第四章过程通道与人机接口

第四章过程通道与人机接口第1页，共106页，2023年，2月20日，星期四第4章

过程通道与人机接口第2页，共106页，2023年，2月20日，星期四过程通道过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。第3页，共106页，2023年，2月20日，星期四人机接口计算机和操作人员之间常常需要互通信息，为此计算机和操作人员之间应设置显示器和操作器，其中一种是CRT显示器和键盘，另外一种是针对某个生产过程控制的特点而设计的操作控制台等。通常把上述两类设备简称为人机接口。作用：显示生产过程的状况；供操作人员操作；显示操作结果。第4页，共106页，2023年，2月20日，星期四本章主要内容1.数字量输入输出通道2.模拟量输出通道3.模拟量输入通道4.人机接口第5页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.1数字量的概念及种类1.数字量（开关量）的概念(1)开关的闭合与断开(2)指示灯的亮与灭(3)继电器或接触器的吸合与释放(4)电机的启动与停止(5)设备的安全状况等第6页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.1数字量的概念及种类

2.数字量（开关量）的种类按类型分有电平式和触点式两种(1)电平式为高电平或低电平;(2)触点式为触点闭合或触点断开，一般又分为机械触点和电子触点。机械触点：按钮、旋钮、行程开关、继电器等触点电子触点：晶体管输出型的接近开关和光电开关等

第7页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.2数字量输入通道数字量输入的任务:

把外界被控对象的开关状态信号、或数字信号送至计算机或微处理器。

第8页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.2数字量输入通道1.数字量输入通道的结构

图4.1数字量输入通道结构第9页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.2数字量输入通道2.输入调理电路为了将外部开关量引入到计算机，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。第10页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.2数字量输入通道

图4.2小功率输入调理电路（1）小功率输入调理电路第11页，共106页，2023年，2月20日，星期四（2）大功率输入调理电路4.1.2数字量输入通道

图4.3大功率输入调理电路第12页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.2数字量输入通道

3.常用的几种数字量输入的接线方式●在工业现场中，经常用到的数字量输入有：按钮、接近开关、光电开关、旋转编码器等。●其中按钮是无源接点，晶体管输出型的接近开关、光电开关和旋转编码器等的输出有NPN和PNP两种方式。●下面分别以源极和漏极输入为例，来介绍工业中常见的几种数字量输入的接线方法。第13页，共106页，2023年，2月20日，星期四图4.4漏极输入的数字量输入接线原理框图4.1.2数字量输入通道（1）漏极输入第14页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.2数字量输入通道图4.5源极输入的数字量输入接线原理框图（2）源极输入第15页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.3数字量输出通道1.数字量输出的任务：把计算机送出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件，如指示灯、继电器，控制它们的通断、闭合或亮、灭等。第16页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.3数字量输出通道2.数字量输出通道的结构图4.6数字量输入输出通道结构第17页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.3数字量输出通道3.输出驱动电路●晶体管输出驱动电路●继电器输出驱动电路●固态继电器输出驱动电路第18页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.3数字量输出通道（1）晶体管输出驱动电路图4.7晶体管输出驱动电路第19页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.3数字量输出通道（2）继电器输出驱动电路图4.8继电器输出驱动电路第20页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.3数字量输出通道（3）固态继电器输出驱动电路图4.9固态继电器的结构及用法第21页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.1.4数字量输入输出通道的标准化设计在计算机控制系统中，开关量的输入输出接口极其普遍。在设计上，一般都将开关量的输入输出接口做在同一块模板上，这样可以节省硬件成本，充分利用计算机的有限资源，方便用户使用。第22页，共106页，2023年，2月20日，星期四图4.10PC总线的数字量输入输出模板原理图第23页，共106页，2023年，2月20日，星期四1.D/A转换器原理2.D/A转换器芯片及接口电路3.D/A转换器的输出4.D/A转换器接口的隔离技术5.D/A转换模板的标准化设计4.2模拟量输出通道第24页，共106页，2023年，2月20日，星期四1.模拟量输出通道的功能2.模拟量输出通道的组成（1）接口电路（2）控制电路（3）数/模转换器（D/A）（4）电压/电流（V/I）变换器等第25页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.2.1D/A转换器原理

1.D/A转换器工作原理

D/A转换器输入的数字量是由二进制代码按数位组合起来表示的，任何一个n位的二进制数，均可用表达式DATA=D020+D121+D222+……+Dn-12n-1在D/A转换中，要将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其“权”的大小转换成相应的模拟量，然后将各分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量，这就是D/A转换的基本原理。第26页，共106页，2023年，2月20日，星期四

