第2章 过程输入输出通道技术

2/2/2020计算机控制技术1第2章输入输出接口与过程通道2.1输入输出接口及过程通道概述2.2数字量输入通道2.3数字量输出通道2.4模拟量输入通道2.5模拟量输出通道2.6系统的硬件抗干扰技术本章小结2/2/2020计算机控制技术22.1过程输入输出通道概述接口：是计算机与外围设备交换信息的桥梁过程输入输出通道：微机与生产过程之间信号传递与转换的过程通道。包括模拟量和开关量输入输出通道。模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温度、压力、流量速度、液位等），转换为数字信号送给计算机。模拟量输出通道则把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制。开关量输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号和脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给计算机。开关量输出通道把计算机的控制信号送给那些接受开关信号的执行机构和显示、指示装置：如两位阀门、指示灯、步进电机及继电器灯装置。2/2/2020计算机控制技术32.2数字量输入通道（DI）数字量输入接口电路：把现场的各种开关信号变成计算机内部处理的标准信号。数字量（开关量）信号包括：开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触器的吸合与释放、马达的启动和停止、可控硅的通和断，等等。这些信号的共同特征是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的，所以把这类信号统称为数字信号。本节内容包含：一、数字量输入通道的结构二、数字量输入调理电路三、数字量输入接口电路2/2/2020计算机控制技术4输入调理电路输入缓冲器地址译码器生产过程PC总线一、数字量输入通道的结构数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路组成。其结构如下：2/2/2020计算机控制技术5二、输入调理电路数字量（开关量）输入通道的基本功能就是接受外部装置或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，必然引起瞬时高压、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受的逻辑信号，这些功能称为信号调理。2/2/2020计算机控制技术61、小功率输入信号调理电路将接点的接通和断开动作，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，一般应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。下图是一种简单的采用积分电路消除开关抖动的方法。AOA2O2O1A12/2/2020计算机控制技术72、大功率输入信号调理电路在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。由于大功率开关电路采用较高的直流电源，在输入开关状态信号时可能对计算机控制系统带来干扰和破坏，故需要将这类开关信号经光电隔离后才能与计算机相连，以确保计算机正常运行。这种情况下，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压。2/2/2020计算机控制技术8常见开关量输入接口电路1.直流输入接口电路：见下图2/2/2020计算机控制技术92.交流输入接口电路：见下图2/2/2020计算机控制技术103.交、直流输入接口电路：2/2/2020计算机控制技术11三、数字量输入接口技术1、输入接口元件数字量输入接口元件常用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。输入接口74LS2441A11A81A71A61A51A41A31A21Y11Y81Y71Y61Y51Y41Y31Y2D7D6D5D4D3D2D1D02G1GCSIORPC总线特点：74LS244共有8个通道，可输入8个开关状态。作用：74LS244可用来隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。2/2/2020计算机控制技术122、数字量输入接口经过端口地址译码，得到片选信号CS，且在执行IN指令时，产生IOR信号，则被测的状态信息通过输入接口送到PC总线的数据线上，然后装入AL寄存器。2/2/2020计算机控制技术13（2）数字量输入接口完成取数的指令：MOVDX,port地址送DXINAL,DX从端口读数，送AL2/2/2020计算机控制技术142.3数字量输出通道(DO)数字量输出通道：把计算机内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。本节内容包含：一、数字量输出通道的结构二、数字量输出驱动电路三、数字量输出接口电路2/2/2020计算机控制技术15一、数字量输出通道的结构组织量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路组成。输出驱动器输出锁存器地址译码器生产过程PC总线2/2/2020计算机控制技术16二、输出驱动电路(drivecircuitofoutput)要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。根据生产过程开关器件功率和工作电压的不同，可有多种数字量放大电路的构成方式。如：功率晶体管、晶闸管、大功率场效应管和继电器。在开关信号从输出缓冲器到驱动电路之前，往往要对其进行隔离，以避免现场设备的开关和起停干扰计算机控制系统或引入强电进系统。2/2/2020计算机控制技术171、输出接口光电隔离(photoelectricityisolating)在计算机控制系统中，输出开关量大部分都是TTL或CMOS电平，输出电流较小，一般不能直接驱动发光二极管，所以通常会加驱动电路，如7406、7407，或者加一级驱动三极管。2/2/2020计算机控制技术18为了保证输入与输出端在电气上隔离，两端的电源必须独立。如图中VDD、VCC。