機電一體化第4章 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(411輸入／輸出控制的可靠性設(shè)計)

1、第四章 微機控制系統(tǒng)及接口設(shè)計 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)第七節(jié)第七節(jié) 微機應(yīng)用系統(tǒng)微機應(yīng)用系統(tǒng)輸入輸出控制輸入輸出控制的可靠性設(shè)計的可靠性設(shè)計n光電隔離電路設(shè)計光電隔離電路設(shè)計n信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù) 微機應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出是通過硬件電路和軟微機應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出是通過硬件電路和軟件共同完成的。對其硬件電路的要求是：件共同完成的。對其硬件電路的要求是： 能夠可靠地傳遞控制信息，井能夠輸入有關(guān)運動能夠可靠地傳遞控制信息，井能夠輸入有關(guān)運動機構(gòu)的狀態(tài)信息；機構(gòu)的狀態(tài)信息； 能夠進

2、行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足微機對輸入能夠進行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足微機對輸入輸出信息的轉(zhuǎn)換要求，如輸出信息的轉(zhuǎn)換要求，如D DA A、A AD D轉(zhuǎn)換、并行數(shù)字轉(zhuǎn)換、并行數(shù)字量轉(zhuǎn)換成串行電脈沖、電平的轉(zhuǎn)換與匹配、電量與非量轉(zhuǎn)換成串行電脈沖、電平的轉(zhuǎn)換與匹配、電量與非電量之間的轉(zhuǎn)換電量之間的轉(zhuǎn)換h h弱電與強電的轉(zhuǎn)換以及功率的匹配等弱電與強電的轉(zhuǎn)換以及功率的匹配等， 應(yīng)具有較強的阻斷干擾信號進入微機控制系統(tǒng)的應(yīng)具有較強的阻斷干擾信號進入微機控制系統(tǒng)的能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。主要采用濾波技術(shù)、光能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。主要采用濾波技術(shù)、光電隔離技術(shù)、屏蔽技術(shù)等。電隔離技術(shù)、屏蔽技術(shù)等。 5 5

3、控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)一、光電隔離電路設(shè)計一、光電隔離電路設(shè)計 光電隔離電路的作用主要有以下幾個方面：光電隔離電路的作用主要有以下幾個方面： 可將輸入與輸出端兩部分電路的地線分開，各自使可將輸入與輸出端兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電。這樣信息通過光電轉(zhuǎn)換，單向傳遞，用一套電源供電。這樣信息通過光電轉(zhuǎn)換，單向傳遞，又由于光電韶合又由于光電韶合5S5S輸入與輸出端之間絕緣電阻非常大輸入與輸出端之間絕緣電阻非常大( (一一般為般為10101111一一10101313 ) )，寄生電容很小，寄生電容很小( (一般為一般為0 05 52pF)2pF)，因此

4、，干擾信號很難從輸出端反饋到輸入端，從而起到因此，干擾信號很難從輸出端反饋到輸入端，從而起到隔離作用。隔離作用。 可以進行電平轉(zhuǎn)換。如圖可以進行電平轉(zhuǎn)換。如圖4 457(a)57(a)所示電路，通過所示電路，通過光電耦合器可以很方便地把微機的輸出信號變?yōu)楣怆婑詈掀骺梢院芊奖愕匕盐C的輸出信號變?yōu)閘2vl2v。 提高驅(qū)動能力。隔離驅(qū)動用光電耦合器件如達林頓提高驅(qū)動能力。隔離驅(qū)動用光電耦合器件如達林頓輸出和可控硅輸出型光電耦合器件，不但具有隔離功能，輸出和可控硅輸出型光電耦合器件，不但具有隔離功能，而且還具有較強的驅(qū)動負載能力。微機輸出信號通過這而且還具有較強的驅(qū)動負載能力。微機輸出信號通過這種光

5、電耦合器件后，就能宜接驅(qū)動負載。種光電耦合器件后，就能宜接驅(qū)動負載。 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù) 光電耦合隔離器按其輸出級不同可分為三極管型、單光電耦合隔離器按其輸出級不同可分為三極管型、單向晶閘管型、雙向晶閘管型等幾種，如圖所示。它們的向晶閘管型、雙向晶閘管型等幾種，如圖所示。它們的原理是相同的，即都是通過電原理是相同的，即都是通過電光光電這種信號轉(zhuǎn)換，電這種信號轉(zhuǎn)換，利用光信號的傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。利用光信號的傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù) 現(xiàn)以最簡單的三極

