ch2计算机控制系统IO接口与通道技术
(1)小功率输入调理电路 (2)大功率输入调理电路
在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。 这种情况下，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上 的直流电压。因为直流电压的响应快，不易产生干扰，电路又简 单，因而被广泛采用。
2.3.3 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、输出地 址译码电路等组成。
应用: 连接高速外围设备，如磁盘等。
(3) 数组多路通道 （选择通道的一种改进 ） 当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务，当设备在执 行某等待性动作时，通道可暂断开与这个设备的连接，挂起该 设备的通道程序，去为其它设备服务，即执行其它设备的通道 程序。
特点: 优点是与选择通道一样以数据块为单位进行数据传输，传 输效率高，又具有多路并行操作的能力，通道利用率高。 其缺点是控制比较复杂。
半导体模拟多路开关的一些主要特点:
具有多种集成电路的封装形式(如DIP、SMD封装等)，尺 寸小，便于安排； 直接与TTL(或CMOS)电平相兼容； 可采用双极性输入； 转换速度快； 寿命长，无机械磨损； 接通电阻较低； 断开电阻高。
2.4.1.2 A／D转换器
1. 定义 能将模拟信号转换成数字信号的器件，称为模数转换器。
2) 对应通道收到CPU发来的启动指令后，从内存中读取属于该 通道的指令程序，并执行通道程序，向设备控制器和设备发送 各种命令。
3) 使外围设备按通道指令的要求与内存之间进行数据传送， 并根据需要提供数据缓存的空间，以及提供数据存入内存的指 定地址和传送的数据量。
4) 对应通道从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存通道 本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单 元，供CPU使用。
计
I/O
算
接
机
口
I/O
被
控
通
对
道
象
图2-2 计算机控制系统I／O示意图
2.2 I/O控制方式
通常采用的I／O控制方式有4种：程序控制方式、中断控制 方式、存储器直接存取方式、通道控制方式。
2.2.1 程序控制方式
程序控制方式：由用户程序直接控制CPU通过输入/输出接 口与外围设备进行数据传输。 特点：输入输出的控制者是用户程序。 程序控制方式可分为无条件传送方式和程序查询传送方式。
传送数据花费的时间较长，CPU效率低，且CPU 不能与外设同时工作。但硬件接口电路简单，程 序调试方便、可靠，便于实现CPU与I/O设备操作 同步。
2.2.2 中断控制方式
中断控制方式：指CPU在正常执行程序的过程中，由于某个外 部或内部事件的作用，强迫CPU停止当前正在执行的程序，转 去为该事件服务（称为中断服务），待服务结束后，又自动返 回到被中断的程序中继续执行。
2.2.4 通道控制方式
也是一种内存和设备直接进行数据交换的方式。在通道控 制方式中，数据传送方向、存储数据的内存起始地址及传送 的数据块长度均由一个专门负责输入/输出的硬件——通道来 控制。并且一个通道可控制多台设备与内存进行数据交换。
CPU 内存
设备控制器
通
道
控
……
制
器
设备控制器
设备 …… 设备
第2章 计算机控制系统I/O接口与通道技术
2.1 I/O接口在计算机控制系统中的应用 2.2 I/O控制方式 2.3 数字量输入输出通道 2.4 模拟量输入输出通道 2.5 人机交互接口 2.6 I/O通道的抗干扰技术
2.1 I/O接口在计算机控制系统中的应用
I/O接口，即输入/输出接口，是具有信息(或称为数据) 传输功能的硬件电路。
1．无条件传送方式
对于CPU的读操作: 外设的数据总是处于准备好的状态，即CPU 可以根据需要随时读取外设的数据
对于CPU的写操作: 外设总是处于数据接收状态，CPU可以根据 需要随时对外设写入数据。
优点: 需要的硬件和软件资源非常少，硬件接口电路简单。
在硬件电路的设计上，输入输出接口仅需要满足“输入缓冲 和输出锁存”要求即可(输入输出是相对于CPU而言的)，即 无条件传送的输入方式的硬件电路仅由输入缓冲器和相应的 端口片选译码电路构成。无条件传送的输出方式的硬件电路 仅由输出锁存器和相应的端口片选译码电路构成。
2.3.2 数字量输入通道
1．数字量输入通道的结构 数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路和输入地 址译码电路等组成 。
PC
输入
输入调
总
缓冲器
理电路
线
来自生产过程
地址译码器
图2-6 数字量输入通道结构
2．输入调理电路
基本功能: 接收外部装置或生产过程的状态信号 信号调理 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、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。
