数字量输入输出通道（课堂PPT）

1、1计算机控制技术计算机控制技术吴国辉吴国辉2第五章第五章 数字量输入输出通道数字量输入输出通道1.1.光电耦合隔离器的结构原理及其隔离电路光电耦合隔离器的结构原理及其隔离电路2.2.数字量输入通道中几种典型电路；数字量输入通道中几种典型电路；3.3.数字量输出通道几种典型驱动电路；数字量输出通道几种典型驱动电路；3第五章第五章 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 引言引言 5.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术 5.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道 5.3 5.3 数字量输出通道数字量输出通道 5.4 DI/DO 5.4 DI/DO模板模板 本章小结本章小结 思考题思考题

2、4引言引言 在微机控制系统中，除了要处理模拟量在微机控制系统中，除了要处理模拟量信号以外，还要处理另一类数字信号，包括开信号以外，还要处理另一类数字信号，包括开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻辑关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻辑“1”“1”和和“0”“0”或电平的高和低出现的。如开关或电平的高和低出现的。如开关触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的吸合和释放，马达的启动和停止，或接触器的吸合和释放，马达的启动和停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭，仪器仪晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭，仪器仪表的表的 BCD BCD 码，以及脉冲信

3、号的计数和定时等码，以及脉冲信号的计数和定时等等等 。55.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术 主要知识点主要知识点v 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 v 2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 65.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术1 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如下图型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如下图所示。它们的原理是相同的，即都是通过电所示。它们的原理是相同的，即都是通过电光光电这种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的电这种信号转换

4、，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。干扰而完成隔离功能的。75.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术1 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理，说明它的结构原理，如下如下所示所示。端入输端出输V5+V5+85.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术1 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入输出特性，即存在着的输入输出特性，即存在着截止区、饱和区与线性截止区、饱和区与线性区区三部分。利用光耦隔离器的

5、开关特性（即光敏三三部分。利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而极管工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称隔离电磁干扰，简称对数字信号进行隔离对数字信号进行隔离。例如在。例如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通数字量输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的道中的A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU或或CPUCPU与与D/AD/A转换器之间的数转换器之间的数字信号的耦合传送，都可用光耦的这种开关特性对字信号的耦合传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔离。数字信号进行隔离。95.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦

6、合隔离技术1 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 例如在现场传感器与例如在现场传感器与A/DA/D转换器或转换器或D/AD/A转换器转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送，可用光与现场执行器之间的模拟信号的线性传送，可用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离。耦的这种线性区对模拟信号进行隔离。 光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信号光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低；缺点隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响A/DA/D或或D/AD/A转换的精度和线性度。数字信号隔

7、离方法的转换的精度和线性度。数字信号隔离方法的优点是调试简单，不影响系统的精度和线性度；优点是调试简单，不影响系统的精度和线性度；105.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术1 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因而在工程中使用的最多。来，因而在工程中使用的最多。 要注意的是要注意的是，用于，用于驱动发光管的电源驱动发光管的电源与与驱动光驱动光敏管的电源敏管的电源不应是不应是共地共地的同一个电源，必须分开单的同一个电

8、源，必须分开单独供电，才能有效避免输出端与输入端相互间的反独供电，才能有效避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；另外，发光二极管的动态电阻很小，也馈和干扰；另外，发光二极管的动态电阻很小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。可以抑制系统内外的噪声干扰。115.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术1 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 因此，利用光耦隔离器可用来传递信号而有效因此，利用光耦隔离器可用来传递信号而有效地隔离电磁场的电干扰。地隔离电磁场的电干扰。 为了适应计算机控制系统的需求，目前已生产为了适应计算机控制系统的需求，目前已生产出各种集成的多路光耦隔离器，如出各种集成的多路光耦隔离器，

9、如TLPTLP系列就是常系列就是常用的一种。用的一种。125.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术2 2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说明光电耦合隔离电路。典型的光电耦合隔离为例说明光电耦合隔离电路。典型的光电耦合隔离电路有数字量同相传递与数字量反相传递两种，如电路有数字量同相传递与数字量反相传递两种，如下图所示。下图所示。 数字量同相传递如图（数字量同相传递如图（a a）所示）所示，光耦的输入，光耦的输入正端接正电源，输入负端接到与数据总线相连的数正端接正电源，输入负端接到与数据总线相连的数据缓

10、冲器上，光耦的集电极据缓冲器上，光耦的集电极c c端通过电阻接另一个端通过电阻接另一个正电源，发射极正电源，发射极e e端直接接地，光耦输出端即从集端直接接地，光耦输出端即从集135.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术2 2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 电极电极c c端引出。当数据线为低电平端引出。当数据线为低电平“0”0”时，发光管时，发光管导通且发光，使得光敏管导通，输出导通且发光，使得光敏管导通，输出c c端接地而获端接地而获得低电平得低电平“0”0”；当数据线为高电平；当数据线为高电平“1”1”时，发光时，发光管截止不发光，则光敏管也截止使输出管截止不发光，则光敏管也截

