微机控制技术第二章

1第二章输入输出接口与过程通道

本章学习要求1．了解输入输出接口和过程通道的作用，熟悉常用A/D、D/A和接口芯片的应用。2．掌握常用数字量输入输出通道和模拟量输入输出通道的设计和应用。2第一节

概述

一、接口、通道及其功能

1.I/O接口电路为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连必须经过中间电路再与系统相连这部分电路被称为I/O接口电路多种外设3第一节

概述

什么是I/O接口（电路）？I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路。PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路。CPU接口电路

I/O设备4第一节

概述

I/O接口的主要功能:⑴对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节；输入接口有缓冲环节实际的电路常见：输出锁存缓冲环节、输入锁存缓冲环节。⑵对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量⑶对I/O端口进行寻址⑷与CPU和I/O设备进行联络5第一节

概述

一、接口、通道及其功能

2.I/O通道

I/O通道也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。计算机要实现对生产机械、生产过程的控制，就必须采集现场控制对象的各种参量，这些参量分两类：一是模拟量，即时间上和数值上都连续变化的物理量，如温度、压力、流量、速度、位移等。一是数字量(或开关量)，即时间上和数值上都不连续的量。如表示开关闭合或断开二个状态的开关量，按一定编码的数字量和串行脉冲列等。

6第一节

概述

二、I/O信号的种类

在微机控制系统或微机系统中，主机和外围设备间所交换的信息通常分为数据信息、状态信息和控制信息三类。1.数据信息：数字量，模拟量，开关量，脉冲量

2.状态信息：状态信息是外围设备通过接口向CPU提供的反映外围设备所处的工作状态的信息。它作为两者交换信息的联络信号。

3.控制信息：控制信息是CPU通过接口传送给外围设备的用于控制的信息。

7第二节数字量输入输出通道

一、数字量输入接口技术

1.数值量输入接口对生产过程进行控制，往往要收集生产过程状态信息，根据状态信息，再给出控制量，因此，可用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号CS当在执行IN指令，周期时，产生IOR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。MOVDXportINALDX由总线和译码电路产生8第二节数字量输入输出通道

一、数字量输入接口技术

输入指令（IN：将外设数据传送给CPU内的AL/AX）INAL,21H;字节输入INAL,DX ;字节输入INAX,003FH;字输入INAX,DX ;字输入演示9第二节数字量输入输出通道

一、数字量输入接口技术

2.数字量输出接口当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，这时输出就要锁存。因此可用74LS273作为8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存，如图所示。利用IOW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CS，当执行OUT指令周期时，产生IOW信号，设片选端口地址为port，用以下指令完成数据输出控制。MOVAL，DATA

MOVDX，port

OUTDX,AL

由总线和译码电路产生10第二节数字量输入输出通道

输出指令（OUT：将CPU内的AL/AX数据传送给外设）OUT3AH,AL ;字节输出OUTDX,AL ;字节输出OUT003FH,AX ;字输出OUTDX,AX ;字输出演示11第二节数字量输入输出通道

二、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、输入地址译码电路等组成。

注意与输入接口的差别！12第二节数字量输入输出通道

二、数字量输入通道数字量(开关量)输入通道的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。下面针对不同点情况分别介绍相应的信号调理技术。

13第二节数字量输入输出通道

二、数字量输入通道

1.小功率输入调理电路前沿抖动后沿抖动键稳定键按下利用积分电路利用触发器特点14第二节数字量输入输出通道

二、数字量输入通道

2．大功率输入调理电路输出地输入地15第二节数字量输入输出通道

三、数字量输出通道

1.数字量输出通道的结构注意与输出接口的差别！16第二节数字量输入输出通道

三、数字量输出通道

2.输出驱动电路(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

注意干扰！17第二节数字量输入输出通道

三、数字量输出通道

2.输出驱动电路(1)小功率直流驱动电路B.达林顿阵列驱动继电器电路(ULN2004)用于驱动多个小型继电器18第二节数字量输入输出通道

三、数字量输出通道

2.输出驱动电路(2)大功率交流驱动电路前、后之间没有直接关系19第三节A/D转换及其接口技术

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置，它是一个模拟系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，前者转换时间短(几个微秒～几百个微秒)，但抗干扰能力较差；后者转换时间长(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，宜采用后者。常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率ADC0809，12位分辨率的AD574等；常用的双斜积分式A/D转换器有3位半(相当于二进制11位分辨率)的MC14433，4位半(相当于二进制14位分辨率)的ICL7135等。