2.3 数字量输入输出通道
工业控制计算机用于生产过程的自动控制，需处理一类最 基本的输入输出信号，即数字量(开关量)信号，这些信号的共 同特征是信号只有两个状态：“导通”和“截止”，需要经过 一定的电路变换将两个状态用二进制的逻辑“1”和“0”代表， 计算机检测逻辑“1”和“0”确定上述物理装置的状态，输出逻 辑“1”和“0”实现上述物理装置的控制。
a.无条件输入方式
外
三态
部 设
缓冲器
备
片选端
b.无条件输出方式
外
锁存器
部
设
备
片选端
CPU数据总线
组合逻 辑电路
RD M /IO
地址译 码电路
CPU地址总线
CPU数据总线
组合逻 辑电路
RD M /IO
地址译 码电路
CPU地址总线
2．程序查询传送方式
先检查后传送
即CPU传数据前，先检查外设是否“准备好”，若没有， 则继续查询，直到外设准备好；若准备好，则进行数据传 送特。点：
2.4.1.1模拟多路开关
在实际的计算机控制系统中，往往需要对多路信号或者多 种信号进行测量，而计算机在任意时刻只能处理一路信号，因 此，需要将各路信号分时地送给计算机处理。
物理量1 传感器1 物理量2 传感器1 物理量n 传感器n
模
拟
A/D
计
多
转
算
路
换
机
开
器
关
图2-8 多路模拟信号检测框图
在输入通道中，模拟多路开关的主要作用是把多个输入模拟 信号分时接通送入A／D转换器，也就是完成“多到一”的转换。 信号输入方式: 单端输入和双端输入(或称为差动输入)
在计算机控制系统中，对应的二进制数码的每一位都可以代 表生产过程的一个状态，这些状态是控制的依据。
2.3.1 数字量输入输出接口技术
接口：输入接口和输出接口 1．数字量输入接口
对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据 其给出控制量。可用三态门缓冲器74LS244作为8位输入接口。 2．数字量输出接口 对生产过程进行控制时，一般控制状态需要保持，直到下次给 出新值为止，这时输出就要锁存。可用锁存器74LS273作8位输 出口，对输出信号状态进行锁存。
5) 将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求，按一定顺序 及时报告CPU。
3．设备控制器
输入／输出设备一般由机械和电子两部分组成，把这两部分进 行模块化，使其更加通用，其中的电子部分称为设备控制器， 而机械部分则称为设备。设备控制器是通道控制器与设备之间 进行数据传输的桥梁。
4．通道的类型
(1) 字节多路通道（简单的共享通道） 以字节为单位传输信息，它可分时地执行多个通道程序。 特点: 各设备与通道之间的数据传送是以字节为单位的交替进
优点：1、CPU与外设可以并行工作，可提高计算机的工作效率。 2、具有实时响应能力，适用于实时控制场合。
中断机制
CPU
1、具备检测中断请求的能力
2、具备响应中断的能力 3、通过软件设置，能够屏蔽外部中断请求 4、能够进行中断仲裁
接口
产生中断请求信号及数据交换功能
2.2.3 存储器直接存取方式(DMA)
在外围设备和存储器之间开辟直接的数据传送通路，由DMA 控制器控制存储器与高速I/O设备之间直接进行数据传送。
内存
CPU
总线请求
总线响应
DMA 控制器
DMA响应 DMA请求
外设
图2-4 DMA控制器接口电路框图
DMA控制器主要包括内存地址计数器、字计数器、数据缓冲寄存器、外设 DMA请求触发器、控制逻辑等5个部分。
2.4 模拟量输入输出通道
2.4.1 模拟信号输入通道接口
在计算机控制系统中，常需要检测各种物理量，如温度、 压力、流量、物位、成分、位移、速度等。这些被测信号经传 感器转换后变成电信号，但这些信号绝大多数是模拟信号，计 算机不能直接进行处理。计算机只能接收数字信号，因此，必 须将传感器输出的模拟信号转换成数字信号。A／D转换器(模 数转换器)就是完成这种功能的器件。
3）当通道传输完成最后一条指令时，向CPU发I／O中断， 并且通道停止工作。CPU接收中断信号，从通道控制器的通 道状态字中取得有关信息，然后做出相关决定。
2. 通道(即通道控制器)的功能
1) 接收CPU的指令，该指令指明了输入／输出操作、设备号和 对应通道。通道按指令要求与指定的外围设备进行通信。
PC 键 盘
PC键 盘的传 输接口
信息 变换
CPU的 传输 接口
C P U
PC 键 盘 的 信 息 格式为串行
CPU 的 信 息 格 式为并行
图2-1 I/O接口电路功能示意图
(2)信息传输
在并行总线结构中，为了在信息传输时避免引起总线竞争，必 须对地址信号进行译码，或者对地址信号与某些控制信号进行 译码，以确认一个唯一的驱动总线的信息源，这是当读操作时 (对主控制器而言)。
在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。 这种情况下，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上 的直流电压。因为直流电压的响应快，不易产生干扰，电路又简 单，因而被广泛采用。
