第2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.1.2019/12/20第2章输入输出接口与过程通道•接口：–是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口与输出接口。•过程通道：–是在工业控制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，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量（数字量）输入通道、开关量输出通道(AI、AO、DI、DO)。第2章输入输出接口与过程通道.2.2019/12/20微型计算机控制系统原理图打印机显示终端磁盘驱动器软件微型计算机实时时钟操作台接口接口接口接口D\AA\D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过程通用外部设备主机及操作台过程通道检测及变送控制对象传感器变送器第2章输入输出接口与过程通道.3.2019/12/20数据缓冲、地址译码、控制逻辑微型计算机工业现场设备输出锁存器输入缓冲器输入调理输出驱动典型的开关量输入／输出通道结构图用两种状态来表示的量称为开关量,数字量的输入输出同样称为开关量。按类型分有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。2.1开关量输入输出通道第2章输入输出接口与过程通道.4.2019/12/20数字量－开关量（开关、启停、亮灭）：用“0”和“1”两个量进行描述，则二进制数码每一位都可代表一个过程状态。2.1.1数字量输入输出接口1.数字量输入接口三态门缓冲器74LS244（起缓冲作用，用来隔离输入与输出）有8路开关量输入输入控制指令：MOVDX,port；产生CS,；将片选端口地址port传送至DXINAL,DX；产生IOR信号；将端口中的信息内容输入到AL第2章输入输出接口与过程通道.5.2019/12/202.数字量输出接口锁存：状态量需保持到下一新值的出现为止8位输出锁存器74LS273根据PC总线IO写周期时序关系，利用IOW的后沿产生上升沿锁存数据数据输出控制指令MOVAL,DATAMOVDX,portOUTDX,AL；将AL中的数据输出到DX中的片选地址端口第2章输入输出接口与过程通道.6.2019/12/202.1.2数字量输入通道数字量输入通道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.7.2019/12/20•输入调理电路信号调理－把现场触点的瞬间高压、过电压、抖动等状态信号经转换、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－采用积分电路消除开关接触抖动信号AOAOOA1第2章输入输出接口与过程通道.8.2019/12/20开关量输入隔离及电平变换信号电平变换方法如图a所示。实现这种信号变换隔离的电路如图b所示。图a输入电平变换图b隔离及电平变换电路第2章输入输出接口与过程通道.9.2019/12/20大功率输入调理电路大功率系统中为了使接点工作可靠，接点两端至少要有24V以上的直流电压，干扰少，电路简单高压与低压之间－采用光电耦合器进行隔离第2章输入输出接口与过程通道.10.2019/12/202.1.3数字量输出通道1、数字量输出通道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.11.2019/12/202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。用的驱动电路有以下几种：1．小功率驱动电路驱动发光二极管、LED、小功率继电器等，电路的驱动能力10～40mA，用小功率的三极管或集成电路驱动。下图为典型的小功率驱动电路。小功率驱动电路13.3K+5V1V330Ω第2章输入输出接口与过程通道.12.2019/12/20－功率晶体管输出驱动继电器电路在功率晶体管关闭时，继电器线圈J是感性负载,会产生很高的感应电动势，续流二极管D为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.13.2019/12/202．中功率驱动电路驱动中功率继电器、电磁开关，要求50～500mA的驱动能力，用达林顿复合晶体管或中功率三极管来驱动。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。下图是MC1416的结构图及每个复合管的内部结构。BVT2VT1R27.2K3KR010.5KEC1344C4B1433C3B1522C2B1611C1B1077C7B1166C6B1255C5B98COMGND1111111R1COMa）MC1416结构图b）复合管内部结构MC1416达林顿阵列驱动器第2章输入输出接口与过程通道.14.2019/12/20－达林顿阵列输出驱动继电器电路达林顿阵列驱动器MC1416，可驱动7个继电器，带内部保护二极管，以防MC1416组件反向击穿第2章输入输出接口与过程通道.15.2019/12/203．大功率交流驱动电路固态继电器（SSR）过零检测电路可使交流电压变化到零状态附近时让电路接通，可减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。输入输出间采用光电耦合器进行隔离过零型固态继电器的结构R1～R2RLCSCRI/O接口+5V1过零检测触发电路交流电源DR1～R2RLCSCRI/O接口+5V1过零检测触发电路交流电源D第2章输入输出接口与过程通道.16.2019/12/20数字量输入输出通道应用举例第2章输入输出接口与过程通道.17.2019/12/20第2章输入输出接口与过程通道.18.2019/12/202.2模拟量输入接口技术•模拟量输入接口一般由接口电路、控制电路、模／数转换器和电流／电压（I/V）变换器等构成，其核心是模／数转换器，简称A／D。