微型计算机控制技术（第2版）课件：输入输出接口及输入输出通道

输入输出接口及输入输出通道01数据信息的输入输出控制方式数字量/模拟量输入输出通道的基本组成输入输出接口与输入输出通道020304基于板卡的输入输出接口与通道的设计0506基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的设计多回路温度控制系统输入输出通道与接口设计数据信息的输入输出控制方式输入输出接口与输入输出通道数字量/模拟量输入输出通道的基本组成基于板卡的输入输出接口与通道的设计基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的设计多回路温度控制系统输入输出通道与接口设计输入输出接口设计工业控制计算机用于生产过程的自动控制，需要接收外部的输入信号，也要发出用于控制的输出信号。输入信号无论是模拟量还是数字量，都要变换成规范的数字信号(TTL电平)，这个数字信号送到数字量输入接口，工业控制机通过（PC）总线读取数字量输入接口上的数据，实现对外部输入信号的采集。输出信号（用于控制的）无论是模拟量还是数字量，工业控制机均通过（PC）总线把输出信号以数字量的形式写入数字量输出接口。数字量输入接口原理图数字量输出接口原理图输入输出接口设计

输入接口是输入通道与工业控制机总线之间的桥梁，输出接口是输出通道与工业控制机总线之间的桥梁。下图是由缓冲器和译码器组成的数字量输入接口示例，以及锁存器和译码器组成的数字量输出接口示例。

数字量输入接口示例数字量输出接口示例输入输出接口设计

除缓冲器和锁存器外，还有一类既有缓冲功能又有锁存功能的器件，Intel公司8255A可编程并行I/O扩展接口芯片就是这样的器件。8255A与工业控制计算机（ISA）总线的连接如图3-5所示。8255A有三个可编程的8位输入输出端口A、B和C，内部有一个控制寄存器。通过向控制寄存器写入控制字定义A、B、C端口的数据传输方向（输入或输出）。图中ATF16V8作译码器用。由于图中ATF16V8是可编程逻辑器件，其输入输出逻辑关系可以自行定义，因此8255A的端口地址在硬件连接不变的情况下，由ATF16V8的输入输出逻辑表达式决定。若要使8255A的A、B、C口地址分别为300H、301H、302H，可令ATF16V8的输出表达式为：Y0=/A9+/A8+A7+A6+A5+A4+A3+A2+AEN但由于ATF16V8器件内部的或门只有8个输入，无法实现上述表达式，因此通过短接ATF16V8芯片上S1和S2，用下面两个表达式来实现上述表达式功能。

S1=/A9+/A8+A7+A6+A5+A4+A3+A2Y0=AEN+S2

数据信息的输入输出控制方式输入输出接口与输入输出通道数字量/模拟量输入输出通道的基本组成基于板卡的输入输出接口与通道的设计基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的设计多回路温度控制系统输入输出通道与接口设计数据传送方式程序控制传送方式——通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送，又分为：无条件传送、查询控制方式中断控制方式——外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销;直接存储器存取（DMA）控制方式——传送请求由外设向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申请总线，最后DMAC利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送查询控制方式在查询控制方式中，CPU通过输入指令(IN)读取指定外设的当前状态，如果外设准备就绪则进行数据的输入或输出，否则CPU循环查询。这种控制方式的优点是系统结构简单，只需少量的硬件电路即可；缺点是CPU循环查询占用的时间较长，从而影响系统的工作效率。查询式控制方式的接口电路中，除了数据端口外，还必须有传送状态信息的端口，其结构如图所示。查询式输入接口硬件构成工作流程查询式数据输入过程：CPU首先通过状态口从数据线Di读取状态信息，据此判断输入设备是否准备就绪，若未就绪(就图中而言，Di＝0)，程序循环等待、查询；若就绪（Di＝1），则执行输入指令，从数据口读入数据，同时使准备就绪的触发器复位，表示输入一个数据的操作已经完成。以后当输入设备的数据再次准备就绪时，输入设备发出就绪状态信息，一方面把输入设备的数据暂存入数据锁存器，另一方面使准备就绪的触发器置“1”，等待CPU查询，进入下一个数据输入周期。如此周而复始，每输入一个数据，都重复上述过程。查询式输出接口硬件构成工作流程查询式数据输出过程：CPU首先通过状态口读取状态信息，据此判断输出设备是否准备就绪，若未就绪，“忙”触发器仍为“1”，CPU循环查询。当输出设备准备就绪（即不忙时），输出设备便发出一个信号，使“忙”触发器置“0”。CPU一旦查询得知输出设备不忙，即执行数据输出指令。地址译码器输出的端口信号Pd和一起，一方面CPU把DB上的数据暂存于锁存器中；另一方面使“忙”触发器置“1”，通知输出设备数据已在锁存器中，以便输出设备从数据锁存器中取走数据。以后每输出一个数据都重复上述过程。查询设备状态标志值的方法以上介绍的是只有一个I/O设备的情形。当系统中有多个I/O设备时，CPU要对所有外设进行巡回查询，一旦发现某个外设准备就绪，CPU便执行对该外设的输入(或输出)指令，待作适当处理后，CPU又进入循环查询过程。查询设备状态标志值的方法有三种：

