计算机控制技术第三版第3章

1、第第3 3章章 输入输出接口与信息通道技输入输出接口与信息通道技术术3.1 数字量输入输出通道3.2 模拟量输入通道3.3 模拟量输出通道3.4人机交互通道3.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道v 3.1.1 数字量输入输出接口技术v 3.1.2 数字量输入通道v 3.1.3 数字量输出通道3.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术数字量（开关量）信号主要包括：开关的闭合与断开；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；数字量信号的共同特征：信号只有两个状态，“导通”和“截止”；需要经过电路变换将两个状态用二进制的逻辑“1”和“0”代表。IOR对生产过

2、程进行控制，要收集生产过程的各种状态信息，根据状态信息，再输出控制量。采用三态门缓冲器74LS244可取得状态信息，与PC机的接口电路如图3.1所示，经过端口地址译码，得到片选信号。当CPU执行IN指令时，产生信号IORCS074LS244直通，被测的状态信息可通过三态门送到计算机的数据总线。 三态门缓冲器74LS244隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。有八个通道,可同时输入8个开关状态。 1.数字量输入接口数字量输入接口设片选地址为PORT，读取输入状态变量的程序如下： MOV DX, PORT ； IN AL, DX；图3.1 数字量输入接口 IOWIOW_CS对生产过程进行控制时

3、，控制状态需要保持，直到下次给出新值为止，这时输出就要锁存。可用锁存器74LS273作8位输出口，对输出信号状态进行锁存。 数字量输出接口数字量输出接口计算机的I/O端口写总线周期时序关系中，总线数据D0D7比前沿（下降沿）稍晚，因此在图3.2的电路中，利用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_IOW信号，使IOWCS0设片选端口地址为PORT，数据输出控制的程序如下 MOV AL，DATA MOV DX，PORT OUT DX，AL 图3.2 数字量输出接口3.1.2 数字量输入通道数字量输入通道v数字量输入通道的结构v 数字量输入通道

4、主要由缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。图3.3 数字量输入通道结构输入调理电路输入调理电路v 数字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。v 状态信号的形式：可能是电压、电流、开关的触点，因此会引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。v 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。v (1)小功率输入调理电路v 将开关、继电器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，通常采用积分电路和R-S触发器电路来消除这种振荡。

5、（a）采用积分电路 （b）采用R-S触发器 图3.4小功率输入调理电路v (2)大功率输入调理电路v 大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的触点输入信号。v 为了使触点工作可靠，触点两端要加24V以上的直流电压。v 由于这种电路所带电压高，又来自工业现场，有可能带有干扰信号，因而通常采用光电耦合器进行隔离。 图3.5 大功率信号输入电路 3.1.3 数字量输出通道数字量输出通道v 数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构v数字量输出通道主要由输出锁存器，输出驱动电路、输出地址译码电路等组成。 图3.6 数字量输出通道结构v 输出驱动电路输出驱动电路v小功率直流驱动电路v驱动直流电磁阀、直流

6、继电器、发光二极管、小型直流电动机等低压电器，开关量控制输出可采用三极管、OC门、达林顿管或运放等方式输出。图3.7 继电器驱动电路v (2)大功率驱动电路v 大功率驱动场合可以采用固态继电器(SSR)、大功率晶体管IGBT、MOSFET等实现。固态继电器是一种四端有源器件，根据输出的控制信号分为直流固态继电器和交流固态继电器。 图3.8固态继电器的驱动电路3.2 模拟量输入通道模拟量输入通道v 3.2.1 模拟量输入通道的组成v 3.2.2 信号调理v 3.2.3 多路转换器v 3.2.4 采样保持器v 3.2.5 前置放大器v 3.2.6 A/D转换器v 3.2.7 A/D转换器接口设计v

