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1、硬件设计:输入输出接口与过程通道设计 接口：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：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：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.青岛大学,第2章 计算机控制系统的硬件设计技术,2.1 总线扩展技术,2.1.1 微型计算机系统I/O端口与地址分配 1.I/O端口及I/O操作（1）数据端口（2）状态端口（3）命令端口 2.I/O端口编址方式（1）统一编
2、址（2）独立编址,2.1.2 I/O端口地址译码技术,1.I/O端口地址译码电路信号,译码电路不仅与地址信号有关，而且与控制信号有关。其中，ISA总线中，使用A0A9、IOW、IOR 等信号组合。,2.I/O端口地址译码方法及电路形式（1）固定地址译码,（2）开关选择译码,2.1.3 基于ISA总线端口扩展,1.板选译码与板内译码2.总线驱动及逻辑控制3.端口及其读写控制,2.2 数字量输入输出接口与过程通道,2.2.1 数字量输入输出接口技术 1.数字量输入接口 2.数字量输出接口,汇编：MOV DX,220H MOV AL,8FH IN AL,DX MOV DX,221H OUT DX,A
3、LC语言：a=inportb(0 x220)outportb(0 x221,0 x8f),2.2.2 数字量输入通道,1.数字量输入通道的结构,2.输入调理电路(1)小功率输入调理电路(2)大功率输入调理电路,2.2.3 数字量输出通道,1.数字量输出通道的结构,2.输出驱动电路(1)小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 达林顿阵列输出驱动继电器电路,MC1416,2.输出驱动电路(2)大功率交流驱动电路 固态继电器（SSR）,2.2.4 数字（开关）量输入/输出通道模板举例,研华PCL-730板卡组成框图,程序设计举例(基地址设为220H)：PCL-730板卡的开关量输入/输出都
4、只需要二条指令就可以完成。C语言程序如下：outportb(0 x220，Ox55)；/奇数通道输出低电平，低8位。outportb(Ox221，0 x55)；/奇数通道输出低电平，高8位。inportb(Ox220)；/输入通道07的电平状态。inportb(Ox221)；/输入通道815的电平状态。汇编语言程序如下：MOV DX，220HMOV AL，55HOUT DX，ALMOV DX，221H OUT DX，ALMOV DX，220HIN AL，DX MOV AH，ALMOV DX，221HIN AL，DX,2.3 模拟量输入接口与过程通道,2.3.1 模拟量输入通道的组成 由五部分组
5、成。,2.3.2 信号调理和I/V变换,1.信号调理电路 信号调理电路：主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。（1）非电信号的检测不平衡电桥,热敏电阻三线制接线图,热敏电阻测量电桥电路,（2）信号放大电路 1)基于ILC7650的前置放大电路,ILC7650的前置放大电路,2）AD526可编程仪用放大器,AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是xl、x2、x4、x8、x16等五挡。AD526可以在透明与锁存两种模式下工作。（表2-5提供状态表）透明模式是13脚CLK端接地
6、。锁存模式是CLK内逻辑信号提供。,2.I/V变换（1）无源I/V变换（2）有源I/V变换,2.3.3 多路转换器,多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。常用的多路开关有CD4051（或MC14051）、AD7501、LF13508等,图2-21 CD4051原理图,2.4.4 采样、量化及采样保持器,1.信号的采样,2.量化 所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。,3.采样保持器(1)孔径时间和孔径误差的消除 孔径时间、孔径误差 孔径误差的
7、消除(2)采样保持原理,3.采样保持器（3）常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有LF398、AD582等，LF398的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。引脚排列如下图所示。,2.3.5 A/D转换器及其接口技术,1.8位A/D转换器ADC0809(1)8通道模拟开关及通道选择逻辑(2)8位A/D转换器(3)三态输出锁存缓冲器,2.12位A/D转换器AD574A/1674(1)12位A/D转换器(2)三态输出锁存缓冲器(3)控制逻辑,AD574A/1674 逻辑真值表,R/,12/,3.AD574A/1674与PC总线工业控制机接口,A/D转换的子程序段如下：（1）启动
8、子程序 ADSTART:MOV DX，BASE+0 OUT DX，AL NOP RET（2）读数子程序 ADREAD:MOV DX，BASE+2 IN AL，DX MOV AH，AL MOV DX，BASE+3 IN AL，DX RET,假设片选信号有效时，高位地址为BASE，则12位A/D启动控制端口地址为BASE+0，A/D数据输出高8位端口地址为BASE+2，低4位端口地址为BASE+3。,2.3.6 模拟量输入通道模板举例,图2-36 PCL-813B数据采集卡组成框图,PCL-813B 的寄存器地址 寄存器地址：基地址+偏移量 寄存器格式：2.程序设计举例 PCL-813B A/D
9、转换基于查询方式，由软件触发。A/D 转换器被触发后，利用程序检查A/D状态寄存器的数据准备位（DRDY）。如果检测到该位为“1”，则A/D 转换正在进行。当A/D 转换完成后，该位变为低电平，此时转换数据可由程序读出。,PCL-813B是台湾研华公司生产的数据采集卡，单端32CH，光电隔离。AD574A/1674。,2.4 模拟量输出接口与过程通道,2.4.1 模拟量输出通道的结构型式 1.一个通道设置一个数/模转换器的形式 2.多个通道共用一个数/模转换器的形式,2.4.2 D/A转换器及其接口技术,1.8位D/A转换器接口及编程,2.12位D/A转换器接口及编程 12位=高8位+低4位,
10、2.4.3 单极性与双极性电压输出电路,2.4.4 V/I变换,1.集成V/I转换器ZF2B20,2.集成V/I转换器AD694,2.4.5 模拟量输出通道模板举例,图2-41 PCL-726板卡组成框图,寄存器格式:寄存器的地址分配表,2.D/A 转换程序流程,3.程序设计举例,2.5 硬件抗干扰技术,2.5.1 过程通道抗干扰技术2.5.2 CPU抗干扰技术2.5.3 系统供电与接地技术,干扰:就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。克服干扰的措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施干扰的来源：外部干扰和内部干扰。外部干扰:主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象
11、条件。内部干扰:主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。分布电容：除电容器外，由于电路的分布特点而具有的电容叫分布电容。分布电感：由于导线布线和元器件的分布而存在的电感叫分布电感。根据电感器的频率特性，由于分布电感的数值一般不大，在低频可以不考虑分布电感的影响，但对于高频交流电路，分布电感的影响就不能忽略.,2.5.1 过程通道抗干扰技术,1.串模干扰及其抑制方法(1)串模干扰 所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。,（2）串模干扰的抑制方法 采用低通滤波器、高通滤
12、波器、带通滤波器。,一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。,当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。从选择器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。采用双绞线减少电磁感应