11、止使输出c c端从电源端从电源处获得高电平处获得高电平“1”1”。如此，完成了数字信号的同。如此，完成了数字信号的同相传递。相传递。145.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术2 2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 递传相同量字数递传相反量字数+5V+5V+5V+5Vccee+-D7D074LS273数据缓冲器选通脉冲b (a (D7D074LS273数据缓冲器选通脉冲155.1 5.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术2 2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 数字量反相传递如图（数字量反相传递如图（b b）所示）所示，与（，与（a a）不同）不同的是光耦的集电极的是光耦的集电极 c

12、 c端直接接另一个正电源，而端直接接另一个正电源，而发射极发射极 e e 端通过电阻接地，则光耦输出端从发射端通过电阻接地，则光耦输出端从发射极极e e端引出。从而完成了数字信号的反相传递。端引出。从而完成了数字信号的反相传递。165.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道1 1 引言引言 数字量输入通道（数字量输入通道（ DI DI 通道）的任务通道）的任务-是把生产是把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。信号调理电路信号调理电路-虽然都是数字信号，不需进行虽然都是数字信号，不需进行A/D A/D 转换，但对通道中可能引入的各种干扰必

13、须采取相转换，但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施，即在外部信号与单片机之间要设置应的技术措施，即在外部信号与单片机之间要设置输入信号调理电路。输入信号调理电路。175.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道2 2 开关输入电路开关输入电路 凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，其端子引出均统称为开关，其端子引出均统称为开关信号开关信号。在开关输入。在开关输入电路中，主要是考虑电路中，主要是考虑信号调理技术信号调理技术，如，如电平转换电平转换，RCRC滤波滤波，过电压保护过电压保护，反电压保护反电压保护，光电隔离光电隔离等。等

14、。 （1 1）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号。号转换为电压信号。 （2 2）RCRC滤波是用滤波是用RCRC滤波器滤出高频干扰。滤波器滤出高频干扰。185.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道2 2 开关输入电路开关输入电路 （3 3）过电压保护是用）过电压保护是用稳压管稳压管和和限流电阻限流电阻作过电作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压瞬态尖峰电压箝位箝位在安全电平上。在安全电平上。 （4 4）反电压保护是）反电压保护是串联一个二极管串联一个二极管防止反极性防止反极性电压输入。电压输入。 （

15、5 5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。的完全电隔离。195.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道2 2 开关输入电路开关输入电路 典型的开关量输入信号调理电路如下图所示。典型的开关量输入信号调理电路如下图所示。点划线右边是由开关点划线右边是由开关S S与电源组成的外部电路，（与电源组成的外部电路，（a a）是直流输入电路，（是直流输入电路，（b b）是交流输入电路。交流输）是交流输入电路。交流输入电路比直流输入电路多一个降压电容和整流桥块，入电路比直流输入电路多一个降压电容和整流桥块，可把高压交流可把高压交流( (如如380VAC)

16、380VAC)变换为低压直流变换为低压直流( (如如5VDC)5VDC)。开关开关S S的状态经的状态经RCRC滤波、稳压管滤波、稳压管D1D1箝位保护、电阻箝位保护、电阻R2R2限流、二极管限流、二极管D2D2防止反极性电压输入以防止反极性电压输入以205.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道2 2 开关输入电路开关输入电路及光耦隔离等措施处理后送至输入缓冲器，主机通及光耦隔离等措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入指令便可读取开关过执行输入指令便可读取开关S S的状态。比如的状态。比如, ,当开当开关关S S闭合时，输入回路有电流流过，光耦中的发光闭合时，输入回路有电流流过，光耦中

17、的发光管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入信号为信号为“0”0”对应外电路开关对应外电路开关S S的闭合；反之，开关的闭合；反之，开关S S断开，光耦中的发光管无电流流过，光敏管截止，断开，光耦中的发光管无电流流过，光敏管截止，数据线上为高电平，即输入信号为数据线上为高电平，即输入信号为“1”1”对应外电对应外电路开关路开关S S的断开。的断开。215.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道2 2 开关输入电路开关输入电路-+S2D到输入到输入缓冲器缓冲器CCV+2R1R1C1D3R光耦光耦S2D到输入到输入缓冲器缓冲器CCV+2R1R1C

18、1D3R光耦光耦C2R3(a) 直流输入电路(b) 交流输入电路225.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道3 3 脉冲计数电路脉冲计数电路 有些用于检测流量、转速的传感器发出的是脉有些用于检测流量、转速的传感器发出的是脉冲频率信号，对于大量程可以设计一种定时计数输冲频率信号，对于大量程可以设计一种定时计数输入接口电路，即在一定的采样时间内统计输入的脉入接口电路，即在一定的采样时间内统计输入的脉冲个数，然后根据传感器的比例系数可换算出所检冲个数，然后根据传感器的比例系数可换算出所检测的物理量。测的物理量。235.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道3 3 脉冲计数电路脉冲计数电路+12