2.3.3 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、输出地 址译码电路等组成。
应用: 连接高速外围设备，如磁盘等。
(3) 数组多路通道 （选择通道的一种改进 ） 当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务，当设备在执 行某等待性动作时，通道可暂断开与这个设备的连接，挂起该 设备的通道程序，去为其它设备服务，即执行其它设备的通道 程序。
特点: 优点是与选择通道一样以数据块为单位进行数据传输，传 输效率高，又具有多路并行操作的能力，通道利用率高。 其缺点是控制比较复杂。
半导体模拟多路开关的一些主要特点:
具有多种集成电路的封装形式(如DIP、SMD封装等)，尺 寸小，便于安排； 直接与TTL(或CMOS)电平相兼容； 可采用双极性输入； 转换速度快； 寿命长，无机械磨损； 接通电阻较低； 断开电阻高。
2.4.1.2 A／D转换器
1. 定义 能将模拟信号转换成数字信号的器件，称为模数转换器。
2) 对应通道收到CPU发来的启动指令后，从内存中读取属于该 通道的指令程序，并执行通道程序，向设备控制器和设备发送 各种命令。
3) 使外围设备按通道指令的要求与内存之间进行数据传送， 并根据需要提供数据缓存的空间，以及提供数据存入内存的指 定地址和传送的数据量。
4) 对应通道从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存通道 本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单 元，供CPU使用。
计
I/O
算
接
机
口
I/O
被
控
通
对
道
象
图2-2 计算机控制系统I／O示意图
2.2 I/O控制方式
通常采用的I／O控制方式有4种：程序控制方式、中断控制 方式、存储器直接存取方式、通道控制方式。
2.2.1 程序控制方式
程序控制方式：由用户程序直接控制CPU通过输入/输出接 口与外围设备进行数据传输。 特点：输入输出的控制者是用户程序。 程序控制方式可分为无条件传送方式和程序查询传送方式。
传送数据花费的时间较长，CPU效率低，且CPU 不能与外设同时工作。但硬件接口电路简单，程 序调试方便、可靠，便于实现CPU与I/O设备操作 同步。
2.2.2 中断控制方式
中断控制方式：指CPU在正常执行程序的过程中，由于某个外 部或内部事件的作用，强迫CPU停止当前正在执行的程序，转 去为该事件服务（称为中断服务），待服务结束后，又自动返 回到被中断的程序中继续执行。
2.2.4 通道控制方式
也是一种内存和设备直接进行数据交换的方式。在通道控 制方式中，数据传送方向、存储数据的内存起始地址及传送 的数据块长度均由一个专门负责输入/输出的硬件——通道来 控制。并且一个通道可控制多台设备与内存进行数据交换。
CPU 内存
设备控制器
通
道
控
……
制
器
设备控制器
设备 …… 设备
第2章 计算机控制系统I/O接口与通道技术
2.1 I/O接口在计算机控制系统中的应用 2.2 I/O控制方式 2.3 数字量输入输出通道 2.4 模拟量输入输出通道 2.5 人机交互接口 2.6 I/O通道的抗干扰技术
2.1 I/O接口在计算机控制系统中的应用
I/O接口，即输入/输出接口，是具有信息(或称为数据) 传输功能的硬件电路。
1．无条件传送方式
对于CPU的读操作: 外设的数据总是处于准备好的状态，即CPU 可以根据需要随时读取外设的数据
对于CPU的写操作: 外设总是处于数据接收状态，CPU可以根据 需要随时对外设写入数据。
优点: 需要的硬件和软件资源非常少，硬件接口电路简单。
在硬件电路的设计上，输入输出接口仅需要满足“输入缓冲 和输出锁存”要求即可(输入输出是相对于CPU而言的)，即 无条件传送的输入方式的硬件电路仅由输入缓冲器和相应的 端口片选译码电路构成。无条件传送的输出方式的硬件电路 仅由输出锁存器和相应的端口片选译码电路构成。
2.3.2 数字量输入通道
1．数字量输入通道的结构 数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路和输入地 址译码电路等组成 。
PC
输入
输入调
总
缓冲器
理电路
线
来自生产过程
地址译码器
图2-6 数字量输入通道结构
2．输入调理电路
基本功能: 接收外部装置或生产过程的状态信号 信号调理 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、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。
2.3 数字量输入输出通道
工业控制计算机用于生产过程的自动控制，需处理一类最 基本的输入输出信号，即数字量(开关量)信号，这些信号的共 同特征是信号只有两个状态：“导通”和“截止”，需要经过 一定的电路变换将两个状态用二进制的逻辑“1”和“0”代表， 计算机检测逻辑“1”和“0”确定上述物理装置的状态，输出逻 辑“1”和“0”实现上述物理装置的控制。
