计算机控制技术 第二章 输入输出接口与过程通道

NEPU1第2章输入输出接口与过程通道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，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。NEPU22.1数字量输入输出通道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NEPU3明确概念数字量(开关量)信号，这些信号包括：开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。共同特征:这些信号都是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的。NEPU42.1.1数字量输入输出接口技术作用：对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量。完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号CS，当在执行IN指令周期时，产生IOR信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器。设片选端口地址为port，可用如下指令来完成取数.MOVDX，portINAL，DX1G2G74LS244输入接口D0D1D2D3D4D5D6D71A11Y11A21Y21A31Y31A41Y41A51Y51A61Y61A71Y71A81Y8IORCS图2.1数字量输入接口1.数字量输入接口NEPU5作用：当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。完成过程：用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生IOW信号。设片选端口地址为port，可用以下指令完成数据输出控制。MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL2．数字量输出接口NEPU6当CLK（使能端）为高电平时，锁存器的数据输出端Q的状态与数据输入端D相同（透明的）。当CLK端从高电平返回到低电平时（下降沿后），输入端的数据就被锁存在锁存器中，数据输入端D的变化不再影响Q端输出。锁存器(Flip-latch)NEPU72.1.2数字量输入通道1.数字量输入通道的结构数字量输入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。PC总线输入缓冲器输入调理电路地址译码器来自生产过程NEPU82.输入调理电路数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。（1）小功率输入调理电路（2）大功率输入调理电路NEPU9（1）小功率输入调理电路开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械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这种振荡。①左图为采用积分电路的小功率输入调理电路。目的：把开关K的状态转化成二进制状态。原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相为1；断开K时，电容C充电，反相器反相为0。+5VCKR2R1NEPU10②R—S触发器(Flip-flop)消除开关两次反跳电路原理：当K在上时，输出上为1，下为0。当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。+5VKR45R3RSQQ0110100111保持RSQQNEPU11（2）大功率输入调理电路当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。“光电隔离”：通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号，在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可以互相的隔离。+5VR2R3R1+48VKC1NEPU12（2）大功率输入调理电路原理：当K闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为1。当K断开时，光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为0。其中，用R1,R2进行分压，C1进行滤波，要合理选择参数。+5VR2R3R1+48VKC1NEPU132.1.2数字量输出通道1.数字量输出通道的结构数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。去生产过程PC总线输出锁存器输出驱动电路地址译码器图2.6数字量输出通道结构NEPU142.输出驱动电路在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。（1）小功率直流驱动电路①功率晶体管输出驱动继电器电路继电器包括线圈和触点。因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。D的作用为泄流作用，通过D放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。R的作用是限流电阻。作用过程：当TTL电平为1时，晶体管截止，J不吸合当TTL电平为0时，晶体管导通，J吸合1001NEPU15②达林顿阵列输出驱动继电器电路MC1416是达林顿阵列驱动器.达林顿晶体管DT（DarlingtonTransistor）亦称复合晶体管。它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。