WX微型计算机控制技术第二章160486课件

第2章输入/输出接口与过程通道采用计算机实现生产过程控制，需要采集生产过程中的各种必要信息（参数），并转换成计算机所要求的数据形式，送入计算机。计算机对采集到的数据进行分析处理后，形成所需要的控制信息，以生产过程能接受的信号形式输出，以便实现控制、显示、打印等各种功能。输入/输出通道（简称过程通道或I/O通道）就是在计算机和生产过程之间进行信息传送和变换的连接通道。过程通道按变换传递信号的种类分：模拟量通道和数字量通道；按信号传输的方向分：输入通道和输出通道，或前向通道和后向通道第2章输入/输出接口与过程通道§2.1输入/输出接口§2.2过程通道的一般结构§2.3信号的采样和量化§2.4模拟量输入通道的信号调理电路§2.5模拟开关及采样保持§2.6A/D转换器及接口技术§2.7模拟量输出通道§2.8数字量输入与输出通道§2.9I/O通道的抗干扰技术2.1输入/输出接口在计算机控制系统中，过程通道或外部设备是不能直接与中央处理单元（CPU）连接的，因为它们的速度、数据格式不一定相同，信号形式也不一定相匹配。为了便于两者交换信息，需要通过一个中间环节将CPU和外部通道连接起来，该中间环节就是接口电路。主要实现：电平变换、数据转换、缓冲和状态信息提供等功能。2.1.1接口技术微机系统运行时，外部设备（简称外设）与CPU之间的信息交换是十分频繁的。CPU与外设所交换的信息有数据信息、控制信息和状态信息，为了CPU对外设寻址，还需要有地址信息。为了保证信息的正确传送，I/O接口设有三种端口，即数据端口、状态端口和控制端口，负责对应信息的传送。接口技术就是研究CPU与外设之间如何交换信息的技术。

2.1.2I/O信号的种类外部设备与CPU之间交换的信息按功能通常分为三类信息：数据信息状态信息控制信息1．数据信息（1）数字量。数字量是指时间上、幅值上离散的信号，一般是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数或字符。如由键盘、拨码开关等输入的信息，主机送给显示器、打印机的输出信息等。（2）模拟量。模拟量是指时间上、幅值上连续变化的物理量。如生产现场的压力、温度、液位、速度、重量、位移等。（3）开关量。只有开关两种状态，通常用一位二进制数来表示。如开关的闭合和断开、电动机的启动和停止、阀门的打开和关闭等。2．状态信息状态信息也称握手信息或应答信息，它反映了与CPU连接的外设的当前工作状态，是外设通过接口发往CPU的信息，作为两者交换信息的联络信号。例如，状态信息中的“就绪”信号表示等待的数据是否准备就绪，外部设备“忙”信号表示输出设备是否处于空闲状态等。信号输入时，CPU读取“就绪”（Ready）状态信息，若准备就绪则读入数据。CPU与外部设备之间的信息传送是通过I/O接口电路来完成的，I/O接口通常是一块大规模集成电路芯片。不同芯片内部结构差别很大，但从外部连接来看，可分为两大部分：一部分是与外围设备相连的。为保证信息的正确传送，I/O接口往往开辟不同的端口来传送数据信息、状态信息和控制信息。另一部分是与系统总线相连的。CPU通过系统总线与I/O接口相连。图2-1外部设备通过接口和CPU的连接示意图2.1.3I/O控制方式在微机系统中，可采用的I/O控制方式一般有3种：程序控制方式中断控制方式直接存储器存取方式（DMA方式）一、程序控制方式查询方式比无条件方式可靠，接口电路简单，不占用中断线，同时查询程序也简单，易于设计调试。特别适合于按一定规律顺序工作的生产过程，如：自动线、定时数据采集等。该方式的缺点是：CPU在程序循环中因等待I/O设备的就绪而不能做其他工作，使CPU的效率较低。倘若外部发生紧急事件，CPU不能立即响应，因而实时性不好。二、中断控制I/O方式在许多场合下，计算机控制系统对实时性有较高的要求，此时若采用查询方式，则CPU会浪费大量的时间在循环等待中，实时性差。中断技术的引用，很大程度上克服了这个弊端，比较好的解决外围设备运行速度较慢而CPU运行速度较快的矛盾，提高了CPU效率，同时使控制系统具有良好的实时性。中断方式的应用，要求系统设计时必须解决以下四个问题：（1）保护现场和恢复现场。（2）正确判断中断源。（3）实时响应。（4）按优先权顺序处理。2.1.4I/O接口设计I/O接口设计的任务是根据生产过程的要求和外围设备的特性，选定各被控设备的I/O控制方式，设计出合适的I/O接口电路和相应的接口控制程序。使CPU和被控设备之间能实时、可靠地交换信息，从而保证满足实时控制、数据采集等提出的要求。I/O接口设计方案选择：1．选用现成的多功能I/O接口板为了适应系统I/O扩展的需要，每一种微型计算机系统都设计有配套的I/O接口板，将I/O接口板插到系统外引总线槽上，只要适当选择板上的有关选择开关（选址开关、工作方式选择开关等），就可与系统配套使用。2．自行开发设计I/O接口电路该方式在具体做法上又有两种方案：一是采用通用可编程接口芯片扩展I/O接口。所谓可编程接口，就是接口的通用部分由大规模集成电路实现，其具体功能由程序来确定。如并行接口8255A/8155、串行接口8251A等。另一种方案是采用普通的缓冲器、锁存器和译码器等芯片扩展I/O接口。如常用的接口芯片有地址/数据锁存器74LS273和74LS373、8位三态输出数据缓冲/驱动器74LS244、地址译码器74LSl38/74LS139等。自行开发设计I/O接口电路，针对性强、成本低，但开发周期长。

2.2过程通道的一般结构计算机控制系统的过程通道分为四类：模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道模拟量输入通道（AnalogInput，AI）：，采用传感器或变送器将被控对象的模拟量参数（如压力、温度、液位、重量等）转换成标准电流或电压信号，这些信号再经A/D转换器转换成数字信号送入计算机中。数字量输入通道（DigitalInput，DI）：通过转换电路和接口电路将生产过程中的开关信号、数字信号和脉冲信号转换成计算机所能接受的数字信号，并送入计算机中。模拟量输出通道（AnalogOutput，AO）：需经过D/A转换，将计算机输出的数字信号变换成模拟量，输出给执行机构，由执行机构直接作用于生产过程进行控制或调节。数字量输出通道（DigitalOutput，DO）：是将计算机输出的数字信号变换成执行机构所需要的电平，一般需要进行信号隔离、功率驱动等。1.单信号通道类型现场中采集到的信号常见有以下几种类型：高电压、大电流模拟信号，低电压、小电流模拟信号，脉冲信号、开关信号等。仅考虑单信号时，它们所对应的输入通道结构如表2-1所示。信号类型输入通道结构类型高电压模拟信号大电流模拟信号低电压模拟信号小电流模拟信号频率信号开关量信号数字信号2.多信号输入通道类型计算机控制系统往往需要采集生产过程中的多个模拟信号和数字信号。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。一般结构如图2-2所示，由传感器及检测装置、信号调理电