第二章 过程通道与输入输出接口

第1页共39页第二章过程通道与输入输出接口§1概述本章学习目的:解决计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个计算机控制系统必须解决的基本问题。重点介绍计算机过程控制中的过程通道和输入输出接口电路的设计技术。一、通道、接口及其功能实现在过程信号与计算机数据之间变换传递的电路称为输入输出过程通道，简称过程通道。过程通道按变换传递信号的种类分为模拟量通道和数字量通道。模拟量是指在生产过程中连续变化的模拟信号，如电压、电流、有功功率、频率、压力、流量、温度、液位、转速等；数字量是指离散的数字信号，如表示开关、触点等开合位置的状态信号（开关量），电平高低、脉冲等。过程通道按信号传输的方向分为输入通道和输出通道，或前向通道和后向通道。输入输出接口技术——研究处理器和外部设备之间信息交换的技术。外界的各种数据和信息通过输入设备送到微处理器，而处理器将计算结果或控制信号输出外部设备，以便显示、打印或实现各种控制。外部设备品种很多，有机械式的、机电式的或电子式的等，其原理也多种多样，各不相同。它们在与计算机系统交换信息时，往往存第2页共39页在着速度不匹配、数据类型不一样等问题，为了解决这些问题，必须设计一套介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件，这就是所谓输入输出接口或简称接口。I／O通道（过程通道）：是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。如图，I／O通道分为：模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道二、I／O信号的种类外部设备与CPU之间交换信息，如图2—1所示，通常有三类信息。(1)数据信息在微型机中，数据通常为8位或16位，它可以分为以下三种：CPU外部设备数据状态控制CPUI/O接口电路A/D转换器放大器功率放大器D/A转换器输出保持功率放大数字量输入数字量输出传感器执行部件工业对象第3页共39页1)数字量:由键盘、光电输入机、卡片机等读入的信息一般是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数或字符。2)模拟量:当微处理器用于实时控制时，大量的现场信息经过传感器把非电量转换成的电量以及执行机构所能接受的控制量。3)开关量:这些变量只有开和关两个状态，通常用一位二进制数来表示。(2)状态信息：状态信息也称握手信息、应答信息，它是反应外部设备的状态的。(3)控制信息：用来控制I／O装置的启动或停止等信息，它是由CPU发送给外部设备的。CPU与外部设备之间的信息传送是通过I／O接口电路来完成的，微处理机与外部设备的联系，如图2—2所示。为保证信息的正确传送，I／O接口往往开辟三个不同的端口来传送数据信息、状态信息和控制信息。§2过程通道的一般结构2.1输入输出过程通道的基本概念计算机控制系统中过程通道的一般结构，如图2-3所示。I/O接口外部设备数据状态控制CPU地址总线数据总线控制总线第4页共39页1、输入过程通道输入过程通道是指从被控设备到计算机的物理信号传输和变换的通道。在计算机控制系统中，被控对象的参数和状态量要经过输入通道转换成计算机所能接受的标准数字信号。在模拟量输入通道中,采用传感器或变送器将被控对象的非电量或电量等模拟量转换成模数转换器A/D量程范围允许的电信号,再经过A/D转换成数字信号送入计算机中.在数字量输入通道中，通过转换电路和接口电路将生产过程中的开关信号、数字信号和脉冲信号转换计算机能接受的数字信号，并送入计算机中，往往需要进行电平转换和整形，有时也需要信号隔离。所以，输入过程通道主要是实现被控设备和计算机之间的原始参数和信号的变换、调理、传递和抗干扰。2、输出过程通道输出过程通道是指从计算机到被控设备控制信号和参数的传输。数字量输出通道是将计算机输出的数字信号变换成所要求的电平，一般需要信号隔离、功率驱动等。