第二章 输入输出接口与过程通道06

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。2.1数字量输入输出通道一、数字量输入通道二、数字量输出通道数字量(开关量)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:这些信号的是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的。一、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、输入口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PC总线引脚62个：地址线20根A0~A19；地址允许ANE；I/O通道准备好I/OCHRDY；数据线8根D0~D7；奇偶效验位I/OCHCK；振荡器OSC地址锁存ALE；DMA传送计数器0信号输出线T/C；DMA响应信号输出信号线DACK0~DACK3；中断请求信号线IRQ2~IRQ7DMA请求信号线DRQ1~DRQ3I/O写IOWI/O读IOR2.输入缓冲器（数字量输入接口）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3.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+5VCKR2R1+4+5VR2R3CR18VK+5VR4R3QQRDSD二、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2．输出锁存（数字量输出接口）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.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说明：1、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。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。2、R的作用是限流电阻。3、驱动能力10-50mA50-500mA②达林顿阵列输出驱动继电器电路。MC1416是达林顿阵列驱动器.内含7个达林顿管，可驱动7个负载。每路驱动能力500mA以上。(2)大功率交流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。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：当用计算机来控制电磁阀时，用固态继电器。零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。+5V交流电源RLR2CSCRR1D零交叉电路触发电路～～~3421+-TTL信号3421+-TTL信号~Vcc负端输入：TTL信号高电平，SSR断开TTL信号低电平，SSR导通正端输入：TTL信号高电平，SSR导通TTL信号低电平，SSR断开(3)TTL三态门缓冲器74LS240（反相缓冲器）74LS244（同向缓冲器）74LS245（总线驱动器）可驱动光电耦合器、LED数码管等。(4）集电极开路OC门7406（反相驱动器）7404（同向驱动器）可驱动微型继电器、LED数码管等。2.2模拟量输入通道模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。一、模拟量输入通道的组成传感器传感器传感器传感器一、I/V变换变送器输出的信号为0～10mA或4～20mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。1.无源I/V变换变换电路中各部分的作用：r1:限流电阻D:将电压钳制在5V+0.3V以内r2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电阻，精度为0.1%。C和r1：组成阻容低通滤波电路2.有源I/V变换二、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。作用：利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上，实现多路共享。常用的多路开关有CD4051(双向8路)、AD7506（单向16路）双向：多到一或一到多单向：多到一A/DD(s)D/AG(s)给定+-y(t)y*(t)y(nT)R(nT)计算机u(nT)u(t)对象采样器模拟信号ty(t)0y(nT)数字信号t018(10010)23(10111)19(10011)3T2TT数字信号0tu(nT)15(01111)24(11000)20(10100)3T2TT量化模拟信号u(t)0t3T2TT离散模拟信号ty*(t)0T2T3T三、采样、量化及采样保持器常用的采样保持器常用的集成采样保持器有LF398、AD582等。注：当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。VinVoutCRK-+Vin-+KCVoutCh：510uf~1000uf（一）A/D转换器主要技术指标1、转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。2、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。基准电压与的比值。它的大小取决于两个因素：基准电压和转换器的位数。若基准电压等于5V，那么8位的分辨率为19.53mV,12位的分辨率为1.22mV。这样就有二进制最低有效位LSB(LeastSignificantBit)的定义方式。LSB定义为与输入二进制最低有效位相当的输出模拟电压，称为1LSB。3、线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。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。4、量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V～+5V,0～10V，0～5V5、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。n2四、A/D转换器及其接口技术（二）A/D转换方式逐次逼近式转换时间短(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，AD574等；双斜积分式转换时间长(几十个毫秒～几百个毫秒)，抗干扰能力较强。3位半(相当于2进制11位分辨率)的MC14433，4位半(相当于2进制14位分辨率)的ICL7135等在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜采用后者。（三）逐位逼近法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重物法码1.8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。IN5D7D6D0D1D2D3D4D5Vref(+)OEGNDVccADDCADC08091109876543220141516171819131211IN3IN4IN7IN6STARTEOCCLOCKVref(-)ALEADDAADDBIN0IN1IN22827262524232221逻辑组成：(1)8通模拟开关及通道选择逻辑。该部分的功能是实现8选1操作，由通道选择信号C、B、A，在ALE的作用下送入通道选择逻辑。(3)三态输出锁存缓冲器用于存放转换结果D，输出允许信号OE为高电平时，D由DO7～DO0上输出；OE为低电平输入时，数据输出线DO7～DO0为高阻态。(2)8位A/D转换器在START上收到一个启动转换命令(正脉冲)后开始转换，100μs左右后转换结束。转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。通过查询或中断方式读取。ADC0809与PC总线工业控制机接口分析程序流程：（1）确定选择模拟通道号（2）输出启动信号（3）查询是否转换结束（4）读取转换结果2．12位A/D转换器AD574AAD574A是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25μs，线性误差为±1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。AD574A由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器和10V基准电压源四部分构成。控制逻辑的任务包含：启动转换、控制转换过程和控制转换结果的输出。CE、CS均为片选信号，R/C为读/启动控制信号，12/8为数字量输出位数控制，A0为分辨率和字节选择：在转换启动时，A0=1代表选择AD574A作为12位转化器使用，在读数据时，A0=1代表读低字节。STS为AD574A的状态输出信号。启动后，STS为高电平表示正在转换；25μs后转换结束，STS为低电平。CPU可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。CECSR/C12/8A0操作功能100×0启动12位转换100×1启动8位转换1011×输出12位数字10100输出高8位数字10101输出低4位数字ADC574A与PC总线工业控制机接口2.3模拟量输出通道1.一个通路设置一个数/模转换器的形式优点：转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其它通路的工作。缺点：使用了较多的D/A转换器2.多个通路共用一个数/优点：节省了数/模转换器缺点：只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。它还要用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比较大。这种方案的可靠性较差。应用场合：适用于通道数量多而且速度要求不高的场合。一、模拟量输出通道的结构型式1、分辨率：通常用D/A转换器输入二进制数的位数来表示，如8位、10位、12位。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。2、建立时间：输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值(±1/2)LSB所需的时间，一般为nμS。3、线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。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。与A/D转换器的线性误差定义相同。二、D/A转换器性能指标：三、8位D/A转换器DAC08321、组成：主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、采用R—2R电阻网络的8位D/A转换器、相应的选通控制逻辑四部分组成。DAC0832的分辨率为8位