a.无条件输入方式
外
三态
部 设
缓冲器
备
片选端
b.无条件输出方式
外
锁存器
部
设
备
片选端
CPU数据总线
组合逻 辑电路
RD M /IO
地址译 码电路
CPU地址总线
CPU数据总线
组合逻 辑电路
RD M /IO
地址译 码电路
CPU地址总线
2．程序查询传送方式
先检查后传送
即CPU传数据前，先检查外设是否“准备好”，若没有， 则继续查询，直到外设准备好；若准备好，则进行数据传 送特。点：
2.4.1.1模拟多路开关
在实际的计算机控制系统中，往往需要对多路信号或者多 种信号进行测量，而计算机在任意时刻只能处理一路信号，因 此，需要将各路信号分时地送给计算机处理。
物理量1 传感器1 物理量2 传感器1 物理量n 传感器n
模
拟
A/D
计
多
转
算
路
换
机
开
器
关
图2-8 多路模拟信号检测框图
在输入通道中，模拟多路开关的主要作用是把多个输入模拟 信号分时接通送入A／D转换器，也就是完成“多到一”的转换。 信号输入方式: 单端输入和双端输入(或称为差动输入)
在计算机控制系统中，对应的二进制数码的每一位都可以代 表生产过程的一个状态，这些状态是控制的依据。
2.3.1 数字量输入输出接口技术
接口：输入接口和输出接口 1．数字量输入接口
对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据 其给出控制量。可用三态门缓冲器74LS244作为8位输入接口。 2．数字量输出接口 对生产过程进行控制时，一般控制状态需要保持，直到下次给 出新值为止，这时输出就要锁存。可用锁存器74LS273作8位输 出口，对输出信号状态进行锁存。
5) 将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求，按一定顺序 及时报告CPU。
3．设备控制器
输入／输出设备一般由机械和电子两部分组成，把这两部分进 行模块化，使其更加通用，其中的电子部分称为设备控制器， 而机械部分则称为设备。设备控制器是通道控制器与设备之间 进行数据传输的桥梁。
4．通道的类型
(1) 字节多路通道（简单的共享通道） 以字节为单位传输信息，它可分时地执行多个通道程序。 特点: 各设备与通道之间的数据传送是以字节为单位的交替进
优点：1、CPU与外设可以并行工作，可提高计算机的工作效率。 2、具有实时响应能力，适用于实时控制场合。
中断机制
CPU
1、具备检测中断请求的能力
2、具备响应中断的能力 3、通过软件设置，能够屏蔽外部中断请求 4、能够进行中断仲裁
接口
产生中断请求信号及数据交换功能
2.2.3 存储器直接存取方式(DMA)
在外围设备和存储器之间开辟直接的数据传送通路，由DMA 控制器控制存储器与高速I/O设备之间直接进行数据传送。
内存
CPU
总线请求
总线响应
DMA 控制器
DMA响应 DMA请求
外设
图2-4 DMA控制器接口电路框图
DMA控制器主要包括内存地址计数器、字计数器、数据缓冲寄存器、外设 DMA请求触发器、控制逻辑等5个部分。
2.4 模拟量输入输出通道
2.4.1 模拟信号输入通道接口
在计算机控制系统中，常需要检测各种物理量，如温度、 压力、流量、物位、成分、位移、速度等。这些被测信号经传 感器转换后变成电信号，但这些信号绝大多数是模拟信号，计 算机不能直接进行处理。计算机只能接收数字信号，因此，必 须将传感器输出的模拟信号转换成数字信号。A／D转换器(模 数转换器)就是完成这种功能的器件。
3）当通道传输完成最后一条指令时，向CPU发I／O中断， 并且通道停止工作。CPU接收中断信号，从通道控制器的通 道状态字中取得有关信息，然后做出相关决定。
2. 通道(即通道控制器)的功能
1) 接收CPU的指令，该指令指明了输入／输出操作、设备号和 对应通道。通道按指令要求与指定的外围设备进行通信。
PC 键 盘
PC键 盘的传 输接口
信息 变换
CPU的 传输 接口
C P U
PC 键 盘 的 信 息 格式为串行
CPU 的 信 息 格 式为并行
图2-1 I/O接口电路功能示意图
(2)信息传输
在并行总线结构中，为了在信息传输时避免引起总线竞争，必 须对地址信号进行译码，或者对地址信号与某些控制信号进行 译码，以确认一个唯一的驱动总线的信息源，这是当读操作时 (对主控制器而言)。
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计算机组成原理——IO接口以及IO设备数据传送控制方式
计算机组成原理——IO接⼝以及IO设备数据传送控制⽅式接⼝可以看作是两个部件之间交接的部分。
硬件与硬件之间有接⼝，硬件与软件之间有接⼝，软件与软件之间也有接⼝。
这⾥我们所说的I/O接⼝，⼀边连接着主机，⼀边连接着外设。
I/O接⼝的功能I/O接⼝的基本结构CPU和外设之间通常传递的信息：数据、状态、控制。
组成:寄存器组、控制逻辑电路、主机与接⼝和接⼝与I/O设备之间的信号联接线、数据地址线、控制状态信号线。
