第二章IO接口和IO控制方式課件

1、第二章 計算機控制系統的I/O接口和I/O通道 本章要點1. I/O接口電路的功能和設計； 2. I/O通道的類型及組成3. I/O通道的工作過程4. I/O通道的抗干擾措施2.1 I/O接口在系統中的應用 1、數據格式的匹配（1）并/串，串/并（2）字/字節(jié)，字節(jié)/字（3）電平轉換2、速度匹配輸入緩沖74LS244，輸出鎖存74LS273、 74LS3733、地址的分配和擴展地址譯碼器74LS138，地址比較器74LS6884、負載能力的擴展總線驅動器74LS2452.2 I/O 控制方式1、程序控制方式（1）無條件傳送方式（2）程序查詢傳送方式2、中斷控制方式3、存儲器直接存取（DMA）方

2、式2.3 I/O接口設計方法及舉例1、數字量的輸入輸出輸入緩沖輸出鎖存地址分配總線擴充74LS273和74LS373的區(qū)別74LS273是帶公共時鐘復位八D觸發(fā)器 ;74LS373是 三態(tài)同相八D鎖存器273與373的引腳排列是相同的,唯一的差別是兩者1、11腳的功能不同.對273(1).1腳是復位CLR,低電平有效,當1腳是低電平時,輸出腳全部輸出0,即全部復位;(2).當1腳為高電平時,11(CLK)腳是鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當11腳有一個上升沿,立即鎖存輸入腳的電平狀態(tài),并且立即呈現在在輸出腳上.對373:(1).1腳是輸出使能(OE),是低電平有效,當1腳是高電平時,不管輸

3、入如何,也不管11腳(鎖存控制端,G)如何,輸出全部呈現高阻狀態(tài)(或者叫浮空狀態(tài));(2).當1腳是低電平時,只要11腳(鎖存控制端,G)上出現一個下降沿,輸出立即呈現輸入腳的狀態(tài).所以,如果分別用273和373來作為單片機的地址存器的話,對273來說,1(CLR)腳必須接高電平,ALE信號經過反相后接11腳(因為單片機的ALE信號是以下降沿方式出現)對373來說,1腳接低電平,保證使能,11腳直接接單片機的ALE信號.74LS245是我們常用的芯片，用來驅動led或者其他的設備, 74LS245是8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數據。*74LS245還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可

4、以輸入數據。*當8051單片機的P0口總線負載達到或超過P0最大負載能力時，必須接入74LS245等總線驅動器。*當片選端/CE低電平有效時，DIR=“0”，信號由 B 向 A 傳輸；（接收）*DIR=“1”，信號由 A 向 B 傳輸；（發(fā)送）當/CE為高電平時，A、B均為高 例1 設74LS244地址為90H，74LS273地址為91H，設計硬件電路并編寫控制程序，實現數據的輸入緩沖和輸出鎖存。例2 設用1塊集成芯片實現數據的雙向傳送，設計硬件電路并編寫控制程序。例3 用74LS688和74LS138實現地址跳線功能，選擇地址范圍為200-3FFH。2 開關量的輸入輸出一、開關量的輸入接口電

5、路1、分壓開關量的電壓信號比較大，可以采用分壓的方式對開關量的電壓信號進行衰減R1和R2構成分壓網絡，可根據開關電壓決定其阻值比例。另外為了增加抗干擾能力，非門可以采用輸入端帶施密特觸發(fā)器的非門。這種接口電路比較簡單，但是當開關信號系統與計算機系統在電氣上互連時，如果開關信號系統的電氣噪聲大，那么這些噪聲將串入計算機系統，從而可能導致系統不穩(wěn)定。2、光電耦合 這種方式使開關信號系統與計算機系統在電氣上相互隔離，其信號的傳遞是通過光信號進行耦合。電阻R2的作用是限流，使得產生的開關電流在紅外發(fā)光二極管的額定電流范圍內。電阻R1的作用是上拉，產生數字信號的高電平。二、開關量的輸出接口電路1、小功率

6、開關輸出電路2、繼電器輸出接口電路三、模擬量輸入輸出通道A/D、D/A、濾波器、信號處理電路、傳感器、驅動電路等。2.4 I/O通道的組成及工作原理計算機控制系統包含多種信號形式，因此對應包含了多種I/O通道。I/O通道連接計算機和生產過程，負責完成數據的傳送。計算機控制系統中的I/O通道按照數據流向分為輸入通道和輸出通道。按照信號類型分為模擬量通道和數字量通道。因此一個完整的計算機控制系統中包括了四種I/O通道。2.4.1 模擬量輸入通道 本節(jié)要點 1模擬量輸入通道的結構組成。 2多路開關，前置放大、采樣保持等各環(huán)節(jié) 的功能作用。 3A/D轉換器芯片及其接口電路 引言 2.4.1.1 信號調

