WX微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第二章.ppt

第2章 輸入/輸出接口與過(guò)程通道,采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制，需要采集生產(chǎn)過(guò)程中的各種必要信息（參數(shù)），并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所要求的數(shù)據(jù)形式，送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，形成所需要的控制信息，以生產(chǎn)過(guò)程能接受的信號(hào)形式輸出，以便實(shí)現(xiàn)控制、顯示、打印等各種功能。,輸入/輸出通道（簡(jiǎn)稱過(guò)程通道或I/O通道）就是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間進(jìn)行信息傳送和變換的連接通道。 過(guò)程通道按變換傳遞信號(hào)的種類分： 模擬量通道和數(shù)字量通道； 按信號(hào)傳輸?shù)姆较蚍郑?輸入通道和輸出通道，或前向通道和后向通道,主機(jī)和外圍設(shè)備交換信息時(shí)，往往存在著速度不匹配、數(shù)據(jù)類型不一樣等問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，必須設(shè)計(jì)一套介于主機(jī)和外部設(shè)備之間的控制邏輯部件，這就是輸入輸出接口（簡(jiǎn)稱I/O接口）。 I/O接口是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件（電路），也是主機(jī)和外圍設(shè)備之間信息交換的橋梁。,第2章 輸入/輸出接口與過(guò)程通道 2.1 輸入/輸出接口 2.2 過(guò)程通道的一般結(jié)構(gòu) 2.3 信號(hào)的采樣和量化 2.4 模擬量輸入通道的信號(hào)調(diào)理電路 2.5 模擬開(kāi)關(guān)及采樣保持 2.6 A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) 2.7 模擬量輸出通道 2.8 數(shù)字量輸入與輸出通道 2.9 I/O通道的抗干擾技術(shù),2.1輸入/輸出接口,在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，過(guò)程通道或外部設(shè)備是不能直接與中央處理單元（CPU）連接的，因?yàn)樗鼈兊乃俣?、?shù)據(jù)格式不一定相同，信號(hào)形式也不一定相匹配。為了便于兩者交換信息，需要通過(guò)一個(gè)中間環(huán)節(jié)將CPU和外部通道連接起來(lái)，該中間環(huán)節(jié)就是接口電路。 主要實(shí)現(xiàn)：電平變換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖和狀態(tài)信息提供等功能 。,2.1.1 接口技術(shù),微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，外部設(shè)備（簡(jiǎn)稱外設(shè)）與CPU之間的信息交換是十分頻繁的。CPU與外設(shè)所交換的信息有數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息，為了CPU對(duì)外設(shè)尋址，還需要有地址信息。 為了保證信息的正確傳送，I/O接口設(shè)有三種端口，即數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口，負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)信息的傳送。接口技術(shù)就是研究CPU與外設(shè)之間如何交換信息的技術(shù)。,主要涉及如下幾方面 ： （1）數(shù)據(jù)緩沖。 (實(shí)現(xiàn)不同速度器件的同步) （2）功能尋址 。（從多臺(tái)設(shè)備中選擇所需設(shè)備） （3）命令譯碼。 （解釋和產(chǎn)生各種信息操作） （4）同步控制。（協(xié)調(diào)被連接部件，實(shí)現(xiàn)同步） （5）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。（如并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)） （6）電平轉(zhuǎn)換。 （7）中斷接口。（實(shí)現(xiàn)各種中斷功能） （8）總線驅(qū)動(dòng)。,2.1.2 I/O信號(hào)的種類,外部設(shè)備與CPU之間交換的信息按功能通常分為三類信息： 數(shù)據(jù)信息 狀態(tài)信息 控制信息,1數(shù)據(jù)信息,（1）數(shù)字量。數(shù)字量是指時(shí)間上、幅值上離散的信號(hào)，一般是以二進(jìn)制形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)或字符。如由鍵盤、撥碼開(kāi)關(guān)等輸入的信息，主機(jī)送給顯示器、打印機(jī)的輸出信息等。 （2）模擬量。模擬量是指時(shí)間上、幅值上連續(xù)變化的物理量。如生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的壓力、溫度、液位、速度、重量、位移等。 （3）開(kāi)關(guān)量。只有開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)，通常用一位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。