其实中间红框内的部分就是对应到电路板上的插⼝，⼜分为内部接⼝和外部接⼝两种。
内部接⼝：与系统总线相连，实质上是与内存、CPU相连。
数据的传输⽅式也只能是并⾏传输。
外部接⼝：通过接⼝电缆与外设相连，外部接⼝的数据传输可能是串⾏⽅式，因此I/O接⼝需具有串并转换功能。
接⼝与端⼝接⼝就是I/O接⼝，端⼝实质接⼝电路中可以被CPU访问的寄存器。
I/O端⼝及其编址为了便于CPU对I/O设备进⾏寻址和选择，必须给众多的I/O设备进⾏编址，也就是说给每⼀台设备规定⼀些地址码，称之为设备号或端⼝地址。
统⼀编址：与存储器共⽤地址，⽤访存指令访问I/O设备。
独⽴编址：单独使⽤⼀套地址，有专门的I/O指令。
接⼝类型I/O设备数据传送控制⽅式1.程序直接控制传送⽅式⼜叫查询⽅式。
是完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。
通常的办法是在⽤户的程序中安排⼀段由输⼊输出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的⼯作。
也就是说CPU要不断地查询外围设备的⼯作状态，⼀旦外围设备“准备好”或“不忙”，即可进⾏数据的传送。
该⽅法是主机与外设之间进⾏数据交换的最简单、最基本的控制⽅法。
⽆条件传送：只有在外设总处于准备好状态程序查询⽅式优点：较好协调主机与外设之间的时间差异，所⽤硬件少。
缺点：主机与外设只能串⾏⼯作，主机⼀个时间段只能与⼀个外设进⾏通讯，CPU效率低。
程序查询⽅式接⼝结构：⼀次只能查询⼀个字的原因？在这种传送⽅式下，外部数据是要存到CPU寄存器中的，故需要⼀个字。
计算机控制技术-输入输出接口与过程通道(七)
交流地是電腦交流供電電源地，即動力線地，它的地 電位很不穩定。
2.5.3 系統供電與接地技術
接地理論分析，低頻電路應單點接地，高頻電路應就近 多點接地。
單點接地的目的：是避免形成地環路，地環路產生的電 流會引入到信號回路內引起干擾。
地環路產生的原因：地環路干擾發生在通過較長電纜連 接的相距較遠的設備之間，其產生的內在原因是設備之間的 地線電位差，地線電壓導致了地環路電流，由於電路的非平 衡性，地環路電流導致對電路造成影響的差模干擾電壓。
2.5.3 系統供電與接地技術
1．供電技術
(1)供電系統的保護措施
2.5.3 系統供電與接地技術
(2)電源異常的保護措施 電腦控制系統的供電不允許中斷，一旦中斷將會影響生
產。為此，可採用不間斷電源UPS 。
220V AC
電池 充電器
電池組 逆變器
電腦
交流 穩壓器
控制器
直流 穩壓器
具有不間斷電源的供電結構
2.5.3 系統供電與接地技術
(2)低頻接地技術
①一點接地方式 兩種接法：即串聯接地(或稱共同接地)和並聯接地(或稱分別接地) 。
各自的優缺點：
從防止雜訊角度看，如圖所示的串聯接地方式是最不適用的，由於地電 阻r1、r2和r3是串聯的，所以各電路間相互發生干擾 。
並聯接地方式在低頻時是最適用的，因為各電路的地電位只與本電路的 地電流和地線阻抗有關，不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的 缺點是需要連很多根地線，用起來比較麻煩。
選擇5%的容許極限時，TOL端接地； 選擇10%的容許極限時，TOL端接Vcc。 當Vcc恢復到容許極限內 ，複位輸出信號至少保持 250ms的寬度，才允許電源供電並使微處理器穩定工作。
2.5.3 系統供電與接地技術
接地理論分析，低頻電路應單點接地，高頻電路應就近 多點接地。
單點接地的目的：是避免形成地環路，地環路產生的電 流會引入到信號回路內引起干擾。
地環路產生的原因：地環路干擾發生在通過較長電纜連 接的相距較遠的設備之間，其產生的內在原因是設備之間的 地線電位差，地線電壓導致了地環路電流，由於電路的非平 衡性，地環路電流導致對電路造成影響的差模干擾電壓。
2.5.3 系統供電與接地技術
1．供電技術
(1)供電系統的保護措施
2.5.3 系統供電與接地技術
(2)電源異常的保護措施 電腦控制系統的供電不允許中斷，一旦中斷將會影響生
產。為此，可採用不間斷電源UPS 。
220V AC
電池 充電器
電池組 逆變器
電腦
交流 穩壓器
控制器
直流 穩壓器
具有不間斷電源的供電結構
2.5.3 系統供電與接地技術
(2)低頻接地技術
①一點接地方式 兩種接法：即串聯接地(或稱共同接地)和並聯接地(或稱分別接地) 。
各自的優缺點：
從防止雜訊角度看，如圖所示的串聯接地方式是最不適用的，由於地電 阻r1、r2和r3是串聯的，所以各電路間相互發生干擾 。
並聯接地方式在低頻時是最適用的，因為各電路的地電位只與本電路的 地電流和地線阻抗有關，不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的 缺點是需要連很多根地線，用起來比較麻煩。
選擇5%的容許極限時，TOL端接地； 選擇10%的容許極限時，TOL端接Vcc。 當Vcc恢復到容許極限內 ，複位輸出信號至少保持 250ms的寬度，才允許電源供電並使微處理器穩定工作。
计算机控制系统—过程通道技术_1、2