7、理電路 2.4.1.2 多路模擬開關 2.4.1.3 前置放大器 2.4.1.4 采樣保持器 小結 本節(jié)主要內容概述 模擬量輸入通道的任務是把被控對象的過程參數如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號轉換成計算機可以接收的數字量信號。 結構組成如圖所示，來自于工業(yè)現場傳感器或變送器的多個模擬量信號首先需要進行信號調理，然后經多路模擬開關，分時切換到后級進行前置放大、采樣保持和模/數轉換，通過接口電路以數字量信號進入主機系統，從而完成對過程參數的巡回檢測任務。 顯然，該通道的核心是模/數轉換器即A/D轉換器，通常把模擬量輸入通道稱為A/D通道或AI通道。2.4.1.1 信號調理電路 在控制系統

8、中，對被控量的檢測往往采用各種類型的測量變送器，當它們的輸出信號為0 - 10 mA或4 -20 mA的電流信號時，一般是采用電阻分壓法把現場傳送來的電流信號轉換為電壓信號，以下是兩種變換電路。 1. 無源I/V變換 2. 有源I/V變換 1.無源I/V變換 無源I/V變換電路是利用無源器件電阻來實現，加上RC濾波和二極管限幅等保護，如圖（a）所示，其中R2為精密電阻。對于0- 10 mA輸入信號，可取R1=100，R2=500，這樣當輸入電流在0 -10 mA量程變化時，輸出的電壓就為0 -5 V范圍；而對于4 -20 mA輸入信號，可取R1=100，R2=250，這樣當輸入電流為4 -20

9、 mA時，輸出的電壓為1 - 5 V。 電流/電壓變換電路 2. 有源I/V變換 有源I/V變換是利用有源器件運算放大器和電阻電容組成，如圖（b）所示。利用同相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標準輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數為 若取R1=200，R3=100k，R4=150k，則輸入電流 I 的0 10 mA就對應電壓輸出V的0 5 V；若取R1=200，R3=100k，R4=25k，則4 20 mA的輸入電流對應于1 5 V的電壓輸出。 集成I/V變換器RCV420RCV420高精度的電流環(huán)接收器，可以將4-20mA的電流輸出信號轉換為0-5V的電壓信號。同學們自己上網查閱RCV4

10、20的使用手冊，學習如何使用該芯片實現I/V變換。2.4.1.2 多路模擬開關主要知識點 引言1 結構原理2 擴展電路引言 由于計算機的工作速度遠遠快于被測參數的變化，因此一臺計算機系統可供幾十個檢測回路使用，但計算機在某一時刻只能接收一個回路的信號。所以，必須通過多路模擬開關實現多選1的操作，將多路輸入信號依次地切換到后級。 目前，計算機控制系統使用的多路開關種類很多，并具有不同的功能和用途。如集成電路芯片CD4051(雙向、單端、8路)、CD4052(單向、雙端、4路)、AD7506(單向、單端、16路)等。所謂雙向，就是該芯片既可以實現多到一的切換，也可以完成一到多的切換；而單向則只能完

11、成多到一的切換。雙端是指芯片內的一對開關同時動作，從而完成差動輸入信號的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。1 結構原理 現以常用的CD4051為例，8路模擬開關的結構原理如圖所示。CD4051由電平轉換、譯碼驅動及開關電路三部分組成。當禁止端為“1”時，前后級通道斷開，即S0S7端與Sm端不可能接通；當為“0”時，則通道可以被接通，通過改變控制輸入端C、B、A的數值，就可選通8個通道S0S7中的一路。比如：當C、B、A=000時，通道S0選通；當C、B、A=001時，通道S通；當C、B、A = 111時，通道S7選通。其真值表如表所示。圖 CD4051結構原理圖 鏈接動畫2 擴展電路 當采樣通道

12、多至16路時，可直接選用16路模擬開關的芯片，也可以將2個8路4051并聯起來，組成1個單端的16路開關。 例題3-1 試用兩個CD4051擴展成一個116路的模擬開關。 例題分析：下圖給出了兩個CD4051擴展為116路模擬開關的電路。數據總線D3D0作為通道選擇信號，D3用來控制兩個多路開關的禁止端。當D3=0時，選中上面的多路開關，此時當D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S0S7通道；當D3=1時，經反相器變成低電平，選中下面的多路開關，此時當D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S8S15通道。如此，組成一個16路的模擬開關。圖 多路模擬開關的擴展電路鏈接動畫2.4