2.D/A转换器的主要组成（1）基准电压VREF（2）T型（R-2R）电阻网络（3）位切换开关BSi（i=0，1，…，n-1）（4）运算放大器AVOUT=－VREF（D020+D121+D222+…+Dn-12n-1）/2n输出电压VOUT与输入二进制数D0～Dn-1的关系第27页，共106页，2023年，2月20日，星期四3.T型网络组成的D/A转换器原理图第28页，共106页，2023年，2月20日，星期四第29页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.D/A转换器性能指标（1）分辨率（2）稳定时间（又称转换时间）（3）绝对精度第30页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.2.2D/A转换器芯片及接口电路1.D/A转换器的种类（1）按数字量输入方式：有并行输入和串行输入（2）按模拟量输出方式：电流输出和电压输出（3）按D/A转换的分辩率：低分辩率、中分辩率和高分辩率第31页，共106页，2023年，2月20日，星期四2.8位D/A转换器芯片DAC0832DAC0832是8位数/模转换芯片，DAC0832具有以下主要特点：●与TTL电平兼容；●分辨率为8位；●建立时间为1μs；●功耗为20mW；●电流输出型D/A转换器。第32页，共106页，2023年，2月20日，星期四DAC0832结构框图及引脚说明图4.12DAC0832的结构框图和引脚第33页，共106页，2023年，2月20日，星期四3.DAC0832工作过程①CPU执行输出指令，输出8位数据给DAC0832；②在CPU执行输出指令的同时，使ILE、/CS、/WR1三个控制信号端都有效，8位数据锁存在8位输入寄存器中；③当/WR2、/XFER两个控制信号端都有效时，8位数据再次被锁存到8位DAC寄存器，这时8位D/A转换器开始工作，8位数据转换为相对应的模拟电流，从Iout1和Iout2输出。第34页，共106页，2023年，2月20日，星期四DAC0832接口电路第35页，共106页，2023年，2月20日，星期四12位D/A转换器芯片DAC1210图4.14DAC1210原理框图第36页，共106页，2023年，2月20日，星期四12位D/A转换器芯片DAC1210图4.15DAC1210接口电路图4.15DAC1210接口电路第37页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.2.3D/A转换器的输出在计算机过程控制中，外部执行机构有电流控制的，也有电压控制的，因此根据不同的情况，使用不同的输出方式。D/A转换的结果若是与输入二进制码成比例的电流，称为电流DAC，若是与输入二进制码成比例的电压，称为电压DAC。第38页，共106页，2023年，2月20日，星期四

1.电压输出(1)单极性电压输出单极性电压输出原理图第39页，共106页，2023年，2月20日，星期四(2)双极性电压输出双极性电压输出原理图第40页，共106页，2023年，2月20日，星期四2.电流输出D/A转换器的电流输出第41页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.2.4D/A转换器接口的隔离技术由于D/A转换器输出直接与被控对象相连，容易通过公共地线引入干扰，因此要采取隔离措施。通常采用光电耦合器，使控制器和被控对象只有光的联系，达到隔离的目的。光电耦合器由发光二极管和光敏三极管封装在同一管壳内组成，发光二极管的输入和光敏三极管的输出具有类似于普通三极管的输入—输出特性。一般有两种隔离方式：模拟信号隔离和数字信号隔离。第42页，共106页，2023年，2月20日，星期四1.模拟量隔离模拟信号隔离输出电路第43页，共106页，2023年，2月20日，星期四模拟信号隔离方法的优点是：只使用少量的光电耦合器，成本低；缺点是调试困难，如果光电耦合器挑选不合适，将会影响变换的精度和线性度。第44页，共106页，2023年，2月20日，星期四2.数字量隔离数字信号隔离输出电路第45页，共106页，2023年，2月20日，星期四数字信号隔离的优点是调试简单，不影响转换的精度和线性度；

缺点是使用较多的光电耦合器，成本高。第46页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.2.5D/A转换器模板的标准化设计1.D/A转换器模板的设计原则合理地选择D/A转换芯片及相关的外围电路，需要掌握各类集成电路的性能指标及引脚功能，以及与D/A转换模板连接的CPU或计算机总线的功能、接口及其特点。软硬件设计相结合。第47页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.2.5D/A转换器模板的标准化设计2.D/A转换模板的设计设计步骤●确定性能指标●设计电路原理图●设计和制造电路板●焊接和调试电路板第48页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.3.1A/D转换器原理4.3.2A/D转换器芯片及接口电路4.3.3A/D转换器的外围电路4.3.4A/D转换器接口的隔离技术4.3.5A/D转换模板的标准化设计4.3模拟量输入通道第49页，共106页，2023年，2月20日，星期四●模拟量输入通道（又称为A/D接口）●模拟量输入通道的组成（1）多路模拟切换开关（2）前置放大器（3）采样保持器（4）模／数转换器（A/D）（5）控制电路等第50页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.3.1A/D转换器原理●A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。●模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。●A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。第51页，共106页，2023年，2月20日，星期四1.A/D转换器的工作原理主要介绍以下三种方法：