实例2：采用3片 74LS138译出24个 I/O接口芯片地址。
采用3片74LS138译 码器，经A0—A4 5 根地址线，就可以 译出24个I/O接口 端口号。
§2.2.1 通道地址译码技术
逻辑表 A7 A6 0 0 A5 0 A4 0 0 1 A3 0 1 0 A2 × A1 A0 × 地址
× 138 1号 00H-07H 138 2号 08H-0FH 138 3号 10H-17H
模拟量输出通道将底座移动使这两个底座上的连接头对接良好将底座装到导轨上底座a底座b22221通道地址译码技术一编址方式二地址译码222总线接口常用芯片二缓冲器2211存储器统一编址方式wrrd2io接口编址方式mreqiorq配合wr和rd或iowior221存储器统一编址方式不用专用的io指令一般存储器指令比io指令丰富功能强使用灵活给程序设计带来了方便
1、74LS574
§2.2.2 总线接口常用芯片
一、锁存器
2、74LS573
§2.2.2 总线接口常用芯片
一、缓冲器
1、74LS244
74LVTH6244
2、74LS245
74LVTH6245
§2.2.2 总线接口常用芯片
§2.2.1 通道地址译码技术
一、编址方式
1、存储器统一编址方式（WR、RD） 2、I/O接口编址方式（MREQ、IORQ配 合WR和RD或IOW、IOR）
§2.2.1 通道地址译码技术
不同编址方式的特点：
存储器统一编址方式不用专用的I/O指令，一般存储器指 令比I/O指令丰富，功能强，使用灵活，给程序设计带来了 方便。但这种方式占用了存储空间地址，指令执行时间较长。 难以区分I/O操作。 I/O指令执行时间较短，输入输出时容易安排应答联系信 号，硬件设计简单，程序设计清晰，易于区分。但I/O指令 简单,输入输出数据必须经过累加器A，才能进行逻辑操作。 同时增加了微机本身硬件设计的复杂性。
采用3片74LS138译 码器，经A0—A4 5 根地址线，就可以 译出24个I/O接口 端口号。
§2.2.1 通道地址译码技术
逻辑表 A7 A6 0 0 A5 0 A4 0 0 1 A3 0 1 0 A2 × A1 A0 × 地址
× 138 1号 00H-07H 138 2号 08H-0FH 138 3号 10H-17H
模拟量输出通道将底座移动使这两个底座上的连接头对接良好将底座装到导轨上底座a底座b22221通道地址译码技术一编址方式二地址译码222总线接口常用芯片二缓冲器2211存储器统一编址方式wrrd2io接口编址方式mreqiorq配合wr和rd或iowior221存储器统一编址方式不用专用的io指令一般存储器指令比io指令丰富功能强使用灵活给程序设计带来了方便
1、74LS574
§2.2.2 总线接口常用芯片
一、锁存器
2、74LS573
§2.2.2 总线接口常用芯片
一、缓冲器
1、74LS244
74LVTH6244
2、74LS245
74LVTH6245
§2.2.2 总线接口常用芯片
§2.2.1 通道地址译码技术
一、编址方式
1、存储器统一编址方式（WR、RD） 2、I/O接口编址方式（MREQ、IORQ配 合WR和RD或IOW、IOR）
§2.2.1 通道地址译码技术
不同编址方式的特点：
存储器统一编址方式不用专用的I/O指令，一般存储器指 令比I/O指令丰富，功能强，使用灵活，给程序设计带来了 方便。但这种方式占用了存储空间地址，指令执行时间较长。 难以区分I/O操作。 I/O指令执行时间较短，输入输出时容易安排应答联系信 号，硬件设计简单，程序设计清晰，易于区分。但I/O指令 简单,输入输出数据必须经过累加器A，才能进行逻辑操作。 同时增加了微机本身硬件设计的复杂性。
计算机控制技术输入输出接口与过程通道..
② CPU与外设的同步与通信联络
（何时可以发送数
据及接收数据）
③ 输入/输出信号形式转换（A/D 、D/A） ④ 信号的放大、采样、保持、电平转换、整形、 驱动等
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2.2 数字量输入输出通道
本节主要内容
数字量的概念及种类 数字量输入接口 数字量输出接口 数字量输入输出通道 YANGZHOU UNIVERSITY
MCl416 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，截止时承受 100V 电压。 为了防止 MCl416 组件反向击 穿，可使用内部保护二极管。 左图给出了 MCl416 内部电路 原理图和使用方法。
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26
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15
1 简单数字量输入接口
如下指令完成8个开关 量采集： MOV DX, port IN AL, DX 在执行 IN 指令时， 经过端口地址译码，得 到片选信号/CS，同时产 生信号 /IOR ， 打开缓冲 器，外部状态经总线到 达CPU。