13、.1.3 前置放大器主要知識點 引言1 測量放大器 2 可變增益放大器 引言 前置放大器的任務是將模擬輸入小信號放大到A/D轉換的量程范圍之內，如0-5VDC; 對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進行單端同相放大或單端反相放大。如圖所示，信號源的一端若接放大器的正端為同相放大，同相放大電路的放大倍數G =1+R2/R1； 若信號源的一端接放大器的負端為反相放大，反相放大電路的放大倍數G =R2/R1。當然，這兩種電路都是單端放大，所以信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地。放大電路圖鏈接動畫1 測量放大器 在實際工程中,來自生產現場的傳感器信號往往帶有較大的共模干擾， 而單個運放電路的差

14、動輸入端難以起到很好的抑制作用。 因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一組運放構成的測量放大器，也稱儀表放大器，如圖所示。 經典的測量放大器是由三個運放組成的對稱結構，測量放大器的差動輸入端VIN和VIN分別是兩個運放A1、A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對稱地直接與被測信號相連，因而有著極強的抑制共模干擾能力。-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負載(外接)外接地TUOV(外接)(a) 經典的前置放大器前置放大器圖鏈接動畫 圖中RG是外接電阻，專用來調整放大器增益的。因此，放大器的增益G與這個外接電阻RG有著密切的關系。增益公式為 目前這種測量放大器的集成電

15、路芯片有多種，如AD521/522、INA102等。2 可變增益放大器 在A/D轉換通道中，多路被測信號常常共用一個測量放大器，而各路的輸入信號大小往往不同，但都要放大到A/D轉換器的同一量程范圍。因此，對應于各路不同大小的輸入信號，測量放大器的增益也應不同。具有這種性能的放大器稱為可變增益放大器或可編程放大器，如圖所示。 3A2A-NIN負載(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+可變增益前置放大器 鏈接動畫 把前置放大器中的外接電阻RG換成一組精密的電阻網絡，每個電阻支

16、路上有一個開關，通過支路開關依次通斷就可改變放大器的增益，根據開關支路上的電阻值與增益公式，就可算得支路開關自上而下閉合時的放大器增益分別為2、4、8、16、32、64、128、256倍。顯然，這一組開關如果用多路模擬開關(類似CD4051)就可方便地進行增益可變的計算機數字程序控制。此類集成電路芯片有AD612/614等。2.4.1.4 采樣保持器 當某一通道進行A/D轉換時，由于A/D 轉換需要一定的時間，如果輸入信號變化較快，就會引起較大的轉換誤差。為了保證A/D轉換的精度，需要應用采樣保持器。 1 數據采樣定理 2 采樣保持器 1 數據采樣定理離散系統或采樣數據系統-把連續(xù)變化的量變成

17、離 散量后再進行處理的計算機控制系統。離散系統的采樣形式-有周期采樣、多階采樣和隨機采樣。應用最多的是周期采樣。周期采樣-就是以相同的時間間隔進行采樣，即把一個連續(xù)變化的模擬信號y(t)，按一定的時間間隔T 轉變?yōu)樵谒矔r0，T，2T，的一連串脈沖序列信號 y*(t)，如圖所示。采樣器的常用術語：采樣器或采樣開關-執(zhí)行采樣動作的裝置，采樣時間或采樣寬度-采樣開關每次閉合的時間采樣周期T-采樣開關每次通斷的時間間隔 在實際系統中，T ，也就是說，可以近似地認為采樣信號y*(t)是y(t)在采樣開關閉合時的瞬時值。圖 信號的采樣過程 鏈接動畫 由經驗可知，采樣頻率越高，采樣信號 y*(t)越接近原信

18、號y(t)，但若采樣頻率過高，在實時控制系統中將會把許多寶貴的時間用在采樣上，從而失去了實時控制的機會。為了使采樣信號y*(t)既不失真，又不會因頻率太高而浪費時間，我們可依據香農采樣定理。香農定理指出：為了使采樣信號y*(t)能完全復現原信號y(t)，采樣頻率f 至少要為原信號最高有效頻率fmax的2倍，即f 2fmax。 采樣定理給出了y*(t)唯一地復現y(t)所必需的最低采樣頻率。實際應用中，常取f （510）fmax。2采樣保持器 1、 零階采樣保持器-零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時間內，一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻。它的組成原理電路與工作波性如圖 (a)、(b)所示。