20第三节A/D转换及其接口技术

A/D转换器的主要技术指标有:●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：指A/D转换器可转换成数字量的最小电压（量化阶梯），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。●量程：即所能转换的输入电压范围，●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。21第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

1.8位A/D转换器ADC0809

22第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

1.8位A/D转换器ADC0809

23第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

1.8位A/D转换器ADC0809

（1）主要管脚的功能

VIN0～VIN7——8个模拟量输入端START——启动A/D转换器，当该脚为高电平时，开始A/D转换。EOC(EndOfConversion)——转换结束信号。OE（OUTPUTENABLE）——输出允许信号。CLOCK——时钟信号，一般为640KHzALE（AddressLockEnable）——地址锁存允许，高电平有效。A、B、C——通道号端口，C为最高位，A为最低位。DO7～DO0——数字量输出端。VREF（+）、VREF（-）——参考电压端子。Vcc(+5V)、GND（0V）——工作电源和电源地。

24第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

1.8位A/D转换器ADC0809

（2）8通道模拟开关及通道选择逻辑

CBA所选通道

000Vin0

001Vin1

010Vin2

011Vin3

100Vin4

101Vin5

110Vin6

111Vin7

25第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

1.8位A/D转换器ADC0809

（3）8位A/D转换器8位A/D转换器对选送至输入端的信号VIn进行转换，转换结果D(D=0～28-1)存入三态输出锁存缓冲器。它在START上收到一个启动转换命令(正脉冲)后开始转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。启动，CPU可用方式(将转换结束信号接至一条I/O线上)或中断方式(EOC作为中断请求信号引入中断逻辑)了解A/D转换过程是否结束。26第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

1.8位A/D转换器ADC0809

（4）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。ADC0809的转换时序如图所示。时序关系非常重要！27第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

2.12位A/D转换器AD574A

高性能12位逐次逼近式A/D转换器28第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

2.12位A/D转换器AD574A

AD574内部原理结构29第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

2.12位A/D转换器AD574A(1)AD574引脚功能说明(1)DO0～DO11——12位数据输出，均带三态输出缓冲器。VLOGIC——逻辑电源+5V（4.5～5.5V）VCC——正电源+15V（+13.5～+16.5V）VEE——负电源-15V（-13.5～-16.5V）AGND、DGND——模拟数字地。CE——片允许信号，高电平有效。简单应用中固定接高电平。CS——片选择信号，底电平有效。R/C——读/转换信号。CE=1，CS=0，R/C=0时，转换开始，启动负脉冲为400nS。CE=1，CS=0，R/C=1时，允许读数据。A0——转换和读字节选择信号。CE=1，CS=0，R/C=0，A0=0时，启动按12位转换；启动CE=1，CS=0，R/C=0，A0=1时，启动按8位转换；CE=1，CS=0，R/C=1，A0=0时，读取转换后的高8位数据；读数CE=1，CS=0，R/C=1，A0=1时，读取转换后的低4位数据

30第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

2.12位A/D转换器AD574A(1)AD574引脚功能说明(2)12/8——输出数据形式选择信号。12/8接VLOGIC时，数据按12位形式输出；12/8接DGND时，数据按双8位形式输出。注意：该脚不能由TTL电平控制，必须直接接至+5V或数字地。STS——转换状态信号。转换开始时，STS=1；转换结束时，STS=0。10VIN——模拟信号输入。单极性0～10V，双极性±5V。20VIN——模拟信号输入。单极性0～20V，双极性±10V。VREFIN（IN）——参考输入。VREFOUT（OUT）——参考输出。BIPOFF——双极性偏置。31第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