yangzhouuniversitywwwyzueducn1222数字量输入输出通道本节主要内容数字量的概念及种类数字量输入接口数字量输出接口数字量输入输出通道数字量的概念及种类数字量输入接口数字量输出接口数字量输入输出通道yangzhouuniversitywwwyzueducn13数字量开关量的概念开关的开断触点的闭合电平的高低电机的启停阀门的开闭指示灯的亮灭等等开关的开断触点的闭合电平的高低电机的启停阀门的开闭指示灯的亮灭等等特点
数字量输入通道的结构
19
计算机控制系统——chapter2输入输出接口与过程通道
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
(2) 大功率交流驱动电路
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概述
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， 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。
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，根据信息的来源和 类型不同，可以分为模拟量输入/输出通道 （AI/AO），数字量（或开关量）输入/输出通道 （DI/DO）四种。
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
返回
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第二章输入输出接口与过程通道
2.1.2 数字量输入通道
1、数字量输入通道的结构
如图2.2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。
原理：光的有/无→光敏管的通/断→电位 的高/低。
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第二章输入输出接口与过程通道
+48V
发光二极管
C1
光敏三极管
光电隔离及电平转换电路
当开关S闭合时，发光二极管导通发光，光耦合作用使光 敏三极管导通，对应“1”状态输入；反之，开关S打开， 则发光二极管不发光，光敏三极管截止，对应“0”状态 输入。
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
精编计算机控制系统——chapter2输入输出接口与过程通道资料
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第二章输入输出接口与过程通道
(2) 大功率交流驱动电路
如图2.9(P23)所示。通过固态继电器的触点 控制大功率接触器的通断，完成从直流低压到交 流高压，小功率到大功率的转换。输入输出间采 用光电耦合器进行隔离。
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第二章输入输出接口与过程通道
(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，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。
原理：光的有/无→光敏管的通/断→电位 的高/低。
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第二章输入输出接口与过程通道
+48V
发光二极管
C1
光敏三极管
光电隔离及电平转换电路
当开关S闭合时，发光二极管导通发光，光耦合作用使光 敏三极管导通，对应“1”状态输入；反之，开关S打开， 则发光二极管不发光，光敏三极管截止，对应“0”状态 输入。
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第二章输入输出接口与过程通道
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
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第二章输入输出接口与过程通道
经过端口地址译码，得到片选信号CS， 当在执行OUT指令周期时，产生IOW信号。
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11日
计算机控制系统——chapter2输入输出接口与过程通道
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
输入通道又称为检测通道。一般，反映生 产过程状态的各种参数(如压力、流量、温度、 速度、位置等)都是随时间变化的模拟量，它 们通过检测元件和变送器转换成相应的模拟电 流或电压信号后，必须通过模拟量输入通道转 换成相应的数字信号后才能送入计算机。而生 产过程中的一些开关量、电平信号、脉冲量， 以及一些数字传感器等产生的数字信号等，则 可直接通过数字量输入通道送入计算机。
