计算机控制技术输入输出接口与过程通道

YANGZHOUUNIVERSITY转换器及其接口技术模拟量输入通道D/A转换器及其接口技术模拟量输出通道YANGZHOUUNIVERSITY输入输出接口与过程通道什么是过程通道？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。包括:模拟量输入通道(AI—AnalogInputchannel)模拟量输出通道(AO—AnalogOutputchannel)数字量(开关量)输入通道(DI—DigitalInputchannel)数字量(开关量)输出通道(DO—DigitalOutputchannel)在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口。YANGZHOUUNIVERSITY多路开关反多路开关开关量输入开关量输出执行机构生产对象通用外部设备主机及操作台外部通道接口检测及变送控制对象传感器变送器计算机控制系统原理图AIAODIDOInterfaceYANGZHOUUNIVERSITY接口(电路)---是计算机与外部设备交换信息的桥梁。输入接口：外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机。输出接口：计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。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。什么是接口？简单接口电路,接口芯片并行,串行地址安排速度匹配:查询,中断,定时传送,DMAYANGZHOUUNIVERSITY端口与地址分配1.I/O端口及I/O操作（1）数据端口(CPU与外设交换数据)（2）状态端口（外部设备忙？准备好？错误？）（3）命令端口（方式字、控制字）2.I/O端口编址方式（1）统一编址（将端口看成特殊存储单元）（2）独立编址3.I/O端口地址分配（1）系统板上的I/O接口（2）扩展卡上的I/O接口4.I/O端口地址选用原则2.1总线扩展技术YANGZHOUUNIVERSITY地址译码技术三种译码方式：（1）线选法（2）全译码法（3）部分译码2.1总线扩展技术YANGZHOUUNIVERSITY端口地址译码电路信号（地址、控制信号AEN、IOR、IOW等组合作为地址译码信号）3.I/O端口地址译码方法及电路形式（1）固定地址译码YANGZHOUUNIVERSITY端口地址译码方法及电路形式（2）开关选择译码YANGZHOUUNIVERSITY设计过程通道时要考虑信息交换的效率、信息交换的形式等。①速度的匹配（快速的CPU与慢速的外设）②CPU与外设的同步与通信联络（何时可以发送数据及接收数据）③输入/输出信号形式转换（A/D、D/A）④信号的放大、采样、保持、电平转换、整形、驱动等设计过程通道的注意点：YANGZHOUUNIVERSITY数字量（开关量）的概念开关的开－断触点的闭－合电平的高－低电机的启－停阀门的开－闭指示灯的亮－灭等等特点：状态仅有两个，可用一位二进制数码表示YANGZHOUUNIVERSITY按类型分:电平式和触点式两种电平式为高电平或低电平触点式为触点闭合或触点断开按电源分:有源和无源两种有源即直接提供高、低电平无源即提供物理触点，或感应器件数字量（开关量）的种类YANGZHOUUNIVERSITY数字量输入输出接口技术对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量。这里用三态缓冲器74LS244取得状态信息YANGZHOUUNIVERSITY个开关量采集：MOVDX,portINAL,DX在执行IN指令时，经过端口地址译码，得到片选信号/CS，同时产生信号/IOR，打开缓冲器，外部状态经总线到达CPU。G=’0’Y=AG=’1’Y为高阻态1简单数字量输入接口特点：简单，只能用无条件传送方式工作YANGZHOUUNIVERSITY对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就需要锁存。可用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。这是简单数字量输出接口。1简单数字量输出接口YANGZHOUUNIVERSITY位开关量的输出控制。MOVAL,DATAMOVDX,portOUTDX,AL图中，273的CLK上升沿锁存数据。在执行OUT指令时,经过端口地址译码，得到片选信号/CS，同时产生/IOW信号。两个信号都变低时，CLK也变低，Q=D,然后/IOW变高，CLK上升沿锁存输出。简单数字量输出接口CLK锁存特点：简单，只能用无条件传送方式工作YANGZHOUUNIVERSITY数字量输入通道数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲器、输入地址译码电路等组成，如图所示。输入缓冲器即前面介绍过的数字量输入接口。数字量输入通道的结构1.数字量输入通道结构YANGZHOUUNIVERSITY输入调理电路数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。为了将外部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够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。YANGZHOUUNIVERSITY（1）小功率输入调理电路图(a)所示为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法。图(b)所示为用R-S触发器消除开关弹跳的方法。开关、继电器等触点状态（接通和断开），需转换成TTL电平信号才能与计算机接口相连。为了清除开关接点机械抖动而产生的振荡信号，一般都应用去抖电路来消除这种振荡。YANGZHOUUNIVERSITY在大功率系统中，需要从电磁开关等大功率电气开关的接点输入信号，检查开关的状态。这种情况下，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加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。这种电路，所用电压高，所以高压与低压之间，要用光电耦合器进行隔离，然后接入计算机接口，如图所示。（2）大功率输入调理电路YANGZHOUUNIVERSITY，它由发光二极管和光敏三极管组成，如图（a）所示。继电器耦合式信号处理电路如图（b）所示。当开关（接点）S断开时，继电器K线圈不通电，其接点断开，“非”门输入为高电平，输出u0为低电平；当开关（接点）S接通时，继电器励磁，其结果输出u0变为高电平。（3）隔离式处理电路YANGZHOUUNIVERSITY数字量输出通道数字量输出通道主要由输出驱动电路、输出锁存器、输出口地址译码电路等组成，如图所示。输出锁存器即前面介绍过的数字量输出接口，或用可编程接口芯片构成的输出接口。1.数字量输出通道结构YANGZHOUUNIVERSITY采用功率晶体管输出驱动继电器的电路如图所示。因负载呈电感性，所以晶体管集电极必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。2.输出驱动电路（1）功率晶体管驱动YANGZHOUUNIVERSITY是达林顿阵列驱动器，它内含7个达林顿复合管，每个复合管的电流都在500mA以上，截止时承受100V电压。为了防止MCl416组件反向击穿，可使用内部保护二极管。左图给出了MCl416内部电路原理图和使用方法。（2）达林顿阵列输出驱动YANGZHOUUNIVERSITY固态继电器(SSR)是一种四端有源器件，上图为固态继电器的结构和使用方法。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。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。（3）固态继电器驱动YANGZHOUUNIVERSITY（4）光电隔离驱动图（a）所示光电隔离式驱动电路，它输出的是电平信号；图（b）所示光电隔离与中间继电器（或干簧继电器）式驱动电路，它输出接点信号（称空接点），用以需要触点控制的回路。图（a）和（b）中设置反相器B及与非门A的目的，一是驱动发光二极管，因并行口带负载能力有限。二是采用与非门后要同时满足两个条件才能使J动作，增加了抗干扰能力。YANGZHOUUNIVERSITY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YANGZHOUUNIVERSITY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，DXYANGZHOUUNIVERSITY模拟量输入通道组成模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。（I/V变换），多路转换开关,(前置放大器),采样保持器,A/D转换器，接口控制电路等YANGZHOUUNIVERSITY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-不平衡电桥热电阻测量电桥热电阻三线制接线图YANGZHOUUNIVERSITY变换（2）信号放大电路(1)基于ILC7650的前置放大电路ILC7650是差分放大电路，能自校零，输入电阻为1012欧姆，共模抑制比为130db，增益K＝1～500。YANGZHOUUNIVERSITY变换(2)程控增益放大器为了在整个测量范围内获取