输入输出接口与过程通道
第2章 输入输出接口与过程通道
2.多个输出通路共用一个D／A转换器的结构形式
图2.32 共用D/A转换器的结构
2.4.2 D/A转换器及其接口技术
D/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或 装置。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、 12位等。
主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误 差等。基本上与A/D转换器的指标相一致。
1. 8位A／D转换器ADC0809 主要特点： 分辨率 8 位；
转换时间100s； 温度范围-40 ～ +85 ℃； 可使用单一的 +5V电源； 可直接与CPU连接； 输出带锁存器； 逻辑电平与TTL兼容。
电路组成及引脚功能
ADC0809有28条引脚。
OE
2. 12位A／D转换器AD574
（1）非电信号的检测-不平衡电桥
（2）信号放大电路
放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换 的量程范围之内，如0-5VDC;
对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单 端同相放大或单端反相放大。
若信号源的一端接放大器的负端为反相放大。当 然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一 端是与放大器的另一个输入端共地。
第2章 输入输出接口与过程通道
基本概念
输入输出接口 —— 简称“接口” 输入输出接口技术 —— 研究微处理器和外部设
备之间信息交换的技术。 接口电路：是主机和外围设备之间交换信息的连
接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完 成信息交换。 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。
为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随 时间变化较快信号的要求，可采用带有保持电路的采样 器，即采样保持器。
（2）采样保持原理
第2章输入输出接口与过程通道抗干扰
系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与 大地相连。
交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地， 它的地电位很不稳定。
26
接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。
当频率小于1MHz时，可以采用单点接地方式；
干扰：就是有用信号以外的噪声或造 成计算机设备不能正常工作的破坏因 素。
抗干扰措施：硬件措施，软件措施， 软硬结合的措施。
1
干扰的来源：外部干扰和内部干扰
外部干扰：指那些与系统结构无关，而是由外界 环境因素决定的。外部干扰主要是空间电或磁的 影响，环境温度、湿度等气象条件。
内部干扰：是由系统结构、制造工艺等决定的。 内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的耦合 感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多 点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起 的干扰，甚至元器产生的噪声。
所以必须采用双端输入不对地方式，如下图所示：
8
(2)共模干扰的抑制方法
①变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔
离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模 干外扰，电隔压 离Ｕ 前c和m隔不离成回后路应，分从别而采抑用制两了组共互模相干独扰立。的另电 源，切断两部分的地线联系。
9
②光电隔离 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装
还会出现波反射现象。
13
(2)长线传输干扰的抑制方法
采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以 消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低 限度。
①终端匹配：终端并联电阻 ②始端匹配：始端串联电阻
为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线（双绞线是由 两条导线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根线 加绝缘层并有颜色来标记）和同轴电缆（同轴电缆可分为两类：粗缆和细 缆，这种电缆在实际应用中很广，比如有线电视网，就是使用同轴电缆。 不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层）作信号线。
讲义 第二章 输入输出接口与过程通道
第二章输入输出接口与过程通道接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。
接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。
外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机进行处理，计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备进行控制。
尤其在工业过程的计算机控制系统中，输入输出接口无时无刻都在起着重要的作用，因为信息的交换是时刻发生的。
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（AI），模拟量输出通道（AO），数字量（开关量）输入通道（DI），数字量（开关量）输出通道（DO）。
在计算机控制系统中，工控机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。
本章对工业控制机的输入输出接口和过程通道进行设计和分析。
