第2章 过程输入输出通道技术

2/22/2020计算机控制技术1第2章输入输出接口与过程通道概述采样和量化模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道工业控制计算机I/O模板2/22/2020计算机控制技术22.1概述主机过程控制通道A/DD/AD/ID/O操作台（通讯）控制对象（系统）CPUMEM图1.4典型的计算机控制系统的硬件组成框图2/22/2020计算机控制技术3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，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，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。2/22/2020计算机控制技术4人对象人机接口计算机I/O通道2/22/2020计算机控制技术5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。过程通道的分类与基本结构2/22/2020计算机控制技术6模拟量输入通道2/22/2020计算机控制技术7模拟量输出通道2/22/2020计算机控制技术8数字量输入通道输入缓冲器输入调理电路地址译码器PC总线来自生产过程2/22/2020计算机控制技术9数字量输出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2/22/2020计算机控制技术10LED显示器及其接口技术LED（发光二极管）显示器件是计算机控制系统中的廉价输出设备，它由多个发光二极管组成，能显示许多种字符。图所示为7段LED显示器件的结构及外形图。图7段LED显示器件的结构及外形图2/22/2020计算机控制技术11LED显示器及其接口技术显示字符控制显示代码（十六进制数）显示字符控制显示代码（十六进制数）共阴极共阳极共阴极共阳极03FC0A7788106F9b7C8325BA4C39C634FB0d5EA146699E798656D92F718E67D82H7689707F8P738C87F80—40BF96F90不显示00FF表显示字符与7段控制显示代码的对应关系2/22/2020计算机控制技术12(1)LED静态显示方式：所谓静态显示就是将N位共阴极LED显示器的阴极连在一起接地，每一位LED的8位段选线与一个8位并行口相连，当显示某一个字符时，相应的发光二极管就恒定地导通或截止。一个4位静态显示电路如图所示。2/22/2020计算机控制技术13(2)LED动态显示方式：所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。特点是将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个8位I／O控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。恰当地选择点亮LED的时间间隔(1～5ms)，会给人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在“同时”显示2/22/2020计算机控制技术14动态LED显示器接口技术6位动态显示电路2/22/2020计算机控制技术15在图中，控制每个LED显示位轮流接地点亮的代码称为“位选码”。由I／O(2)口输出8位代码控制。特点是每次输出只有一位是0(点亮)，其余7位均为1(熄灭)，因此每一位LED都有一个唯一的8位“位选码”。按从左向右轮流显示8位LED的位选码可用8031右移循环指令实现：MOVA，＃7FH；点亮左1LED的位选码LOOP：MOVX@DPTR，A；从I／O(2)RRA；右移一位，指向下一个LEDLCALLDELAY；调延时3msLJMPLOOP；返回显示下一位LED2/22/2020计算机控制技术16到底哪一位数码管显示，主要取决于位选码。只有位选信号PB端口对应的线经驱动器后变为低电平时，对应的位才会发光显示。写出动态扫描显示子程序。设8255端口PA、PB的地址分别为800H、801H，并且PA、PB已初始化为输出方式，则子程序的流程图如图所示。动态扫描显示子程序流程图2/22/2020计算机控制技术17LCD显示器接口技术LCD显示器的显示原理在许多的LCD显示装置上，都有背光光源。LCD显示器的基本结构如图所示。图LCD显示器基本结构2/22/2020计算机控制技术18LCD显示器接口技术LCD器件的驱动方式LCD显示器的驱动方式一般分两种：静态驱动方式和时分隔驱动方式。1．静态驱动方式图（a）所示为一位LCD数码显示电路图。当某字段上两个电极的电压相位相同时，两极间的相对电压为0，该字段不显示。当字段上两个电极的电压相位相反时，两个电极的相对电压为两倍幅值电压，字段呈黑色显示。2/22/2020计算机控制技术19LCD显示器接口技术图一位LCD数码显示电路图及驱动波形图2/22/2020计算机控制技术20LCD显示器接口技术对于LED，只要在其两端加上恒定的电压，便可控制其亮、暗状态。