计算机控制技术第三版第3章

第3章输入输出接口与信息通道技术3.1数字量输入输出通道3.2模拟量输入通道3.3模拟量输出通道3.4人机交互通道3.1数字量输入输出通道3.1.1数字量输入输出接口技术3.1.2数字量输入通道3.1.3数字量输出通道3.1.1数字量输入输出接口技术数字量（开关量）信号主要包括：⑴开关的闭合与断开；⑵继电器或接触器的吸合与释放；⑶马达的启动与停止；⑷阀门的打开与关闭；数字量信号的共同特征：⑴信号只有两个状态，“导通”和“截止”；⑵需要经过电路变换将两个状态用二进制的逻辑“1”和“0”代表。IOR对生产过程进行控制，要收集生产过程的各种状态信息，根据状态信息，再输出控制量。采用三态门缓冲器74LS244可取得状态信息，与PC机的接口电路如图3.1所示，经过端口地址译码，得到片选信号。当CPU执行IN指令时，产生信号IORCS074LS244直通，被测的状态信息可通过三态门送到计算机的数据总线。三态门缓冲器74LS244隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。有八个通道,可同时输入8个开关状态。1.数字量输入接口设片选地址为PORT，读取输入状态变量的程序如下：MOVDX,PORT；INAL,DX；图3.1数字量输入接口IOWIOW____CS对生产过程进行控制时，控制状态需要保持，直到下次给出新值为止，这时输出就要锁存。可用锁存器74LS273作8位输出口，对输出信号状态进行锁存。⒉数字量输出接口计算机的I/O端口写总线周期时序关系中，总线数据D0~D7比前沿（下降沿）稍晚，因此在图3.2的电路中，利用的后沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生_______IOW信号，使IOWCS0设片选端口地址为PORT，数据输出控制的程序如下MOVAL，DATAMOVDX，PORTOUTDX，AL图3.2数字量输出接口3.1.2数字量输入通道⒈数字量输入通道的结构数字量输入通道主要由缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。图3.3数字量输入通道结构⒉输入调理电路数字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。状态信号的形式：可能是电压、电流、开关的触点，因此会引起瞬时高压、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。(1)小功率输入调理电路将开关、继电器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，通常采用积分电路和R-S触发器电路来消除这种振荡。（a）采用积分电路（b）采用R-S触发器图3.4小功率输入调理电路(2)大功率输入调理电路大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的触点输入信号。为了使触点工作可靠，触点两端要加24V以上的直流电压。由于这种电路所带电压高，又来自工业现场，有可能带有干扰信号，因而通常采用光电耦合器进行隔离。图3.5大功率信号输入电路3.1.3数字量输出通道⒈数字量输出通道的结构数字量输出通道主要由输出锁存器，输出驱动电路、输出地址译码电路等组成。图3.6数字量输出通道结构⒉输出驱动电路⑴小功率直流驱动电路驱动直流电磁阀、直流继电器、发光二极管、小型直流电动机等低压电器，开关量控制输出可采用三极管、OC门、达林顿管或运放等方式输出。图3.7继电器驱动电路(2)大功率驱动电路大功率驱动场合可以采用固态继电器(SSR)、大功率晶体管IGBT、MOSFET等实现。固态继电器是一种四端有源器件，根据输出的控制信号分为直流固态继电器和交流固态继电器。图3.8固态继电器的驱动电路3.2模拟量输入通道3.2.1模拟量输入通道的组成3.2.2信号调理3.2.3多路转换器3.2.4采样保持器3.2.5前置放大器3.2.6A/D转换器3.2.7A/D转换器接口设计3.2.8模拟量输入通道设计3.2.1模拟量输入通道的组成模拟量输入通道根据应用要求不同，可以有不同的结构形式。模拟量输入通道一般由信号调理电路、多路转换器、前置放大器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。其核心是A/D转换器。传感器或变送器信号调理多路开关采样保持器A/D转换器接口与控制过程参数PC总线前置放大………模拟量输入通道图3.9模拟量输入通道组成结构图3.2.2信号调理⒈I/V变换变送器输出的信号为0～10mA或4～20mA的统一信号，电流信号经过长距离传输到计算机接口电路，需要经过I/V变换成电压信号后才能进行A/D转换进而被计算机处理。(1)无源I/V变换无源I/V变换主要利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施。(2)有源I/V变换有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成。当I为4～20mA输入电流信号，取R1=100Ω，R2=250Ω，输出电压U为1～5V。当I为0～10mA输入电流信号，取R1=100Ω，R2=500Ω，输出电压V为0～5V；图3.10无源I/V变换3.11有源I/V变换VR4A=1+R3当I为0～10mA输入电流信号，取R1=100Ω，R3=10KΩ，R4为47KΩ的精密电位器，调整R4的阻值为40KΩ。输出电压V为0～5V；当I为4～20mA输入电流信号，取R1=100Ω，R3=10KΩ，R4为47KΩ的精密电位器，调整R4的阻值为15KΩ。输出电压V1～5V。⒉电桥电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路，分交流和直流电桥二种型式。由于电桥具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点，广泛应用于压力、温度等信号的测量。R1R2R3RPEABVout图3.12热电阻测温电桥测量电路3.2.3多路转换器多路转换器（多路开关），是用来进行模拟电压信号切换的关键元件。