第二章 输入输出接口与过程通道

第二章输入输出接口与过程通道2.1总线扩展技术2.2数字量输入输出接口与过程通道2.3模拟量输入接口与过程通道2.4模拟量输出接口与过程通道2.5硬件抗干扰技术2.1总线扩展技术2.1.1I/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）统一编址（2）独立编址2.1.2I/O端口地址译码技术1.三种译码方式（1）线选法（2）全译码法（3）部分译码2.I/O端口地址译码电路信号3.I/O端口地址译码方法及电路形式（1）固定地址译码3.I/O端口地址译码方法及电路形式（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、数字量输入接口设片选端口地址为port可用下列指令完成取数：MOVDX，portINAL，DX三态门缓冲器74LS244用来隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。74LS244有8个通道可输入8个开关状态图2.4数字量输入接口概念:接口、过程通道、过程通道的组成2.1数字量输入输出通道2、数字量输出接口片选端口地址为port完成数据输出控制的指令为：MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL74LS273有8个通道可输出8个开关状态并可驱动8个输出装置图2.5数字量输出接口2.2数字量输入输出通道2.2.2数字量输入通道1、数字量输入通道的结构主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码器等组成，如图2.3：图2.6数字量输入通道结构2、输入调理电路（1）小功率输入调理电路图示为从开关、继电器等接点输入信号的电路。将开关动作转换成TTL电平信号与计算机相连。图（a）采用积分电路消除开关抖动的方法图（b）为R-S触发器消除开关两次反跳的方法图2.7小功率输入调理电路2.2数字量输入输出通道（2）大功率输入调理电路在高压和低压间用光电耦合器进行隔离图2.8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主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码器电路等组成图2.9数字量输出通道结构2.2数字量输入输出通道2、输出驱动电路（1）小功率直流驱动电路a、功率晶体管输出驱动继电器电路因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈图2.10功率晶体管输出驱动继器b、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个达林顿复合管，每个管的电流都在500mA以上，截止时承受100V电压。为了防止组件反向击穿，可使用内部保护二极管图2.11MC1416驱动7个继电器2.2数字量输入输出通道（2）大功率交流驱动电路固态继电器（SSR）是一种四端有源器件如图，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。电路接通后，由触发器给出晶闸管器件的触发信号图2.9固态继电器及用法2.3.4数字（开关）量输入/输出通道模板举例图2-19PCL-730板卡组成框图2.3.4数字（开关）量输入/输出通道模板举例程序设计举例(基地址设为220H)：PCL-730板卡的开关量输入/输出都只需要二条指令就可以完成。C语言程序如下：outportb(0x220，Ox55)outportb(Ox221，0x55)inportb(Ox220)inportb(Ox221)汇编语言程序如下：MOVDX，220HMOVAL，55HOUTDX，ALMOVDX，221HOUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DXMOVAH，ALMOVDX，221HINAL，DX2.3模拟量输入通道2.3.1模拟量输入通道的组成图2.14模拟量输入通道的组成结构由图可知，模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器，采样保持器，A/D转换器，接口及控制逻辑等组成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。信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。（1）非电信号的检测-不平衡电桥（2）信号放大电路1)基于ILC7650的前置放大电路2.3.2信号调理和I/V变换1.信号调理电路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。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTL数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。2.3模拟量输入接口与过程通道2.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变换无源I/V变换主要是利用无源期间电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，如图2.18所示图2.19无源I/V变换电路2、有源I/V变换有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器，电阻组成如图2.19所示图2.20有源I/V变换电路2.3模拟量输入接口与过程通道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键元件。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。常用的多路开关有CD4051。它是单端的8通道开关，有三根二进制的控制输入端和一根禁止输入端INH(高电平禁止)。片上有二进制译码器，可由A、B、C三个二进制信号在8个通道种选择一个，使输入和输出接通。而当INH为高电平时，不论A、B、C为何值，8个通道均不通。