第二章 输入输出接口与过程通道

第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院1/932.1数字量输入输出通道2.2A/D转换器及其接口技术2.3模拟量输入通道2.4D/A转换器及其接口技术2.5模拟量输出通道2.6硬件抗干扰技术第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院2/93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。第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院3/93基本概念：接口：计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入和输出接口。接口技术：研究计算机与外部设备交换信息的技术。过程通道：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）、模拟量输出通道（AO）、数字量/开关量输入通道（DI）、数字量/开关量输出通道（DO）。数字量－开关量：用“0”和“1”两个量进行描述。第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院4/932.1.1数字量输入输出接口技术1、数字量输入接口：三态缓冲器74LS244接口电路如下完成取数指令如下：MOVDX，portINAL，DX第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院5/9374LS244实例接线如下：完成取数指令为：MOVDX，00HINAL，DX第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院6/932、数字量输出接口：锁存器74LS273的接口电路图如下，利用IOW的上升沿锁存。完成输出指令为：MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院7/9374LS273实例接线如下：完成输出指令为：MOVAL，DATAMOVDX，00HOUTDX，AL第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院8/932.1.2数字量输入通道1、数字量输入通道的结构输入调理电路输入缓冲器地址译码器生产过程PC总线第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院9/932、输入调理电路－把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成计算机能够接收的逻辑信号。•小功率输入调理电路－开关去抖电路：AOOA1积分电路第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院10/93RS触发器去抖第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院11/93•大功率输入调理电路－采用光电隔离：第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院12/932.1.3数字量输出通道1、数字量输出通道的结构输出驱动器输出锁存器地址译码器生产过程PC总线第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院13/932、输出驱动电路•小功率直流驱动电路－功率晶体管输出驱动继电器电路续流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器线圈产生的反电动势提供旁路通道，保护晶体管。第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院14/93•小功率直流驱动电路－达林顿阵列输出驱动继电器电路MC1416，7路驱动，带保护二极管第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院15/93•大功率直流驱动电路－固态继电器。零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院16/931、A／D转换器主要参数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。2.2A/D转换器及接口技术第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院17/93常用A/D转换方式：－逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比较）ADC0809（8位），AD574（12位）－双斜积分型：转换时间长，抗扰性好（积分）MC14433（11位），ICL7135（14位）－全并行比较型（Flash型）：采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高。－分级型：减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减小电路规模，保持较高速度。－Σ-Δ型（过采样转换器）：高速1bitDAC+数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院18/93A／D转换器的主要技术指标:转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。即数字量的最低有效位（LSB）对应于满量程输入的l／2n。若n=8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压为：5.12V／28＝20mV。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或±1LSB。量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V～+5V，0～10V，0～5V等。对基准电源的要求：是否要外接精密基准电源。第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院19/932.2.1A/D转换器1、8位A/D转换器ADC0809－带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器－转换时间100us,误差±1/2LSB第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院20/93－8通道模拟开关及通道选择：地址锁存信号ALE有效时（1）；CBA通道000VIN0001VIN1…………111VIN7－转换启动：START收到正脉冲－转换结束：EOC从低电平变为高电平－基准电压：VREF(+)=5.12V,VREF(-)=0V第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院21/93－转换时序第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院22/932、12位A/D转换器AD574A－单通道12位逐次逼近A/D转换器－转换时间25us,误差±1/2LSB，单极性或双极性输入，量程10V或20V。