利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到前置放大器或A/D转换器上。为了提高过程参数的测量精度，对多路开关的要求较高。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，接通时的接通电阻为零，切换速度快，噪音小、寿命长、工作可靠。常用的多路开关有CD4051、AD7501、MAX355、LF13508等CD4051是单端8通道多路模拟开关，带有二进制3-8译码器，可双向工作。CD4051输入电平范围较大，数字控制信号逻辑“1”的电平可选为3～15V，模拟量可达15VP-P图3.13CD4051的原理电路图CD4051的真值表3.2.4前置放大器前置放大器的功能是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内。为了能适应多种小信号的放大需求，因而需要设计可变增益放大器。可编程增益放大器有组合PGA和集成PGA两种。⒈组合PGA组合型PGA一般由运算放大器、仪器放大器或隔离型放大器再加上一些其他附加电路组合而成。其原理是通过程序调整多路转换开关接通的反馈电阻的数值，从而调整放大器的放大倍数。+-+5V-5VR1COP-27131415121524权电阻R3～R10R2CD40513101161678+5V-5V9ViVout程控地址端⒉集成PGA202／203放大器PGA202／203放大器是一个单片增益可控的双端输入仪用放大器。主要由前端与逻辑电路、基本差分放大电路和高通滤波电路等组成，具有失调电压调整、滤波器输出端、反馈输出和参考输出端，能够灵活组成各类放大电路。由于采用激光修正技术，使增益失调无需用外接元件调整。该器件具有可控增益范围宽（1，2，4和8）、非线性误差小（不大于0.012％）、偏置电流小（不大于50PA）、完全兼容CMOS／TTL逻辑电平等优点，因而得到了广泛应用。3.2.5采样保持器在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起误差。一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化，能够完成上述任务的器件叫采样保持器(Sample/Ho1d)，简称S/H。采样保持器有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。采样保持器的主要作用是：(1)保持采样信号不变，以便完成A/D转换；(2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；(3)减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/389等。图3.16LF198/298/398原理图及引脚(a)LF198/298/398原理图(b)LF198/298/398的引脚排列3.2.6常用的A/D转换器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，是模拟输入通道的核心部件。A/D转换方法有逐次逼近式、双积分式、并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈式等。常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0801，ADC0809等，12位分辨率的AD574A等；常用的双积分式A/D转换器有3位半（相当于2进制11位分辨率）的MC14433，4位半（相当于2进制14位分辨率）的ICL7135等。⒈8位A/D转换器ADC0809ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装。⒉12位A/D转换器AD574AAD574A/1764是AD公司生产的12位逐次逼近型ADC。⑴AD574A的技术指标分辨率为12位；转换时间15～35μs；内部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，可以和计算机直接接口；数字量输出位数可设定为8位，也可设定为12位；输入模拟电压既可以单极性也可以双极性；单极性输入时：0V～+10V或0V～+20V；双极性输入时：5V～10V。图3.18AD574的原理框图⑶AD574A引脚功能说明AD574A采用28引脚双列直插式封装。DB0～DB11：12位数据输出，分三组，均带三态输出缓冲器。VCC：正电源+15VVEE：负电源-15VAGND：模拟地DGND：数字地CE：使能信号，高电平有效。CE、必须同时有效，AD574A才工作，否则处于禁止状态。CS：片选信号/RC：读/转换信号A0：转换和读字节选择信号。STS：转换状态信号。转换开始STS=1；转换结束STS=0。10VIN：模拟信号输入。单极性0～10V，双极性±5V20VIN：模拟信号输入。单极性0～20V，双极性±10VREFIN：参考输入REFOUT：参考输出BIPOFF：双极性偏置12/8：数据格式选择端3.2.7A/D转换器接口设计A/D转换器接口的设计包括硬件连接设计和软件程序设计两部分。硬件设计主要完成模拟量输入信号的连接、数字量输出引脚的连接、参考电平的连接、控制信号的连接等。软件设计主要完成对控制信号的编程，如：启动信号、转换结束信号以及转换结果的读出等。1．硬件设计(1)模拟量输入信号的连接(2)数字量输出引脚的连接(3)参考电平的连接(4)时钟的选择(5)A/D转换器的启动方式(6)转换结束信号的处理①中断方式②查询方式③转换信号悬空2．软件设计一次A/D转换过程的软件设计包括：启动A/D转换，转换结果读出。(1)启动A/D转换(2)转换结果的读出①中断方式②查询方式③软件延时方法3.ADC0809与PC工业控制机接口D0D1D2++图3.19ADC0809与PC总线的连接4．AD574A与PC工业控制机接口图3.20AD574与ISA总线的连接3.2.8模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计，首先要确定使用对象和性能指标，然后选用A/D转换器、接口电路及转换通道的结构。A/D转换器位数的选择取决于系统的测试精度，通常要比传感器测量精度要求的最低分辨率高一位。设计某A/D转换板的技术