2.3模拟量输入通道2.3.4采样、量化及采样保持器1、信号的采样按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0，T，2T，…kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程.采样信号是一个离散的模拟信号.采样周期:T采样宽度:香农采样定理:f≥2fmax实际应用:f≥(5～10)fmax2、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。字长为n的A/D转换器把Ymin～Ymax范围内变化的采样信号，变换为数字0～2n-1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。2.3模拟量输入通道例:12位A/D转换器,V=10.24Vmvq2511222410..量化误差:q212.3模拟量输入通道2.3模拟量输入通道3、采样保持器(1)孔径时间和孔径误差的消除在模拟量通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间称之为孔径时间。对于模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，即为孔径误差。2.3模拟量输入通道（2）采样保持原理A/D转换过程（即采样信号的量化过程）需要时间，这个时间称为A/D转换时间。在采样期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以在一般情况下采样信号都不直接送到A/D转换器，还需加保持器作信号保持。采样保持器的基本组成:由输入输出缓冲器A1，A2和采样开关K，保持电容CH等组成。2.3模拟量输入通道（3）常用的采样保持器常用的集成采样保持器有LF398、AD582等，其原理结构如图2.24（a）（b）所示。采用TTL逻辑电平控制2采样和保持。LF398的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。OFFSET用于零位调整。保持电容CH通常外接的，取值与采样频率和精度有关。减少CH可提高采样频率但降低精度。选择采样保持器的主要因素有获取时间、电压下降率等。2.3.5A/D转换器的性能指标1.转换时间2.分辨率3.线性误差4.量程5.对基准电源的要求常用的A/D转换方式:逐次逼近式、双斜积分式2.3.5A/D转换器及其接口技术A/D转换器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100us左右，线性误差为±1/2LSB。逻辑结构图如下：图2.10ADC0809的逻辑结构框图可见ADC0809由：8通道模拟开关、通道选择逻辑（地址锁存与译码）、8位A/D转换器及三态输出锁存缓冲器组成2.3.5A/D转换器及其接口技术（1）8通道模拟开关及通道选择逻辑该部分的功能是实现8选1的操作，通道选择信号C、B、A与所选通道之间的关系如下：（2）8位A/D转换器8位A/D转换器对选送到输入端的信号V1进行转换，转换的结果D存入三态输出锁存缓冲器2.3.5A/D转换器及其接口技术（3）三态输出锁存缓冲器该部分用于存放转换结果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。图2.11ADC0809的转换时序图2.3.5A/D转换器及其接口技术2.3.5A/D转换器及其接口技术二、A/D转换器接口技术1、ADC0809与PC总线工业控制机接口8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A为输入口，端口C上半部分为输入下半部分为输出口.ADC0809的ALE与START引脚相连接，将PC0~PC2输出的3位地址锁存入ADC0809的地址锁存器并启动A/D转换。ADC0809的EOC输出信号端同OE输入控制端相连接，当转换结束时，开放数据缓冲器EOC信号还连接到PC7，CPU通过查询PC7的状态而控制数据的输入过程图2.15ADC0809与PC机接口假设8255A已经初始化，地址为2C0H~2C3H。ADC0809PROCNEARMOVCX,8CLDMOVBL,00H;模拟通道地址存BLLEADI,DATABUFNEXTA:MOVDX,02C2HMOVAL,BLOUTDX,ALINCDXMOVAL,00000111B;输出启动信号OUTDX,ALNOPMOVAL,00000110BOUTDX,ALDECDXNOSC:INAL,DXTESTAL,80HJNZNOSC;EOC=1,则等待NOEOC:INAL,DXTESTAL,80HJZNOEOC;EOC=0,则等待MOVDX,02C0H;A口地址INAL,DXSTOSDATABUFINCBL;修改模拟通道地址LOOPNEXTA;CX-1,CX=0？RETADC0809ENDP作业2：P681,2,3,42、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，原理图如下：图2.12AD574A的原理结构2.3.5A/D转换器及其接口技术（1）12位A/D转换器12位A/D转换器的模拟输入可以是单极性的也可以是双极性的。模拟输入信号的编程如下图2.13是AD574A的单、双极性应用时的线路连接方法，以及零点和满度调整方法（a）单极性（b）双极性图2.13AD574A的输入信号连接方法2.3.5A/D转换器及其接口技术（2）三态输出锁存缓冲器该缓冲器用于存放12位转换结果D。D的输出方式有两种，引脚12/8=1时，D的D11~D0并行输出，12/8=0时D的高8位D11~D4与低4位D3~D0分时输出（3）控制逻辑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D的输出。控制信号的作用如下表2.3.5A/D转换器及其接口技术2.3.5A/D转换器及其接口技术启动与读操作时序如图2.14：STS为AD574A的状态输出信号。启动后，STS为高电平表示正在转换；25us后转换结束，STS为低电平。CPU可用查询方式或中断方式了解转换过程是否结束。图2.14AD574A的工作时序2.3.5A/D转换器及其接口技术2、AD574与PC总线工业控制接口AD574A的12/8控制引脚和Vlogic相连接,A0接地,使工作于12位转换和读出方式.8255A的A组和B组都工作于方式0,端口A,B和端口C上半部