2.2输入过程通道的结构类型输入通道的结构主要取决于生产过程的环境、控制要求和输入信号的种类、性质、数量、大小。在不考虑前端传感器的类型情况下，输入通道结构归纳起来大致分为以下几种。1、单信号通道类型单信号常见有以下几种类型：高电压、大电流模拟信号，低电压、小电流模拟信号，脉冲信号，开关信号等。它们对应的输入通道结构如图2-4所示。控制系统输入通道输出通道测控设备输出过程通道信号输出接口输入过程通道数据/地址总线控制执行机构图2-3输入输出过程通道结构第5页共39页信号类型输入通道结构类型高电压、大电流模拟信号低电压、小电流模拟信号频率信号开关信号2、多信号输入通道类型计算机控制系统往往需要采集生产过程中多个模拟信号和数字信号，需要多信号输入通道来实现。在多信号输入通道中，根据多路模拟开关的位置不同，有两种模拟量输入通道结构。当传感器的输出信号较微弱时，应该先对信号进行放大，再经过多路开关分时采样，避免经多路开关造成较大误差，如图2-5所示。A/D计算机I/V变换V/F计算机电压娈送器电流娈送器A/D计算机I/V变换V/F计算机小电压信号小电压信号放大放大放大整形计算机防抖整形计算机图2-4输入通道结构类型图第6页共39页当传感器或变送器输出信号电压较大时，多路开关可直接和传感器（或变送器）输出相连，并在多路开关后设置放大电路，如图2-6所示。多路频率开关信号可省略A/D转换，只需要将各路频率信号通过放大、整形后送入计算机的I/O口或中断入口。2．3、输出过程通道的结构类型输出过程通道根据输出信号形式和控制对象的特点，其结构形式如图2-7所示。2.3计算机和外部的通信方式传感器传感器传感器……放大放大放大……多路开关A/D计算机图2-5多路信号多路放大输入过程通道结构传感器传感器传感器……可编程增益放大多路开关A/D计算机图2-6多路信号单路放大输入过程通道结构增益选择控制多路选择控制计算机控制系统光电隔离光电隔离光电隔离功率开关驱动直流驱动功放功率开关驱动D/A直流驱动功放F/V频率量输出信号调节开关量数字量频率量直流伺服机构频率量调制系统数字量执行机构直流伺服机构开关量执行机构图2-7输出过程通道结构第7页共39页一、并行通信并行通信：把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，传输速度快，信息率高。二、串行通信串行通信：数据按位进行传送的。串行通信又分为全双工方式和半双工方式、同步方式和异步方式。1、全双工方式全双工通信方式：指数据信息能沿相反两个方向传送。特点：信息传输效率较高。2、半双工方式半双工通信方式：指数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。特点：信息传输效率低些，但可省一根传输线。3、同步通信并行通信串行通信第8页共39页同步通信方式：在一组字符（信息帧）前后加同步字符(如SYN字符)，它们标志着一组数据块的开始，这样接收装置一接收到SYN字符，就知道已发送了数据块而开始接收数据，直到接收后同步字符，一帧数据宣告结束。然后，接收装置又开始寻找新的SYN控制字符。特点：开销小，效率高，可获得较高的数据率。但如果数据中有一位错，就必须重新传输整块数据，且控制比较复杂。4、异步通信（起止方式）异步通信方式：要传送的字符代码前加一起始位，以示该字符代码开始，在字符代码后面加一停止位，以示该字符代码结束。这是一种在计算机通信网络中常用的也是最简单的传输方式。特点：开销大，效率低，速度慢。但如果有错，只需重发一个字符，且控制简单。由于这种方式的字符发送是相互独立的故称为异步方式。§3输入输出接口计算机控制系统中，外部通道或外部设备是不能直接与CPU相连的，因为它们的速度、数第9页共39页据格式不一定相同，信号形式也不一定相匹配。为便于两者交换信息，需要通过一个中间环节将CPU和外部通道连接起来，该中间环节就是接口电路。它具有以下功能。1、数据缓冲功能：计算机的工作速度很快，过程通道和外部设备的工作速度相比则是比较慢的，利用接口电路进行数据缓冲，协调两者的工作。