1．每个设备对应一个状态端口（实际只有一位，是一个状态触发器），CPU查询一个设备的状态标志，经判断作出相应的I/O处理后，再查询、判断、处理下一个设备。2．把各个设备的状态标志位集中起来，用一个统一的专用状态端口来存放，CPU一次读取后就可对所有设备的当前标志进行测试、判断和进入相应处理。这两种方法的设备优先级都是由查询的顺序决定的。3．在专用的状态端口前再增加一个优先权编码器，这样在有多个设备同时要求服务时，能最先对它们当中优先权最高的设备进行服务。这种方法下的设备优先权是由设备标志位到优先级编码器输入引脚号的硬连线予以固定的。查询控制方式的优缺点程序查询式I/O控制是一种天然的同步控制机构，由于总是CPU主动，所有I/O传送都与程序的执行严格同步，所以能很好地协调CPU与外设之间的工作，数据传送可靠。此外，它的接口简单，硬件电路不多，查询程序也不复杂。其主要缺点是CPU必须循环等待，以检测外设状态，直到外设准备就绪以后才能传送数据。这样，为了传送一个数据，软件开销很大，CPU把绝大部分时间都花在循环等待上，而真正为外设服务的时间却很少，使CPU的使用效率低。当然，要想提高CPU使用效率，可在循环等待期间穿插一些其它运算处理，但这样势必影响I/O服务的响应速度，使I/O处理的实时性降低。而要提高I/O响应速度，唯一的办法就是提高查询频率，但这样又必将进一步加剧第一个缺点。这是查询方式本身难以解决的矛盾。这种I/O控制方式是优是劣，不能一概而论，要看具体应用场合。如果I/O处理的实时性要求不那么高，或者微型计算机的操作任务比较单一，并不很忙。比如在一个系统专门用于控制一个或几个I/O设备的特殊情况下，CPU除了为外设服务，本身就没有更多的其它工作要做，在这种情况下，程序查询式控制不失为一种比较理想的控制策略。正因为这样，所以它在实际中还是一种最常用的I/O控制方式。反过来，如果I/O处理的实时性要求很高，或者CPU的任务很繁忙，则不宜采用这种方式，而最好采用中断驱动式或其它方式来控制。中断控制方式在中断控制方式中,CPU不再被动循环查询，而是可以执行其它程序。一旦外设准备就绪由外设主动向CPU提出中断服务请求，CPU如果响应请求，便暂时停止当前程序的执行，转去执行与该请求相应的服务程序，服务程序执行完毕后再继续执行原来被中断的程序。断点主程序中断服务程序中断请求对外设进行处理继续执行返回断点中断控制方式优缺点优点：中断控制方式不仅省去了CPU查询外设状态和等待外设准备就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率，而且还满足了外设的实时性要求。缺点：但系统需要为每个I/O设备分配一个中断请求号和编写相应的中断服务程序，此外还需要一个中断控制器来管理I/O设备提出的中断请求。中断控制方式的缺点是每次数据传送都要进行一次中断，在中断服务程序中还需保留和恢复现场以便能继续原程序的执行，工作量较大。如果需要大量数据交换，系统的效率较低。中断控制方式接口示意当输入设备准备就绪时，发出就绪状态信号，使数据暂存在锁存器中，同时使中断请求触发器置“1”，向CPU发出中断请求信号。如CPU响应中断，则执行中断服务程序，由输入指令寻址数据端口并输入数据，同时将中断请求触发器置“0”，以撤销中断请求。CPU在执行完中断服务程序后自动返回被中断的程序。这样，利用程序中断便完成了输入一个数据的任务。中断控制方式注意点中断驱动式I/O控制既能节省CPU时间，提高计算机使用效率，又能使I/O设备的服务请求得到及时响应，很适合于在计算机工作量十分饱满，而I/O处理的实时性要求又很高的系统，如在实时采集、处理的控制系统中使用，这是它的突出优点。