NEPU16(2)大功率交流(Alternating)驱动电路在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSR作交流开关使用。SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。+5V交流电源RLR2CSCRR1DI/O接口零交叉电路触发电路～～SSR作交流开关，相当于有一个触点，左边是TTL电平，在0～5V之间：当TTL电平为高时，触点闭合；当TTL电平为低时，触点断开。零交叉电路在交流电压变化到零附近时产生触发信号，减少干扰。固态继电器SSR结构及用法NEPU172.2A/D转换器及其接口技术2.2.0A/D转换基础知识1.A/D转换方式2.A/D转换器的主要技术指标3.逐位逼近法2.2.1A/D转换器1.8位A/D转换器ADC08092.12位A/D转换器AD574A2.2.2A/D转换器接口技术1.ADC0809与PC总线工业控制机接口2.AD574A与PC总线工业控制机接口NEPU18A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。(1)逐次逼近式（Successiveapproximation）转换时间短(几个微秒～几百个微秒)，但抗干扰能力较差。常用的逐次逼近式A/D转换器ADC0809，AD574A等；逐次逼近式A/D转换器逻辑框图-+OA模拟输入Vx数字输出启动CKDONE控制逻辑N位寄存器N位D/A转换器Vc比较器1.A/D转换方式NEPU19(2)双斜积分式（DoubleSlopeIntegral）转换时间长(几十个毫秒～几百个毫秒)，抗干扰能力较强。适用于现场信号变化缓慢、干扰严重的场合。常用的双斜积分式A/D转换器有3位半（相当于二进制的11位分辨率）的MC14433，4位半（14位分辨率）的ICL7135等。1.A/D转换方式NEPU20A/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。（转换率是转换时间的倒数。200ns,5MHz）分辨率：通常用数字量的位数n(字长)来表示，如8位、12位、16位等。分辨率为n表示它能对满量程输入的1/2n的增量作出反应，即数字量的最低有效位(LSB)对应于满量程输入的1/2n。2.A/D转换器的主要技术指标NEPU21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。线性误差常用LSB的分数表示，如(1/2)LSB或±1LSB量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V～+5V,0～10V，0～5V对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。2.A/D转换器的主要技术指标NEPU223.逐位逼近法•逐位逼近式A/D的工作原理——从SAR输出的数码送至D/A，其输出电压Vf与模拟量输入Vin比较后，再控制SAR的数字逼近。逐位逼近式A/D转换器原理框图Vin模拟量输入数字量输出寄存器D/A转换器逐位逼近寄存器（SAR）控制时序和逻辑电路比较器－+Vf（反馈电压）D0~D7比较器：Vi＞Vf输出“1”Vi≤Vf输出“0”NEPU233.逐位逼近法保留的砝码为128g+16g+4g+1g=149g相当于转换的数码为D7~D0=1001010114916128重物砝码1427242220NEPU24例：天平称量与A/D转换次序加砝码天平指示操作记录12345632克16克8克4克2克1克超重欠重平衡去码留码X=0X=1欠重欠重超重留码去码留码留码X=0X=1X=1X=1123456一个27.4克重物的称量过程次序加砝码天平指示操作记录12345632克16克8克4克2克1克超重欠重平衡去码留码X=0X=1欠重欠重超重留码去码留码留码X=0X=1X=1X=1123456一个27.4克重物的称量过程次序加砝码天平指示操作记录12345632克16克8克4克2克1克超重欠重平衡去码留码X=0X=1欠重欠重超重留码去码留码留码X=0X=1X=1X=1123456一个27.4克重物的称量过程次序加砝码天平指示操作记录12345632克16克8克4克2克1克超重欠重平衡去码留码X=0X=1欠重欠重超重留码去码留码留码X=0X=1X=1X=1123456一个27.4克重物的称量过程次序加砝码天平指示操作记录12345632克16克8克4克2克1克超重欠重平衡去码留码X=0X=1欠重欠重超重留码去码留码留码X=0X=1X=1X=1123456一个27.4克重物的称量过程次序加砝码天平指示操作记录12345632克16克8克4克2克1克超重欠重平衡去码留码X=0X=1欠重欠重超重留码去码留码留码X=0X=1X=1X=1123456一个27.4克重物的称量过程次序加砝码天平指示操作记录12345632克16克8克4克2克1克超重欠重平衡去码留码X=0X=1欠重欠重超重留码去码留码留码X=0X=1X=1X=1123456一个27.4克重物的称量过程一个27克重物的称量过程NEPU25逐次逼近A/D转换器原理试探码D/A输出去留码本次结果123410001100101010012.5VV3.75VV留去3.125VV2.8125VV去留1000100010001001iiiiVi=3.0V)(VR=+5V,4位逐次逼近A/D转换过程NEPU26•对一个n位的逐位逼近式A/D转换输出的二进制数字量B与输入模拟电压VIN、正基准电压VREF+、负基准电压VREF-的关系为Example:SupposedADCis8-bit，VREF+=5.00V，VREF-=0V，WhatisthedigitaloutputoftheVIN=0V、2.5V?nREFREFREFINVVVVB200H3.逐位逼近法80HNEPU271.8位A/D转换器ADC0809ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为100μs左右，线性误差为(±1/2)LSB，采用28脚双立直插式封装(Dualinlinepackage)。2.2.1A/D转换器NEPU28ADC0809逻辑组成tr