2.2.1A／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。常用的A／D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。逐次逼近式：转换时间短（几个微秒～几百个微秒），但抗干扰能力较差。双斜积分式：转换时间长（几十个毫秒～几百个毫秒），抗干扰能力较强。常用的逐次逼近式A/D换器有8位分辨率的ADC0809，12位分辨率的AD574等。常用的双斜积分式A／D转换器有3位半的MC14433，4位半的ICL7135等。第2章输入输出接口与过程通道.19.2019/12/20A／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.20.2019/12/20A／D转换器的外部特性表2.1所示各厂家的A／D转换器芯片的转换启动和转换结束信号命名。表2.1几种A／D转换器芯片的引脚对照表WRCSC芯片转换启动转换结束ADC0816（0809）STARTEOCAD570（571）B／＝0ADC0804·ADC7570START=1ADC11315CONVCMDSTATUS下降沿ADC1210AD574CE·（R／）=0DRCBUSYSCCCCSSTSINTR第2章输入输出接口与过程通道.21.2019/12/20在选择和使用A／D转换器芯片时，除满足转换速度和分辨率要求之外，要注意A／D转换器的连接特性，有以下几点：（1）A／D转换器芯片的转换启动信号是用电位启动(则需要一直保持电平有效）还是脉冲沿启动。（2）A／D转换器芯片内是否带有三态门输出锁存器（有则可直接连接计算机数据总线）来输出数字量。（3）输出数字量的形式，是二进制还是BCD码（可直接送显示器进行十进制显示）。第2章输入输出接口与过程通道.22.2019/12/208位A/D转换器ADC0809•ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。其引脚结构如图2-19所示。•（1）IN7~IN0：8条模拟量输入通道•（2）地址输入和控制线：4条•（3）数字量输出及控制线：11条•（4）电源线及其他：5条IN5D7D6D0D1D2D3D4D5Vref(+)OEGNDVccADDCADC08091109876543220141516171819131211IN3IN4IN7IN6STARTEOCCLOCKVref(-)ALEADDAADDBIN0IN1IN22827262524232221第2章输入输出接口与过程通道.23.2019/12/20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,线性误差±1/2LSB，量程5.12V第2章输入输出接口与过程通道.24.2019/12/20逐次逼近式A/D转换器的工作原理•逐次逼近式A/D转换器是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的方法，（内部将数字转换成模拟量，再与输入模拟量进行比较）逻辑框图如下图所示。-+OA模拟输入Vx数字输出启动CKDONE控制逻辑N位寄存器N位D/A转换器Vc比较器第2章输入输出接口与过程通道.25.2019/12/20从使用的角度来看，任何一种A／D转换器芯片一般具有以下输出信号线：1．转换启动线（输入）：由系统控制器发出的控制信号，此信号有效，转换开始。2．转换结束线（输出）：转换完毕后由A／D转换器发出的状态信号，由它中断或DMA传送，或作查询之用。3．模拟信号输入线：来自被转换的对象，有单通道输入与多通道输入之分。4．数字信号输出线:由A/D转换器将数字量送给CPU的数据线。数据线的根数表示A／D转换器的分辨率。第2章输入输出接口与过程通道.26.2019/12/208通道模拟开关及通道选择实现8选1操作地址锁存允许信号ALE（正脉冲）用于通道选择信号C、B、A的锁存CBA通道000VIN0001VIN1…………111VIN7第2章输入输出接口与过程通道.27.2019/12/20转换启动：START收到正脉冲，开始转换转换结束：EOC从低电平变为高电平，通知CPU读结果基准电压：VREF＋=5.12V,VREF－=0V，则量化单位q=5.12/28V=20mV,转换结果D＝VIN/q三态输出锁存缓冲器用于存放转换结果D，当输出允许信号OE为高电平时，D由输出线DO7～0上输出；OE为低电平时DO7～0为高阻态转换时序：第2章输入输出接口与过程通道.28.2019/12/2012位A／D转换器芯片AD574A引脚功能AD574为28脚双列直插式封装，引脚排列如图所示。第2章输入输出接口与过程通道.29.2019/12/2020VINMSBAGND逐位逼近寄存器(SAR)8711115VDD272625242322212019181716三态输出锁存缓冲器D7D6D5D4D3D2D1D0D11D10D9D82345628控制逻辑CS12/8A0R/CSTSECD/A转换器AD565A10V基准电源10VINREFINREFOUTBIPOFVEE+5VDGND101213149LSB时钟电路比较器+-10K5K5KAD574A结构框图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。下图为其原理结构框图.第2章输入输出接口与过程通道.30.2019/12/2010Vin、20Vin、BIPOFF：模拟电压信号输入线，BIPOFF引脚可接-5V（-5V～+5V输入信号）或-10V（-10V～+10V输入信号）。VDD、VEE：模拟电路电源输入线。AGND：模拟电路接地线。VCC：数字电路电源输入线。DGND：数字电路公共接地线。REFOUT：内部基准电源输出线。REFIN：A／D转换基准电压输入线。：转换结束输出信号线。DO0～DO11转换数据输出线，D0最低有效位LSB，D11最高有效位MSB。