第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院23/93－单、双极性应用单极性：BIPOFF接0V双极性：BIPOFF接10V第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院24/93－转换结果输出：引脚12/8=1：D11-D0并行输出；引脚12/8=0：D11-D8和D7-D0分时输出；－控制逻辑无操作XXX1X无操作XXXX0输出低4位数字10101输出高8位数字00101输出12位数字X1101启动8位转换10001启动12位转换0X001操作功能A012/8R/CCSCE第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院25/93－转换进行：STS为高电平－转换结束：STS从高电平转为低电平－转换时序：启动第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院26/93－转换时序：读第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院27/932.2.2A/D转换接口技术1、ADC0809与8255A接口－8255A的A口工作方式0。A口为数据输入端－C口上半部分为输入，下半部分为输出。PC0-PC2－通道地址ABCPC3－ALE和START，启动转换PC7－OE和EOC，检测转换结束－8255A系统地址2C0H~2C3H。第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院28/93－接口电路图如下：第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院29/93ADC0809PROCNEARMOVCX,8；循环次数CLD；DI自动增量MOVBL,00H；模拟通道地址LEADI,DATABUF；字串存储地址NEXTA:MOVDX,02C2HMOVAL,BLOUTDX,ALINCDXMOVAL,00000111B；输出启动信号，上升沿锁存地址NOPNOPNOPMOVAL,00000110B；下降沿,形成ALE,START脉冲对应采集程序（PC汇编）为：第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院30/93OUTDX,ALDECDXNOSC:INAL,DX；检测转换结束信号TESTAL,80HJNZNOSC；EOC=1,则等待，检测EOC下降沿NOEOC:INAL,DX;TESTAL,80HJZNOEOC；EOC=0,则等待，检测EOC上升沿，；转换结束MOVDX,02C0H；读转换结果INAL,DXSTOSDATABUF；保存结果INCBL；修改模拟通道地址LOOPNEXTA；CX-1;RETADC0809ENDP对应采集程序（PC汇编）为（续）：第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院31/932、AD574与8255A接口－AD574的12/8接＋5V，A0接地，工作于12位转换和读出方式。－8255A的A口、B口工作方式0，数据输入端。－C口上半部分为输入，下半部分为输出。PC0-PC2－R/C，CS，CE；PC7－STS，检测转换结束。－8255A系统地址2C0H~2C3H。第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院32/93对应采集程序（PC汇编）为：MOVDX,02C2H;令CS,R/C为低电平MOVAL,00HOUTDX,ALNOPNOPMOVAL,04H;令CE=1,启动转换OUTDX,ALNOPNOPMOVAL,03H;令CE=0，CS,R/C＝1，;启动完毕OUTDX,ALPOLLING:INAL,DX;查询STS状态TESTAL,80HJNZPOLLING;STS=1则等待，检测下降沿;（转换结束）MOVAL,01H;令CS＝0,R/C＝1,准备读第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院33/93对应采集程序（PC汇编）为（续）：OUTDX,ALNOPMOVAL,05H;令CE=1,允许读出OUTDX,ALMOVDX,02C0HINAL,DX;读高4位DB11-DB8;ANDAL,0FHMOVBH,AL;存高4位INCDXINAL,DX;读低8位DB7-DB0MOVBL,ALINCDXMOVAL,03HOUTDX,AL;结束读出操作第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院34/932.3模拟量输入通道模拟量输入通道－把模拟信号转换为二进制数字信号，送入计算机中。模拟信号传输－0～10mA或4～20mA电流传输。第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院35/932.3.1模拟量输入通道结构第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院36/932.3.2I/V变换•电流输出仪表DDZ-Ⅱ：0～10mA仪表DDZ-Ⅲ,DDZ-S：4～20mA•无源I/V变换（利用无源器件完成）0～10mA:R1100ΩR2500Ω0～5V输出4～20mA:R1100ΩR2250Ω1～5V输出第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院37/93•有源I/V变换（利用有源器件完成）同相放大器倍数A=1+R4/R30～10mA:R1＝200ΩR3＝100kΩR4＝150kΩ0～5V输出4～20mA:R1＝200ΩR3＝100kΩR4＝25kΩ1～5V输出第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院38/932.3.3多路转换器•多路开关－理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。•举例：CD4051－8通道开关INH禁止输入第2章输入输出接口与过程通道计算机控制系统四川大学电气信息学院39/932.3.4采样、量化及常用的采样保持器•信号的采样－采样过程：以周期时间间隔T，把时间与幅值连续的模拟信号转变为连串脉冲输出信号。－τ