6、管型光電耦合隔離器為例來說明它現(xiàn)以最簡單的三極管型光電耦合隔離器為例來說明它的結(jié)構(gòu)原理，如圖所示。的結(jié)構(gòu)原理，如圖所示。 輸入信號（來自微機）（去執(zhí)行系統(tǒng)）輸出信號去微機來自機械系統(tǒng)GGVc+5vVc+12vVc+5vR1R1R2R274LS04a)b) 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)光電隔離時域檢測電路光電隔離時域檢測電路時域響應(yīng)特性時域響應(yīng)特性 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù) 光電耦合隔離器的輸入輸出類似普通三極管的輸光電耦合隔離器的輸入輸出類似普通三極管的輸入輸出特性，即存在著截止區(qū)、飽和區(qū)與線性區(qū)三入輸出特性，即存

7、在著截止區(qū)、飽和區(qū)與線性區(qū)三部分。利用光耦隔離器的開關(guān)特性（即光敏三極管部分。利用光耦隔離器的開關(guān)特性（即光敏三極管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數(shù)字信號而隔離工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾，簡稱對數(shù)字信號進行隔離。電磁干擾，簡稱對數(shù)字信號進行隔離。 例如在數(shù)字量輸入輸出通道中，以及在模擬量輸例如在數(shù)字量輸入輸出通道中，以及在模擬量輸入輸出通道中的入輸出通道中的A/DA/D轉(zhuǎn)換器與轉(zhuǎn)換器與CPUCPU或或CPUCPU與與D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號的耦合傳送，都可之間的數(shù)字信號的耦合傳送，都可用光耦的這種開用光耦的這種開關(guān)特性對數(shù)字信號進行隔離。關(guān)特性對數(shù)字信號

8、進行隔離。 例如在現(xiàn)場傳感器與例如在現(xiàn)場傳感器與A/DA/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或D/AD/A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場執(zhí)行器之間的模擬信號的線性傳送，可場執(zhí)行器之間的模擬信號的線性傳送，可用光耦的用光耦的這種線性區(qū)對模擬信號進行隔離這種線性區(qū)對模擬信號進行隔離。 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù) 光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點。光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點。 模擬信號隔離方法的優(yōu)點是使用少量的光耦，成本模擬信號隔離方法的優(yōu)點是使用少量的光耦，成本低；缺點是調(diào)試困難，如果光耦挑選得不合適，會影低；缺點是調(diào)試困難，如果光耦挑選得不合適，會影響響A/DA/D或或D/AD/

9、A轉(zhuǎn)換的精度和線性度。數(shù)字信號隔離方法轉(zhuǎn)換的精度和線性度。數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)點是調(diào)試簡單，不影響系統(tǒng)的精度和線性度；的優(yōu)點是調(diào)試簡單，不影響系統(tǒng)的精度和線性度； 缺點是使用較多的光耦器件，成本較高。但因光耦缺點是使用較多的光耦器件，成本較高。但因光耦越來越價廉，數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)勢凸現(xiàn)出來，因越來越價廉，數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)勢凸現(xiàn)出來，因而在工程中使用的最多。而在工程中使用的最多。 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù) 要注意的是，用于驅(qū)動發(fā)光管的電源與驅(qū)動光要注意的是，用于驅(qū)動發(fā)光管的電源與驅(qū)動光敏管的電源不應(yīng)是共地的同一個電源，必須分開敏管的電源不應(yīng)是共地

10、的同一個電源，必須分開單獨供電，才能有效避免輸出端與輸入端相互間單獨供電，才能有效避免輸出端與輸入端相互間的反饋和干擾；另外，發(fā)光二極管的動態(tài)電阻很的反饋和干擾；另外，發(fā)光二極管的動態(tài)電阻很小，也可以抑制系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾。因此，利小，也可以抑制系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾。因此，利用光耦隔離器可用來傳遞信號而有效地隔離電磁用光耦隔離器可用來傳遞信號而有效地隔離電磁場的電干擾。場的電干擾。 為了適應(yīng)計算機控制系統(tǒng)的需求，目前已生產(chǎn)為了適應(yīng)計算機控制系統(tǒng)的需求，目前已生產(chǎn)出各種集成的多路光耦隔離器，如出各種集成的多路光耦隔離器，如TLPTLP系列就是常系列就是常用的一種。用的一種。 5 5 控制系統(tǒng)及接口

11、設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)光電耦合隔離電路應(yīng)用光電耦合隔離電路應(yīng)用 采用光電耦合器可以將微機與前向、后向通道以及采用光電耦合器可以將微機與前向、后向通道以及其它相關(guān)部分切斷與電路的聯(lián)系，從而有效地防止干其它相關(guān)部分切斷與電路的聯(lián)系，從而有效地防止干擾信號進入微機擾信號進入微機。其他I/O接口多通道地址選擇光電耦合光電耦合CPU后向接口光電耦合前向接口光電耦合A/DD/A或執(zhí)行機構(gòu)地址選擇 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù) 請同學(xué)們注意：請同學(xué)們注意： 在微機控制系統(tǒng)中，由于可采用的高功能集成元件端口在微機控制系統(tǒng)中，由于可采用的高功能集成元件

