第2章输入输出接口与过程通道

计算机控制技术ComputerControlledSystem中南大学信息科学与工程学院袁艳2020年1月19日中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道第二章输入输出接口与过程通道概述2.1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硬件抗干扰技术中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道概述接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。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。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，根据信息的来源和类型不同，可以分为模拟量输入/输出通道（AI/AO），数字量（或开关量）输入/输出通道（DI/DO）四种。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道输入通道又称为检测通道。一般，反映生产过程状态的各种参数(如压力、流量、温度、速度、位置等)都是随时间变化的模拟量，它们通过检测元件和变送器转换成相应的模拟电流或电压信号后，必须通过模拟量输入通道转换成相应的数字信号后才能送入计算机。而生产过程中的一些开关量、电平信号、脉冲量，以及一些数字传感器等产生的数字信号等，则可直接通过数字量输入通道送入计算机。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道输出通道又称为控制通道。由于计算机输出的控制信号是数字量，而很多生产过程的执行机构却要求提供模拟电压或电流，这就必须采用模拟量输出通道，将数字量转换成模拟电压或电流。如果执行机构只要求提供数字量(如开关量、脉冲量或其他形式的数字量)，则应采用数字量输出通道。输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道1、过程通道的组成框图如图2.1所示。2、通道与接口通道：信号变换电路；接口：主机与外设的连接电路（信号传输控制电路）。3、显示、报警、时钟的作用显示：指示运行状态；报警：报告故障状态；时钟：提供系统时钟。返回中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道图2.1计算机控制系统的过程通道显示打印报警计算机接口电路模拟量输入通道数字量输入通道生产过程模拟量输出通道数字量输出通道中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道2.1数字量输入输出通道返回2.1.1数字量输入输出接口技术2.1.2数字量输入通道2.1.3数字量输出通道中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道2.1.1数字量输入输出接口技术1、数字量数值量信号是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的。如：开关的合与开，指示灯的亮与灭，继电器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。开关量（数字量）的种类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。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道按电源分有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。常见的数字信号有：编码数字（二进制或十进制）：如成组拔码开关设置控制给定值或控制参数，用绝对编码的编码器检测位置等。开关量：如按钮或转换开关的启/停、阀门的开/闭，指示灯亮/灭等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道数字脉冲列信号：如光电脉冲编码器检测速度、晶闸管的脉冲触发器等。特点：幅值离散，可用一位或多位二进制码表示。2、数字量输入接口缓冲器－防止外设数据干扰数据总线。三态门缓冲器74LS244，用来取得设备的输入状态信息，可同时输入8个开关状态。原理：经过端口地址译码得到片选信号CS，当在执行IN指令周期时，产生IOR信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道数字量输入接口中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道实现：可用如下指令完成8个开关量的状态采集：MOVDX,portINAL,DX其中port为片选端口的地址，在初始化程序中分配。三态门缓冲器74LS244用来隔离输入和输出线路，起缓冲作用。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道3、数字量输出接口—锁存器用74LS273作为8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。保持到下次给出新的状态输出信号。原理：经过端口地址译码，得到片选信号CS，当执行OUT指令周期时，产生IOW信号。由于PC总线工业控制机的I/O端口写总线周期时序关系中，总线数据D0~D7比IOW下降沿稍晚，因此可利用IOW的后沿产生的上升沿锁存数据。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道返回经过端口地址译码，得到片选信号CS，当在执行OUT指令周期时，产生IOW信号。实现：可用下列指令完成8位开关量的输出控制。MOVAL,DATAMOVDX,portOUTDX,AL中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道注意：在实际的单片机中，一般数字量信号直接与并行口进行连接，CPU自带了缓冲器与锁存器模块，故无需另接。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道2.1.2数字量输入通道1、数字量输入通道的结构如图2.2所示。