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。
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第二章输入输出接口与过程通道
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。 特点：幅值离散，可用一位或多位二进制码表示。
2、数字量输入接口
缓冲器－防止外设数据干扰数据总线。
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6月26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
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概述
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， 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。
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，根据信息的来源和 类型不同，可以分为模拟量输入/输出通道 （AI/AO），数字量（或开关量）输入/输出通道 （DI/DO）四种。
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。
微型计算机控制系统课件第3章 输入输出接口及输入输出通道
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。
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。
数字量输入接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
S1=/A9+/A8+A7+A6+A5+A4+A3+A2 Y0=AEN+S2
输入输出接口与输入输出通道 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
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
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。
数字量输入接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
S1=/A9+/A8+A7+A6+A5+A4+A3+A2 Y0=AEN+S2
输入输出接口与输入输出通道 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
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
计算机控制第3章输入输出通道接口技术
ADC0832
ADC0832由NS公司研制的8位逐次逼近型串行A/D转换 器，其主要特点如下： 1) 8位分辨率； 2) 双通道A/D转换；
3) 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
4) 5V电源供电时输入电压在0~5V之间； 5) 工作频率为250KHZ，转换时间为32μS； 6) 一般功耗仅为15mW； 7) 8P—DIP（双列直插）、PLCC多种封装；
3.3.2 并行ADC及接口技术
ADC0809
主要特性：
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起、停控制端。
3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）。
4）单个+5V电源供电 5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。 7）低功耗，约15mW。
中，输入/输出通道分模拟量通道和数字量（开关量）通道 两类。
信息种类
信息来源 阀门的开、关，接点的通、断， 电平的高、低 各类数字传感器、控制器等
通道类型
开关量输入
数字量 数据数码
数字量 输入通道
脉冲量输入 长度、转速、流量测定转换等 中断输入 模拟量 电流信号 电压信号 操作人员请求、过程报警等 压力、温度、液位、湿度、速 模拟量 度、质量、位移等 输入通道
ADC0809的内部结构
CLOCK
1N0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
START
EOC 8位 三态 锁存 缓冲器
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
定时和控制 通道 选择 开关 比较器 地址锁存 和译码 DAC 逐次逼近 寄存器SAR