第二章输入输出接口与过程通道

1DepartmentofElectricalEngineeringandAutomationYangzhouUniversity2本章主要内容总线扩展技术数字量输入输出通道A/D转换器及其接口技术模拟量输入通道D/A转换器及其接口技术模拟量输出通道硬件抗干扰3输入输出接口与过程通道什么是过程通道？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。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)输出通道在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口。4接口(电路)---是计算机与外部设备交换信息的桥梁。输入接口：外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机。输出接口：计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。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。什么是接口？简单接口电路,接口芯片并行,串行地址安排速度匹配:查询,中断,定时传送,DMA5设计过程通道时要考虑信息交换的效率、信息交换的形式等。①速度的匹配（快速的CPU与慢速的外设）②CPU与外设的同步与通信联络（何时可以发送数据及接收数据）③输入/输出信号形式转换（A/D、D/A）④信号的放大、采样、保持、电平转换、整形、驱动等设计过程通道的注意点：62.1总线扩展技术2.1.1I/O端口与地址分配1.I/O端口及操作端口就是CPU能直接访问的寄存器。一个接口电路有若干个端口。每个端口应有独立的地址。端口操作就是读写寄存器。1）数据端口CPU与外设交换数据的中转站，起缓冲作用。分输入，输出，双向。2）状态端口反映、指示外设的当前状态。如忙（busy），就绪（ready），错误（error）等。73）命令端口存放CPU发往外设的命令字或控制字。如方式设定，模式设定等。4）端口操作读端口：a.获取外设的状态；b.读外设数据。写端口：a.送命令给外设；b.送数据给外设。注意点：a.搞对端口地址，b.选择正确的操作指令。2.I/O端口编址方式1）统一编址2）独立编址2.1.1I/O端口82.1.2I/O端口地址译码CPU访问接口电路中的端口寄存器是通过特定的地址进行的。把地址转换成片选和端口区分靠译码电路完成。1.译码电路信号ISA总线地址线A9-A0；IOR，IOW；AEN=0非DMA传输；IO16选择8位或16位端口操作；SBHE选择端口传送高8数据。2.1.2I/O译码92.端口译码方法及电路PC工控机采用ISA总线时，主板上有多个板卡插槽。板卡可以在任意一个插槽插入。如何区分板卡？译码目的：区分不同的板卡及板卡内端口。译码方法：高地址与总线有关控制信号形成片选信号，用于选择芯片。低地址选择芯片的端口。工控机板卡译码常用的方法：固定地址译码开关选择译码2.1.2I/O译码101)固定地址译码按图译出3A0H～3A7H连续8个地址。选用3-8译码器138地址线10根最低3位地址线接138的ABC引脚。高7位地址A9A8A7A6A5A4A31110100及AEN通过门电路组合后接到138的三个控制端。2.1.2I/O译码112）开关选择译码因为工控机可以插入各种板卡，同类的板卡地址可能冲突，一般设计成用户自行设置。用一组逻辑开关和数据比较器实现ISA板卡高位地址的选择与设定。数据比较器74LS688当输入P7P6P5P4P3P2P1P0与输入Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0相等时，P=Q引脚输出为低。2.1.2I/O译码12A15～A4确定板卡的基地址。其中A15～A10作为比较器的输入，由6个DIP开关决定其数值。A3～A0确定板卡内部地址。DIP全部闭合时的地址：000000111110xxxx=3ExHY0地址：3E0H/3E1HY1地址：3E2H/3E3H2.1.2I/O译码132.1.3基于ISA总线的端口扩展8位数字量输入输出模板1.板选译码与板内译码1）板选译码开关W，74HCT688Q2~Q7接A9~A4(高位译码)AEN控制74HCT688工作74LS245双向数据驱动在高位地址与开关位置一致时，74LS245工作。DIR=0,输入；DIR=1,输出142)板内译码在高位地址有效时，P=Q为低，使能74HCT138，对A2A1A0译码，选择四个端口之一。端口地址分别是端口1：基址+0端口2：基址+1端口3：基址+2端口4：基址+3152.端口读写控制138译码输出Y0,Y1,Y2,Y3与IOR，IOW组合3.总线驱动DB：74HCT245AB：负载不重，不加驱动。CB：只用到IOR,IOW，用74HCT125驱动。162.2数字量输入输出通道本节主要内容数字量的概念及种类数字量输入接口数字量输出接口数字量输入输出通道172.2.1数字量的概念及种类数字量（开关量）的概念开关的开－断触点的闭－合电平的高－低电机的启－停阀门的开－闭指示灯的亮－灭等等特点：状态仅有两个，可用一位二进制数码表示18按类型分:电平式和触点式两种电平式为高电平或低电平触点式为触点闭合或触点断开按电源分:有源和无源两种有源即直接提供高、低电平无源即提供物理触点，或感应器件数字量（开关量）的种类192.2.2数字量输入接口技术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。这里用三态缓冲器74LS244取得状态信息，如图所示。这是简单数字量输入接口。202.2.2数字量输入如下指令完成8个开关量采集：MOVDX,portINAL,DX在执行IN指令时，经过端口地址译码，得到片选信号/CS，同时产生信号/IOR，打开缓冲器，外部状态经总线到达CPU。G=’0’Y=AG=’1’Y为高阻态简单数字量输入接口特点：简单，只能用无条件传送方式工作218通道光电隔离数字量输入接口原理图输入缓冲器开关信号S1-S8通过光电耦合连接到244输入端。