19、VCCV8253/8254CLK0OUT0GATE1CLK1OUT1CLK2OUT2GATE0GATE2系统时钟TSTWCRCEOL+5V计数通道1PC总线RCR光耦Dz245.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道3 3 脉冲计数电路脉冲计数电路 上图为一种定时计数输入接口电路，传感器发上图为一种定时计数输入接口电路，传感器发出的脉冲频率信号，经过简单的信号调理，引到出的脉冲频率信号，经过简单的信号调理，引到82548254芯片的计数通道芯片的计数通道1 1的的CLK1CLK1口。口。82548254是具有是具有3 3个个1616位计数器通道的可编程计数器位计数器通道的可编程计数器/ /定

20、时器。图中，计定时器。图中，计数通道数通道0 0工作于模式工作于模式3 3，CLK0CLK0用于接收系统时钟脉冲，用于接收系统时钟脉冲，OUT0OUT0输出一个周期为系统时钟脉冲输出一个周期为系统时钟脉冲N N倍（倍（N N为通道为通道0 0的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通道是计数通道1 1的采样时间和采样间隔时间，分的采样时间和采样间隔时间，分255.2 5.2 数字量输入通道数字量输入通道3 3 脉冲计数电路脉冲计数电路别记为别记为TSTS、TWTW；计数通道；计数通道1 1和和2 2均选为工作模式均选为工作模式2 2，且且O

21、UT1OUT1串接到串接到CLK2CLK2，使两者构成一个计数长度为，使两者构成一个计数长度为232232的脉冲计数器，以对的脉冲计数器，以对TSTS内的输入脉冲计数。内的输入脉冲计数。 如果获得如果获得TSTS时间内的输入脉冲个数为时间内的输入脉冲个数为n n，则单，则单位时间内的脉冲个数即脉冲频率为位时间内的脉冲个数即脉冲频率为n/TSn/TS，从而可换，从而可换算出介质的流量或电机的转速值。比如，发出脉冲算出介质的流量或电机的转速值。比如，发出脉冲频率信号的是涡轮流量计或磁电式速度传感器，它频率信号的是涡轮流量计或磁电式速度传感器，它们的脉冲当量们的脉冲当量( (即一个脉冲相当的流量或转

22、数即一个脉冲相当的流量或转数) )为为K K，则介质的流量或电机的转数就为则介质的流量或电机的转数就为n/TS Kn/TS K。265.3 5.3 数字量输出通道数字量输出通道1 1 引言引言 数字量输出通道数字量输出通道简称简称 DO DO 通道，它的通道，它的任务任务是把是把计算机输出的计算机输出的微弱数字信号微弱数字信号转换成能对生产过程进转换成能对生产过程进行控制的行控制的数字驱动信号数字驱动信号。根据现场负荷的不同，如。根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出用不同的功率

23、放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。常用的有通道。常用的有三极管输出驱动电路三极管输出驱动电路、继电器输出继电器输出驱动电路驱动电路、晶闸管输出驱动电路晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出固态继电器输出驱动电路驱动电路等。等。272. 2. 三极管驱动电路三极管驱动电路 对于低压情况下的小电流开关量，用功率三极对于低压情况下的小电流开关量，用功率三极管就可作开关驱动组件，其输出电流就是输入电流管就可作开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。主要由以下两种电路与三极管增益的乘积。主要由以下两种电路: : 1) 1) 普通三极管驱动电路普通三极管驱动电路 2) 2) 达林顿驱动电路

24、达林顿驱动电路5.3 5.3 数字量输出通道数字量输出通道282. 2. 三极管驱动电路三极管驱动电路 1) 1) 普通三极管驱动电路普通三极管驱动电路 当驱动电流只有十几当驱动电流只有十几 mAmA或几十或几十 mAmA时，只要采时，只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路，用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路，5.3 5.3 数字量输出通道数字量输出通道6047K3.3管极三DELV5+033Di292. 2. 三极管驱动电路三极管驱动电路 1) 1) 达林顿驱动电路达林顿驱动电路 当驱动电流需要达到当驱动电流需要达到几百毫安几百毫安时，如驱动中功时，如驱动中功率继电器、电磁开关等装

25、置，输出电路必须采取多率继电器、电磁开关等装置，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。达林顿阵列驱动级放大或提高三极管增益的办法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管组成的达林顿复合管构成，器是由多对两个三极管组成的达林顿复合管构成，它具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及保护措它具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点，同时施完善的特点，同时多对复合管多对复合管也非常适用于计算也非常适用于计算机控制系统中的机控制系统中的多路负荷多路负荷。常用器件有。常用器件有MC1416MC1416等。等。5.3 5.3 数字量输出通道数字量输出通道303. 3. 继电器驱动电路继电器驱

