第2章 输入输出接口与过程通道-新(2011.3.31)

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（部件与部件之间）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AI、模拟量输出通道AO、数字量(开关量)输入通道DI、数字量(开关量)输出通道DO。2.1数字量输入输出通道明确概念:1.数字量(开关量)信号开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。共同特征:这些信号的是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的，代表生产过程的一个状态。2.PC总线2.1.1数字量输入输出接口技术1.数字量输入接口（DI）作用：采集生产过程的状态信息。完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号。当在执行IN指令周期时，产生I/O读信号，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。设片选端口地址为port，可用如下指令来完成取数.MOVDX，portINAL，DX注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语言)1G2G74LS244输入接口D0D1D2D3D4D5D6D71A11Y11A21Y21A31Y31A41Y41A51Y51A61Y61A71Y71A81Y8IORCS图2.1数字量输入接口PC总线2．数字量输出接口（DO）作用：当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。完成过程：用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。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I/O写前沿(下降沿)稍晚，因此利用I/O写的后沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生I/O写信号。设片选端口地址为port，可用以下指令完成数据输出控制。MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语言)74LS273CLRCLK输出接口RESETD0D1D2D3D4D5D6D7PC总线D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7D8Q8IOWCS图2.2数字量输出接口IOWIOWIOWIOW2.1.2数字量输入通道1.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、输入口地址译码电路等组成。PC总线输入缓冲器输入调理电路地址译码器来自生产过程2.输入调理电路数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收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，因此引起瞬时高压、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收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。（1）小功率输入调理电路（2）大功率输入调理电路（1）小功率输入调理电路开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成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，一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。问题：利用什么原理消除了抖动？+5VCKR2R1采用积分电路的小功率输入调理电路目的：把开关K的状态转化成二进制状态。原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相为1；断开K时，电容C充电，反相器反相为0。R—S触发器消除开关两次反跳电路原理：当K在上时，输出上为1，下为0。当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。+5VKR45R3（2）大功率输入调理电路当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，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（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。光电隔离：通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号，在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可以互相的隔离。原理：当K闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相输出为1。当K断开时，光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为0。其中，用R1、R2进行限流分压，C进行滤波，要合理选择参数。+5VR2R3CR1+48V2.1.2数字量输出通道1.数字量输出通道的结构数字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等组成。去生产过程PC总线输出锁存器输出驱动电路地址译码器图2.6数字量输出通道结构2.输出驱动电路在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。（1）小功率直流驱动电路a.功率晶体管输出驱动继电器电路继电器包括线圈和触点。因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。D的作用是泄流，通过D放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。R的作用是限流。作用过程：当输入TTL电平为1时，晶体管截止，J不吸合。当输入TTL电平为0时，晶体管导通，J吸合。b.达林顿阵列输出驱动继电器电路MC1416(16脚,含有7达林顿复合晶体管)是达林顿阵列驱动器。达林顿晶体管DT（Dar1ingtonTransistor）亦称复合晶体管。它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。MC1416(2)大功率交流驱动电路在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSR作交流开关使用。SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。SSR作交流开关，相当于有一个触点，左边是TTL电平，在0~5V之间：当输入TTL电平为高时，触点闭合；当输入TTL电平为低时，触点断开。当用计算机来控制电磁阀时，用固态继电器。注意：零交叉电路在交流电过零时,会产生触发信号，从而减少干扰。2.2A/D转换器及其接口技术A/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。线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。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(数字量的最低有效位)的分数表示,如(1/2)LSB或±1LSB量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V～+5V,0～10V，0～5V对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。A/D转换方式：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。常用的逐次逼近式A/D转换器ADC0809，AD574等；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。在信号变化缓慢、现场干扰严重的场合采用。常用的双斜积分式A/D转换器有3位半(相当于2进制11位分辨率)的MC14433，4位半(相当于2进制14位分辨率)的ICL7135等。2.2.1A/D转换器ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为64个时钟周期（时钟频率为640KHZ时100μs左右），线性误差为(±1/2)LSB。采用28脚双立直插式封装。外加基准电源。IN5D7D6D0D1D2D3D4D5Vref(+)OEGNDVccADDCADC08091109876543220141516171819131211IN3IN4IN7IN6STARTEOCCLOCKVref(-)ALEADDAADDBIN0IN1IN228272625242322211.8位A/D转换器ADC0809ADC0809逻辑组成：(1)8通模拟开关及通道选择逻辑该部分的功能是实现8选1操作，由通道选择信号C、B、A，在ALE的作用下送入通道选择逻辑。注意：转换时序。(3)三态输出锁存缓冲器用于存放转换结果D，输出允许信号OE为高电平时，D由DO7～DO0上输出；OE为低电平输入时，数据输出线DO7～DO0为高阻态。(2)8位A/D转换器在START上收到一个启动转换命令(正脉冲)后开始转换，100μs左右(64个时钟周期)后转换结束(相应的时钟频率为640KHZ)。转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。通过查询或中断方式读取。ADC0809的转换时序2．12位A/D转换器AD574A（AD1674）AD574A（AD1674）是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25（10）μs，线性误差为±1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。AD1674有S/H。AD574A原理结构模拟输入信号编程:AD574的输入信号连接方法AD574A由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器和10V基准电压源四部分构成。1.12位A/D转换器:模拟输入信号有单极性和双极性两种输入形式。2.三态输出锁存缓冲器:用于存放12位转换结果D。3.控制逻辑：控制启动转换、控制转换过程和控制转换结果的输出。CE、CS均为片选信号，R/C为读/启动控制信号，12/8为数字量输出位数控制，A0为分辨率和字节选择：在转换启动时，A0=1代表选择AD574A作为12位转换器使用，在读数据时，A0=1代表读低字节。STS为AD574A的状态输出信号。启动后，STS为高电平表示正在转换；25μs后转换结束，STS为低电平。CPU可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。2.2.2A/D转换器接口技术A/D转换器通常都具有三态数据输出缓冲器，因而允许A/D转换器直接同系统总线相连接。为便于或简化接口电路设计，常通过通用并行接口芯片8255A实现与系统的接口。1.ADC0809与PC总线工业控制机接口2.AD574A与PC总线工业控制机接口1．ADC0809与PC总线工业控制机接口ADC0809与PC总线工业控制机接口(8255A)电路图8255A的引脚功能8255A端口功能选择2．ADC574A与PC总线工业控制机接口2.3模拟量输入通道模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压(或电流)信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成0～10mA或4～20mA的统一电信号，然后经过模拟量输入通道来处理。2.3.1模拟量输入通道的组成过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压)形式后，再送至多路开关；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，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。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、接口及控制逻辑等组成。2.3.2I/V变换变送器输出的信号为0～10mA或4～20mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-Ⅱ型的输出信号标准为0～10mA,而DDZ—Ⅲ型和DDZ—S系列的输出信号标准为4～20mA。I/V变换的实现方法:1.无源I/V变换2.有源I/V变换问题：为什么我们经常用到的标准信号是电流信号？1.无源I/V变换I/V变换的基本思想：电流变换电路中各部分的作用：r1:限流电阻D:将电压钳制在5V+0.3V以内r2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电阻，精度为0.1%。C和r1：组成阻容低通滤波电路电压？2.有源