课件-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接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，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AI，AO，DI，DO。第二章输入输出接口与过程通道问题：为什么要采用输入输出接口？1速度不匹配。2信号电平不匹配。3信号格式不匹配。4时序不匹配。补充知识1串行接口和串行通信，并行接口和并行通信2全双工方式，半双工方式3同步通信方式，异步通信方式第二章输入输出接口与过程通道2.1总线技术2.2数字量输入过程通道2.3数字量输出过程通道2.4模拟量输入过程通道2.5模拟量输出过程通道2.1总线技术总线：计算机各模块之间互联和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。以微处理器为核心，总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。PC/ISA/EISA总线•1981年，62线的IBMPC总线诞生，是ISA总线的前身。•1987年，IEEE正式制定了ISA(IndustryStandardArchitecture)总线标准。ISA总线数据线宽度为16位，地址线宽度为24位，总线时钟为8MHz。•EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)是为32位中央处理器设计的总线扩展工业标准。它总线宽度为32位，总线频率为16MHz。PCI总线•PCI(PeripheralComponentInterconnect：外围部件互联)是美国SIG集团推出的64位总线，该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80MB/s。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路（北桥芯片）实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。PCI和ISA总线之间也通过桥接电路（南桥芯片）相连。RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线•RS-232总线是目前广泛使用的串行通信接口标准。美国电子工业协会（EIAElectronicIndustriesAssociation）制定的串行接口标准。•RS-422A采用了平衡驱动和差分接收方法，解决了RS-232中存在的地电平的电位差问题。它需要两对平衡差分电路形成全双工传输电路。•RS-485是RS-422A的变型，为半双工工作方式。•IEEE-488并行通信总线，也称GPIB总线。USB通用串行总线USB产生的原因在于新型电脑外设对计算机接口技术提出了更高的要求：•要求高速的双向数据传输；•要求免除总线扩展板卡，不必打开机箱连接外设；•要求可热插拔，即插即用；•可以方便地连接多台设备；•可以免除设备外接电源。USB通用串行总线USB的主要性能特点有：（1）具有热插拔功能。（2）采用“级联”的方式连接各个设备。每个USB设备用一个USB插头连接到前一个设备的USB插座上，最多可达127个外设，两个外设间距离可达5m。（3）可适用于低速外设连接。2.2数字量输入过程通道数字量（开关量）1，02.2.1数字量输入过程通道的结构2.2.2输入调理电路2.2.3数字量输入接口（输入缓冲器）2.2数字量输入过程通道2.2.1数字量输入过程通道的结构2.2数字量输入过程通道输入调理电路2.2.2输入调理电路2.2数字量输入过程通道为了将外部的开关量信号安全有效的输入到计算机，必须将现场的信号经过转换，保护，滤波，隔离等措施转换成计算机能够接受的逻辑信号，这些功能称为信号调理。＋5VKCR1R2图2.2输入调理电路2.2.3数字量输入接口(输入缓冲器)2.2数字量输入过程通道图2.3数字量输入接口74LS2442.3数字量输出过程通道2.3数字量输出过程通道2.3.1数字量输出过程通道的结构2.3.2输出驱动电路2.3.3数字量输出接口（输出锁存器）2.3.1数字量输出过程通道的结构2.3数字量输出过程通道输出锁存器2.3.2输出驱动电路2.3数字量输出过程通道计算机产生的TTL电平信号往往不能直接去控制生产过程中的各种设备，必须将其进行必要的转换，增强其驱动能力，这就用到输出驱动电路。＋24VRD功率晶体管图2.5功率晶体管输出驱动继电器J2.3.3数字量输出接口(输出锁存器)2.3数字量输出过程通道图2.6数字量输出接口74LS273OE输入使能端G允许输出端输入D输出QHLLLHLHHLL*（锁存状态）*H*Z（高阻态）2.4模拟量输入过程通道温度，压力，液位二进制数A/D2.4模拟量输入过程通道2.4.1模拟量输入过程通道的结构2.4.2I/V变换2.4.3多路转换器2.4.4采样保持器2.4.5A/D转换器2.4.1模拟量输入过程通道的结构2.4模拟量输入过程通道图2.7模拟量输入通道的组成结构2.4.2I/V变换2.4模拟量输入过程通道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。IR1D图2.7无源I/V变换电路JR2CV+5V2.4.3多路转换器（1）2.4模拟量输入过程通道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。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。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的导通电阻为零。此外，还希望切换速度快，噪音小，寿命长，工作可靠。常用的多路开关有CD4051。