工作原理：在上图中，当开关量输出端PA0输出高电平时，经反相驱动电路后变为低电平，使发光二极管有电流通过并发光，光线使得光敏三极管导通，从而在集电极上产生输出电压UO，该电压便可以用来控制外部电路.2/2/2020计算机控制技术19（1）晶体管输出接口电路：只能带直流负载2、三种接口输出电路2/2/2020计算机控制技术20（2）晶闸管输出接口电路：只能带交流负载2/2/2020计算机控制技术21（3）继电器输出接口电路：交直流负载均可带2/2/2020计算机控制技术223、继电器(relay)输出驱动电路（1）触点式继电器输出继电器是电器控制中常用控制器件，由线圈和触点（常开和常闭）构成。原理：当线圈通电时，由于磁场作用，使开关触点闭合或断开，线圈不通电时，开关触点断开或闭合。2/2/2020计算机控制技术23工作原理：当开关量输出端PA0输出高电平时，经反相驱动器7406变为低电平，发光二极管发光，从而光敏三极管导通，使得晶体管VT导通，故使继电器K的线圈通电，继电器的触点闭合，使得负载RL与220V电源接通。反之则断开。图中二极管VD保护晶体管VT不被击穿。2/2/2020计算机控制技术24分析：当继电器K吸合时，二极管VD截至，电路正常工作。当继电器K释放时，由于继电器线圈电感的存在，因而具有储存有电能，而此时晶体管VT截至，故在线圈两端产生较高的感应电势，此电势方向为上负下正，正端加到VT的集电极上，当感应电势与VCC的和大于VT的集电极反向电压时，VT被击穿。加入二极管VD后，继电器线圈产生的感应电势由二极管VD流过，钳住了VT集电极端的电压，因而VT得到保护。2/2/2020计算机控制技术25（2）固态继电器输出(solidstaterelay)优点：触点式继电器在开关瞬间，触点容易产生电火花，从而引起干扰。固态继电器（SSR）则克服了这方面问题。原理：SSR用晶体管或者可控硅代替常规继电器的触点开关，并用光电隔离器作为前级。因此固态继电器实际上是一种光电隔离器的无触点开关。固态继电器分直流型和交流型两大类。下图为直流型SSR电路原理图：2/2/2020计算机控制技术26直流型SSR的输入级为光电隔离器，输出级为大功率晶体管（输出工作电压可达30V-180V）。应用：主要用于带动直流负载的场合，如直流电动机的控制、直流步进电机控制和电磁阀门的开启与关闭等。2/2/2020计算机控制技术27下图为采用直流SSR控制三相步进电机的电路原理图上图中步进电机的A、B、C三相，每相由一个直流型SSR控制。2/2/2020计算机控制技术28三、数字量输出接口技术1、输出接口元件当对生产过程进行控制时，一般应对计算机送出的控制状态进行保持，直到重新刷新为止。所以需要利用输出接口对其进行锁存，一般采用锁存器74LS273。特点：74LS273有8个通道，可输出8个开关状态，并可驱动8个输出装置。输出接口74LS273D1D8D7D6D5D4D3D2Q1Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2D7D6D5D4D3D2D1D0CLRPC总线CSIOWCLKRESET2/2/2020计算机控制技术292、数字量输出接口经过端口地址译码，得到片选信号CS，执行OUT指令时，产生IOW信号，利用IOW的后沿产生的上升沿可以锁存数据；用下列指令完成数据输出控制：MOVAL,DATAMOVDX,portOUTDX,AL2/2/2020计算机控制技术30PCL-730是研华公司推出的32通道隔离型I/O板卡，提供16路开关量隔离输入和16路开关量隔离输出，其结构图如下所示：四、数字量输入输出通道模板举例2/2/2020计算机控制技术31D0-D7:数据线；A0-A9:地址线；CS1,CS2:寄存器选通信号;分别为低8位寄存器选通和高8位寄存器选通;IDI0-IDI15:16路隔离开关量输入通道,IDO0-IDO15:16路隔离开关量输出通道。2/2/2020计算机控制技术322.4模拟量输入通道AI(P30)2.4.1组成模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器，采样保持器、A/D转换器、I/O接口及控制逻辑组成。采样保持器I/O主机控制逻辑A/D多路转换器信号调理或I/V变换变送器过程参数保持器接口电路模拟量输入通道过程参数由传感元件和变送器测量并转换为标准的电流形式后送至I/V变换器；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。2/2/2020计算机控制技术332.4.2信号调理和I/V变换一、信号调理信号调理主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化及隔离等方法将非电信号和非标准信号转换成标准的电信号。是传感器和Ａ／Ｄ转换以及Ｄ／Ａ和执行机构之间的桥梁。1、非电信号的检测——不平衡电桥作用：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。特点：具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点。2/2/2020计算机控制技术34下图为一个用热敏电阻来测量温度的测量电桥。电阻R1,R2,R3为精密电阻，RPt为热敏电阻，E端接激励源，A,B端接到后级的测量放大电路一般情况下：R2＝R3,R1=100欧，0℃时，RPt为100欧，此时电桥平衡，输出为0。当温度变化时，RPt的阻值是温度的函数为：为电阻温度系数，t为温度RRttRRPt00)()(t2/2/2020计算机控制技术35因此，某温度下，产生不平衡电压,由不平衡电压推算出温度值。注意：工业中用热敏电阻测量温度，当测量电路离控制柜很远时，热敏电阻与调理电路之间连接宜采用三线制，而不是两线制接法。因采用两线制，由于导线电阻存在，容易产生误差。热敏电阻与调理电路之间三线制接法如图2/2/2020计算机控制技术362、信号放大电路作用：将弱电信号放大成需要的标准电信号。如上述电桥输出电压一般达不到要求的标准电压，故需要放大器放大。选择因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等常见器件：uA741,LF347(低精度)OP-07,OP-27(中等精度)ICL7650(高精度)两线制：仪表到控制柜或者计算机只有两根线三线制：仪表到控制柜或者计算机有三根线2/2/2020计算机控制技术37二、I/V变换1、无源I/V变换无源I/V变换如图所示：R2为精密电阻2IRV当输入电流I范围已知时，输出电压V的范围就确定。如：当输入I为0～10mA时，取R2=500欧，则V=0~5V当输入I为4～20mA时，取R2