7、 3.2.8 模拟量输入通道设计3.2.1 3.2.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成v 模拟量输入通道根据应用要求不同，可以有不同的结构形式。模拟量输入通道一般由信号调理电路、多路转换器、前置放大器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。其核心是A/D转换器。 传感器或变送器信号调理多路开关采样保持器A/D转换器接口与控制过程参数PC总线前置放大模拟量输入通道图3.9 模拟量输入通道组成结构图3.2.2 信号调理信号调理vI/V变换变换v 变送器输出的信号为010mA或420mA的统一信号，电流信号经过长距离传输到计算机接口电路，需要经过I/V变换成电压信号后才能进行A/

8、D转换进而被计算机处理。v (1) 无源I/V变换v 无源I/V变换主要利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施。 v (2)有源I/V变换v 有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成。 当I为420mA输入电流信号，取R1=100，R2=250，输出电压U为15V。 当I为010mA输入电流信号，取R1=100，R2=500，输出电压V为05V；图3.10 无源I/V变换 3.11 有源I/V变换 VR4A =1+R3v 当I为010mA输入电流信号，取R1=100，R3=10K，R4为47K的精密电位器，调整R4的阻值为40K。v 输出电压V为05V；v 当I为42

9、0mA输入电流信号，取R1=100，R3=10K，R4为47K的精密电位器，调整R4的阻值为15K。v 输出电压V15V。 v电桥v 电桥是将电阻、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，分交流和直流电桥二种型式。由于电桥具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点，广泛应用于压力、温度等信号的测量。R1R2R3RPEABVout 图3.12 热电阻测温电桥测量电路 3.2.3 多路转换器多路转换器v 多路转换器（多路开关），是用来进行模拟电压信号切换的关键元件。v 利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到前置放大器或A/D转换器上。v 为了提高过程参数的测量精度

10、，对多路开关的要求较高。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，接通时的接通电阻为零，切换速度快，噪音小、寿命长、工作可靠 。 v 常用的多路开关有CD4051、AD7501、MAX355、LF13508等 v CD4051是单端8通道多路模拟开关，带有二进制3-8译码器，可双向工作。v CD4051输入电平范围较大，数字控制信号逻辑“1”的电平可选为315V，模拟量可达15V P-P 图3.13 CD4051的原理电路图CD4051的真值表 3.2.4 前置放大器前置放大器v 前置放大器的功能是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内。v 为了能适应多种小信号的放大需求，因而需要设计可变增益

11、放大器。可编程增益放大器有组合PGA和集成PGA两种。v组合PGAv 组合型PGA一般由运算放大器、仪器放大器或隔离型放大器再加上一些其他附加电路组合而成。v 其原理是通过程序调整多路转换开关接通的反馈电阻的数值，从而调整放大器的放大倍数。 +-+5V-5VR1COP-27131415121524权电阻 R3R10R2CD40513101161678+5V-5V9ViVout程控地址端v集成集成PGA202203放大器放大器v PGA202203放大器是一个单片增益可控的双端输入仪用放大器。v 主要由前端与逻辑电路、基本差分放大电路和高通滤波电路等组成，具有失调电压调整、滤波器输出端、反馈输出

12、和参考输出端，能够灵活组成各类放大电路。v 由于采用激光修正技术，使增益失调无需用外接元件调整。该器件具有可控增益范围宽（1，2，4和8）、非线性误差小（不大于0.012）、偏置电流小（不大于50PA）、完全兼容CMOSTTL逻辑电平等优点，因而得到了广泛应用。3.2.5 采样保持器采样保持器v 在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起误差。v 一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化，能够完成上述任务的器件叫采样保持器(Sample/Ho1d)，简称S/H。v 采

13、样保持器有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。 v 采样保持器的主要作用是：v (1)保持采样信号不变，以便完成A/D转换；v (2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；v (3)减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；v 常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/389等。 图3.16 LF198/298/398原理图及引脚(a)LF198/298/398原理图(b)LF198/298/398的引脚排列3.2.6 常用的常用的A/D转换器转换器v A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装