电平转换译码驱动电路ABCINHVSSVEEVDDX1X2X7X图2.8CD4051原理图INHCBAX接通0000X00001X1……………0111X71×××全不通2.4模拟量输入过程通道2.4.3多路转换器（2）2.4.4采样保持器2.4模拟量输入过程通道信号的采样，香农定理量化单位孔径时间：完成一次A/D转换所需的时间称之为孔径时间。nyyq2minmax1002100/DAmftUU孔径误差：2.4.5A/D转换器（1）2.4模拟量输入过程通道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，它是将模拟系统和计算机连接的接口，在数据的采集和控制系统中得到了广泛的应用。常用的A/D转换方式有逐次逼进式和双斜积分式。A/D转换器的主要技术指标有：转换时间，分辨率，最低有效位（LSB），量程。2.4.5A/D转换器（2）例：用天平称量一个实际重量为27.4克的重物，天平具有32克，16克，8克，4克，2克，1克六种砝码。2.4模拟量输入过程通道逐次逼近式A/D转换器原理是建立在逐次逼近的基础上，即把输入电压Vi同一组从参考电压分层得到的量化电压进行比较，比较从最大的量化电压开始，由粗到细逐次进行，由每次比较的结果来确定相应的位是1还是0。不断比较和比较之后，直到两者的差别小于某一误差范围时即完成了一次转换。2.4.5A/D转换器（3）2.4模拟量输入过程通道表2.3一个27.4克重物的称量过程克2711214081161320XM次序n加砝码（克）天平指示操作记录132超重去码X1=0216欠重留码X2=138欠重留码X3=144超重去码X4=052欠重留码X5=161平衡留码X6=12.4.5A/D转换器（4）2.4模拟量输入过程通道逐次逼近式A/D转换器就象一架电子自动平衡天平。以一个量程为＋5V的4位逐次逼近式ADC为例，用它来转换一个Vi=3V的电压量，由于n＝4，它有4个以二进制码表示的电子砝码，它们与电压量的对应关系如表2.4所示。代码相应的电压10005V×2－1＝2.5V01005V×2－2＝1.25V00105V×2－3＝0.625V00015V×2－4＝0.3125V2.4.5A/D转换器（5）2.4模拟量输入过程通道图2.9逐次逼近式A/D转换器的原理由逐次逼近寄存器SAR，D/A转换器，比较器A，缓冲器等组成。SAR中包含一个移位寄存器，一个数据寄存器及决定去/留码的逻辑电路等几部分，它们在时钟脉冲CLK的作用下有次序的进行操作。D/A转换器用来形成电子砝码，送到比较器A的“－”端。比较器相当于天平的杠杆和指针。2.4.5A/D转换器（6）在时钟驱动下，SAR中的移位寄存器的MSB位加码，其编码为1000。D/A转换器将其转换成2.5V电压，送到比较器A的“—”端与Vi进行比较，由于2.5V3V，所以去留逻辑保留最高位的1，即这次比较结果为1。2.4模拟量输入过程通道次序试探码D/A输出去留码本次结果110002.5V3V留1000211003.75V3V去1000310103.125V3V去1000410012.8125V3V留10012.5模拟量输出过程通道2.5.1模拟量输出过程通道的结构2.5.2D/A转换器2.5模拟量输出过程通道2.5.3V/I变换和自动/手动切换2.5.1模拟量输出过程通道的结构2.5模拟量输出过程通道接口D/A多路开关采样保持器V/I和自动/手动切换采样保持器V/I和自动/手动切换…PC总线通道1通道n图2.10共用D/A转换器的模拟量输出通道结构2.5.2D/A转换器（1）2.5模拟量输出过程通道D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它的模拟量输出与二进制数成比例。主要技术指标有分辨率，建立时间，线性误差等。2.5.2D/A转换器（2）2.5模拟量输出过程通道分辨率：通常用D/A转换器输入二进制数的位数来表示，如8位，12位。分辨率为n位，表示D/A转换器输入的二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。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1/2LSB所需的时间。线性误差：理想的转换特性应该是线性的，但实际中往往并非如此。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。常用LSB的分数表示，如1/2LSB或1LSB。2.5.2D/A转换器（3）2.5模拟量输出过程通道I1RS1I22RS2I34RS3I48RS4IOIfRfΣ+－AVO图2.12权电阻网络D/A转换器VRd2d1d3d42.5模拟量输出过程通道2.5.3V/I变换和自动/手动切换经过D/A转换后的模拟量一般为0～5V，0～10V等直流电压信号，而工程中常常需要将其转换为0～10mA，4～20mA的信号去控制现场设备，在这个转换过程中，可以采用集成的V/I转换电路来完成，如ZF2B20和AD694等。在工业应用当中，还需要进行具有自动/手动切换功能的V/I变换电路。就是实现自动控制方式和随时可切换的手动操作方式之间的无扰切换。手动操作即不用微机控制而由电动单元仪表等控制的方式。本章重点1有关概念和定义。2开关量输入输出过程通道结构及其主要部件的工作原理。3模拟量输入过程通道结构及其主要部件的工作原理。作业：P742.1，2.2，2.6，2.7，2.81什么是接口，接口技术和过程通道？274LS244和74LS273的工作原理？3什么是采样过程，量化，孔径时间？4采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？5一个8位A/D转换器，孔径时间为100，如果要求转换误差在A/D转换器的转换精度（0.4％）内，求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？