19、采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器A1、A2和采樣開關S、保持電容CH等組成。采樣期間，開關S閉合，輸入電壓VIN通過A1對CH快速充電，輸出電壓VOUT跟隨VIN變化；保持期間，開關S斷開，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下電容CH將保持電壓VC不變，因而輸出電壓VOUT=VC也保持恒定。 采樣保持器圖鏈接動畫 顯然，保持電容C H的作用十分重要。實際上保持期間的電容保持電壓VC在緩慢下降，這是由于保持電容的漏電流所致。保持電壓VC的變化率為 式中：ID-為保持期間電容的總泄漏電流，它包括放大器的輸入電流、開關截止時的漏電流與電容內部的漏電流等。電容CH值-增大電容CH值可以減小電壓變化率，但同

20、時又會增加充電即采樣時間，因此保持電容的容量大小與采樣精度成正比而與采樣頻率成反比。一般情況下，保持電容CH是外接的，所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高質量的電容器，容量為5101000pF。2、零階集成采樣保持器-常用的零階集成采樣保持器有AD582、LF198/298/398等，其內部結構和引腳如圖所示。這里，用TTL邏輯電平控制采樣和保持狀態(tài)，如AD582的采樣電平為“0”，保持電平為“1”，而LF198的則相反。 在A/D通道中，采樣保持器的采樣和保持電平應與后級的A/D轉換相配合，該電平信號既可以由其它控制電路產生，也可以由A/D轉換器直接提供。 總之，保持器在采樣期間，不啟動A/D

21、轉換器，而一旦進入保持期間，則立即啟動A/D轉換器，從而保證A/D 轉換時的模擬輸入電壓恒定，以確保A/D轉換精度。2.4.2 模擬量輸出通道本節(jié)主要內容 2.4.2.1 模擬量輸出通道的組成 2.4.2.2 輸出方式模擬量輸出通道的任務-把計算機處理后的數字量信號轉換成模擬量電壓或電流信號，去驅動相應的執(zhí)行器，從而達到控制的目的; 模擬量輸出通道(稱為D/A通道或AO通道)構成-一般是由接口電路、數/模轉換器(簡稱D/A或DAC)和電壓/電流變換器等;模擬量輸出通道基本構成-多D/A結構（圖(a)）和共享D/A結構（圖(b)） 2.4.2.1模擬量輸出通道的組成 圖接口電路通道1通道nD/A

22、D/AV/IV/I(a) 多D/A結構PC總線特點：1、一路輸出通道使用一個D/A轉換器 2、 D/A轉換器芯片內部一般都帶有數據鎖存器 3、 D/A轉換器具有數字信號轉換模擬信號、信號保持作用 4、 結構簡單，轉換速度快，工作可靠，精度較高、通道獨立 5、 缺點是所需D/A轉換器芯片較多接口電路通道1通道nD/AV/IV/I多路開關采樣保持器采樣保持器（b）共享D/A結構PC總線圖特點：1、多路輸出通道共用一個D/A轉換器 2、每一路通道都配有一個采樣保持放大器 3、 D/A轉換器只起數字到模擬信號的轉換作用 4、采樣保持器實現模擬信號保持功能 5、節(jié)省D/A轉換器，但電路復雜，精度差，可靠

23、低、占用主機時間 2.4.2.2 輸出方式 1 電壓輸出方式2 電流輸出方式3 自動/手動輸出方式 多數D/A轉換芯片輸出的是弱電流信號，要驅動后面的自動化裝置，需在電流輸出端外接運算放大器。根據不同控制系統自動化裝置需求的不同，輸出方式可以分為電壓輸出、電流輸出以及自動/手動切換輸出等多種方式。1 電壓輸出方式 由于系統要求不同，電壓輸出方式又可分為單極性輸出和雙極性輸出兩種形式。下面以8位的DAC0832芯片為例作一說明。 1DAC單極性輸出 式中：VREF/256是常數 顯然，VOUT和 B 成正比關系，輸入數字量 B 為 00H 時，VOUT也為 0 ；輸入數字量 B 為FFH即255

24、時，VOUT 為與 VREF 極性相反的最大值。 DAC單極性輸出方式如圖 所示，由式(3-1)可得輸出電壓VOUT的單極性輸出表達式為：2DAC雙極性輸出方式 DAC雙極性輸出方式如圖 所示。A1 和 A2 為運算放大器，A點為虛地，故可得： 解上述方程可得雙極性輸出表達式： 圖中運放 A2 的作用是將運放 A1 的單向輸出變?yōu)殡p向輸出。當輸入數字量小于 80 H即128時，輸出模擬電壓為負；當輸入數字量大于 80 H即128時，輸出模擬電壓為正。其它n位D/A轉換器的輸出電路與DAC0832 相同，計算表達式中只要把 28-1改為2n-1即可。 或2 電流輸出方式 因為電流信號易于遠距離傳