14、置，是模拟输入通道的核心部件。v A/D转换方法有逐次逼近式、双积分式、并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈式等。v 常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0801，ADC0809等，12位分辨率的AD574A等；v 常用的双积分式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。v8位位A/D转换器转换器ADC0809v ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装。v 12位位A/D转换器转换器AD574Av AD574A/1764是AD公司生产

15、的12位逐次逼近型ADC。v AD574A的技术指标v 分辨率为12位；v 转换时间1535s；v 内部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，可以和计算机直接接口；v 数字量输出位数可设定为8位，也可设定为12位；v 输入模拟电压既可以单极性也可以双极性；v 单极性输入时：0V+10V或0V+20V；双极性输入时：5V10V。图3.18 AD574的原理框图v AD574A引脚功能说明v AD574A采用28引脚双列直插式封装。v DB0DB11：12位数据输出，分三组，均带三态输出缓冲器。v VCC：正电源+15Vv VEE：负电源-15Vv AGND：模拟地v DGND：数字地v C

16、E：使能信号，高电平有效。CE、必须同时有效，AD574A才工作，否则处于禁止状态。CS：片选信号 /R C：读/转换信号 v A0：转换和读字节选择信号。v STS：转换状态信号。转换开始STS=1；转换结束STS=0。v 10VIN：模拟信号输入。单极性010V，双极性5Vv 20VIN：模拟信号输入。单极性020V，双极性10Vv REF IN：参考输入v REF OUT：参考输出v BIP OFF：双极性偏置12/8：数据格式选择端 3.2.7 A/D 转换器接口设计转换器接口设计v A/D转换器接口的设计包括硬件连接设计和软件程序设计两部分。v 硬件设计主要完成模拟量输入信号的连接、

17、数字量输出引脚的连接、参考电平的连接、控制信号的连接等。v 软件设计主要完成对控制信号的编程，如：启动信号、转换结束信号以及转换结果的读出等。 v1硬件设计硬件设计v (1)模拟量输入信号的连接v (2) 数字量输出引脚的连接v (3) 参考电平的连接v (4) 时钟的选择v (5) A/D转换器的启动方式v (6)转换结束信号的处理v 中断方式 v 查询方式 v 转换信号悬空 v2软件设计软件设计v 一次A/D转换过程的软件设计包括：启动A/D转换，转换结果读出。v (1)启动A/D转换v (2) 转换结果的读出 v 中断方式 v 查询方式 v 软件延时方法 v3.ADC0809与与PC工业

18、控制机接口工业控制机接口D0D1D2+图3.19 ADC0809与PC总线的连接v4AD574A与与PC工业控制机接口工业控制机接口图3.20 AD574与ISA总线的连接3.2.8 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计v 模拟量输入通道设计，首先要确定使用对象和性能指标，然后选用A/D转换器、接口电路及转换通道的结构。v A/D转换器位数的选择取决于系统的测试精度，通常要比传感器测量精度要求的最低分辨率高一位。v 设计某A/D转换板的技术指标如下：v 分辨率：12位；v 通道数：单端16路；v 输入量程：420mA DC；v 转换时间：25sv 总线接口：ISA总线3.3 模拟量输出通道模拟

19、量输出通道v 3.3.1模拟量输出通道的结构形式v 3.3.2 D/A转换器v 3.3.3 D/A转换器与接口技术v 3.3.4 D/A转换器的输出形式v 3.3.5 V/I变换v 3.3.6 模拟量输出通道设计3.3.1 模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式v模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、采样保持器、V/I变换等组成。模拟量输出通道的结构型式，主要取决于输出保持器的构成方式。v 一个通路设置一个一个通路设置一个D/A转换器的结构形式转换器的结构形式图3.22 一个通路一个D/A转换器的结构v 多个通路共用一个多个通路共用一个D/A转换器的结构形式转换器

