開關(guān)量輸入通道

1、開關(guān)量輸入通道第1頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三 為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程或裝置的控制，需要將對(duì)象的各種測(cè)量參數(shù)按要求的方式送入計(jì)算機(jī)； 經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理后的數(shù)字信號(hào)也要變換成適合于對(duì)生產(chǎn)過程或裝置進(jìn)行控制的形式。 因此，在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間必須設(shè)置信息傳遞和變換的裝置，這種裝置就稱為過程輸入輸出通道，簡稱為過程通道或IO通道。 第2頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三一般來說，計(jì)算機(jī)不會(huì)自主地工作，需要接收操作人員鍵入的指令，其運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)果也需要顯示或打印，在現(xiàn)代大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)中還應(yīng)有通信和數(shù)據(jù)存盤功能，所有這些都是由人與計(jì)算機(jī)之間的連接裝置

2、來完成的，我們稱這種裝置為人機(jī)接口。 有了過程通道與人機(jī)接口，才能將人、計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程組成有機(jī)的整體，如圖2-1所示。 第3頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三圖2-1 過程通道與人機(jī)接口 第4頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三過程通道與人機(jī)接口是每個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中都必須具有的重要組成部分，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，許多精力都花費(fèi)在過程通道和人機(jī)接口的設(shè)計(jì)或選擇上。許多控制計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家都設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了各種各樣的IO模塊供選用。 第5頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三2.1 過程通道的分類 過程通道包括模擬量輸入通道、模擬量輸出

3、通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。 (1) 模擬量輸入通道：主要功能是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬輸入信號(hào)經(jīng)檢測(cè)、變換和預(yù)處理，最終變換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。常見的模擬量有壓力、溫度、液體流量和成分等。 (2) 模擬量輸出通道：它將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電壓或電流信號(hào)，經(jīng)功率放大后送到執(zhí)行部件對(duì)生產(chǎn)過程或裝置進(jìn)行控制。 第6頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三(3) 數(shù)字量輸入通道：也稱開關(guān)量輸入通道。 凡是以電平高低和開關(guān)通斷等兩位狀態(tài)表示的信號(hào)統(tǒng)稱為數(shù)字量或開關(guān)量。 主要有三種形式：一種是以若干位二進(jìn)制數(shù)表示的數(shù)字量，它們并行輸入到計(jì)算機(jī)，如撥碼盤開關(guān)輸出的BC

4、D碼等； 另一種是僅以一位二進(jìn)制數(shù)表示的開關(guān)量，如啟停信號(hào)和限位信號(hào)等；還有一種是頻率信號(hào)，它是以串行形式進(jìn)入計(jì)算機(jī)的， 如來自轉(zhuǎn)速表，渦輪流量計(jì)、感應(yīng)同步器等信號(hào)。這些信號(hào)都要通過數(shù)字量輸入通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)。 第7頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三(4) 數(shù)字量輸出通道：有的執(zhí)行部件只要求提供數(shù)字量， 例如步進(jìn)電機(jī)，控制電機(jī)啟停和報(bào)警信號(hào)等，這時(shí)應(yīng)采用數(shù)字量輸出通道。 應(yīng)該注意，過程通道分類是以經(jīng)過通道的信號(hào)形式來劃分的，并不以連續(xù)的對(duì)象來劃分， 如模擬對(duì)象的模擬量可以轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)(VF變換)連接于數(shù)字輸入通道；同樣， 數(shù)字輸出通道完全可以接直流電動(dòng)機(jī)，組成脈沖調(diào)寬控制

5、(PWM)。 第8頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三2.2 開關(guān)量輸入輸出通道 221 開關(guān)量輸入輸出通道的一般結(jié)構(gòu)形式開關(guān)量輸入輸出通道一般由三部分組成： CPU接口邏輯、 輸入緩沖器和輸出鎖存器、輸入輸出電氣接口(亦即開關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理和輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路)。 一般情況下，各種開關(guān)量輸入輸出通道的前兩部分往往大同小異，所不同的主要在于輸入輸出(IO)電氣接口。典型的開關(guān)量輸入輸出通道結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。 第9頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三圖2-2 典型的開關(guān)量輸入輸出通道結(jié)構(gòu)圖 第10頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三1