接口电路设置有数据寄存器或者锁存器，计算机工作时从寄存器取数据，而寄存器数据是由外部电路或者计算机定时刷新，所以计算机的工作不受寄存器数据和外部电路影响。2、信号转换功能过程通道和外部设备提供的状态信号和控制信号与计算机能识别的信号一般是不相同的，利用接口电路实现信号转换，如电平变换，数据转换等，特别是连接不同公司芯片时，信号之间的转换是经常的。3、驱动功能由于计算机总线的信号驱动能力有限，当需要连接多台外部设备时，总线资源可能不够，利用接口电路可以提高总线的负载能力，使一个接口与多个外部设备相连接，充分利用计算机的硬件资源。4、中断管理功能外部设备与计算的沟通，一个重要的手段就是釆用中断处理技术，釆用具有中断控制管理功能的接口，便于计算机处理有关中断事物，包括提出中断请求，中断优先级排队，提供中断向量等，从而加快计算机对外部事件的响应速度，提高CPU效率。接口（I/O）根据数据传输的时间关系可分为并行接口和串行接口，根据数据传输的方向可分为输入接口和输出接口。3.1接口技术接口技术就是研究计算机与外设之间如何交换信息的技术,它主要包括以下几个方面的内容:1、数据缓冲：完成不同速度器件间的连接或同步控制的需要。2、功能寻址：实现外部设备的惟一性地址标识，可完成从多个外部设备中选择所需的设备。3、命令译码：用来解释和产生各种操作信息。4、同步控制：用来协调被连接部件动作时间上的差异控制。5、数据转换：实现不同设备对同一信息的使用。常见是并行数据转换成串行数据或串行数据转换成并行数据。6、电平转换：实现不同电平器件的连接，如TTL器件（电路）和CMOS器件相连，需进行逻辑电平的转换。7、中断接口：具有发送中断请求信号和接收中断响应信号的功能，向CPU提供中断类型码的功能以及中断优先级管理的功能等。8、总线驱动：各总线的驱动能力是有限的，只能带一定数量的电路。在设计时，首先要估计总线的负载情况，以确定是否需要对总线的驱动能力进行扩。总线的驱动扩展常釆用总线驱动器，如常用的单向总线驱动器有74LS240，74LS241和74LS244；常用的双向驱动器为74LS245等。由于计算机所提供的I/O接口非常有限，往往很难满足实际需要。因此实际系统设计中经常需要进行I/O扩展。在进行I/O接口扩展时还应注意以下几点：1、硬件相依性。因为在计算机应用系统中，I/O的扩展是为外部通道及设备提供一个输入法、输出通道。所以I/O口的扩展，总是为了实现某一测、控及传输功能而进行的，如连接键盘、显示器驱动开关控制电路以及开关量监测等，因此在I/O口扩展时必须考虑与之相连的外设硬件电路特性，如驱动功率、电平、干扰抑制及隔离等。2、软件相依性。不同的I/O扩展芯片或外设，扩展I/O口的操作方式不同，其应用程序也不同，如入口地址、初始化状态设置、工作方式选择等。3.2输入输出通道接口实现第10页共39页1、采用通用I/O接口芯片实现2、单板式整体结构3、标准计算机扩展板4、模块化3.3输入输出控制方式在微机系统中，可采用的输入／输出控制方式一般有3种：程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式(DMA方式)。一、程序控制方式程序控制方式又分为无条件传送方式和查询传送方式（条件传送方式）。1、无条件传送方式当外设已准备就绪，那就不必查询外设的状态而进行信息传输，这就称为无条件传送。这种信息传送方式只适用于简单的外设，如开关和数码段显示器等。如图所示，直接使用三态缓冲器与数据总线相连。2、查询传送方式（条件传送方式）CPU通过执行程序不断读取并测试外设状态，如果输入外设处于已准备好状态或输出外设为空闲状态时，则CPU执行传送信息指令。查询传送方式的接口电路应包括：传送数据端口及传送状态端口。第11页共39页图1为查询式输入的接口电路。图2为查询式输出接口电路。二、中断控制I/O方式1、中断控制I／O时应解决的问题中断控制方式：当外围设备需要请求服务时，向CPU发出中断请求，CPU响应外围设备中断，停止执行当前程序，转去执行一个外围设备的服务程序。中断处理完毕，CPU又返回来执行原来的程序。外部中断：通过I／O接口硬件向CPU发出中断请求信号，从而引起