第二章 开关量输入输出通道与人机接口

第二章第二章开关量输入输出通道与人机接口2.1过程通道的分类2.2开关量输入输出通道2.3人机接口——键盘2.4人机接口——数字显示方法习题第二章为了实现计算机对生产过程或装置的控制，需要将对象的各种测量参数按要求的方式送入计算机；经计算机运算处理后的数字信号也要变换成适合于对生产过程或装置进行控制的形式。因此，在计算机和生产过程之间必须设置信息传递和变换的装置，这种装置就称为过程输入输出通道，简称为过程通道或I／O通道。第二章一般来说，计算机不会自主地工作，需要接收操作人员键入的指令，其运行状态和结果也需要显示或打印，在现代大规模控制系统中还应有通信和数据存盘功能，所有这些都是由人与计算机之间的连接装置来完成的，我们称这种装置为人机接口。有了过程通道与人机接口，才能将人、计算机和生产过程组成有机的整体，如图2-1所示。第二章图2-1过程通道与人机接口人对象人机接口计算机I/O通道第二章过程通道与人机接口是每个计算机控制系统中都必须具有的重要组成部分，在计算机控制系统的设计中，许多精力都花费在过程通道和人机接口的设计或选择上。许多控制计算机生产厂家都设计和生产了各种各样的I／O模块供选用，近年来还出现了硬件卡+软件驱动程序(driver)等应用更为方便的产品。这一章我们主要介绍计算机控制系统中过程通道的分类、开关量输入输出通道与人机接口的设计及应用方法。有关模拟量输入输出通道将在第四章讨论。第二章2.1过程通道的分类过程通道包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。(1)模拟量输入通道：主要功能是将随时间连续变化的模拟输入信号经检测、变换和预处理，最终变换为数字信号送入计算机。常见的模拟量有压力、温度、液体流量和成分等。(2)模拟量输出通道：它将计算机输出的数字信号转换为连续的电压或电流信号，经功率放大后送到执行部件对生产过程或装置进行控制。第二章(3)数字量输入通道：也称开关量输入通道。凡是以电平高低和开关通断等两位状态表示的信号统称为数字量或开关量。主要有三种形式：一种是以若干位二进制数表示的数字量，它们并行输入到计算机，如拨码盘开关输出的BCD码等；另一种是仅以一位二进制数表示的开关量，如启停信号和限位信号等；还有一种是频率信号，它是以串行形式进入计算机的，如来自转速表，涡轮流量计、感应同步器等信号。这些信号都要通过数字量输入通道进入计算机。第二章(4)数字量输出通道：有的执行部件只要求提供数字量，例如步进电机，控制电机启停和报警信号等，这时应采用数字量输出通道。应该注意，过程通道分类是以经过通道的信号形式来划分的，并不以连续的对象来划分，如模拟对象的模拟量可以转换为频率信号(V—F变换)连接于数字输入通道；同样，数字输出通道完全可以接直流电动机，组成脉冲调宽控制(PWM)。第二章2.2开关量输入输出通道2．2．1开关量输入输出通道的一般结构形式开关量输入输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口(亦即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路)。一般情况下，各种开关量输入输出通道的前两部分往往大同小异，所不同的主要在于输入输出(I／O)电气接口。典型的开关量输入输出通道结构如图2-2所示。第二章图2-2典型的开关量输入输出通道结构图数据缓冲、地址译码、控制逻辑输入缓冲器输入调理工业现场设备输出锁存器输出驱动微型计算机第二章1．CPU接口逻辑这部分电路一般由数据总线缓冲器／驱动器、输入输出口地址译码器、读写等控制信号组成。第二章2．输入缓冲器和输出锁存器输入缓冲器是对外部输入的信号起缓冲、加强以及选通的作用，CPU通过读缓冲器读入数据。输出锁存器的作用是锁存CPU送来的输出数据，供外部设备使用。输入缓冲器和输出锁存器可以使用各种可编程的外围接口电路，如8255、8155等，也可以使用简单的中小规模集成电路，如74LS240、74LS244、74LS245、74LS273、74LS377等。