20、的结构形式图3.23 多个通路共用一个D/A转换器的结构3.3.2 常用的常用的D/A转换器转换器v D/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或装置。v 其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比例。v 常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器。v1. 8位位D/A转换器转换器DAC0832v (1) 主要技术指标v DAC0832采用双缓冲方式，可以在输出的同时，采集下一个数据，从而提高转换速度； v 8位分辨率，电流输出，稳定时间为1s；v 可双缓冲、单缓冲或直接数字输入；v 逻辑电平输入与TTL兼容 v (2) DAC0832

21、的内部结构v 主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、采用R-2R电阻网络的8位D/A转换器、相应的选通控制逻辑四部分组成 。v (3) DAC0832的引脚说明v DAC0832采用20脚双列直插式封装。v DI7DI0是DAC0832的数字输入端；v IOUT1和IOUT2是它的模拟电流输出端，IOUT1+IOUT2=常数C。图3.24 DAC0832的内部结构图3.25 DAC0832的引脚排列v2.12位位D/A转换器转换器DAC1210v (1) DAC1210的技术指标v 12位分辨率；v 单电源(+5v+15v)工作；v 电流建立时问为1s；v 输入信号与TTL电平兼容。 v (

22、2)DAC1210的内部结构v DACl210的基本结构与DAC0832相似，也是由两级缓冲器组成。v 主要差别在于它是12位数据输入，为了便于和PC总线接口，它的第一级缓冲器分成了一个8位输入寄存器和一个4位输入寄存器，以便利用8位数据总线分两次将12位数据写入DAC芯片。v DACl210内部就有三个寄存器，需要3个端口地址，为此，内部提供了三个 信号的控制逻辑。LELE图3.26 DAC1210的内部结构3.3.3 D/A转换器接口技术转换器接口技术v D/A转换器应用接口的设计，主要包括数字量输入信号的连接以及控制信号的连接。v D/A编程相对简单，包括：选中D/A转换器、送转换数据到

23、数据线，启动D/A转换。v数字量输入信号的连接数字量输入信号的连接v 数字量输入信号连接时要考虑数字量的位数，D/A转换器内部是否有锁存器。v 若D/A转换器内部无锁存器，则需要在D/A与系统数据总线之间增设锁存器或I/O口；v 若D/A转换器内部有锁存器，则可以将D/A与系统数据总线直接相连。v控制信号的连接控制信号的连接v 控制信号主要有：片选信号、写信号及转换启动信号。v 它们一般由CPU或译码器提供。写信号多由PC总线的 IOW启动信号一般为片选信号和 IOW的合成 提供，vDAC0832与与PC工业控制机的接口工业控制机的接口图3.27 DAC0832与PC总线接口电路vDAC121

24、0转换器与转换器与PC工业控制机的接口工业控制机的接口图3.28 DAC1210与PC总线的接口3.3.4 D/A转换器的输出形式转换器的输出形式v D/A转换器的输出有电流和电压两种方式。v 电流输出需经放大器转换成电压输出。v 电压输出可以构成单极性电压输出和双极性电压输出电路。v D/A转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，而与其位数无关。v 单极性电压输出指输入值只有一个极性(或正或负)，D/A的输出也只有一个极性。v 双极性电压输出指当输入值为符号数时，D/A的输出反映正负极性。VOUT1 为单极性输出电压，VOUT2为双极性输出电压。 图2.39 单、双极性输出电路v 若D为数字输入量，VREF为参考电压，n为D/A转换器的位数，则：out1REFnDV=-V2121332-()-2(-1)122121outREFoutREFREFREFnnRRDDVVVVVVRR3.3.5 V/I变换变换v 因为电流传输方式具有较强的抗干扰能力，因而工业现场的智能仪表和执行器的控制通常采用电流驱动方式。v 由于D/A输出为电压信号，因此，必须经过电压/电流（V/I）转换电路，将电压信号转换成电流信号。v 采用