但是，这种控制方式需要以一系列中断逻辑电路作为支持，所以它的硬件比较复杂。另外，中断方式是一种异步控制机构，中断请求信号的出现完全是随机的，在主程序的任意两条指令之间，中断请求都可能插入一段完全不同的、甚至与它们相冲突的子程序去执行，使整个程序执行流程无法预料，因此，其软件开发和调试比程序查询式复杂和困难。这种问题在用高级语言编程时更可能出现，因为高级语言的一个语句就包含许多机器指令，而中断发生时机器总是执行完现行机器指令后再转向中断服务子程序，因此，当中断返回时一方面很难保证每次都能返回到中断点，另一方面也很难保证高级语言程序中的许多变量在中断服务期间统统保持不变。所以，在有些资料中强调，中断驱动的I/O服务程序必须用汇编语言编写，且必须遵守严格的约定，这些约定通过控制哪些变量可被读写、什么时候可读写以及在中断驱动程序和被中断程序之间如何进行信息通信等来避免冲突。采用中断驱动式I/O控制，还有一种易于引发错误的情形，就是当中断正好出现在程序中的某个危险点时，即由于算法设计和程序编写的疏忽，使程序运行到堆栈指针不是指向堆栈内，而是短暂地指向堆栈外的某个数据区的程序点时，中断就将改写那个数据区的一部分，从而造成错误，使系统不能正常工作。为此，作为一个一般规则，堆栈指针永远不能指向其它地方而只能指向堆栈。中断控制方式小结中断传送是一种效率更高的程序传送方式，进行传送的中断服务程序是预先设计好的，中断请求是外设随机向CPU提出的，CPU对请求的检测是有规律的编写中断程序，一要遵守严格的约定，二要讲究程序设计技巧。此外，通常还需要良好的软件调试工具如仿真器和逻辑分析仪等，用于帮助诊断和修正中断驱动程序中的故障，否则就很可能出了故障还没觉察，留下隐患。鉴于上述分析，如果不是在实时性要求很高，非使用中断驱动式控制不可的地方，还是尽量使用硬件和软件都较简单的程序查询式控制为好。DMA控制方式DMA控制方式即直接存储器存取方式，它采用一个专用的硬件电路DMA控制器（在PC机的主板上）来控制内存与外设之间的数据交换，无需CPU介入，从而大大提高了CPU的工作效率。上图是DMA控制方式的输入接口电路示意图。DMA控制方式的数据交换过程1.外设数据准备好后，通过RDY信号使DMA请求触发器置“1”并锁存外设数据。2.DMA请求触发器的Q端向DMA控制器发出请求信号。3.DMA控制器收到外设的请求信号后，DMA控制器会向CPU申请总线控制权。4.CPU将总线控制权交出后，由DMA控制器掌握总线控制权。5.DMA控制器发出DMA应答信号和端口读信号，这两个信号一方面使DMA请求触发器清“0”，另一方面开通三态缓冲器，使外设数据出现在系统数据总线上。6.DMA控制器发出存储器的地址信号和存储器写信号，将系统数据总线上的数据写到内存中，实现DMA数据传送操作。7.数据传送结束后，DMA控制器将总线控制权交还给CPU。数据信息的输入输出控制方式输入输出接口与输入输出通道数字量/模拟量输入输出通道的基本组成基于板卡的输入输出接口与通道的设计基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的设计多回路温度控制系统输入输出通道与接口设计数字量输入通道的信号调理数字量输入通道的基本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、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。下面针对不同情况分别介绍相应的信号调理技术。触点输入调理电路