25、送，且不易受干擾，特別是在過程控制系統中，自動化儀表只接收電流信號，所以在微機控制輸出通道中常以電流信號來傳送信息，這就需要將電壓信號再轉換成電流信號，完成電流輸出方式的電路稱為V/I變換電路。電流輸出方式一般有兩種形式： 1普通運放V/I變換電路 2集成轉換器V/I變換電路 1普通運放V/I變換電路 （1）0 10 mA的輸出 +-Vin010VAT1T2I0Vf+VsR1R2R3R4R5R6RfRL圖 0 10 V/ 010 mA的變換電路 010 V/010 mA的變換電路，由運放A和三極管T1、T2組成，R1 和 R2是輸入電阻，Rf 是反饋電阻，RL是負載的等效電阻。輸入電壓Vin

26、經輸入電阻進入運算放大器A，放大后進入三極管T1、T2。由于T2射極接有反饋電阻R f，得到反饋電壓Vf加至輸入端，形成運放A的差動輸入信號。該變換電路由于具有較強的電流反饋，所以有較好的恒流性能。 輸入電壓 Vin 和輸出電流 Io 之間關系如下： 若 R3、R4Rf、RL，可以認為 Io 全部流經 Rf，由此可得: V VinR4/（R1R4）IoRLR1 /（R1R4） V Io（RfRL）R2 /（R2R3） 對于運放，有V V，則 VinR4/（R1R4）IoRLR1 /（R1R4）= Io（RfRL）R2 /（R2R3） 若取R1 = R2 ，R3 = R4，則由上式整理可得 Io

27、 = VinR3 /（R1Rf ） 可以看出，輸出電流 Io 和輸人電壓 Vin 呈線性對應的單值函數關系。 R3 /（R1Rf）為一常教，與其他參數無關。 若取Vin 010 V，R1 = R2 = 100 k，R3 = R4 =20 k，Rf 200 ，則輸出電流Io = 0 10 mA。（2） 4 20 mA的輸出1 5 V/ 4 20 mA的變換電路中兩個運放A1、A2均接成射極輸出形式。+-A1+-A2T2T1T3Vin15VR1R2RfRLR3CIfI2I0I1V1V2+Vs圖15V/420mA的變換電路V3 在穩(wěn)定工作時 Vin V1; 所以 I1 = V1 /R1 = Vin

28、/R1 又因為 I1 I2 所以 Vin /R1 = I2 =（VS - V2 ）/ R2 即 V2 =VS - VinR2/ R1在穩(wěn)定狀態(tài)下，V2 V3，If Io， 故 Io If =（VS - V3 ）/ Rf = （VS - V2 ）/ Rf 將上式代入得 Io = （VS - VS + VinR2/ R1）/ Rf = VinR2/（R1Rf） 其中 R1 、R2 、Rf 均為精密電阻，所以輸出電流 Io 線性比例于輸入電壓Vin，且與負載無關，接近于恒流。 若R1 =5 k，R2 =2 k，R3 =100 ，當 Vin =15 V 時輸出電流Io = 420 mA。2集成轉換器V

29、/I變換電路集成V/I轉換器ZF2B20采用單正電源供電，電源電壓范圍為1032V，ZF2B20的輸入電阻為10K，動態(tài)響應時間小于25S，非線性小于土 0.025。 通過ZF2B20可以產生一個與輸入電壓成比例的輸出電流，其輸入電壓范圍是010V，輸出電流是420mA。它的特點是低漂移，在工作溫度為-2585范圍內，最大溫漂為0.005/。利用 ZF2B20實現V/I轉換的電路非常簡單。 3 自動/手動輸出方式 如圖所示，是在普通運放V/I變換電路的基礎上，增加了自、手動切換開關K1、K2、K3和手動增減電路與輸出跟蹤電路。圖 帶自動/手動切換的V/I變換電路 1自動/手動狀態(tài)下的V/I變換

30、（1）當開關處于自動（A）狀態(tài)時，運放A2與A1接通，形成一個電壓比較型跟隨器。當Vf Vi時，電路能自動地使輸出電流增大或減小，最終使Vf =Vi，于是有 IL=Vi/（R9+W） 從上式可以看出，只要電阻R9、W穩(wěn)定性好，A1、A2具有較好的增益，該電路就有較高的線性精度。當R9+W500或250時，輸出電流IL就以 010mA或420mA的直流電流信號線性地對應Vi的05V或15V的直流電壓信號。 （2）當開關處于手動（H）狀態(tài)時，此時運放A2與A1斷開，成為一個保持型反相積分器。當按下“增”按鈕時，V2以一定的速率上升，從而使IL也以同樣的速率上升；當按下“減”按鈕時，V2以一定的速率