12、端口（輸入（輸入/ /輸出接口）的性質(zhì)常有所不同，因而所采用或設(shè)計輸出接口）的性質(zhì)常有所不同，因而所采用或設(shè)計的光電隔離電路也有所不同。在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)依據(jù)實際情的光電隔離電路也有所不同。在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)依據(jù)實際情況而定。況而定。 1 1）80318031芯片匹配的輸入輸出光電隔離接口電路芯片匹配的輸入輸出光電隔離接口電路 Vc+5vGR1R2來自機械系統(tǒng)P38031 特點：特點：P3口作為準口作為準雙向接口，當雙向接口，當P3輸入輸入口被拉成低電平時，口被拉成低電平時，可直接由可直接由TTL或或MOS電路驅(qū)動；當外部信電路驅(qū)動；當外部信號為低電平時，號為低電平時，P3可可被拉成高電平直接與被

13、拉成高電平直接與光電耦合器連接。光電耦合器連接。 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)2）8031、8215、8255芯片匹配光電隔離接口電路芯片匹配光電隔離接口電路 特點：當接口作為輸入口特點：當接口作為輸入口時，端口為高阻抗輸入，與時，端口為高阻抗輸入，與8031的的P1接口與光電耦合接口與光電耦合器的輸入連接相同；當器的輸入連接相同；當P1和和P3作為輸出接口（準雙向接作為輸出接口（準雙向接口）時，高電平輸出時對外口）時，高電平輸出時對外泄漏的電流很?。泓c幾泄漏的電流很?。泓c幾mA）；低電平輸出時對外）；低電平輸出時對外泄漏的電流很大，泄漏的電流很大，P

14、1和和P3作作為輸出接口。為輸出接口。Vc+5v（來自微機）輸入信號GR1Vc+12v輸出信號R28255P182158031 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)3）8155、8255芯片匹配光電隔離接口電路芯片匹配光電隔離接口電路 特點：由于特點：由于8155、8255輸出口可釋放輸出口可釋放和吸收的電流較大，和吸收的電流較大，故可直接用高點平故可直接用高點平推動晶體管驅(qū)動光推動晶體管驅(qū)動光電二極管。電二極管。 在在8155、8255上上電復(fù)位（高阻抗狀電復(fù)位（高阻抗狀態(tài)）時，不使開機態(tài)）時，不使開機輸出額外的信息，輸出額外的信息，將晶體管硬拉成低將晶體管硬拉

15、成低電平。電平。（去執(zhí)行系統(tǒng)）輸出信號Vc+12vVc+5v（來自微機）82558155輸入信號R3GR2R1R4VT 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)4）輸出較大電流驅(qū)動的光電隔離接口輸出電路輸出較大電流驅(qū)動的光電隔離接口輸出電路 特點：特點：采用達采用達林頓型驅(qū)動電路，林頓型驅(qū)動電路，可輸出更大的電可輸出更大的電流驅(qū)動輸出設(shè)備。流驅(qū)動輸出設(shè)備。Vc+5vR2（來自微機）82558155輸入信號R1VTR3JGVcVD 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)5）提高普通光電耦合器光耦合速度的光電隔離接提高普通光電耦合器光耦合速度的

16、光電隔離接口輸出（響應(yīng)）電路口輸出（響應(yīng)）電路 特點：特點：可進一步可進一步提高普通光電提高普通光電耦合器光耦合耦合器光耦合速度。速度。GR0Vc+12VR4R5R2R1VT1VT2R3 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)6）V/FV/F轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（LM331LM331）頻率輸出光電隔離接口輸）頻率輸出光電隔離接口輸出電路出電路 特點：特點：可提高在惡劣環(huán)境中前向型通道和電源的抗干擾可提高在惡劣環(huán)境中前向型通道和電源的抗干擾能力。能力。VccVssG1k1k815580318255T0/T1LM331Vss1kGLOGIO3.3k+Va)b)1LM331T

17、5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)二、信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計二、信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(1) 弱點弱點/強電轉(zhuǎn)換電路強電轉(zhuǎn)換電路 微機應(yīng)用系統(tǒng)中的微機發(fā)出的控制信號一般要經(jīng)過功率放大后，才能驅(qū)動備類執(zhí)行元件。來自微機開關(guān)量G功 放 電 路YAG功 放 電 路KDTG功 放 電 路KKMAC電 動 機G功 放 電 路KAC電 動 機 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)A相功放電路A相功放電路A相功放電路光電隔離電路I/O 接口微機步進電機（2）數(shù)字）數(shù)字/脈沖信號轉(zhuǎn)換脈沖信號轉(zhuǎn)換并行轉(zhuǎn)換為串行并行轉(zhuǎn)換為串行 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù) 5 5 控制系統(tǒng)及接口設(shè)計控制系統(tǒng)及接口設(shè)計- -接口技術(shù)接口技術(shù)（3）數(shù)）數(shù)/模模(D/A)轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換