该选择优质电容器。,4）常用的采样/保持器,常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，介绍集成电
17、路S/H的工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。,LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，保持性好和精度高等优点。其采样时间小于10s，输入阻抗为，保持电容为1F时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源范围宽，可以从5V到18V。,LF398的组成原理图如图所示。,引脚排列如图所示。,各引脚功能如下：,V+、V-：正负电源电压输入引脚，输入范围为5V到18V。 OFFSET ADJ：偏置调整引脚。可用外接电阻调整采样-保持器的偏差。 VIN：输入引脚。 VOUT：输出引脚
18、。 CH：保持电容引脚。用来外接保持电容。 LOGIC REF：参考逻辑电平。 LOGIC：输入控制逻辑。,LF398典型的电源和信号的接法,保持电容CH可选用漏电流较小的聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容。CH的数值直接影响采样时间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电容CH的容量，但CH增大时又会使其采样时间加长。因此，当精度要求不高（1%）而速度要求较高时， CH可小至100f。当精度要求高（0.01%）时，应取CH =1000F。当CH 400F时，采样时间tAC与CH有经验公式,tAC=CH/40,式中，CH为保持电容的容量，单位为F；tAC为采样时间，单位为s。,保持电容的
19、选择,3.2.2模拟信号的调理,在计算机控制系统中，模拟量输入信号类型：传感器输出的信号,变送器输出的信号, 电压信号：一般为mV或V信号。 电阻信号：单位为，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。 电流信号：一般为mA或A信号。, 电流信号：一般为010mA（01.5k负载）或420mA（0500负载）。 电压信号：一般为05V或15V信号。,1. I/V变换,2、电流信号转化为电压信号；,注意：信号调理电路的设计主要是根据传感器输出的信号、变送器输出的信号及A/D转换器的具体情况而有所不同。,3、非电压信号转化为电压信号；,1、电压信号的“标准化”；,电桥是将电阻、电容、电感等参
20、数的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛应用。 与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：按照激励电源的性质可分为直流电桥与交流电桥；按照桥臂阻抗性质又可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥。,2. 电桥,3.2.3模拟量输入通道的设计,模拟量输入通道的应考虑的问题：, 使用对象和性能指标； 信号的调理； A/D转换器的选择； 采样保持器和前置放大器的选用；,3.3 模拟量输出通道(掌握) 模拟输出通道的作用是将计算机输出的数字量转换为模拟电流或者电压信
21、号，以便驱动相应的执行机构，从而实现控制。一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、输出保持器和I/V变换等组成。 模拟量输出通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式。,1、单模拟量输出通道的结构,组成：接口电路、寄存器、DA转换器和放大变换电路,2、多模拟量输出通道的结构,多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。 输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。,优点:转换速度快，工作可靠，即使某一路D/A转换器发生故障，也不影响其他通道的工作。缺点:使用了
22、较多的D/A转换器，使得这种结构的价格很高。,1） 一个通道设置一片D/A转换器,2）多个通道共用一片D/A转换器,由于公用一个D/A转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即依次把D/A转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给输出采样保持器。优点:节省了D/A转换器。缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。它还要使用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。,3.2.1电压/电流转化电路 因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特别是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流信号，所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传
23、送信息，这就需要将电压信号再转换成电流信号，完成电流输出方式的电路称为V/I变换电路。电流输出方式一般有两种形式： 1普通运放V/I变换电路 2集成转换器V/I变换电路,1） 普通运放V/I变换电路,（1）010 mA的输出,图为010 V/010 mA的变换电路，由运放A和三极管T1、T2组成，R1 和 R2是输入电阻，Rf 是反馈电阻，RL是负载的等效电阻。输入电压Vin 经输入电阻进入运算放大器A，放大后进入三极管T1、T2。由于T2射极接有反馈电阻R f，得到反馈电压Vf加至输入端，形成运放A的差动输入信号。该变换电路由于具有较强的电流反馈，所以有较好的恒流性能。,（2）420 mA的