31、下降，IL也以同樣的速率下降。負載RL（一般為電動調節(jié)閥）上的電流IL的升降速率取決于R6、R7、C和電源電壓E的大小，而手動操作按鈕的時間長短決定輸出電流IL的大小。 2自動/手動雙向無擾動切換（1）自動到手動的切換：當開關K1、K2、K3都從自動（A）切換為手動（H）時，“增”、“減”兩按鈕處于斷開狀態(tài)，運放A2為一高輸入阻抗保持器，則A2的輸出V2幾乎保持不變，從而維持輸出電流IL恒定。（2）手動到自動的切換：在每個控制周期，計算機首先由數字量輸入通道（DI）讀入開關K2的狀態(tài)，以判斷輸出電路是處于手動狀態(tài)或是自動狀態(tài)。若是自動狀態(tài)，則程序執(zhí)行本回路預先規(guī)定的控制運算，輸出Vi并通過V/

32、I變換輸出電流IL；若為手動狀態(tài)，則首先由A/D通道讀入Vf并轉換為數字信號，然后原封不動地將此數字信號送出，由D/A轉換為電壓信號送至輸出電路的輸入端Vi，這樣就使Vi始終與Vf相等。 1、光電耦合隔離器的結構原理及其隔離電路； 2、數字量輸入通道中幾種典型電路；3、數字量輸出通道幾種典型驅動電路；學習要點2.4.3 數字量輸入/輸出通道本節(jié)主要內容 2.4.3.1 光電耦合隔離技術 2.4.3.2 數字量輸入通道 2.4.3.3 數字量輸出通道 2.4.3.4 DI/DO模板 在微機控制系統中，除了要處理模擬量信號以外，還要處理另一類數字信號，包括開關信號、脈沖信號。它們是以二進制的邏輯“

33、1”和“0”或電平的高和低出現的。如開關觸點的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器或接觸器的吸合和釋放，馬達的啟動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關閉，儀器儀表的BCD碼，以及脈沖信號的計數和定時等等 。引言2.4.3.1 光電耦合隔離技術 主要知識點1 光電耦合隔離器 2 光電耦合隔離電路 1 光電耦合隔離器 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。它們的原理是相同的，即都是通過電光電這種信號轉換，利用光信號的傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。圖 光電耦合隔離器的幾種類型 現以最簡單的三極管型光電耦合隔離器為例來說明它的結構原理，如圖 4

34、-2 所示。 圖4-2 光電耦合隔離器的結構原理鏈接動畫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)三部分。利用光耦隔離器的開關特性（即光敏三極管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數字信號而隔離電磁干擾，簡稱對數字信號進行隔離。例如在數字量輸入輸出通道中，以及在模擬量輸入輸出通道中的A/D轉換器與CPU或CPU與D/A轉換器之間的數字信號的耦合傳送，都可用光耦的這種開關特性對數字信號進行隔離。例如在現場傳感器與A/D轉換器或D/A轉換器與現場執(zhí)行器之間的模擬信號的線性傳送，可用光耦的這種線性區(qū)對模擬信號進行隔離。 光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點。模擬信號隔離

35、方法的優(yōu)點是使用少量的光耦，成本低；缺點是調試困難，如果光耦挑選得不合適，會影響A/D或D/A轉換的精度和線性度。數字信號隔離方法的優(yōu)點是調試簡單，不影響系統的精度和線性度；缺點是使用較多的光耦器件，成本較高。但因光耦越來越價廉，數字信號隔離方法的優(yōu)勢凸現出來，因而在工程中使用的最多。 要注意的是，用于驅動發(fā)光管的電源與驅動光敏管的電源不應是共地的同一個電源，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，也可以抑制系統內外的噪聲干擾。因此，利用光耦隔離器可用來傳遞信號而有效地隔離電磁場的電干擾。 為了適應計算機控制系統的需求，目前已生產出各種集

36、成的多路光耦隔離器，如TLP系列就是常用的一種。 下面以控制系統中常用的數字信號的隔離方法為例說明光電耦合隔離電路。 數字量同相傳遞如圖（a）所示，光耦的輸入正端接正電源，輸入負端接到與數據總線相連的數據緩沖器上，光耦的集電極c端通過電阻接另一個正電源，發(fā)射極e端直接接地，光耦輸出端即從集電極c端引出。當數據線為低電平“0”時，發(fā)光管導通且發(fā)光，使得光敏管導通，輸出c端接地而獲得低電平“0”；當數據線為高電平“1”時，發(fā)光管截止不發(fā)光，則光敏管也截止使輸出c端從電源處獲得高電平“1”。如此，完成了數字信號的同相傳遞。2 光電耦合隔離電路 鏈接動畫 數字量反相傳遞如圖4-3（b）所示，與（a）不