（1）逐次逼近法

（2）双积分法（3）电压频率转换法第52页，共106页，2023年，2月20日，星期四(1)逐次逼近法①逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。②采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。③基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。第53页，共106页，2023年，2月20日，星期四逐次逼近法原理及转换过程

逐次逼近式A/D转换器原理框图第54页，共106页，2023年，2月20日，星期四(2)双积分法①采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。②基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。

第55页，共106页，2023年，2月20日，星期四双积分式A/D转换的原理框图第56页，共106页，2023年，2月20日，星期四(3)电压频率转换法①采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成。②它的工作原理是Ｖ/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。第57页，共106页，2023年，2月20日，星期四电压频率式A/D转换原理框图第58页，共106页，2023年，2月20日，星期四2.A/D转换器性能指标（1）电压输出A/D转换器的一般形式（2）分辨率（3）稳定时间（又称转换时间）（4）量程（5）精度第59页，共106页，2023年，2月20日，星期四1．8位A/D转换器芯片ADC0809（1）逐次逼近式A/D转换器（2）它是具有8路模拟量输入、8位数字量输出功能的A/D转换器。（3）转换时间为100μs。（4）模拟输入电压范围为0V～+5V，不需零点和满刻度校准。（5）低功耗，约15mW。4.3.2A/D转换器芯片及接口电路第60页，共106页，2023年，2月20日，星期四（1）ADC0809结构框图及引脚说明ADC0809的结构框图和引脚第61页，共106页，2023年，2月20日，星期四①选择模拟通道②打开模拟通道③启动A/D转换④保持转换⑤A/D转换结束⑥将转换结果送入CPU（2）ADC0809的工作过程第62页，共106页，2023年，2月20日，星期四（3）CPU读取A/D转换器数据的方法①查询法优点:接口电路设计简单。缺点：A/D转换期间独占CPU，CPU运行效率降低。②定时法优点:接口电路比查询法简单，不必读取EOC状态。缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低；另外还必须知道A/D转换器的转换时间。③中断法优点：A/D转换期间CPU可以处理其它的程序，提高CPU运行效率。缺点：接口电路复杂。第63页，共106页，2023年，2月20日，星期四ADC0809接口电路图（4）ADC0809接口电路第64页，共106页，2023年，2月20日，星期四（1）AD574是美国模拟器件公司的产品，是较先进的高集成度、低价格的逐次逼近式转换器。（2）AD574由两片大规模集成电路构成。一片为D/A转换器AD565，另一片集成了逐次逼近寄存器SAR、转换控制电路、时钟电路、总线接口电路和高分辨比较器电路。2．12位A/D转换器AD574第65页，共106页，2023年，2月20日，星期四（1）AD574的结构框图及引脚说明第66页，共106页，2023年，2月20日，星期四CECSR/C12/8A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X一次读取12位输出数据10100输出高8位输出数据10101输出低4位输出数据尾随4个0第67页，共106页，2023年，2月20日，星期四（2）AD574的工作过程启动转换时，首先使/CS、CE信号有效，AD574处于转换工作状态，且A0为1或为0，根据所需转换的位数确定，然后使R/C＝0，启动AD574开始转换。视为选中AD574的片选信号，为启动转换的控制信号。转换结束，STS由高电平变为低电平。可通过查询法，读入STS线端的状态，判断转换是否结束。第68页，共106页，2023年，2月20日，星期四（2）AD574的工作过程输出数据时，首先根据输出数据的方式，即是12位并行输出，还是分两次输出，以确定是接高电平还是接低电平；然后在CE=1、/CS=0、R/C=1的条件下，确定A0的电平。若为12位并行输出，A0端输入电平信号可高可低；若分两次输出12位数据，A0=0，输出12位数据的高8位，A0=1，输出12位数据的低4位。由于AD574输出端有三态缓冲器，所以D0～D11数据输出线可直接接在CPU数据总线上。第69页，共106页，2023年，2月20日，星期四（3）AD574接口电路第70页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.3.3A/D转换器的外围电路1.I/V转换2.多路模拟开关3.前置放大器4.采样保持电路

