2.1节数字量输入输出通道

GeSibo,DepartmentofAutomation1第二章输入输出接口与过程通道2.1数字量(开关量)输入和输出通道2.2A/D转换器及其接口2.3模拟量输入通道2.4D/A转换器及其接口2.5模拟量输出通道GeSibo,DepartmentofAutomation2过程通道工业系统开关量：某个开关通、断的状态。只有两种状态模拟量：时间上连续；量值在一定范围内连续模拟量输入到计算机，需要将模拟量转换为数字量即模数转换，因此该通道也称为A/D通道GeSibo,DepartmentofAutomation32.1数字量输入和输出通道2.1.1数字量输入输出接口2.1.2数字量输入通道2.1.3数字量输出通道GeSibo,DepartmentofAutomation4接口是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。过程通道是计算机和生产过程之间设置的信息传递和连接通道。简称I/O通道。过程通道中包含输入、输出接口。因此，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。概述GeSibo,DepartmentofAutomation5概述I/O通道的组成与功能I/O通道根据信息的来源和类型不同，可以分为4类：数字量(开关量)输入通道数字量(开关量)输出通道模拟量输入通道模拟量输出通道GeSibo,DepartmentofAutomation6过程输入通道是为了检测生产过程的状态而设置的检测通道。反映生产过程状态的各种参数（比如压力，流量，温度，速度，位移等）都是随时间变化的模拟量，它们可以通过检测元件和变送器转换成相应的模拟电流和电压信号，通过模拟量输入通道(AI)转换成相应的数字信号送入计算机。生产过程中的开关量、电平信号、脉冲量以及数字传感器产生的数字信号，则应通过数字量输入通道(DI)送入计算机。电平开关量DI计算机计算机AI模拟信号概述GeSibo,DepartmentofAutomation7过程输出通道是控制信号的输出通道。由于计算机输出的控制信号是数字量，而许多生产过程的执行机构要求提供模拟电压或电流，必须使用模拟量输出通道(AO)，将数字量转换为模拟电压或电流。如果执行机构要求提供数字量(开关量、电平信号、脉冲量或其他形式的数字量)，则应采用数字量输出通道(DO)。电平开关量DO计算机计算机AO对象模拟信号概述GeSibo,DepartmentofAutomation8有一类最基本的输入输出信号，称为数字量（也称为开关量）信号。比如开关的闭合和断开，灯的亮与灭，马达的启动和停止等等。这些信号的共同特点是以二进制的逻辑“0”和“1”出现的。可以把这些二进制数的每一位看成是生产过程的一个状态。计算机收集生产过程的状态信息，用三态门缓冲器74LS244取得状态信息，根据状态信息，再给出控制信号。它有8个通道可输入8个开关状态。74LS244用来隔离输入和输出，在两者之间起缓冲作用。1.数字量输入接口2.1.1数字量输入输出接口技术--数字量输入接口GeSibo,DepartmentofAutomation9工作过程：经过地址译码(即选择输入端口)，获得片选信号，当执行IN指令周期时，产生读信号，则该端口的状态信息就可以读入计算机的数据总线，置于AL寄存器中。CSIOR若读出的数据为10001000(A7A6…A1A0)，表示A3和A7通道为高电平，其余通道为低电平。典型指令：MOVDXportINALDXinportb(port);//port为片选端口地址74LS2440A1A6A7A0D1D6D7DCSIORPC总线输入状态信息数字量输入接口2.1.1数字量输入输出接口技术--数字量输入接口GeSibo,DepartmentofAutomation102.数字量输出接口对生产过程进行控制时，一般控制状态需要进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。可以用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。74LS273有8个通道可输出8个开关状态，进而驱动8个执行机构。工作过程：经过地址译码(即选择输入端口)，获得片选信号，当执行OUT指令周期时，产生写信号，进行数据锁存，并输出。CSIOW数字量输出接口74LS2730Q1Q6Q7Q0D1D6D7DCSIOWPC总线输出接口RESET2.1.1数字量输入输出接口技术--数字量输出接口GeSibo,DepartmentofAutomation11指令如下：MOVAL,DATAMOVDX,portOUTDX,ALDATA=0X10;Outportb(port,DATA);00010000A0A1A6A7...若要改变A0为1，其余位状态不变，指令应改为：Outportb(port,0x10|0x01);若要改变A4为0，其余位状态不变，指令应改为：Outportb(port,0x10&0xEF);2.1.1数字量输入输出接口技术--数字量输出接口GeSibo,DepartmentofAutomation121、数字量(开关量)输入通道的结构：数字量(开关量)输入通道由输入缓冲器（接口），信号调理电路和输入译码电路组成。输入缓冲器输入信号调理电路地址译码器生产过程状态信息PC总线开关量输入通道的典型结构示意图2.1.2数字量输入通道--结构GeSibo,DepartmentofAutomation13对于开关量来说，主要是将开关、继电器等触点的接通和断开的动作转换成TTL电平信号与计算机相连，并且要消除由于触点抖动和反跳形成的振荡信号。数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接受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，瞬时高压，过电压、接触抖动等现象。这些状态信号必须经过转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接受的逻辑信号，比如电平匹配，这些过程称为信号调理。2.