输入输出过程通道

2020/2/241第7章输入输出过程通道本章主要内容1．数字量输入输出通道及其设计2．模拟量输入通道及其设计3．模拟量输出通道及其设计2020/2/242在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理后的结果还须变换成适合于对生产进行控制的信号量。这个在计算机和生产过程之间传递和变换信息的装置称为输入输出过程通道。计算机控制系统的过程通道分为四类：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。2020/2/2431.数字量输入通道7．1数字量输入输出通道数字量输入通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）传送给计算机，简称DI通道。输入缓冲器输入调理电路地址译码器PC总线来自生产过程图7－1数字量输入通道结构数字量输入通道由信号调理电路和输入接口电路构成。DI接口电路2020/2/2441)数字量输入调理电路①小功率输入调理电路2R1RV5CS+5V1R2RS图7—2小功率输入调理电路（a）采用RC滤波电路（b）采用RS触发器从开关、继电器等接点输入信号。将接点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用RC滤波电路或RS触发电路。2020/2/245②大功率输入调理电路+5V24V1R2R3RCKF10μ图7—3大功率输入调理电路在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V或24V以上的直流电压。因为直流电平的响应快，不易产生干扰，电路又简单，因而被广泛采用。但是这种电路所带电压高，容易带有干扰，通常采用光电耦合器进行隔离。2020/2/2462）数字量输入接口数字量输入接口包括信号缓冲电路和接口地址译码。当CPU执行输入指令IN时，接口地址译码电路产生片选信号，将经过输入调理电路送来的过程状态（开关信号），通过输入缓冲器送到数据总线上，再送到CPU中。MOVDX,DI_PORT；接口地址DI_PORT→DXINAL,DX；过程状态→AL寄存器设采用PC总线，接口程序为：2020/2/2472.数字量输出通道数字量输出通道的任务是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件（如继电器或指示灯），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO通道。输出锁存器输出驱动器地址译码器去生产过程PC总线图7—4数字量输出通道结构数字量输出通道主要由输出接口电路和输出驱动电路等组成。DO接口电路DO接口电路2020/2/2481）数字量输出驱动电路输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离，二是驱动开关器件。①低电压开关信号输出1RcV2R5V1RLR2RCV图7－5低电压开关输出图7－6三极管输出驱动对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管、OC门或运放等方式输出。2020/2/249②继电器输出接口cV5V1R2RJ负载K1VT3R1-K1OP4R1CLNAC220V1VD图7－7继电器输出驱动一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为控制系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可完成从低电压直流到高电压交流的过渡。③晶闸管输出接口技术晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系统中，可作为大功率驱动器件，具有用较小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电动机调速系统、调功系统、随动系统中有着广泛的应用。2020/2/24102）数字量输出接口数字量输出(DO)接口包括输出锁存器和接口地址译码。当CPU执行输出指令OUT时，接口地址译码电路产生写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的输出端，再经输出驱动电路送到开关器件。MOVAL，DATA；DO数据→AL寄存器MOVDX，DO_PORT；接口地址DO_PORT→DXOUTDX，AL；DO数据→锁存器的输出端设采用PC总线，接口程序为：2020/2/24117．2模拟量输入通道1.模拟量输入通道的一般组成变送器信号预处理多路转换器前置放大器A/D转换器接口逻辑电路PC总线模拟输入通道采样保持器过程参数图7—8模拟量输入通道的组成结构模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、前置放大器、采样保持器、模/数转换器和接口逻辑电路等组成。其核心是模/数转换器。2020/2/24122.模拟量输入通道中常用器件和电路①信号预处理信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信号进行处理。如将4mA～20mA或0～10mA电流信号变为电压信号，将热电阻(Pt100或Cu50)的电阻信号经过桥路变为电压信号等。•无源I/V变换0～5VI1RRP0～10mAVRC图7—9无源I/V变换电路无源I/V变换可以利用一个的精密电阻，将0～10mA的电流信号转换为0～5V的电压信号。2020/2/2413•有源I/V变换VAI1R2RR4R0～10mARP3RfRC图7—10有源I/V变换电路有源I/V变换是利用有源器件运算放大器和电阻组成。利用0～10mA电流在电阻R上产生的输入电压，若取，则时，产生2V的输入电压。该电路的放大倍数为200RA10mI1f1RRA若取，，则0～10mA输入对应于0～5V的电压输出。kR0011KΩ150fR2020/2/2414②多路转换器多路转换器又称多路开关，多路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共放大器或A/D转换上。