第71页，共106页，2023年，2月20日，星期四1.I/V变换很多变送器输出信号为0～10mA或4～20mA，由于A/D转换器的输入信号只能是电压信号，所以如果模拟信号是电流时，必须先把电流变成电压才能进行A/D转换。这样就需要I/V变换电路。下面讨论一下I/V变换的实现方法。第72页，共106页，2023年，2月20日，星期四1.I/V变换(1)无源I/V变换0～10mA输入信号，R1=100，R2=500，输出的V为0～5V4～20mA输入信号，R1=100，R2=250，输出的V为1～5V第73页，共106页，2023年，2月20日，星期四1.I/V变换(2)有源I/V变换0～10mA输入信号，R3=100k，R4=150k，R1=200，输出V为0～5V4～20mA输入信号，R3=100k，R4=25k，R1=200，输出V为1～5V第74页，共106页，2023年，2月20日，星期四2．多路模拟开关CD4501的结构和引脚图第75页，共106页，2023年，2月20日，星期四3.前置放大器前置放大器的任务是将模拟输入的小信号放大到A/D转换的量程范围之内，为了能适应多种小信号的放大需求，可以设计可变增益放大器。现在的一些变送器的输出都是标准的电压信号或标准的电流信号，前置放大器在A/D转换电路中不常用。第76页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.3.4A/D转换器接口的隔离技术(1)隔离方式同D/A转换器接口隔离技术，主要采用光电耦合器(2)隔离技术技术与D/A类似第77页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.3.5A/D转换器模板的标准化设计1.采样保持器2.输入跟随或信号放大处理

3.多路模拟信号的切换技术4.隔离技术5.A/D的转换精度和速度6.参考基准电压第78页，共106页，2023年，2月20日，星期四1.键盘接口2.显示器接口3.打印机接口4.其它人机接口4.4人机接口第79页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.4人机接口人机接口是操作人员与计算机之间相互交换信息的接口，通过这些接口，操作人员可以对计算机进行操作，并能实时了解到计算机控制的有关内容。人机接口包括键盘、打印机、显示器等第80页，共106页，2023年，2月20日，星期四键盘是一组按键或开关的集合，键盘接口向计算机提供被按键的代码，常用键盘有两种。（1）编码键盘:能够自动提供被按键的编码特点：使用方便、结构复杂、成本高。（2）非编码键盘：仅仅简单地提供按键的通或断状态（“0”或“1”），而按键的扫描和识别则由用户的键盘程序来实现。特点：结构简单、便于用户自行设计。4.4.1键盘接口第81页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.4.1键盘接口1.独立连接式键盘第82页，共106页，2023年，2月20日，星期四（1）按键抖动干扰的消除方法:硬件方法：一般采用单稳态触发器或滤波器来消除抖动干扰。软件方法：一般采用软件延时或重复扫描的方法（2）独立连接式键盘的优缺点:优点：电路简单，适用于按键数较少的情况。缺点：浪费电路，对于按键数较多的情况，应采用矩阵连接式键盘。4.4.1键盘接口第83页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.4.1键盘接口2.矩阵式键盘第84页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.4.1键盘接口由键盘扫描程序的行输出和列输入来识别按键的状态，具体工作过程如下:(1)按键扫描(2)按键识别(3)按键处理第85页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.4.1键盘接口3.二进制编码键盘二进制编码键盘是编码键盘的一种，二进制编码键盘的按键状态对应二进制数。二进制编码键盘可以通过优先级编码器来完成。4.智能式键盘在键盘的内部装有专门的微处理器，由这些微处理器来完成键盘开关矩阵的扫描、键盘扫描值的读取和键盘扫描值的发送。这样，键盘作为一个独立的输入设备就可以和主机脱离，仅仅依靠传输线（一般采用5芯电缆）和主机进行通信。第86页，共106页，2023年，2月20日，星期四4.4.2显示器接口常用的显示方式（1）指示灯（2）LED、LCD（液晶显示）（3）模拟屏显示（4）图文显示（5）新型薄膜晶体管TFT等第87页，共106页，2023年，2月20日，星期四1.图形显示器CRT由一个图形监视器和相应的控制电路组成是目前在工业控制计算机系统应用最多，技术最成熟的图形显示技术，最常用的方式是插入一块TVGA图形控制卡来实现很强的图形显示功能。特点是技术成熟、支持软件丰富、价格低廉，可以满足大部分工业控制现场的一般性需要。4.4.2显示器接口第88页，共106页，2023年，2月20日，星期四2.高性能的平面显示一体机型利用新型薄膜晶体管TFT技术做成，其特点如下:(1)体积小巧，耗电省(2)可靠性高，寿命长(3)不易受振动、冲击和射线的干扰(4)操作温度范围（0℃～+45℃），相对湿度范围20%～90%(5)颜色为256种基色，可