如開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)、電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止、閥門的打開(kāi)和關(guān)閉等。,2狀態(tài)信息,狀態(tài)信息也稱握手信息或應(yīng)答信息，它反映了與CPU連接的外設(shè)的當(dāng)前工作狀態(tài)，是外設(shè)通過(guò)接口發(fā)往CPU的信息，作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。 例如，狀態(tài)信息中的“就緒”信號(hào)表示等待的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒，外部設(shè)備“忙”信號(hào)表示輸出設(shè)備是否處于空閑狀態(tài)等。信號(hào)輸入時(shí)，CPU讀取“就緒”（Ready）狀態(tài)信息，若準(zhǔn)備就緒則讀入數(shù)據(jù)。,3控制信息,控制信息是CPU通過(guò)接口傳送給外圍設(shè)備的信息，如控制外圍設(shè)備啟動(dòng)、停止，控制數(shù)據(jù)流向，控制輸入輸出等。,CPU與外部設(shè)備之間的信息傳送是通過(guò)I/O接口電路來(lái)完成的，I/O接口通常是一塊大規(guī)模集成電路芯片。不同芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別很大，但從外部連接來(lái)看，可分為兩大部分： 一部分是與外圍設(shè)備相連的。為保證信息的正確傳送，I/O接口往往開(kāi)辟不同的端口來(lái)傳送數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。 另一部分是與系統(tǒng)總線相連的。CPU通過(guò)系統(tǒng)總線與I/O接口相連。,圖2-1 外部設(shè)備通過(guò)接口和CPU的連接示意圖,2.1.3 I/O控制方式,在微機(jī)系統(tǒng)中，可采用的I/O控制方式一般有3種： 程序控制方式 中斷控制方式 直接存儲(chǔ)器存取方式（DMA方式）,一、程序控制方式,程序控制方式是指數(shù)據(jù)在CPU與外設(shè)之間的傳送完全依靠程序來(lái)控制。它又分為無(wú)條件傳送方式和查詢傳送方式（條件傳送方式）。 1無(wú)條件傳送方式 當(dāng)外設(shè)已準(zhǔn)備就緒，就不必查詢外設(shè)的狀態(tài)而進(jìn)行信息傳輸，這就稱為無(wú)條件傳送。 2查詢傳送方式 查詢傳送方式是指CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送依靠CPU查詢外部設(shè)備的狀態(tài)來(lái)確定。,一、程序控制方式,查詢方式比無(wú)條件方式可靠，接口電路簡(jiǎn)單，不占用中斷線，同時(shí)查詢程序也簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)調(diào)試。特別適合于按一定規(guī)律順序工作的生產(chǎn)過(guò)程，如：自動(dòng)線、定時(shí)數(shù)據(jù)采集等。 該方式的缺點(diǎn)是：CPU在程序循環(huán)中因等待I/O設(shè)備的就緒而不能做其他工作，使CPU的效率較低。倘若外部發(fā)生緊急事件，CPU不能立即響應(yīng)，因而實(shí)時(shí)性不好。,二、中斷控制I/O方式,在許多場(chǎng)合下，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性有較高的要求，此時(shí)若采用查詢方式，則CPU會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間在循環(huán)等待中，實(shí)時(shí)性差。 中斷技術(shù)的引用，很大程度上克服了這個(gè)弊端，比較好的解決外圍設(shè)備運(yùn)行速度較慢而CPU運(yùn)行速度較快的矛盾，提高了CPU效率，同時(shí)使控制系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。,中斷方式的應(yīng)用，要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須解決以下四個(gè)問(wèn)題： （1）保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。 （2）正確判斷中斷源。 （3）實(shí)時(shí)響應(yīng)。 （4）按優(yōu)先權(quán)順序處理。,三、DMA控制方式,DMA ( Direct Memory Access )方式是一種完全由硬件完成輸入輸出操作的工作方式。這種方式工作時(shí)，存儲(chǔ)器與外設(shè)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不通過(guò)CPU，因此稱為直接存取存儲(chǔ)器。,2.1.4 I/O接口設(shè)計(jì),I/O接口設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的要求和外圍設(shè)備的特性，選定各被控設(shè)備的I/O控制方式，設(shè)計(jì)出合適的I/O接口電路和相應(yīng)的接口控制程序。使CPU和被控設(shè)備之間能實(shí)時(shí)、可靠地交換信息，從而保證滿足實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集等提出的要求。