信号调理电路2.1.2数字量输入通道--信号调理电路GeSibo,DepartmentofAutomation14（1）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接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上就是输入信号在变化瞬间在0和1之间多次振荡，对其如不进行适当处理就会导致计算机的误动作。下图所示为消除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，并转换成TTL电平信号与计算机相连。2.1.2数字量输入通道--信号调理电路（小功率）如图所示为一种简单的采用积分电路消除开关抖动的方法。电阻R和电容C组成一个积分电路，输出跃变发生在积分器积分到门的转折电压时刻，只要积分电路的时间常数足够大，就可以克服开关抖动引入的抖动脉冲。GeSibo,DepartmentofAutomation15R-S去抖该电路利用R-S触发的保持功能完成去抖作用的。设K键按下前处于R端，按下K键时，尽管触点在S端来回跳动，只要该触点不会到R-S触发器的另一输入端R，输出端Q为“1”的状态就保持不变。同样放开按键时，触点由S端转向R端，尽管按键放开时触点在R端回来跳动，只要不回到S端，输出端Q为“0”的状态就保持不变。从而有效的消除了抖动引起的脉冲干扰，保证每一次按一下按键都有一个良好的单脉冲波形。这是去抖动最好的硬件电路，但只适合用于双触点按键。2.1.2数字量输入通道--信号调理电路（小功率）GeSibo,DepartmentofAutomation16(2)隔离处理（大功率）在工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入数字量电压本身不高，也可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障系统安全。光电耦合器就是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于它价格低廉，可靠性好，被广泛地应用于现场输入设备与计算机系统之间的隔离保护。光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图a所示。此外，利用光电耦合器还可以起到电平转换的作用，如图b所示。2.1.2数字量输入通道--信号调理电路GeSibo,DepartmentofAutomation17(b)适于非TTL电路输入的隔离电路图(a)光电耦合器电路图2.1.2数字量输入通道--信号调理电路GeSibo,DepartmentofAutomation181、数字量(开关量)输出通道的结构：数字量(开关量)输出通道由输出锁存器（接口），输出驱动电路和输出地址译码电路组成。其中输出锁存器用于锁存CPU输出的数据；光电隔离器是为了保护计算机安全可靠地工作，将CPU与驱动电路的强电及干扰信号隔离；输出驱动器用以驱动继电器或执行机构的功率放大器。输出锁存器输出驱动电路地址译码器生产过程PC总线光电隔离器2.1.3数字量输出通道--结构GeSibo,DepartmentofAutomation19数字量输出的信号调理主要是进行功率放大，使控制信号具有足够的功率去驱动执行机构或其它负载。(1)小功率直流驱动电路对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、OC门或运算放大器等方式输出，下图给出的几种电路一般仅能够提供几十毫安级的输出驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。低压小功率开关量输出电路图2.1.3数字量输出通道--数字量输出的信号调理GeSibo,DepartmentofAutomation20(2)继电器输出技术继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大，即利用继电器作为计算机输出的第一级执行机构，通过继电器的触点控制大功率接触器的通断，从而完成从直流低压到交流高压，从小功率到大功率的转换。下图给出了两种继电器式开关量输出电路。继电器式开关量输出电路图2.1.3数字量输出通道－－数字量输出的信号调理GeSibo,DepartmentofAutomation212.1.3数字量输出通道－－数字量输出的信号调理(3)达林顿阵列输出驱动继电器电路GeSibo,DepartmentofAutomation22(4)大功率交流驱动电路对于交流供电的负载，其开关量的输出控制可用固态继电器来实现。固态继电器(SolidStateRelay，简称SSR)，是一种无触点通断型功率电子开关，如下图所示。固态继电器内部结构示意图2.1.3数字量输出通道－－数字量输出的信号调理GeSibo,DepartmentofAutomation23交流型的SSR的接交流负载图2.1.3数字量输出通道－－数字量输出的信号调理下图给出固态继电器的两种应用电路。其中图(a)为TTL驱动，图(b)为CMOS驱动。GeSibo,DepartmentofAutomation24GeSibo,DepartmentofAutomation25•人-机界面与机-机界面用户人-机界面采集卡工业系统机-机界面数据通道端子板（电气接口）人通过键盘、鼠标等向计算机输入信息；计算机通过显示器输出信息本节小结GeSibo,DepartmentofAutomation26•CPU访问设备的接口的方式：地址访问•采集卡：集多通道于一体，多个I/O接口靠地址来进行识别。•板卡端口地址＝基地址＋偏移量地址•本板卡基地址＝0x220采集卡的操作寄存器读写端口读写寄存器的地址＝基地址Base＋偏移量offset本节小结GeSibo,DepartmentofAutomation27本节小结--开关量通道的读写控制过程采集卡inportb(port)DI/DO电路板DO_1DO_2DO_3DO_4DO_5DO_6DI_1DI_2DI_3DI_4DI_5DI_6＋5VGNDoutportb(port,0x15)0x1500010101110110110xDBGeSibo,DepartmentofAutomation28【例】PCL－812PG数据采集卡•16路DI•16路DO•16路单端（8路差动）模拟输入通道AD•2路模拟输出通道DA•12位数据采集卡本节小结--开关量通道的读写控制过程GeSibo,DepartmentofAutomation29本节小