【补充知识】采用输入输出（I/O）接口的必要性：键盘，鼠标，磁盘，扫描仪，U盘等是大家熟悉的输入设备，而磁盘，CRT，打印机，绘图仪等则是最常见的输出设备。
所有这些设备可以统称为计算机的外围设备，简称外设（Peripherals），或I/O设备。
为了让这些设备能够按照计算机的要求有次序的输入或接收数据，CPU必须能够控制这些输入输出设备的启动和停止，以及了解它们的当前工作状态，并据此送出相应的控制命令。
通常，我们把计算机与外设之间的这种交换数据，状态，和控制命令的过程统称为通信（Communication）。
CPU与外设交换信息的过程，和它与存储器的交换数据一样，也是在控制信号的作用下，通过数据总线来完成的。
但后者要简单的多。
因为存储器芯片的存取速度与CPU是在同一数量级的，而且存储器本身具有数据缓冲的能力。
因此，CPU可以通过数据总线方便，迅速的与存储器进行数据交换。
而外设则不同，因为外部设备的种类繁多，要求也各不相同，容易带来以下许多问题，因此大多不能直接通过数据总线直接连接。
第二章 过程通道与输入输出接口
第二章过程通道与输入输出接口§1概述本章学习目的: 解决计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个计算机控制系统必须解决的基本问题。
重点介绍计算机过程控制中的过程通道和输入输出接口电路的设计技术。
一、通道、接口及其功能实现在过程信号与计算机数据之间变换传递的电路称为输入输出过程通道，简称过程通道。
过程通道按变换传递信号的种类分为模拟量通道和数字量通道。
模拟量是指在生产过程中连续变化的模拟信号，如电压、电流、有功功率、频率、压力、流量、温度、液位、转速等；数字量是指离散的数字信号，如表示开关、触点等开合位置的状态信号（开关量），电平高低、脉冲等。
过程通道按信号传输的方向分为输入通道和输出通道，或前向通道和后向通道。
输入输出接口技术——研究处理器和外部设备之间信息交换的技术。
外界的各种数据和信息通过输入设备送到微处理器，而处理器将计算结果或控制信号输出外部设备，以便显示、打印或实现各种控制。
外部设备品种很多，有机械式的、机电式的或电子式的等，其原理也多种多样，各不相同。
它们在与计算机系统交换信息时，往往存在着速度不匹配、数据类型不一样等问题，为了解决这些问题，必须设计一套介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件，这就是所谓输入输出接口或简称接口。
I／O通道（过程通道）：是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。
如图，I／O通道分为：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二、I／O信号的种类外部设备与CPU之间交换信息，如图2—1所示，通常有三类信息。
(1)数据信息在微型机中，数据通常为8位或16位，它可以分为以下三种：1)数字量: 由键盘、光电输入机、卡片机等读入的信息一般是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数或字符。
2)模拟量: 当微处理器用于实时控制时，大量的现场信息经过传感器把非电量转换成的电量以及执行机构所能接受的控制量。
计算机控制系统——chapter2输入输出接口与过程通道
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第二章输入输出接口与过程通道
生 产 过 程
模 拟 量 输 入 通 道 模拟量输出通道 数字量输出通道 数 字 量 输 入 通 道
接 口 电 路
计 算 机
显示 打印 报警
图2.1 计算机控制系统的过程通道
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计算机控制技术
Computer Controlled System
中南大学信息科学与工程学院 袁艳
2019年7月24日
中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义
第二章输入输出接口与过程通道
第二章 输入输出接口与过程通道
概述 2.1 数字量输入输出通道 2.2 A/D转换器及其接口技术 2.3 模拟量输入通道 2.4 D/A转换器及其接口技术 2.5 模拟量输出通道 2.6 硬件抗干扰技术
输入输出接口和过程通道是计算机控制系 统的重要组成部分。
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第二章输入输出接口与过程通道
1、过程通道的组成框图如图2.1所示。 2、通道与接口
通道：信号变换电路； 接口：主机与外设的连接电路（信号传输控 制电路）。 3、显示、报警、时钟的作用 显示：指示运行状态； 报警：报告故障状态； 时钟：提供系统时钟。
方法：光电耦合器件隔离、变压器磁隔离。
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第二章输入输出接口与过程通道
光电耦合器又称光隔离器，能实现输入与 输出之间隔离。它通过光传输信号，输入端为 发光二极管，输出端为光敏三极管。当输入端 有电流输入时，发光二极管会发光，输出端由 于光敏效应三极管导通，产生相应的电信号。 因为器件的输入和输出在电气上是绝缘的，故 可以起到隔离干扰的作用。
2输入输出接口与过程通道
因为此时dU/dt最大，孔径时间tA/D一定，所以ΔU最大。
令U=Umsinωt，则
dU dt
Um cost
Um 2
f
cost
式中，Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率。在坐
标的原点
U t
Um 2
f
取Δt=tA/D ，则得原点处转换的不确定电压误差为
U Um 2 ftA/ D
f
2
0.1 10 106 102 s
16Hz
分析结论：对一定的转换时间，转
换误差的百分数与信号频率成正比。
孔径误差的消除：采用带有保持电路
的采样器(采样保持器)，可提高模拟量输 入信号的频率范围，适应某些随时间变 化较快的信号的要求。使得A/D转换器 在转换期间读入的是一个稳定的值。
(3)采样保持器的主要参数
等。
计算机控制系统中多采用集成电路多路开关，其种
类、型号都比较多，有8通道、16通道、甚至32通道的。
常用的多路开关有：4选1:CD4052, AD7502，8选
1:CD4051 (MC14051), AD7501，16选1:CD4067,
5、举例
8选1单端输入模拟开关CD4051(TI公司，Texas