而LCD必须采用交流驱动方式，以避免液晶材料在直流电压长时间的作用下产生电解，影响其使用寿命。．时分隔驱动方式当显示字符较多时，驱动电路将会变得非常复杂。在这种情况下，一般采用时分隔驱动方式。图在时分隔驱动方式下的电极引线方式图2/22/2020计算机控制技术213.3LCD显示器接口技术从图中的驱动波形可以看出：a，e段上所加的驱动波形是峰值为UO的选择状态，而g段上所加的驱动波形是峰值为1/3UO的非选择状态。图工作电压波形图2/22/2020计算机控制技术22LCD显示器接口技术点阵式LCD显示器的接口当数码位段式显示器的位段缩变为一个点，许多的点按一定的规则均匀地排列在一起时，便构成了点阵式LCD显示器。图采用MCS—51系列单片机8051的接口原理图2/22/2020计算机控制技术23人机接口——键盘2.3.1非编码键盘非编码键盘是由一些按键排列成的一个行、列矩阵。按键的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应的程序与之配合，来解决按键的识别，键值的产生以及防止抖动等工作。因此，键盘接口电路和软件程序必须解决以下一些问题：(1)检查是否有键按下。(2)若有键按下，判断是哪一个键并确定其键号或键值。2/22/2020计算机控制技术24(3)去抖动：一个电压信号是通过机械触点的闭合、断开过程来实现信号传递的，其波形如图2-18所示。抖动时间一般为5~10ms。按键的稳定闭合期为几百毫秒到几秒钟时间。为了保证CPU对按键闭合仅作一次键输入处理，必须去除抖动影响,通常可用硬件或软件延时10ms处理。(4)处理多键同时按下：对于同时有两个以上的键被按下的情况，有两种处理方法。第一，“双键同时按下”。用软件扫描键盘处理，当只有一个键按下时才读取键盘的输出，并认为最后按下的键为有效键。第二，“N键锁定”。多键按下时只处理一个键，任何其他按下又松开的键不产生任何键值；通常第一个被按下或最后一个被松开的键产生键值。这种方法简单实用。2/22/2020计算机控制技术25(5)键输入软件处理：当有键按下时，单片机应能够完成该按键所设定的功能。一般键盘管理程序是整个应用程序的核心。8031的散转指令JMP@A+DPTR可看成是键输入信息的软件接口。图2-19是单片机键输入处理流程图。键盘通过接口与CPU连接，CPU采用查询或中断方式检查有无键按下，再将该键号送A，然后通过散转指令JMP@A+DPTR转入执行该键功能的处理程序入口，最后又返回到键盘管理程序的入口。2/22/2020计算机控制技术26图单片机键输入处理流程图对键盘进行扫描延时去抖动查键号送A散转：JMP@A＋DPTR0号键处理程序1号键处理程序返回键盘返回键盘N号键处理程序返回键盘有键按下吗？……NY2/22/2020计算机控制技术27图2-18按键闭合及断开时的电压抖动2/22/2020计算机控制技术282.2模拟量输入通道AI2.2.1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。2/22/2020计算机控制技术292.2.2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。2/22/2020计算机控制技术30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2/22/2020计算机控制技术31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2/22/2020计算机控制技术322、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2/22/2020计算机控制技术33二、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=250欧，则V=1~5V思考：图中R1和电容C起什么作用？二极管D作用是什么？滤波和输出限幅2/22/2020计算机控制技术342、有源I/V变换有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，图中电容C起滤波。2/22/2020计算机控制技术352、有源I/V变换有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，图中电容C起滤波。根据理想运算放大器知识：,由短路特性得故当输入I为0～10mA时，取R1=200欧，则Vi=0~2V取R3=100千欧，R4=150千欧，则A=2.5,则输出为0～5V当输入I为4～20mA时，取R1=200欧，则Vi=0.8~4V取R3=100千欧，R4=25千欧，则A=1.25,则输出为1～5V341RRVVVVAiVV1IRVViVRRRV4332/22/2020计算机控制技术362.2.3多路转换器()多路转换器也称多路开关。作用：是用于切换模拟电压信号的关键元件，可将各个模拟输入信号依次或随即地接到公用放大器上或