2.12位A/D转换器AD574A(2)12位A/D转换器

该12位的A/D转换器的模拟输入，可以是单极性的，也可以是双极性的。单极性应用时，将BIPOFF接OV，双极性时接10V，量程可以是10V，也可以是20V。输入信号在10V范围内变化时，将输入信号接至10VIN；在20V范围内变化时，接至20VIN。量程为10V和20V时，AD574A的量化单位分别为10V/212和20V/212。引脚单极性双极性BIPOFF0V10V10Vin0~10V-5V~+5V20Vin0~20V-10V~+10V32第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

2.12位A/D转换器AD574A(2)12位A/D转换器AD574A的单、双极性应用时的线路连接方法，以及零点和满度调整方法。

33第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

2.12位A/D转换器AD574A(3)三态输出锁存缓冲器该缓冲器用于存放12位转换结果D(D=0～212-1)。D的输出方式有两种，引脚12/8=1时，D的D11～DO并行输出，12/8=0时，D的高8位D11～D4与低4位D3～D0分时输出。

34第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器

2.12位A/D转换器AD574A(4)控制逻辑

控制逻辑的任务包含：启动转换、控制转换过程和控制结果D的输出。有关控制信号的作用如下表。CE、CS均为片选信号，R/C为读/启动控制信号CECSR/C12/8A0操作功能100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X输出12位数字10100输出高8位数字10101输出低四位数字0XXXX无操作X1XXX无操作35第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器2.12位A/D转换器AD574A(4)控制逻辑

启动和读操作时序如图所示

一定要学会看时序关系图！它对硬件设计和软件编程很重要！36第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器3.4位半双积分A/D转换器ICL7135ICL7135采用单极性基准点源，能对双极性输入的模拟量电压进行A/D转换，并且自动输出极性判别信号。它采用28脚双列直插式封装。37第三节A/D转换及其接口技术

一、A/D转换器3.4位半双积分A/D转换器ICL7135ICL7135数字部分功能结构38第三节A/D转换及其接口技术

二、A/D转换器接口技术

1．ADC0809与PC总线接口8255A组和B组都工作于方式0，端口A为输入口，端口C上半部分为输入而下半部分为输出口。ADC0809的ALE与START引脚相连接，将PC0～PC2输出的3位地址锁存入ADC0809的地址锁存器并启动A/D转换。ADC0809的EOC信号还连接PC7，CPU通过查询PC7的状态，从而控制数据的输入过程。

小于640KHz注意此处方向表示39第三节A/D转换及其接口技术

二、A/D转换器接口技术

1．ADC0809与PC总线接口ADC0809PROCNEAR

MOVCX，8CLDMOVBL，00HLEADI，DATABUFNEXTA：MOVDX，02C2H

MOVAL，BLOUTDX，ALINCDXMOVAL，00000111BOUTDX，AL

NOP

NOPNOP

MOVAL，00001110BOUTDX，ALDECDXNOSC：INAL，DXTESTAL，80HJNZNOSCNOEOC：INAL，DXTESTAL，80HJZNOEOCMOVDX，02C0H

INAL，DXSTOSDATABUFINCBLLOOPNEXTARET

ADC0809ENDP

40第三节A/D转换及其接口技术

二、A/D转换器接口技术

2．AD574与PC总线接口如图给出了12位转换方式的AD574A的接口例子。AD574A的12/8控制引脚和VLOGIC相连接，A0接地，使工作于12位转换和读出方式。CE、CS和

R/C

的控制通过PC2～PC0输出适当的控制信号实现。8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A、B和端口C上半部分规定为输入，端口C的下半部分规定为输出。注意模拟地与数字地的连接关系41第三节A/D转换及其接口技术