6、CPU接口邏輯 這部分電路一般由數(shù)據(jù)總線緩沖器驅(qū)動(dòng)器、 輸入輸出口地址譯碼器、讀寫等控制信號(hào)組成。 第11頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三2 輸入緩沖器和輸出鎖存器 輸入緩沖器是對(duì)外部輸入的信號(hào)起緩沖、加強(qiáng)以及選通的作用，CPU通過讀緩沖器讀入數(shù)據(jù)。輸出鎖存器的作用是鎖存CPU送來的輸出數(shù)據(jù)，供外部設(shè)備使用。 輸入緩沖器和輸出鎖存器可以使用各種可編程的外圍接口電路，如8255、8155等，也可以使用簡單的中小規(guī)模集成電路，如74LS240、74LS244、74LS245、 74LS273、 74LS377等。 第12頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期

7、三3 輸入輸出電氣接口典型的開關(guān)量輸入輸出電氣接口的功能主要是濾波、 電平轉(zhuǎn)換、 隔離和功率驅(qū)動(dòng)等， 關(guān)于這些內(nèi)容， 將在后面詳細(xì)介紹。 第13頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三222 開關(guān)量輸入信號(hào)的調(diào)理 開關(guān)量輸入通道的基本功能就是接收外部的狀態(tài)信號(hào)， 這些狀態(tài)信號(hào)是以邏輯“1”或邏輯“0”出現(xiàn)的，其信號(hào)的形式可能是電壓、電流或開關(guān)的觸點(diǎn)。在有些情況下，外部輸入的信號(hào)可能會(huì)引起瞬時(shí)的高電壓、過電壓、接觸抖動(dòng)以及噪聲等干擾。 為了將外部的開關(guān)量信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)， 必須將現(xiàn)場(chǎng)輸入的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的邏輯信號(hào)，這就是開關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理

8、的任務(wù)。 下面針對(duì)不同的情況分別介紹相應(yīng)的調(diào)理方法。 第14頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三 1 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 (1) 電壓或電流轉(zhuǎn)換電路如圖2-3(a)所示， 可根據(jù)電壓或電流的大小選擇電阻R1和R2。 (2) 開關(guān)觸點(diǎn)型信號(hào)輸入電路如圖2-3(b)所示, 這種電路使得開關(guān)的通和斷變成輸出電平的高和低。 第15頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三圖2-3 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(a) 電壓或電流輸入； (b) 開關(guān)觸點(diǎn)輸入 第16頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三圖2-4 RC低通濾波電路 第17頁，共25頁，2022年，5月20日，9

9、點(diǎn)13分，星期三2濾波電路由于長線傳輸、電路、空間等干擾的原因，輸入信號(hào)常常夾雜著各種干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)有時(shí)可能使讀入信號(hào)出錯(cuò)， 這就需要用濾波電路來消除干擾。 圖2-4是一個(gè)RC低通濾波電路。 這種電路的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間會(huì)有一個(gè)延遲，可根據(jù)需要來調(diào)整RC網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)。 第18頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三3保護(hù)電路 為了防止因過電壓、瞬態(tài)尖峰或反極性信號(hào)損壞接口電路， 在開關(guān)量輸入電路中，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。圖2-5和圖2-6分別是幾種常用的保護(hù)電路, 其中，圖25(a)和圖2-5(b)分別是采用齊納二極管和壓敏電阻將瞬態(tài)尖峰干擾箝位在安全電位的保護(hù)電

10、路。 圖2-6(a)和(b)分別是反極性保護(hù)和高壓保護(hù)電路。 第19頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三圖2-5 瞬態(tài)尖峰保護(hù)電路(a) 采用齊納二極管； (b) 采用壓敏電阻 第20頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三圖2-6 反極性和高壓保護(hù)(a) 反極性保護(hù)； (b) 高壓保護(hù) 第21頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三4 消除觸點(diǎn)抖動(dòng) 若開關(guān)量輸入信號(hào)來自機(jī)械開關(guān)或繼電器觸點(diǎn)，由于開關(guān)觸點(diǎn)閉合及斷開時(shí)，常常會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，因此，輸入信號(hào)的前沿及后沿常常是非清晰信號(hào)，如圖2-7所示。 第22頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三圖2-7 開關(guān)或觸點(diǎn)閉合及斷開時(shí)的抖動(dòng) 第23頁，共25頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)13分，星期三解決開關(guān)或觸點(diǎn)的抖動(dòng)問題可采用圖2-8所示的雙向消抖電路。雙向消抖電路是由兩個(gè)與非門組成RS觸發(fā)器， 把開關(guān)信號(hào)輸入到RS觸發(fā)器的一個(gè)輸入端A，