第二章3．输入输出电气接口典型的开关量输入输出电气接口的功能主要是滤波、电平转换、隔离和功率驱动等，关于这些内容，将在后面详细介绍。第二章2．2．2开关量输入信号的调理开关量输入通道的基本功能就是接收外部的状态信号，这些状态信号是以逻辑“1”或逻辑“0”出现的，其信号的形式可能是电压、电流或开关的触点。在有些情况下，外部输入的信号可能会引起瞬时的高电压、过电压、接触抖动以及噪声等干扰。为了将外部的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接收的逻辑信号，这就是开关量输入信号调理的任务。下面针对不同的情况分别介绍相应的调理方法。第二章1．信号转换电路(1)电压或电流转换电路如图2-3(a)所示，可根据电压或电流的大小选择电阻R1和R2。(2)开关触点型信号输入电路如图2-3(b)所示,这种电路使得开关的通和断变成输出电平的高和低。第二章图2-3(a)电压或电流输入；(b)开关触点输入第二章图2-4RC低通滤波电路第二章2．滤波电路由于长线传输、电路、空间等干扰的原因，输入信号常常夹杂着各种干扰信号，这些干扰信号有时可能使读入信号出错，这就需要用滤波电路来消除干扰。图2-4是一个RC低通滤波电路。这种电路的输出信号与输入信号之间会有一个延迟，可根据需要来调整RC网络的时间常数。第二章3．保护电路为了防止因过电压、瞬态尖峰或反极性信号损坏接口电路，在开关量输入电路中，应采取适当的保护措施。图2-5和图2-6分别是几种常用的保护电路,其中，图2－5(a)和图2-5(b)分别是采用齐纳二极管和压敏电阻将瞬态尖峰干扰箝位在安全电位的保护电路。图2-6(a)和(b)分别是反极性保护和高压保护电路。第二章图2-5(a)采用齐纳二极管；(b)采用压敏电阻第二章图2-6(a)反极性保护；(b)高压保护第二章4．消除触点抖动若开关量输入信号来自机械开关或继电器触点，由于开关触点闭合及断开时，常常会发生抖动，因此，输入信号的前沿及后沿常常是非清晰信号，如图2-7所示。第二章图2-7开关或触点闭合及断开时的抖动第二章解决开关或触点的抖动问题可采用图2-8所示的双向消抖电路。双向消抖电路是由两个与非门组成RS触发器，把开关信号输入到RS触发器的一个输入端A，当抖动的第一个脉冲信号使RS触发器翻转时，D端处于高电平状态，故第一个脉冲消失后RS触发器仍保持原状态，以后的抖动所引起的数个脉冲信号对RS触发器的状态无影响，这样就消除了抖动。第二章图2-8双向消抖电路第二章5.光电隔离技术在计算机控制系统中，为了提高系统的抗干扰能力，常需将工业现场的控制对象和计算机部分在电气上隔离开来。过去一般使用脉冲变压器、继电器等完成隔离任务，而现在普遍采用光耦合器，它具有可靠性高、体积小、成本低等优点。光耦合器由发光器件和光接收器件两部分组成，它们封装在同一个外壳内，其图形符号如图2-9所示。发光二极管的作用是将电信号转换为光信号，光信号作用于光敏三极管的基极上，使光敏三极管受光导通。这样，通过电—光—电的转换，把输入侧的电信号传送到了输出侧，而输入与输出侧并无电气上的联系，这样控制对象和计算机部分便被隔离开来了。第二章图2-9光耦合器第二章光耦合器输入侧的工作电流一般为10mA左右，正常工作电压一般小于1.3V。所以光耦合器输入电路可直接用TTL电路驱动。而MOS电路不能直接驱动它，必须通过一个三极管来驱动，如图2-10所示。第二章图2-10(a)直接用TTL电路驱动；(b)MOS电路通过三极管驱动第二章光耦合器的输出可直接驱动DTL、TTL、HTL、MOS等电路器件。图2-11给出了一个用光耦合器隔离开关信号的电路图。当输入Ui为高电平时，A点为低电平，发光二极管导通发光，光敏三极管受光导通，B点为低电平，三极管V截止，输出Uo为高电平。当输入Ui为低电平时,A点为高电平，发光二极管截止，光敏三极管截止，B点为高电平，三极管V饱和导通，输出Uo为低电平。