计算机通过有效地址（/CS），和读命令（/RD），将8个的开关信号读入CPU中。2.2.2数字量输入22用可编程芯片组成数字量输入接口特点：电路复杂一些，数据传送方式灵活。2.2.2数字量输入232.2.3数字量输出接口技术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，这时输出就需要锁存。可用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。这是简单数字量输出接口。24可用下列指令完成8位开关量的输出控制。MOVAL,DATAMOVDX,portOUTDX,AL2.2.3数字量输出在左图的电路中，273的CLK上升沿锁存数据。在执行OUT指令时,经过端口地址译码，得到片选信号/CS，同时产生/IOW信号。两个信号都变低时，CLK也变低，Q=D,然后/IOW变高，CLK上升沿锁存输出。简单数字量输出接口CLK锁存特点：简单，只能用无条件传送方式工作258通道光电隔离数字量输出接口原理图数据锁存器计算机通过选择地址有效(/CS)和写有效(/WR)，将要输出的数字量信号写入U3(74LS574)数据锁存器中，再经光电耦合器U1、U2，驱动继电器J1-J4或指示灯LED1-LED4动作。2.2.3数字量输出26用可编程芯片组成数字量输出接口特点：电路复杂一些，数据传送方式灵活。2.2.3数字量输出272.2.4数字量输入通道数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲器、输入地址译码电路等组成。输入缓冲器即前面介绍过的数字量输入接口。数字量输入通道的结构1.数字量输入通道结构282.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。2.2.4数字量输入通道29（1）小功率输入调理电路图(a)所示为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法。图(b)所示为用R-S触发器消除开关弹跳的方法。2.2.4数字量输入通道开关、继电器等触点状态（接通和断开），需转换成TTL电平信号才能与计算机接口相连。为了清除开关接点机械抖动而产生的振荡信号，一般都应用去抖电路来消除这种振荡。30在大功率系统中，需要从电磁开关等大功率电气开关的接点输入信号，检查开关的状态。这种情况下，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，电路又简单，因而被广泛采用。这种电路，所用电压高，所以高压与低压之间，要用光电耦合器进行隔离，然后接入计算机接口，如图所示。（2）大功率输入调理电路2.2.4数字量输入通道31光电耦合式处理电路的主要器件是光电隔离器OI，它由发光二极管和光敏三极管组成，如图（a）所示。继电器耦合式信号处理电路如图（b）所示。当开关（接点）S断开时，继电器K线圈不通电，其接点断开，“非”门输入为高电平，输出u0为低电平；当开关（接点）S接通时，继电器励磁，其结果输出u0变为高电平。（3）隔离式处理电路2.2.4数字量输入通道3216通道光隔离数字量输入端子板2.2.4数字量输入通道332.2.5数字量输出通道数字量输出通道主要由输出驱动电路、输出锁存器、输出口地址译码电路等组成，如图所示。输出锁存器即前面介绍过的数字量输出接口，或用可编程接口芯片构成的输出接口。1.数字量输出通道结构34采用功率晶体管输出驱动继电器的电路如图所示。因负载呈电感性，所以晶体管集电极必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。2.输出驱动电路（1）功率晶体管驱动2.2.5数字量输出通道35MCl416是达林顿阵列驱动器，它内含7个达林顿复合管，每个复合管的电流都在500mA以上，截止时承受100V电压。为了防止MCl416组件反向击穿，可使用内部保护二极管。左图给出了MCl416内部电路原理图和使用方法。（2）达林顿阵列输出驱动2.2.5数字量输出通道36固态继电器(SSR)是一种四端有源器件，上图为固态继电器的结构和使用方法。输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。（3）固态继电器驱动2.2.5数字量输出通道37固态继电器2.2.5数字量输出通道38（4）光电隔离驱动图（a）所示光电隔离式驱动电路，它输出的是电平信号；图（b）所示光电隔离与中间继电器（或干簧继电器）式驱动电路，它输出接点信号（称空接点），用以需要触点控制的回路。图（a）和（b）中设置反相器B及与非门A的目的，一是驱动发光二极管，因并行口带负载能力有限。二是采用与非门后要同时满足两个条件才能使J动作，增加了抗干扰能力。2.2.5数字量输出通道392.2.6数字量输入/输出通道模板举例PCL-730是研华的32通道数字量输入输出隔离板卡。40程序设计举例：PCL-730板卡的开关量输入/输出都只需要二条指令就可以完成。基地址设为220H（低8位）221H（高8位)。程序功能：奇数通道输出低电平，读入16路数字量。C语言程序如下：outportb(0x220，0x55)outportb(0x221，0x55)low8=inportb(0x220)high8=inportb(0x221)汇编语言程序如下：MOVDX，220HMOVAL，55HOUTDX，ALMOVDX，221HOUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DXMOVAH，ALMOVDX，221HINAL，DX412.3A/D转换器及其接口技术本节主要内容A/D转换器A/D转换器接口技术42A/D转换器定义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。常用转换方式逐次逼近式：转换时间短（几微秒-几百微秒），抗干扰能力差；8位ADC0809,12位AD574A双斜积分式：转换时间长（几十毫秒-几百毫秒），抗干扰能力强。3位半MCl4433(11位分辨率)4位半ICL713