37、同的是光耦的集電極 c 端直接接另一個正電源，而發(fā)射極 e 端通過電阻接地，則光耦輸出端從發(fā)射極 e 端引出。從而完成了數字信號的反相傳遞。2.4.3.2 數字量輸入通道主要知識點 引言1 開關輸入電路 2 脈沖計數電路 引言 數字量輸入通道（ DI 通道）的任務-是把生產過程中的數字信號轉換成計算機易于接受的形式。信號調理電路-雖然都是數字信號，不需進行A/D 轉換，但對通道中可能引入的各種干擾必須采取相應的技術措施，即在外部信號與單片機之間要設置輸入信號調理電路。 凡在電路中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點、開關，其端子引出均統稱為開關信號。在開關輸入電路中，主要是考慮信號調理技術，如電平轉

38、換，RC濾波，過電壓保護，反電壓保護，光電隔離等。（1）電平轉換是用電阻分壓法把現場的電流信號轉換為電壓信號。（2）RC濾波是用RC濾波器濾出高頻干擾。（3）過電壓保護是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護；用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬態(tài)尖峰電壓箝位在安全電平上。（4）反電壓保護是串聯一個二極管防止反極性電壓輸入。1 開關輸入電路 （5）光電隔離用光耦隔離器實現計算機與外部的完全電隔離。 典型的開關量輸入信號調理電路如圖4-4所示。點劃線右邊是由開關S與電源組成的外部電路，（a）是直流輸入電路，（b）是交流輸入電路。交流輸入電路比直流輸入電路多一個降壓電容和整流橋塊，可把高壓交流(如380VAC)變換為低

39、壓直流(如5VDC)。開關S的狀態(tài)經RC濾波、穩(wěn)壓管D1箝位保護、電阻R2限流、二極管D2防止反極性電壓輸入以及光耦隔離等措施處理后送至輸入緩沖器，主機通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關S的狀態(tài)。比如,當開關S閉合時，輸入回路有電流流過，光耦中的發(fā)光管發(fā)光，光敏管導通，數據線上為低電平，即輸入信號為“0”對應外電路開關S的閉合；反之，開關S斷開，光耦中的發(fā)光管無電流流過，光敏管截止，數據線上為高電平，即輸入信號為“1”對應外電路開關S的斷開。鏈接動畫2 脈沖計數電路 有些用于檢測流量、轉速的傳感器發(fā)出的是脈沖頻率信號，對于大量程可以設計一種定時計數輸入接口電路，即在一定的采樣時間內統計輸入的脈沖個數

40、，然后根據傳感器的比例系數可換算出所檢測的物理量。鏈接動畫 圖4-5為一種定時計數輸入接口電路，傳感器發(fā)出的脈沖頻率信號，經過簡單的信號調理，引到8254芯片的計數通道1的CLK1口。8254是具有3個16位計數器通道的可編程計數器/定時器。圖中，計數通道0工作于模式3，CLK0用于接收系統時鐘脈沖，OUT0輸出一個周期為系統時鐘脈沖N倍（N為通道0的計數初值）的連續(xù)方波脈沖，其高、低電平時段是計數通道1的采樣時間和采樣間隔時間，分別記為TS、TW；計數通道1和2均選為工作模式2，且OUT1串接到CLK2，使兩者構成一個計數長度為232的脈沖計數器，以對TS內的輸入脈沖計數。如果獲得TS時間內

41、的輸入脈沖個數為n，則單位時間內的脈沖個數即脈沖頻率為n/TS，從而可換算出介質的流量或電機的轉速值。比如，發(fā)出脈沖頻率信號的是渦輪流量計或磁電式速度傳感器，它們的脈沖當量(即一個脈沖相當的流量或轉數)為K，則介質的流量或電機的轉數就為n/TSK。2.4.3.3 數字量輸出通道主要知識點 引言1 三極管驅動電路 2 繼電器驅動電路 3 晶閘管驅動電路 4 固態(tài)繼電器驅動電路 引言 數字量輸出通道簡稱 DO 通道，它的任務是把計算機輸出的微弱數字信號轉換成能對生產過程進行控制的數字驅動信號。根據現場負荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機、閥門等，可以選用不同的功率放大器件構成不同的開關量驅動