26、动电路 电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成，简称为继电器，它分为部件组成，简称为继电器，它分为电压继电器电压继电器、电电流继电器流继电器、中间继电器中间继电器等几种类型。继电器方式的等几种类型。继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，通过开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电弱电控控制外界交流或直流的制外界交流或直流的高电压高电压、大电流大电流设备。设备。 继电器驱动电路的设计要根据所用继电器线圈继电器驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，的吸合电压和电流而定，控制电流控制电流一定要一定要大于大于继电继电器的器的

27、吸合电流吸合电流才能使继电器可靠地工作。才能使继电器可靠地工作。5.3 5.3 数字量输出通道数字量输出通道313. 3. 继电器驱动电路继电器驱动电路 下图为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，下图为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当当CPUCPU数据线数据线DiDi输出数字输出数字“1”1”即高电平时，经即高电平时，经74067406反相驱动器变为反相驱动器变为低电平低电平，光耦隔离器的发光二，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管极管导通且发光，使光敏三极管导通导通，继电器线圈，继电器线圈KAKA得电，动合触点得电，动合触点闭合闭合，从而驱动大型负荷设备。，从而驱动大型负荷设备。

28、 由于继电器线圈是由于继电器线圈是电感性负载电感性负载，当电路突然关，当电路突然关断时，会出现较高的断时，会出现较高的电感性浪涌电压电感性浪涌电压，为了保护驱，为了保护驱动器件，应在继电器线圈两端动器件，应在继电器线圈两端并联并联一个一个阻尼二极管阻尼二极管，为电感线圈提供一个为电感线圈提供一个电流泄放回路电流泄放回路。 5.3 5.3 数字量输出通道数字量输出通道323. 3. 继电器驱动电路继电器驱动电路5.3 5.3 数字量输出通道数字量输出通道cVpV耦耦光光6047KA220V Di334.4.其他驱动电路其他驱动电路 1) 1) 继电器驱动电路继电器驱动电路 2) 2) 晶闸管驱动

29、电路晶闸管驱动电路 3) 3) 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路5.3 5.3 数字量输出通道数字量输出通道34 把上述数字量输入通道或数字量输出通道设计把上述数字量输入通道或数字量输出通道设计在一块模板上在一块模板上, , 就称为就称为DIDI模板或模板或DODO模板，也可统称模板，也可统称为数字量为数字量I/OI/O模板。下图为含有模板。下图为含有DIDI通道和通道和DODO通道的通道的PCPC总线数字量总线数字量I/OI/O模板的结构框图，由模板的结构框图，由PCPC总线接口总线接口逻辑、逻辑、I/OI/O功能逻辑、功能逻辑、I/OI/O电气接口三部分组成。电气接口三部分组成。5.4

30、 5.4 DI/DODI/DO模板模板 355.4 5.4 DI/DODI/DO模板模板 总线接口逻辑I/O功能逻辑I/O电气接口输入片址 译码基址译码输出片址 译码 数据缓冲器输出片址输入片址 输入缓冲器 输出缓冲器来自外部设备 去外部设备输入调理电路输出驱动电路基址A2A0A7A3D7D0IOW PC总线NEAIOR36 PCPC总线接口逻辑部分总线接口逻辑部分由由8 8位数据总线缓冲器、位数据总线缓冲器、基址译码器、输入和输出片址译码器组成。基址译码器、输入和输出片址译码器组成。 I/OI/O功能逻辑部分功能逻辑部分只有简单的输入缓冲器和输只有简单的输入缓冲器和输出锁存器。其中，输入缓冲

31、器起着对外部输入信号出锁存器。其中，输入缓冲器起着对外部输入信号的缓冲、加强和选通作用；输出锁存器锁存的缓冲、加强和选通作用；输出锁存器锁存CPU CPU 输输出的数据或控制信号，供外部设备使用。出的数据或控制信号，供外部设备使用。I/OI/O缓冲缓冲功能可以用可编程接口芯片如功能可以用可编程接口芯片如8255A8255A构成，也可以构成，也可以用用74LS24074LS240、244244、373373、273273等芯片实现。等芯片实现。 I/OI/O电气接口部分电气接口部分的功能主要是：电平转换、的功能主要是：电平转换、滤波、保护、隔离、功率驱动等。滤波、保护、隔离、功率驱动等。5.4 5.4 DI/DODI/DO模板模板 37 数字量输入输出通道也是计算机测控系统中的数字量输入输出通道也是计算机测控系统中的重要组成部分。重要组成部分。 本章首先介绍了当前