,I/O接口設(shè)計(jì)方案選擇 ：,1選用現(xiàn)成的多功能I/O接口板 為了適應(yīng)系統(tǒng)I/O擴(kuò)展的需要，每一種微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都設(shè)計(jì)有配套的I/O接口板，將I/O接口板插到系統(tǒng)外引總線槽上，只要適當(dāng)選擇板上的有關(guān)選擇開(kāi)關(guān)（選址開(kāi)關(guān)、工作方式選擇開(kāi)關(guān)等），就可與系統(tǒng)配套使用。,2自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)I/O接口電路 該方式在具體做法上又有兩種方案： 一是采用通用可編程接口芯片擴(kuò)展I/O接口。所謂可編程接口，就是接口的通用部分由大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，其具體功能由程序來(lái)確定。如并行接口8255A/8155、串行接口8251A等。 另一種方案是采用普通的緩沖器、鎖存器和譯碼器等芯片擴(kuò)展I/O接口。如常用的接口芯片有地址/數(shù)據(jù)鎖存器74LS273和74LS373、8位三態(tài)輸出數(shù)據(jù)緩沖/驅(qū)動(dòng)器74LS244、地址譯碼器74LSl38/74LS139等。 自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)I/O接口電路，針對(duì)性強(qiáng)、成本低，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。,2.2 過(guò)程通道的一般結(jié)構(gòu),2.2.1 輸入輸出過(guò)程通道的基本概念 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制，需要將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的形式，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算、處理后的結(jié)果還須變換成適合于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制的信號(hào)。在計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程之間傳遞和變換信息的裝置稱為輸入輸出過(guò)程通道。,2.2 過(guò)程通道的一般結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過(guò)程通道分為四類： 模擬量輸入通道 模擬量輸出通道 數(shù)字量輸入通道 數(shù)字量輸出通道,模擬量輸入通道（Analog Input，AI）：，采用傳感器或變送器將被控對(duì)象的模擬量參數(shù)（如壓力、溫度、液位、重量等）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號(hào)，這些信號(hào)再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)中。 數(shù)字量輸入通道（Digital Input，DI）：通過(guò)轉(zhuǎn)換電路和接口電路將生產(chǎn)過(guò)程中的開(kāi)關(guān)信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字信號(hào)，并送入計(jì)算機(jī)中。,模擬量輸出通道（Analog Output，AO）：需經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)變換成模擬量，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用于生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。 數(shù)字量輸出通道（Digital Output，DO） ：是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)變換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的電平，一般需要進(jìn)行信號(hào)隔離、功率驅(qū)動(dòng)等。,2.2.2 輸入通道的結(jié)構(gòu)類型,輸入通道的結(jié)構(gòu)主要取決于生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境和輸入信號(hào)的類型、數(shù)量、大??；在不考慮前端傳感器類型的情況下，輸入通道結(jié)構(gòu)歸納起來(lái)大致可以分為以下幾種。 1. 單信號(hào)輸入通道類型 2. 多信號(hào)輸入通道類型,1. 單信號(hào)通道類型,現(xiàn)場(chǎng)中采集到的信號(hào)常見(jiàn)有以下幾種類型：高電壓、大電流模擬信號(hào)，低電壓、小電流模擬信號(hào)，脈沖信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)等。僅考慮單信號(hào)時(shí)，它們所對(duì)應(yīng)的輸入通道結(jié)構(gòu)如表2-1所示。,2. 多信號(hào)輸入通道類型,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)往往需要采集生產(chǎn)過(guò)程中的多個(gè)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬量輸入通道根據(jù)應(yīng)用要求不