采用积分电路采用R-S触发器所示为从开关、继电器等触点输入信号的电路。它将触点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。左图所示为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法。右图所示为R-S触发器消除开关两次反跳的方法。高电压输入调理电路

为了提高触点工作的可靠性，触点两端至少要加24V以上的直流电压，因为直流电平的响应快，不易产生干扰，电路又简单，因而被广泛采用。但是这种电路，由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。数字量输出通道信号调理小功率继电器输出电路

MCl413是达林顿阵列驱动器，它内含7个达林顿复合管，每个复合管的电流都在500mA以上，但每一块双列直插式芯片总的输出电流不得超过2.5A；输出端截止时承受l00V电压；输入端可与多种TTL及CMOS电路兼容。为了防止MCl413组件反向击穿，可使用内部保护二极管。图3-13给出了MCl413内部电路原理图和使用方法。大功率交流驱动电路

（a）过零触发型（b）随机开启型大功率交流驱动电路一般由固态继电器来实现。固态继电器(SSR)是一种既有放大驱动作用，又有隔离作用，很适合于驱动大功率开关式执行器件。SSR是一种四端有源器件，其中的两端为输入控制端，输入功耗很低，与TTL、CMOS电路兼容；另外两端是输出端，内部设有输出保护电路。单向直流固态继电器（DCSSR）的输出端与直流负载适配，双向交流固态继电器(ACSSR)的输出端与交流负载适配。输入电路与输出电路之间采用光电隔离，绝缘电压可达2500V以上。ACSSR又分为过零触发型（Z型）和随机开启型（又称调相型、P型）。过零触发型具有零电压开启、零电流关断的特性，使用中对电网污染小，但它的输入端施加控制电压后，要等交流电压过零时输出端才能导通，这有可能造成最大为半个市电周期（对于50Hz市电为10ms）的延迟。而对于随机开启型SSR，输入端施加控制电压后输出端立即导通。在输入电压撤销后，当负载电流低于双向可控硅的维持电流时，SSR输出才关断。大功率负载的随机开启有可能对电网造成污染，导致局部供电系统波形的畸变。SSR的输入电路

（a）正端输入

（b）负端输入SSR的输入电路与TTL、CMOS电路兼容，输入控制十分方便，任何可以给出TTL电平的开关电路都可以用来驱动SSR，例如晶体管开关电路、按钮开关电路及各种电源为+5V的TTL或CMOS数字逻辑IC片。TTL或CMOS电路控制SSR的两种方式如图所示。输入端4接低电平，输入端3接控制信号，控制信号为高电平则SSR导通，控制信号为低电平则SSR关断。输入端3接正电源，输入端4接控制信号，控制信号为高电平则SSR关断，控制信号为低电平则SSR导通。SSR的输出负载

（a）直流电源驱动直流电感负载

（b）交流电源驱动直流电感负载（c）交流电源驱动交流电感负载小电流负载。由图可以看出，SSR内部除去输入电路之外的所有其它电路都是由输出端供电的。因此，即使在输出端关断状态下，SSR仍维持一个关断状态电流。为了使负载可靠地关断，流过负载的开启电流至少应该是SSR关断状态电流的10倍。如果负载电流低于这个值，负载上需要并联一个电阻，以提高开启电流数值。电感性负载。对于电感性式负载，当SSR关断时，因为流过电感式负载的电流不能突变，有可能在电感两端产生很高的感应电压，导致SSR输出电路被烧坏，必须用续流二极管（直流负载）或压敏电阻（交流负载）保护SSR的安全。如果负载为直流电感性，应当使用DCSSR，负载上并联续流二极管以保护SSR，如图（a）所示。如果负载为直流电感式而负载电源为交流电源，可以外接整流全桥将其变为直流，如图（b）所示。如果负载为交流电感式，必须使用ACSSR，SSR输出端并联压敏电阻以保护SSR，如图（c）所示。固态继电器及其用法