二、A/D转换器接口技术

2．AD574与PC总线接口

………

MOVDX，02C2H

MOVAL，00HOUTDX，ALNOPNOPMOVAL，04H

OUTDX，ALNOPNOPMOVAL，03HOUTDX，ALPOLLING：INAL，DXTESTAL，80H

JNZPOLLING

MOVAL，01H

OUTDX，ALNOPMOVAL，05HINAL，DXANDAL，OFHMOVBH，ALINCDXINAL，DXMOVBL，ALINCDXMOVAL，OUTDX，AL

…………

42第四节

模拟量输入通道

一、模拟量输入通道的组成

看出了接口与通道的差别了吗？43第四节

模拟量输入通道

二、I/V变换送变器输出的信号为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。

1.无源I/V变换无源I/V变换主要是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，如图所示。R1、R2为精密电阻，C为低漏电电容。输出为标准信号！44第四节

模拟量输入通道

二、I/V变换

2.有源I/V变换利用同相放大电路，把电阻R1上产生的输入电压变成标准的输出电压。该同相放大电路的放大倍数为A=1+R4/R3。若取R3=100KΩ，R4=150KΩ，此时，A=2.5,R1=200Ω，则0～10mA输入对应于0～5V和电压输出。若取R3=100KΩ，R4=25KΩ，R1=200Ω，则4～20mA输入对应于1～5V的电压输出。输出为标准信号！R2,R3,R4电阻值不能取得太小！45第四节

模拟量输入通道

三、采样量化及常用的保持器

1.信号的采样

采样过程如图所示。按一定的时间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、T、2T……kT的一连串脉冲输入信号的过程称为采样过程。

保持信号采样过程46第四节

模拟量输入通道

三、采样量化及常用的保持器

1.信号的采样

从信号的采样过程可知，经过采样，不是取全部时间上的信号值，而是取某些时间上的值。这样处理后会不会造成信号的丢失呢？香农（Shannon）采样定理指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f≧2fmax进行采样，那么采样信号y(t)*就能唯一地复观y(t)。采样定理给出了y(t)*唯一地复观y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取f≧(5～10)fmax，甚至更高。

47第四节

模拟量输入通道

三、采样量化及常用的保持器

2.量化所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。字长n的A/D转换器把ymin～ymax范围内变化的采样信号，变换为数字0～2n–1,其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。q=(ymax-ymin)/(2n-1)量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为±1/2q。

48第四节

模拟量输入通道

三、采样量化及常用的保持器

3.采样保持器

(1)孔径时间和孔径误差的消除

在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总是需要一定的时间。完成一次A/D转换所需要的时间称之为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，即为孔径误差。

孔径时间可能误差49第四节

模拟量输入通道

三、采样量化及常用的保持器

3.采样保持器

(2)采样保持原理采样时，K闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，K断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT＝VC保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。输入缓冲器采样开关保持电容输入缓冲器50第四节

模拟量输入通道

三、采样量化及常用的保持器

3.采样保持器

(3)常用的采样保持器常用的集成采样保持器有LF398、AD582等，其原理结构如图（a）(b)所示。注意差别51第四节

模拟量输入通道

四、模拟量输入通道设计

利用12位A/D转换器AD574A，采样保持器LF3983、多路开关CD4051、8255A并行接口，能够设计出PC总线控制机的模拟量输入通道电路模板。该电路模板的主要技术指标为：8通道模拟量输入；12位分辨率；输入量程为单极性0～10V；A/D转换时间为25μs；应答方式为查询；

多路开关采样保持器A/D转换器可编程器件52第五节

D/A转换及其接口技术

D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它的模拟量输出（电流或电压）与参考电压二进制成比例。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，通常都带有二级缓冲寄存器。主要技术指标有：●分辨率：通常用D/A转换器输入二进制数的位数来表示,如8位、10位、12位。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。●建立时间：输入数字信号的变化是满量程时，输出模拟信号达到离终值±1/2LSB所需要的时间。●线性误差：与A/D转换器的线性误差定义相同。53第五节