这样就将输入侧的信号传递到了输出侧。由于E1、E2两电源不共地，因此输入侧与输出侧电气上无任何联系，便被完全隔离开来。第二章由图2-11可知，通过光耦合器，还可实现电平转换。图2-11用光耦合器隔离开关信号的电路图第二章2．2．3开关量输出驱动电路在计算机控制系统中，开关量的输出常常要求有一定的驱动能力，以控制不同的装置。常用的驱动电路有以下几种：1．小功率驱动电路这类电路一般用于驱动发光二极管、LED显示器、小功率继电器等元件或装置，要求电路的驱动能力一般为10～40mA，可采用小功率的三极管或集成电路如75451、75452等来驱动。图2-12为典型的小功率驱动电路。第二章图2-12小功率驱动电路第二章图2-13中功率驱动电路第二章2．中功率驱动电路这类电路常用于驱动中功率继电器、电磁开关等装置，一般要求具有50～500mA的驱动能力，可采用达林顿复合晶体管或中功率三极管来驱动，如图2-13所示。目前常用达林顿阵列驱动器如MC1412、MC1413、MC1416等来驱动中功率负载。图2-14是MC1416的结构图及每个复合管的内部结构，它的集电极电流可达500mA，输出端耐压可达100V，特别适合于驱动中功率继电器。第二章图2-14MC1416(a)MC1416结构图；(b)复合管内部结构第二章需要指出的是，对于感性负载，在输出端必须加装克服反电动势的保护二极管。对于MC1416等，可使用内部的保护二极管。第二章3．固态继电器及其使用方法固态继电器(简写为SSR)是一种四端有源器件，其中两个低功耗输入控制端可与TTL及CMOS电平兼容，另外两个为晶闸管输出端。固态继电器分为单向直流型(DCSSR)和双向交流型(ACSSR)两种，双向交流型又有过零触发型(Z型)(P型)之分，输入电路和输出电路之间采用光电隔离，绝缘电压达2500V以上，输出端有保护电路，负载能力强。固态继电器的结构如图2-15所示。第二章图2-15(a)过零型固态继电器的结构；(b)调相型固态继电器的结构第二章调相型固态继电器又称随机开启型固态继电器，具有快速开启性能，输出端随控制信号同步导通，控制信号消失后，过零时关断。过零型固态继电器具有零电压开启、零电流关断的特点，输出端在控制信号有效并保持到过零时导通，控制信号消失后，过零时关断。固态继电器的驱动方法如图2-16所示。第二章图2-16固态继电器的驱动方法第二章2．2．4开关量输入输出通道的设计1．开关量输入输出通道设计中应考虑的问题在开关量输入输出通道的设计中，主要应考虑输入信号的拾取、转换、滤波、保护、隔离以及输出信号的驱动等问题。对于开关量输入信号的转换、滤波、保护、隔离以及开关量输出信号的驱动等，前面已有详细讨论。这里主要讨论一下开关量输入信号的拾取方式。第二章(1)开关状态型开关量输入信号的拾取：这是最常见的一种开关量输入形式，如生产设备或过程中某个开关或继电器的断开与闭合等。这种类型的开关量可通过前面已介绍的转换电路将开关的状态转换为电平的高低。(2)位置型开关量输入信号的拾取：这种类型的开关量输入信号需要通过合适的传感器来拾取，常用的有行程开关、光电装置及干簧继电器等。第二章(3)计数型开关量输入信号的拾取：这种类型的开关量输入信号也需通过合适的传感器来拾取。如用于测量转速时可使用光电对管、霍尔传感器、光电编码器等；测量位移时可使用光栅、磁栅等。其他类型的开关量输入信号还有液位、荷重的上限和下限、电流或电压的有或无等，均需通过合适的方式来拾取。第二章2．开关量输入输出通道设计实例图2-17是一种典型的开关量输入输出通道原理图。它具有16路开关量输入及16路开关量输出。输入及输出通道均采用光电隔离，输出通道采用达林顿管输出的光耦合器TIL113，可直接用于驱动中小功率继电器或其他中小功率装置。第二章图2-17开关量输入输出通道原理图第二章2.3人机接口——键盘2.3.1非编码键盘非编码键盘是由一些按键排列成的一个行、列矩阵。按键的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必