压敏电阻的阈值电压可按电源电压有效值的1.6~1.9倍选取。压敏电阻不但为电感式负载的感应电流提供了一个通路，而且可以避免工频电源夹杂的尖峰电压施加在SSR输出端。工频市电波形中夹杂的尖峰电压是很频繁的，它虽然宽度很窄（微秒数量级），但幅度有高有低，高时可达千伏以上。当尖峰电压幅度超过了SSR的阻断电压或其变化速度超出了SSR在关闭状态下的dU/dt特性容限时，就会使SSR在没有选通的情况下开启，造成执行机构的误动作。SSR作为大电流负载的开关，因其无触点及机械部件，因而比电磁继电器速度快、可靠性高、寿命长、对外界干扰小，得到了越来越广泛的应用。为了避免负载电流过大时烧坏SSR，经常用快速熔断丝和空气开关作为过流保护。固态继电器(SSR)是一种四端有源器件，图为固态继电器的结构和使用方法。输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。模拟量输入通道的信号调理

在微型计算机控制系统中，模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压(或电流)信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。为了避免传输微弱的电子模拟信号带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成0~10mA或4~20mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。A/D转换器

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μs~几百μs)，但抗干扰能力较差；后者转换时间长(几十ms～几百ms)，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位分辨率的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2进制11位分辨率)的MCl4433，4位半(相当于2进制14位分辨率)的ICL7135等。A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等。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通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。分辨率为n位表示它能对满量程输入的l/2n的增量作出反映，即数字量的最低有效位(LSB)对应于满量程输入的l/2n。若n＝8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压5.12V／28＝20mV。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。线性误差常用LSB的分数表示，如LSB或±LSB。量程即所能转换的输入电压范围，如-5V～+5V，0~10V，0~5V等。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。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。采样保持器信号的采样

采样过程：按一定的时间间隔，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转换成在时刻1T,2T….kT的一连串脉冲输出信号的过程。采样器的常用术语：

采样器或采样开关--执行采样动作的装置；采样时间或采样宽度τ--采样开关每次闭合的时间；采样周期T--采样开关每次通断的时间间隔；

在实际系统中，

《T

，也就是说，可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。时间连续幅值连续信号时间离散幅值连续信号信号的采样

由经验可知，采样频率越高，采样信号

y*(t)越接近原信号y(t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号y*(t)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理，香农定理指出：为了使采样信号y*(t)能完全复现原信号y(t)，采样频率f至少要为原信号最高有效频率fmax的2倍，即f

2fmax。采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取f

（5~10）fmax。量化

采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号，不能直接送计算机进行处理，故还需经过量化变成数字信号才能背计算机识别。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，将其装换为数字信号。

将采样信号转换为数字信号的过程成为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。

模拟信号可以具有无穷多的值，而一组数码是有限的因此用数码来逼近模拟信号是近似的量化单位

量化单位：字长为n的转换器把量程范围内变化的采样信号，变换为数字，其最低有效位LSB所对应的模拟量q称为量化单位。

n足够大

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（四舍五入）过程。存在的量化误差最大值为：注意：当字长n足够长，量化误差足够小，可以认为数字信号近似与采样信号。采样保持器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需要一定的时间，完成一次A/D转换所需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。如图所示的正弦模拟信号，如果从t0时刻开始进行A/D转换，但转换结束时已为t1，模拟信号已发生△U的变化。孔径时间和孔径误差的消除