主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。2、输入调理电路作用：将信号经转换、安全保护、消除抖动、滤波、隔离处理后转换成计算机能接收的逻辑信号。(1)信号转换处理逻辑上表现为“1”或“0”，信号形式为电压、电流信号或开关的通断，幅值范围不符合数字电路的要求（标准TTL电平0~5V），需经转换处理。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道输入缓冲器输入调理电路地址译码器来自生产过程PC总线图2.2　数字量输入通道结构74LS244中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道(2)安全保护措施对可能出现的输入过电压（稳压管）、瞬间尖峰（稳压管、压敏电阻）或极性接反（二极管）的情况，采取安全保护措施。(3)消除机械抖动影响操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在通/断时会产生机械抖动，体现在计算机输入上是输入信号在0、1间多次振荡，可能导致错误控制。方法：积分电路或R-S触发器消除消除（P21图2.4所示）。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道消除抖动电路中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道双稳态消抖电路工作原理：该电路主要由两个RS触发器构成，当开关S处于常闭位置时，1端为低电平，输出端A则为高电平；此时3、4端均为高电平，输出端B则为低电平，2端被锁定。这样，开关触头即使在常闭端产生振颤，但只要不和常开端连接，B端(2端)电位不变，则输出端A始终处于高电平。同理，开关处于常开位置时也是如此。因此，该电路在开关闭合或断开时只产生一个脉冲，触点抖动现象被消除。11123＋5VS输出A输出B4中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道(4)滤波处理长线传输、电路内外部干扰，使输入信号中带有干扰信号，造成计算机的误读出错。方法：RC滤波电路等。(5)隔离处理用于现场输入设备与计算机系统间的隔离保护，保障计算机系统安全。使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。价格低廉，可靠性好。方法：光电耦合器件隔离、变压器磁隔离。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道光电耦合器又称光隔离器，能实现输入与输出之间隔离。它通过光传输信号，输入端为发光二极管，输出端为光敏三极管。当输入端有电流输入时，发光二极管会发光，输出端由于光敏效应三极管导通，产生相应的电信号。因为器件的输入和输出在电气上是绝缘的，故可以起到隔离干扰的作用。原理：光的有/无→光敏管的通/断→电位的高/低。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道光电隔离及电平转换电路当开关S闭合时，发光二极管导通发光，光耦合作用使光敏三极管导通，对应“1”状态输入；反之，开关S打开，则发光二极管不发光，光敏三极管截止，对应“0”状态输入。光敏三极管发光二极管+48VC1中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道光电耦合器的种类：一般隔离用光耦，交流用光耦，高速光耦(6N137系列)，PhotoMOS继电器(输出为MOSFET)。(6)应用实例小功率输入调理电路：如图2.4（P21）所示。大功率输入调理电路：如图2.5（P21）所示。返回中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道2.1.3数字量输出通道1、数字量输出通道的结构如图2.3所示。主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。2、输出驱动电路功能：输出锁存器输出的信号的电压等级、输出功率无法满足执行机构的要求，应进行隔离处理、电平转换和功率放大。根据被控对象控制信号的作用要求，将开关量输出信号转变为以下形式：TTL电平逻辑信号、电子无触点开关输出和继电器输出等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程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2.3　数字量输出通道结构74LS273中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道实现：(1)中小功率直流驱动电路这类电路一般用于驱动发光二极管、LED显示器、小功率继电器等元件或装置，要求电路的驱动能力为10~40mA或50~500mA。一般采用功率晶体管输出驱动继电器的电路，如P22图2.7所示。除此以外，目前还较多采用达林顿阵列输出驱动继电器的电路。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道功率晶体管输出驱动继电器因为继电器线圈是感性负载，所以继电器线圈J两端必须并联反电势保护用续流二极管VD。JR功率晶体管VD＋24V中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道P22图2.8MC1416(Motorola)是七路达林顿驱动器阵列，每个复合管的电流都在500mA以上，截止时承受100V电压。为防止MC1416组件反向击穿，可使用内部保护二极管。器件资料可登陆器件搜索查询。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道(2)大功率交流驱动电路如图2.9(P23)所示。通过固态继电器的触点控制大功率接触器的通断，完成从直流低压到交流高压，小功率到大功率的转换。输入输出间采用光电耦合器进行隔离。固态继电器（SSR,SolidStateRelay）是一种无触点功率型电子开关。它利用光电隔离技术实现了控制端（输入端）与负载回路（输出端）之间的电气隔离，同时又能控制电子开关的动作。它具有驱动功率小、噪声低、抗干扰能力强、开关速度快、体积小、寿命长、