D/A转换及其接口技术

一、D/A转换器

1．8位D/A转换器DAC0832

DAC0832的内部结构如图，它主要由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。DAC0832的分辨率为8位，电流输出。54第五节

D/A转换及其接口技术

一、D/A转换器

1．8位D/A转换器DAC0832

DAC0832各引脚的功能如下：CS——片选信号，CS和ILE信号共同对WR1能否起作用进行控制。ILE——允许输入锁存信号。WR1——写信号1，用于将输入数据锁存到输入寄存器中，WR1必须和CS和ILE同时有效。WR2——写信号2，用于将锁存于输入寄存器中的数据送到DAC寄存器中锁存。WR2有效的同时，传送控制信号XFER必须有效。XFER——传送控制信号。用于控制WR2

。DI0～DI7——8位数据输入，DI7为最高位。IOUT1——模拟电流输出1，当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。IOUT2——模拟电流输出2，当DAC寄存器中全为0时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为1时，输出电流为0。IOUT1+IOUT2=常数。Rfb——反馈电阻引出端。VREF——基准电压输入端。（+10～-10V）Vcc——电源电压输入端。（+5～+15V）AGND—模拟地。DGND—数字地。55第五节

D/A转换及其接口技术

一、D/A转换器

2．12位D/A转换器DAC1210

下图是DAC1210的内部原理框图，与DAC0832相比，有两点区别：一是它是12位的，有12条数据输入线（DI0～DI11）。二是可以用字节控制信号BYTE1/BYTE2控制数据的输入。56第五节

D/A转换及其接口技术

二、D/A转换器接口技术

1．8位D/A转换器与PC总线工业控制机的接口

该电路由8位D/A转换芯片DAC0832、运算放大器、地址译码器电路组成。DAC0832工作在单缓冲寄器方式，当CS信号来时，D0～D7数据线送来的数据直通进行D/A转换，当IOW变高时，则此数据便被锁存在输入寄存器中，因此D/A转换的输出也保持不变。DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流（IOUT1和IOUT2），为了使其能变成电压输出，所以又经过运算放大器A，将形成单极性电压输出0～+5（VREF为-5V）或0～+10V（VREF为-10V）。若要形成负电压输出，则VREF需接正的基准电压。为了保证输出电流的线性度，两个电流的输出端IOUT1和IOUT2的电位应尽可能地接近0电位，只有这样，将数字量转换后得到的输出电流将通过内部的反馈电阻Rfb（=15K）流到放大器的输出端，否则运算放大器两输入端微小的电位差，将导致很大的线性误差。若DAC0832的CS的口地址为300H，则8位二进制数7FH转换为模拟电压的接口程序为：

MOVDA，300HMOVAL，7FHOUTDX，AL

57第五节

D/A转换及其接口技术

二、D/A转换器接口技术

2．12位D/A转换器与PC总线工业控制机接口

该电路采用12位D/A转换芯片DAC1210、输出放大器、地址译码器等电路组成。整个电路如图所示，端口地址译码器译出Y0、Y1、Y2三个口地址，设为300H、301H，302H。58第五节

D/A转换及其接口技术

二、D/A转换器接口技术

2．12位D/A转换器与PC总线工业控制机接口

电路的转换过程：当送出口地址Y0信号，则BYTE1/BYTE2为高电平，同时当IOW信号来时，高位数据被写入DAC1210的高8位输入寄存器和低4位寄存器。当又一次IOW信号来，且口地址Y1信号来时，由于BYTE1/BYTE2为低电平，则高8位输入数据被锁存，低4位数据写如低4位寄存器，原先写入的内容被冲掉。当Y2信号和IOW信号来时，则DAC1210内的12位DAC寄存器和高8位及低4位输入寄存器直通，这一新的数据由片内的12位D/A转换器开始转换，当IOW或Y2信号结束时，12位DAC寄存器将锁存这一数据，直到下一次又送入新的数据为止。前面已假设端口译码器的Y0、Y1、Y2