13、，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。,2共模干扰及其抑制方法（1）共模干扰 共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm。,共模干扰示意图,单端对地输入和双端不对地输入,对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双端输入不对地方式，如右图所示。ZS、ZS1、ZS2为信号源US的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输入电路的
14、输入阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：,为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR(Common Mode Rejection Ratio)来表示，即 Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强。,(2)共模干扰的抑制方法变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地
15、断开，以使共模干扰电压cm不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。,光电隔离,浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。,采用仪表放大器提高共模抑制比 仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因。常用的有AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器），AD623等等.,3.长线传输干扰及其抑制方法,(1)长线传输干扰
16、长线的“长”是相对的；信号在长线中传输遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰，二是具有信号延时，三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。波反射现象：阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。,(2)长线传输干扰的抑制方法,采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。双绞线与同轴电缆。双绞线的波阻抗一般在100至200之间，绞花越密
17、，波阻抗越低。终端匹配：始端匹配：,2.5.2 CPU抗干扰技术,计算机控制系统的CPU抗干扰措施：Watchdog(俗称看门狗)电源监控(掉电检测及保护)复位,MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能。MAX1232通过监控 微处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的(无锁的)手动复位输入。另外常用的集成电路还有X5045、IMP813等。,1MAX1232的结构原理,MAX1232引脚图,MAX1232内部原理图,2MAX1232的主要功能,(1)电源监控(2)按钮复位输入(3)监控定时器(Watchdog),(1)电源监控,
18、电压检测器监控Vcc。每当Vcc低于所选择的容限时(5%容限时的电压典型时为4.62V，10%容限时的电压典型时为4.37V)就输出并保持复位信号。选择5%的容许极限时，TOL端接地；选择10%的容许极限时，TOL端接Vcc。当Vcc恢复到容许极限内，复位输出信号至少保持250ms的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。,(2)按钮复位输入,MAX1232的PBRST端靠手动强制复位输出，该端保持tPBD是按钮复位延迟时间，当PBRST升高到大于一定的电压值后，复位输出保持至少250ms的宽度。一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST，无锁按钮输入至少忽略了1ms的输入抖动，并且
19、被保证能识别出20ms或更大的脉冲宽度。该PBRST在芯片内部被上拉到大约100A的Vcc上，因而不需要附加的上拉电阻。,(3)监控定时器(Watchdog),用于因干扰引起的系统“飞程序”等出错的检测和自动恢复。微处理器用一根I/O线来驱动输入ST，微处理器必须在一定时间内触发ST端(其时间取决于TD)，以便来检测正常的软件执行。如果一个硬件或软件的失误导致没被触发，在一个最小超时间间隔内，ST的触发只能被脉冲的下降沿作用，这时MAX1232的复位端输出至少保持250ms的宽度。,监控电路MAX1232的典型应用,2.5.3 系统供电与接地技术,1供电技术2接地技术,1供电技术,(1)供电系
20、统的保护措施,(2)电源异常的保护措施 计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响生产。为此，可采用不间断电源UPS。,2.接地技术,(1)地线系统分析 什么是地线？地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电路正确工作所设置的地线，造成电路干扰现象的主要是信号地。在进行电磁兼容问题分析时，对地线使用下面的定义：“地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径”。,在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。数字地作为计算机中各种数字电路的零电位
21、，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，电位比较恒定，所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零电位。交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。,接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。单点接地的目的：是避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。地环路产生的原因：地环路干扰发生在通过较长电
22、缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。回流法单点接地：模拟地、数字地、安全地(机壳地)的分别回流法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地(机壳地)始终与信号地(模拟地、数字地)是浮离开的。这些地之间只在最后汇聚一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。,(2)低频接地技术,一点接地方式两种接法：即串联接地(或
23、称共同接地)和并联接地(或称分别接地)。,各自的优缺点：从防止噪声角度看，如左图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻r1、r2和r3是串联的，所以各电路间相互发生干扰。并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。,实用的低频接地 一般在低频时用串联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和简单易行的条件下统筹兼顾。也就是说可用分组接法，即低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地。一条是低电平电路地线；一条是继电器、电动机等的地线(称为“噪声”地线)；
24、一条是设备机壳地线(称为“金属件”地线)。这三条地线应在一点连接接地。,(3)通道馈线（电缆）的接地技术,电路一点地基准:如图所示的将信号源与输入放大器分别接地的方式是不正确的。误认为A和B两点都是地球地电位应该相等，是造成这种接地错误的根本原因。,电缆屏蔽层的接地:当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。,(4)主机外壳接地但机芯浮空 将主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮空。(5)多机系统的接地 近距离的几台计算机安装在同一机房内，可采用多机一点接地方法。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。例如：采用变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术。,本章课程结束，谢谢！,