42、輸出通道。常用的有三極管輸出驅動電路、繼電器輸出驅動電路、晶閘管輸出驅動電路、固態(tài)繼電器輸出驅動電路等。 對于低壓情況下的小電流開關量，用功率三極管就可作開關驅動組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。1 三極管驅動電路(1) .普通三極管驅動電路 當驅動電流只有十幾 mA或幾十 mA時，只要采用一個普通的功率三極管就能構成驅動電路，如圖 4-6所示。鏈接動畫(2). 達林頓驅動電路 當驅動電流需要達到幾百毫安時，如驅動中功率繼電器、電磁開關等裝置，輸出電路必須采取多級放大或提高三極管增益的辦法。達林頓陣列驅動器是由多對兩個三極管組成的達林頓復合管構成，它具有高輸入阻抗、高增益、輸出功

43、率大及保護措施完善的特點，同時多對復合管也非常適用于計算機控制系統中的多路負荷。 圖4-7給出達林頓陣列驅動器MC1416的結構圖與每對復合管的內部結構，MC1416內含7對達林頓復合管，每個復合管的集電極電流可達500mA，截止時能承受100V電壓，其輸入輸出端均有箝位二極管，輸出箝位二極管D2抑制高電位上發(fā)生的正向過沖，D1、D3可抑制低電平上的負向過沖。 圖 4-8為達林頓陣列驅動中的一路驅動電路，當CPU數據線Di 輸出數字“0”即低電平時，經7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖?，使達林頓復合管導通，產生的幾百毫安集電極電流足以驅動負載線圈，而且利用復合管內的保護二極管構成了負荷線圈斷電時產生

44、的反向電動勢的泄流回路。鏈接動畫2 繼電器驅動電路 電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關量輸出是一種最常用的輸出方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設備。圖4-10 繼電器原理 繼電器驅動電路的設計要根據所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。 常用的繼電器有電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。由于繼電器線圈需要一定的電流才能動作，所以必須采取措施加以驅動。 繼電器的驅動電路 驅動電路的設計要根據所用繼電器線圈的吸合電壓和電

45、流而定，一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。 圖4-9為經光耦隔離器的繼電器輸出驅動電路，當CPU數據線Di輸出數字“1”即高電平時，經7406反相驅動器變?yōu)榈碗娖?，光耦隔離器的發(fā)光二極管導通且發(fā)光，使光敏三極管導通，繼電器線圈KA得電，動合觸點閉合，從而驅動大型負荷設備。 由于繼電器線圈是電感性負載，當電路突然關斷時，會出現較高的電感性浪涌電壓，為了保護驅動器件，應在繼電器線圈兩端并聯一個阻尼二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。 鏈接動畫3 晶閘管驅動電路 晶閘管又稱可控硅（SCR），是一種大功率的半導體器件，具有用小功率控制大功率、開關無觸點等特點，在交直流電機調速系統、

46、調功系統、隨動系統中應用廣泛。 晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖4-10所示，（a）為單向晶閘管，有陽極A、陰極K、控制極（門極）G三個極。當陽、陰極之間加正壓時，控制極與陰極兩端也施加正壓使控制極電流增大到觸發(fā)電流值時，晶閘管由截止轉為導通；只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小到維持電流以下，晶閘管才由導通變?yōu)榻刂?。單向晶閘管具有單向導電功能，在控制系統中多用于直流大電流場合，也可在交流系統中用于大功率整流回路。單向晶閘管雙向晶閘管圖4-10晶閘管的結構符號 雙向晶閘管也叫三端雙向可控硅，在結構上相當于兩個單向晶閘管的反向并聯，但共享一個控制極，結構如圖（b）所示。當兩個電極T1、

47、T2之間的電壓大于1.5V時，不論極性如何，便可利用控制極G觸發(fā)電流控制其導通。雙向晶閘管具有雙向導通功能，因此特別適用于交流大電流場合。鏈接動畫 晶閘管常用于高電壓大電流的負載，不適宜與CPU直接相連，在實際使用時要采用隔離措施。圖4-11為經光耦隔離的雙向晶閘管輸出驅動電路，當CPU數據線Di輸出數字“1”時，經7406反相變?yōu)榈碗娖?，光耦二極管導通，使光敏晶閘管導通，導通電流再觸發(fā)雙向晶閘管導通，從而驅動大型交流負荷設備RL。4 固態(tài)繼電器驅動電路 固態(tài)繼電器SSR (Solid State Relay)是一種新型的無觸點開關的電子繼電器，它利用電子技術實現了控制回路與負載回路之間的電隔離