孔径时间和孔径误差的消除

结论：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器。采样保持原理

A/D转换过程（即采样信号的量化过程）需要时间，这个时间称为A/D转换时间。在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以，一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，还需加保持器作信号保持。保持器把t=kT时刻的采样值保持到A/D转换结束。T为采样周期，k＝0，1，2，…为采样序号。采样保持器的基本组成电路如图3-20所示，由输入输出缓冲器A1、A2和采样开关K、保持电容CH等组成。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。常用的采样保持器

常用的集成采样保持器有AD582、LF398等，其原理结构如图(a)、(b)所示。采用TTL逻辑电平控制采样和保持。AD582的采样控制电平为“0”，保持电平为“1”，LF398相反。OFFSET用于零位调整。保持电容CH通常是外接的，其取值与采样频率和精度有关，常选510~1000pF。减小CH可提高采样频率，但会降低精度。一般选用聚苯乙稀、聚四氟乙稀等高质量电容器作CH。（a）AD582（b）LF398选择采样保持器主要应考虑获取时间，电压下降率等。LF398的CH取为0.01μF时，信号达到0.01%精度所需的获取时间（采用时间）为25μs，保持期间的输出电压下降率为每秒3mV。若A/D转换器的转换时间为100μs，转换期间,保持器输出电压下降约300μV。当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。多路开关

在实际的数据采集系统中，要用一个A/D转换器实现对多路模拟信号的转换，通常有以下3种方法。第一、选用具有多路模拟输入通道的A/D转换器。如0808/0809A/D转换器，有8个模拟输入通道。使用这样的A/D转换器，不需外加电路就可实现多路输入，这是最简便的多路输入方法。但并不是所有的A/D转换器都带有多路输入功能。第二、采用A/D转换器本身的扩展端实现模拟输入通道的扩展。例如，ADC0816的多路开关是通过管脚与比较器的输入端相连的。这种结构的A/D转换器具有外部通道扩展功能。当扩展控制端EXP为低电平时，ADC0816对IN0~IN5断开，而对比较器输入端（COMIN）输入的模拟量进行转换。如果该端外接一个N路模拟开关，就能达到通道扩展的目的。第三、采用多路开关扩展输入通道是更为常用的方法。因为被测信号是多种多样的，所以上述两种方法的适应范围是有限的，采用多路开关扩展输入通道则更为灵活。模拟多路开关有机械式、电磁式和电子式三大类。纯机械式开关在现代计算机测控系统中已很少使用。电磁式多路开关主要是指各种继电器、干簧管等，其中干簧继电器体积小，切换速度快，噪声小，寿命长，最适合在模拟量输入通道中使用。多路开关

在选用多路开关时需要考虑下列参数：

●

通道数量通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响。通道数目越多，寄生电容和泄漏电流也越大。尤其是在使用集成模拟开关时，尽管只有其中一个通道的模拟开关导通，但由于其它处于断开状态(高阻状态)的模拟开关仍存在漏电流，必然对导通的那一通道产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。●

泄漏电流如果信号源内阻很大，且传输的是电流量，此时就更要考虑多路开关的泄漏电流。一般希望泄漏电流越小越好。●切换速度对于需传输快速变化信号的场合，就要求多路开关的切换速度高。当然也要考虑后一段采样保持和A/D的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的切换速度。●开关电阻理想状态的多路开关其导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，但实际的模拟开关无法达到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。●

参数漂移及每路电阻的一致性尤其是进行精密数据测量时，更要特别注意漂移性和一致性。CD405l

常用的多路开关有CD4051（或MCl4051）、AD750l、LFl3508等。CD405l的原理如图所示，它是单端的8通道开关，它有三根二进制的控制输入端和一根禁止输入端INH（高电平禁止）。片上有二进制译码器，可由A、B、C三个二进制信号在8个通道中选择一个，使输入和输出接通。而当INH为高电平时，不论A、B、C为何值，8个通道均不通。通道选择表如下。INHCBAX通道0000X00001X1┆┆0111X71×××全不通CD4051有较宽的数字和模拟信号电平，数字信号为3~15V，模拟信号峰—峰值为15VP—P；当VDD-VEE＝15V，输入幅值为15VP—P时，其导通电阻为80Ω；当VDD—VEE＝10V时，其断开时的漏电流为±10pA；静态功耗为1μW。I/V变换