则q=10V/(28-1)≈4mV，有舍有入法量化误差最大值
emax ＝±q/2≈±2mV。
由以上分析可以看出，在A/D转换器的输出位数
n足够多时，可以使量化误差达到足够小，就可以认为
数字信号近似于采样信号。如果在采样过程中，采样
频率也足够高，就可以用采样、量化后得到的一系列
离散的二进制数字量来表示某一时间上连续的模拟信
计算机控制技术第二章
第二章输入输出接口与过程通道在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的被控参数及运行状态，按要求的方式送人计算机处理，再将结果以数字量的形式输出，并将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机接口和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置，这个装置就称之为过程输入输出通道，也叫I／O通道。
2.1 过程输入输出通道概述2.1.1 过程输入输出通道的类型及功能根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道可分为模拟量输人通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道等几种类型。
生产过程的被调参数(如温度、压力、流量、速度、位移等)，一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件和变送器转换为对应的模拟电压和电流。
由于计算机只识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入通道转化为数字量后，才能送人计算机。
对于生产现场的状态量(如开关、电平高低、脉冲量等)也不能为计算机直接接受，因此数字量(开关量)输入通道将状态信号转变为数字量送入计算机。
计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道和数字量输出通道。
计算机输出的控制信号以数字形式给出，若执行元件要求提供模拟电压或电流，则采用模拟量输出通道将数字量转换为模拟电压或电流，若执行元件要求数字量(开关量)，则应采用数字量输出通道，将计算机输出的数字量经处理和放大后输出。
由此可见，过程输人输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。
2.1.2 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：(1)数据信息反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。
(2)状态信息又叫应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。
(3)控制信号用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。
接口电路含这三类信息交换的端口。
2.1.3 过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输人输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。
第二章输入输出接口与过程通道资料
NEPU 6
3. 逐位逼近法
• 对一个n位的逐位逼近式A/D 转换输出的二进制数
字量B与输入模拟电压VIN、正基准电压VREF+、负 基准电压VREF-的关系为
B VIN VREF 2n VREF VREF
例题: 假设有一个8位的ADC ，VREF+ = 5.00V，VREF= 0V，则VIN=0V、2.5V对应的数字量输出分别为多 少? 00H 80H
NEPU 7
ADC0809 逻辑组成
V
A/D
V
V
V V V
V V
trapezoidal
ADC0809引脚图
NEPU 8
逻辑组成：
C
B
A
所选通道
(1)8通道模拟开关及通道选 0
0
0
VIN0
择逻辑
0
0
1
VIN1
该部分的功能是实现8选1 0
1
0
VIN2
操作，由通道选择信号C、B、0
1
1
VIN3
A，在ALE的作用下(正脉冲) 1
原理：
S
Q
当K在上时，输出上为1，下为0。
当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生 瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。
NEPU 2
2.1.3 数字量输出通道
1.数字量输出通道的结构 数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输
出口地址译码电路等组成 。
去生产过程
PC
DO7～DO0上输出；OE为低电平输入时，数据输出线DO7～ DO0为高阻态。
NEPU 9
1) 12位A/D转换器
－ 15 V 100 k ＋ 15 V
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（1）小功率直流驱动电路(可驱动继电器、低压电磁阀或
发光二极 管
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光敏三极 管
(6)应用实例 小功率输入调理电路：如图所示。
RS触发器消除开关两次反跳
积分电路去抖
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大功率输入调理电路：如图所示 。
采用光电隔离
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2.2.3 数字量输出通道
1、数字量输出通道的结构 如图所示，主要由输出锁存器、输出驱动电路、 输出口地址译码电路等组成。
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，它分为模拟量输 入/输出通道（AI/AO），数字量（或开关量）输 入/输出通道（DI/DO）。
过程通道中包含有输入输出接口。
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通常输入通道又称为检测通道，输出通道又称 为控制通道。 生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数 字量输入通道送到计算机; 计算机经过计算和处理所得的结果通过模拟量 输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实 现对生产过程的控制。 输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的 重要组成部分。
