机电一体化第4章控制系统及接口设计(4.11输入／输出控制的可靠性设计)

第四章微机控制系统及接口设计第七节微机应用系统输入／输出控制的可靠性设计第七节微机应用系统输入／输出控制的可靠性设计光电隔离电路设计信息转换电路设计

微机应用系统的输入／输出是通过硬件电路和软件共同完成的。对其硬件电路的要求是：①能够可靠地传递控制信息，井能够输入有关运动机构的状态信息；②能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入／输出信息的转换要求，如D／A、A／D转换、并行数字量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配、电量与非电量之间的转换h弱电与强电的转换以及功率的匹配等，③应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。一、光电隔离电路设计

光电隔离电路的作用主要有以下几个方面：①可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，又由于光电韶合5S输入与输出端之间绝缘电阻非常大(一般为1011一1013á)，寄生电容很小(一般为0．5—2pF)，因此，干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。②可以进行电平转换。如图4—57(a)所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为l2v。③提高驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件如达林顿输出和可控硅输出型光电耦合器件，不但具有隔离功能，而且还具有较强的驱动负载能力。微机输出信号通过这种光电耦合器件后，就能宜接驱动负载。

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，如图所示。它们的原理是相同的，即都是通过电→光→电这种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。

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，如图所示。

光电隔离时域检测电路时域响应特性

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，即存在着截止区、饱和区与线性区三部分。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），可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称对数字信号进行隔离。

例如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的A/D转换器与CPU或CPU与D/A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数字信号进行隔离。

例如在现场传感器与A/D转换器或D/A转换器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。

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；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响A/D或D/A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；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来，因而在工程中使用的最多。

要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的同一个电源，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。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。

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TLP系列就是常用的一种。光电耦合隔离电路应用

采用光电耦合器可以将微机与前向、后向通道以及其它相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机。

请同学们注意：

在微机控制系统中，由于可采用的高功能集成元件端口（输入/输出接口）的性质常有所不同，因而所采用或设计的光电隔离电路也有所不同。在系统设计中，应依据实际情况而定。

1）8031芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路

特点：P3口作为准双向接口，当P3输入口被拉成低电平时，可直接由TTL或MOS电路驱动；当外部信号为低电平时，P3可被拉成高电平直接与光电耦合器连接。

2）8031、8215、8255芯片匹配光电隔离接口电路

特点：当接口作为输入口时，端口为高阻抗输入，与8031的P1接口与光电耦合器的输入连接相同；当P1和P3作为输出接口（准双向接口）时，高电平输出时对外泄漏的电流很小（零点几mA）；低电平输出时对外泄漏的电流很大，P1和P3作为输出接口。3）8155、8255芯片匹配光电隔离接口电路

特点：由于8155、8255输出口可释放和吸收的电流较大，故可直接用高点平推动晶体管驱动光电二极管。在8155、8255上电复位（高阻抗状态）时，不使开机输出额外的信息，将晶体管硬拉成低电平。4）输出较大电流驱动的光电隔离接口输出电路

特点：采用达林顿型驱动电路，可输出更大的电流驱动输出设备。5）提高普通光电耦合器光耦合速度的光电隔离接口输出（响应）电路

特点：可进一步提高普通光电耦合器光耦合速度。6）V/F转换器（LM331）频率输出光电隔离接口输出电路

特点：可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干扰能力。二、信息转换电路设计(1)弱点/强电转换电路微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经过功率放大后，才能驱动备类执行元件。（2