变送器输出的信号为0~l0mA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。对于电动单元组合仪表，DDZ-Ⅱ型的输出信号标准为0~l0mA，而DDZ-Ⅲ型和DDZ-S系列的输出信号标准为4~20mA。针对上述情况，下面分别讨论I/U变换的实现方法。A/D转换器转换电压0~+5V,0~+10V，+5v,+10v无源I/V变换

无源I/V变换

无源I/V变换可以利用无源器件精密电阻，将0～10mA的电流信号转换为0～5V的电压信号。

限流，输出保护滤波电路IRU0~10mA0~5V4~20mA1~5V电阻R2要精确有源I/V变换

有源I/V变换

有源I/V变换电路

有源I/V变换是利用有源器件运算放大器和电阻组成。

该电路的放大倍数为

IR增益AU0~10mA5000~5V4~20mA2501~5V有源I/U变换电路优点：输出阻抗小，对后续电路的输入阻抗要求低。输入接口与模拟量输入通道设计

由可编程并行接口8255A、12位A/D转换器AD574、采样保持器LF398和多路开关CD4051组成的模拟量输入通道。图为输入接口与模拟量输入通道电路图。该电路的主要技术指标为：●8通道模拟量输入●12位分辨率●输入电压为0~10V●A/D转换时间为25µs●应答方式为查询图中8255A的PB0~PB7和PA0~PA3用于读取A/D转换结果，PA7用于状态查询，PC0~PC2用于输入通道选择，PC4~PC6的控制信号启动AD574的转换。在AD574的转换期间，AD574的STS为高电平，从而使LF398处于保持状态。模拟量输出通道信号调理D/A转换

建立时间输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值±LSB所需的时间分辨率通常用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转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。线性误差与A/D转换器的线性误差定义相同。D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件，它的模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成比例。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，通常都带有两级缓冲寄存器。主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误差等。U/I转换在工业控制系统中，常常以电流方式传输信号，因为电流信号适合于长距离传输，传输中信号衰减小，抗干扰能力强。因此，大量的常规工业仪表是以电流方式互相配接的。按仪器仪表标准，DDZ-Ⅱ系列仪表各单元之间的联络信号为0~10mA，而DDZ-Ⅲ系列仪表各单元之间的联络信号为4~20mA。如前所述，一般D/A转换器的输出信号有的是电压方式，有的是电流方式，但是电流幅度大都在微安数量级。因此，D/A转换器的输出常常需要配接U/I转换器。U/I转换化简后得到如果取R1＝100kΩ，R2＝20kΩ，Rf＝100Ω，则当Ui＝0~+5V时，I0＝0~10mA。U/I转换在使用负载共地方式时，需要注意以下几点：

●电路中各电阻应当选用精密电阻，以保证足够的U/I转换精度。

●U/I转换器的零位可以由运算放大器的调零端实现。如果采用没有调零端的运算放大器，就必须附加额外的调零电路。

●正电源的取值必须满足U＞（Rf+RL）×I0max，I0max为I0最大值。

●如果需要改变输入电压范围，只需改变R2/R1的数值就可以实现。如果需要将单极性输入改变为双极性输入，需要在运算放大器输入端附加偏置电压。输出接口与模拟量输出通道设计图为采用8255A的输出接口与采用DAC0832的模拟量输出通道的电路图，DAC0832是分辨率为8位具有两级缓冲的D/A转换器脉冲量输入输出接口设计