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3、数字量输出接口—锁存器 用74LS273作为8位输出锁存口，对状态输出信 号进行锁存。保持到下次给出新的状态输出信号。
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原理：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。由于PC总线工业 控制机的I/O端口写总线周期 时序关系中，总线数据D0~D7 比IOW下降沿稍晚，因此可 利用IOW的后沿产生的上升 沿锁存数据。 实现：可用下列指令完成8位开关量的输出控制。 MOV AL, DATA MOV DX, port OUT DX, AL
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2.2.2 数字量输入通道
1、数字量输入通道的结构 如图所示。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。
PC 总 线
（ISA总线）ຫໍສະໝຸດ 输入 缓冲 器输入 调理 电路
来 自 生 产 过 程
地址译码器 图2.2 数字量输入通道结构
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2、输入调理电路的作用 作用：将生产现场的信号经转换、保护、滤波、 隔离后转换成计算机能接收的逻辑信号。 (1)信号转换处理 信号逻辑上表现为“1”或“0”，信号形式为电 压、电流信号或开关的通断，幅值范围不符合数字 电路的要求，需经转换处理。 (2)安全保护措施 对可能出现的输入过电压（用稳压管实现过电 压保护）、瞬间尖峰（用稳压管、压敏电阻）或极 性接反（用二极管）的情况，采取安全保护措施。
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(5)隔离处理 用于现场输入设备与计算机系统间的隔离保护， 保障计算机系统安全。使测控装置与现场仅保持信 号联系，但不直接发生电的联系。价格低廉，可靠 性好。 方法：光电耦合器件隔离、变压器磁隔离。 光电耦合组成：发光二极管和光敏三极管封 装在一个管壳内。 原理：信号的有/无→发光二极管光的有/无→光敏 三极管的通/断→输出电位的高/低。
过 程 参 数
变 送 器
I/V 变 换
多路 转换 器
采样 保持 器
A/D 转换 器
接口 逻辑 电路
模拟输入通道 图2.7 模拟量输入通道的组成结构
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概 述
接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁， 它包括输入接口和输出接口。 接口技术是研究计算机与外部设备之间如何 交换信息的技术。
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原理：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。
实现：可用如下指令完成8个开关量的状态采集： MOV DX, port IN AL, DX 其中port为片选端口的地址，在初始化程序中分配。 三态门缓冲器74LS244用来隔离输入和输出线路， 起缓冲作用 。
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⑶ 常见的数字量有： ①编码数字（二进制或十进制）：如用绝对编 码的编码器检测位置等。 ②开关量：如按钮或转换开关的启停、阀门的 开闭，指示灯亮/灭等。 ③数字脉冲列信号：如光电脉冲编码器检测速 度、晶闸管的脉冲触发器等。
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2、数字量输入接口—缓冲器 三态门缓冲器74LS244，用来取得设备的输入 状态信息，可同时输入8个开关状态。
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(3)消除机械抖动影响 操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置 在通/断时会产生机械抖动，体现在计算机输入上 是输入信号在0、1间多次振荡，可能导致错误控制。 方法：R-S触发器消除、积分电路消除（图见 课本）。
(4)滤波处理 长线传输、电路内外部干扰，使输入信号中带 有干扰信号，造成计算机的误读出错。 方法：RC滤波电路等。
PC 总 线
(ISA总线)
输出 锁存 器
输出 驱动 器
去 生 产 过 程
地址译码器 图2.3 数字量输出通道结构
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2、输出驱动电路 功能：输出锁存器输出的信号的电压值、输出 功率无法满足执行机构的要求，应进行电平转换 和功率放大。 根据被控对象对控制信号的要求，将开关量 输出信号转变为以下形式：TTL电平逻辑信号、电 子无触点开关量输出和继电器输出等。
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2.2 数字量输入输出接口与过程通道
2.2.1 数字量输入输出接口技术
2.2.2 数字量输入通道 2.2.3 数字量输出通道 2.2.4 数字量输入输出通道模板应用举例(略)
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2.2.1 数字量输入输出接口技术
*1、数字量 数字量信号是以二进制的逻辑“1”和“0”出现 的。如：开关的合与开，指示灯的亮与灭，继电器 的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与 关闭等。数字量（开关量）的种类 ⑴按类型分有电平式和触点式两种 电平式为高电平或低电平 触点式为触点闭合或触点断开 ⑵按电源分有有源和无源两种 有源即直接提供高、低电平（有带负载能力） 无源即提供物理触点，或感应器件