电平转化译码驱动电路XVSSVDDABC┇┅┇INHEEV0X1X7XCBAX接通0000X00001X1……0111X71×××全不通INH图7—11CD4051原理图表7—1CD4051通道选择表2020/2/2415③前置放大器IVIV11R12R13R14Rk15002501251S2S3S4S2359V152Ck104Rk106R1R5005002RV15V153Ck101A3AV151W3Rk105Rk102AV15V151234KAV15V512212212232411f0RREFV101VV154Ck102WV15OV4A131436789452019181716152825674LS14DAC121011DI4DIA/D0Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y6Y74LS138CBAG1GBWKV50D2D1D前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到转换的量程范围之内。当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，用同一增益的放大器去放大高电平和低电平的信号，就有可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出模/数转换器的输入范围。可设计可变增益放大器，图7－12可变增益前置放大器2020/2/2416④采样保持器KA2A1逻辑控制－＋INVOUTVCV＋－HC采样时，k闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，k断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT=VC保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。A1A3A2K5678CH32INININVOFFSETOV1R2R1V2V图7—14集成采样保持器LF398的原理图图7—13采样保持器的组成2020/2/2417⑤A／D转换器A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间的接口。分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，若n＝8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压。转换时间：从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成n位转换所需要的时间。mV2/V12.58A／D转换器的主要技术指标2020/2/2418线性误差：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1/2LSB、1/4LSB等。转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如0～5V，0~10V，－5V～十5V等。转换精度：绝对精度指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值；相对精度指在满量程已校准的情况下，整个转换范围内任一数字量输出所对应的模拟量输入电压的实际值与理想值之间的最大差值。转换精度用LSB的分数值来表示。2020/2/24198位A／D转换器ADC08098路模拟开关IN0VIN1VIN2VIN3VIN4VIN5VIN6VIN7V2628271234525242322ABCALE地址锁存与译码1113ccVGND12RDFVRDFV16256RT型电阻网络DAC开关树比较器SAR控制与时序A/D6107171415818192021(LSB)DO01DO2DO3DO4DO5DO6DO(MSB)DO7OE9三态输出锁存缓冲器EOCSTARTCLOCK图7－15ADC0809的原理框图及引脚2020/2/242012位A／D转换器AD574A+-+-1413121011三态输出锁存缓冲器DACSAR时钟控制逻辑10VREF987654321LOGICV8/12CS0ACR/CESTS11DO10DO6DO7DO8DO9DO2DO3DO4DO5DO1DO0DODGND2827262524232221201918171516CCVOUTREF3KAGNDK95.9K95.19K5K5IN20VIN10VOFFBIPINREFEEVCOMPDACIREFI图7—16AD574A的原理框图及引脚2020/2/2421⑥A／D转换器与计算机的接口8位A/D转换器与PC总线工业控制机接口图7－17ADC0809与PC总线工业控制机接口设8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A为输入口，端口C上半部分为输入而下半部分为输出口。ADC0809的ALE与START引脚相连接，将PC0～PC2输出的3位地址锁存入0809的地址锁存器并启动A/D转换；ADC0809的EOC同OE输入控制端相连接，当转换结束时，开放数据输出缓冲器；EOC信号还连接到8255A的C口，CPU通过查询PC7的状态而控制数据的输入过程。7PA0PA3PC2PC1PC0PC7PC8255ACLKVCCD7CBAOEEOCSTARTALECLKGNDIN7IN0+5V+5V分频接PC总线D0ADC0809REFVREFV2020/2/2422根据图7－17接口方法，采用查询方式完成8路模拟量数据采集的程序框图(假设在主程序中已完成对8255A的初始化编程)。置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置A/D(START=1)置EOC置置置置置置置置置8255APA置置8置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置置8置置置置置置置置NYNY置置置置置置图7—18用ADC0809实现8路数据采集程序流程图2020/2/2423CE、和的控制通过PC2～PC0输出适当的控制信号实现。PA3PB7PA0PB0PC7PC2PC1PC08255ACSCR/8/12AD574A接PC总线CELOGICVIN10VOUTREFOFFBIPINREFAGND0ASTS0DB7DB8DB11DBDGNDV5100Ω-5V~+5VIN20V-10V~+10V100Ω+15V-15VVCCVEE12位A/D转换器与PC总线工业控制机接口AD574片内有时钟，无需外加时钟信号;。该电路采用双极性输入方式，可对±5v或±10v模拟信号进行转换;12／控制引脚和VLOGIC相连,接+5v;8CSCR/图7-19AD574A与PC总线工业控制机接口设8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A、B和端口C上半部分规定为输入，端口C的下半部分规定为输出。A0接地，使工作于12位转换和读出方式;2020/2/2424通过图7－19硬件接口，在查询方式下，启动和读取数据的程序框图。假定已完成对8