24、输出,图为15 V/ 420 mA的变换电路，两个运放A1、A2均接成射极输出形式。,2）集成转换器V/I变换电路,图是集成V/I转换器ZF2B20的引脚图，采用单正电源供电，电源电压范围为1032V，ZF2B20的输入电阻为10K，动态响应时间小于25S，非线性小于土 0.025。,3.2.2 模拟量输出通道设计举例（了解） 模拟量输出通道一般根据系统需求可由多路开关、采样保持器、D/A转换器及接口电路等组成。采样保持器的作用及工作原理如前中所述，多路开关在模拟量输出通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路开关将一路D/A转换器的输出分时切换至后级的各执行机构。,1）模拟量输出通道设计的基本
25、方法 模拟量输出通道的设计原则主要考虑以下几点： 安全可靠 尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术。 性能价格比高 既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术路线、芯片元件上降低成本。,通用性 D/A转换模板的设计应具有通用性，它主要体现在三个方面：符合总线标准，可选接口地址以及可选输出方式。 对于电流输出而言，常用的是010mA DC或420mA DC这两种信号范围，能满足该范围输出的电路所示。,2）模拟量输出通道的设计 模拟量输出通道设计步骤是：确定性能指标，设计电路原理图，设计和制造印制线路板，最后焊接和调试电路板。其中，数字电路和模拟电路应分别排列走线，尽量避免交叉，连线要尽量短。
26、模拟地（AGND）和数字地（DGND）分别走线，通常在总线引脚附近一点接地。光电隔离前后的电源线和地线要相互独立。调试时，一般是先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性能指标逐项考核。,图（a）、（b）给出了具有8路D/A转换的模拟量输出通道模板结构框图和其中1路的电路原理图。该模板由总线接口逻辑、8片DAC0832以及V/I变换电路等组成。,8路D/A转换模板(a),8路D/A转换模板(b),其中每路的D/A转换器均接为单缓冲输入工作方式，且均具有电压、电流两种可选的输出方式。这里的V/I变换电路与负载共电源，输出电流IOUT=VCC/R5。当R5 =500，VCC05V时，IOUT=01
27、0mA；当R5250，VCC=15V时，IOUT=420mA。,3.4 人-机交互通道(了解),1、键盘接口,按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关；另一类是无触点式开关按键，如电容式按键，薄膜按键等。按键处理程序需完成下列工作:,1）消抖机械按键开关在闭合或断开时，会伴随有一连串的抖动，一般约为510ms。为了保证CPU对按键的一次闭合只作一次处理，必须消除抖动。常见消抖的方法有：（1）硬件方式RS触发器消抖电路RS触发器消抖电路，按键抖动时，利用双稳态电路的互锁特性，a端输出可维持不变，消除了按键的抖动。 RC滤波消抖电路在按键输出端到地接RC滤波电路。选择合适的滤
28、波电路时间常数，抖动信号可通过滤波电路滤除。,（2）软件延时消抖。软件消抖是在第一次检测到按键按下的信号后，延时一段时间，待键闭合稳定后，可再次检测键入信号，若两次检测到的开关状态相同则认为有效。延时时间应大于抖动时间，一般延迟1020ms。,2）键盘接口电路多个按键构成的键盘中，不同的按键动作引起不同程序段的执行，以完成不同的工作。如何识别动作的按键，并使其正确地方便地转入相应的处理程序，需要编码。（1）编码键盘键盘内部能自动检测被按下的键，并提供与被按键功能对应的键码（如ASCII码），以并行或串行方式送给CPU。键码完全由硬件提供，结构复杂。如PC机，键盘使用专门的单片机编码。（2）非编
29、码键盘只简单地提供按键的位置，而按键的识别和键码的确定等功能均由软件完成。非编码键盘的硬件接口简单，但是要占用较多的CPU时间。,2、显示器接口,1）LED数码管显示器LED（Light Emitting Diode）是发光二极管的缩写。常用的LED显示器，即数码管，是由8个发光二极管（以下简称段）构成，通过不同的组合可用来显示数字09、字符A F、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。数码管的外型结构如图3-1所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图3-2（a）和图3-2（b）。一种公共端接地，另一种公共端接vcc,图3-1 数码管的外型结构图,图3-2 数码管接线方式,字
30、型码 (段选码),例、共阴极显示器，“0”的字型码。,0,0,1,1,1,1,1,1,2）LCD数码管显示器 LCD（liquid crystal display）液晶显示器是一种功耗极低的显示器件，广泛用于智能仪表、便携式电子产品的显示，能够显示文字、曲线、图形等信息，其显示界面较之数码管有了质的提高。，具有低压、微功耗、无电磁辐射、显示清晰、体积小、抗干扰能力强等特点，在计算机控制系统中得到了广泛的应用。,（1）LCD显示器的结构 液晶显示器的结构图如图3-3所示。不同类型的液晶显示器件其组成可能会有不同，但是所有液晶显示器件都可以认为是由两片光刻有透明导电电极的基板，夹持一个液晶层,封接成一个偏平盒，有时在外表面还可能贴装上偏振片等构成。,图3-3 液晶显示器结构图,（2）LCD显示器的特点液晶显示器有以下显著特点：a.低压微功耗：工作电压只有 35V，工作电流只有几个A/cm2。b.平板型结构：LCD显示器内由两片平行玻璃组成的夹层盒，面积可大可小，且适合于大批量生产，安装时占用体积小，减小了设备体积。c.被动显示：液晶本身不发光，而是靠调制外界光进行显示。因此适合人的视觉习惯，不会使人眼睛疲劳。d.显示信息量大：LCD显示器像素很小,相同面积上可容纳更多信息。e.没有电磁辐射：使用不会产生电磁辐射,对环境无污染,有利健康。,3）图形显示器CRT显示器TFT显示器,