在工业过程控制中，除了以上介绍的数字量和模拟量外，还有一类脉冲量。其特点是信号的幅值为二位式，与数字量相同；但信号持续的时间很短，用数字量I/O接口很难处理这类信号。如旋转编码器（测量角度的传感器）输出的信号，生产线上的产品计数传感器输出的信号等（脉冲量输入）。步进电机控制器所要求的输入信号等（脉冲量输出）。处理以上的脉冲量一般用可编程计数器。Intel公司的8253、8254（两者引脚兼容，用法相似）就是这样的可编程计数器。8253内部有3个十六位的可编程序计数器和3个控制寄存器（3个控制寄存器共用一个地址）。每个计数器的工作方式由对应的控制寄存器中的控制字决定。图3-28为可编程计数器8253与PC总线的接口电路，图中的CLKi为计数器的计数脉冲输入端，OUTi为分频输出端（OUTi是CLKi的分频输出）。当CLKi与外部传感器连接时，可对外部脉冲信号进行计数；当CLKi与PC总线上的CLK连接时，可通过OUTi向外部输出脉冲信号。

数据信息的输入输出控制方式输入输出接口与输入输出通道数字量/模拟量输入输出通道的基本组成基于板卡的输入输出接口与通道的设计基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的设计多回路温度控制系统输入输出通道与接口设计基于板卡的输入输出接口与通道的设计

纵观各种计算机控制系统，它们都是由主机和各类板卡所组成。这些板卡上的接口电路通过总线与CPU相联；向CPU提供外部信息，接受CPU发出的控制命令；这些模板是CPU与外设（I/O设备）数据交换的桥梁。

虽然外设功能千差万别，但按其输入、输出信号来分类，无非是开关量输入设备、开关量输出设备、模拟量输入设备、模拟量输出设备、脉冲量输入设备和脉冲量输出设备。在设计工业控制系统时，根据系统的输入输出信号的类型，设计能接收这类信号的板卡。板卡的设计可按以上介绍的接口技术进行设计。所用板卡用量不多时，一般情况都是选用现成的商用I/O接口板卡。常用的商用I/O接口板卡，包括开关量输入输出接口板卡、A/D转换接口板卡、D/A转换接口板卡、脉冲量输入输出接口板卡及混合功能的接口板卡。板卡的选用原则

1．数字量输入输出板卡的选用应考虑的方面●数字量输入的个数●数字量输出的个数●触点信号还是电平信号●输入输出是否隔离●中断方式还是查询方式2．模拟量输入板卡的选用应考虑的方面●模拟量输入通道的个数●A/D转换器的采样频率●A/D转换器的分辨率●输入信号允许的范围●输入是否隔离●中断方式还是查询方式3．模拟量输出板卡的选用应考虑的方面●模拟量输出通道的个数●D/A转换器的输出频率●D/A转换器的分辨率●输出信号的类型（电流或电压）和范围●输出是否隔离4．脉冲量输入输出板卡的选用应考虑的方面●脉冲量输入输出通道的个数●输入输出脉冲的频率范围●脉冲信号的幅值范围●脉冲信号是否隔离●中断方式还是查询方式数据信息的输入输出控制方式输入输出接口与输入输出通道数字量/模拟量输入输出通道的基本组成基于板卡的输入输出接口与通道的设计基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的设计多回路温度控制系统输入输出通道与接口设计倍福公司有适应不同通讯方式的总线耦合器

微型计算机控制系统的输入输出信号可以通过板卡进出计算机系统，而在有些场合，计算机内部是无法安装板卡的，那么计算机该如何采集和发送信号呢？计算机除了通过(PC)总线与外部交换信息外，还可以通过串行通讯接口实现与外部的信息交换。针对这种情况，许多公司开发了各种通讯方式的总线控制器以及丰富的信号输入输出模块。德国的倍福(beckhoff)公司，网址：/content/1033/bx5100/3207127819.html?id=3524291400509606618倍福公司有适应不同通讯方式的总线耦合器(BusCoupler)：BK1120-BusCouplerforEtherCAT

BK3xx0-BusCouplerforPROFIBUSBK51x0-BusCouplerforCANopenBK9000-BusCouplerforEthernet

BK9055-BusCouplerforEthernet/IP

BK9500-BusCouplerforUSB这些总线耦合器(BusCoupler)是计算机与信号输入输出模块之间的桥梁，通过总线耦合器自带的K总线，可以扩展多种信号输入输出模块。

倍福公司K总线系列的多种输入输出模块

数字量输入模块

KL