機(jī)電一體化第4章控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(jì)(4.11輸入／輸出控制的可靠性設(shè)計(jì))

第四章微機(jī)控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(jì)第七節(jié)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)輸入／輸出控制的可靠性設(shè)計(jì)第七節(jié)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)輸入／輸出控制的可靠性設(shè)計(jì)光電隔離電路設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

微機(jī)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(duì)其硬件電路的要求是：①能夠可靠地傳遞控制信息，井能夠輸入有關(guān)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息；②能夠進(jìn)行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足微機(jī)對(duì)輸入／輸出信息的轉(zhuǎn)換要求，如D／A、A／D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、電量與非電量之間的轉(zhuǎn)換h弱電與強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換以及功率的匹配等，③應(yīng)具有較強(qiáng)的阻斷干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)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)、光電隔離技術(shù)、屏蔽技術(shù)等。一、光電隔離電路設(shè)計(jì)

光電隔離電路的作用主要有以下幾個(gè)方面：①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，又由于光電韶合5S輸入與輸出端之間絕緣電阻非常大(一般為1011一1013á)，寄生電容很小(一般為0．5—2pF)，因此，干擾信號(hào)很難從輸出端反饋到輸入端，從而起到隔離作用。②可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如圖4—57(a)所示電路，通過光電耦合器可以很方便地把微機(jī)的輸出信號(hào)變?yōu)閘2v。③提高驅(qū)動(dòng)能力。隔離驅(qū)動(dòng)用光電耦合器件如達(dá)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，而且還具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。微機(jī)輸出信號(hào)通過這種光電耦合器件后，就能宜接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

光電耦合隔離器按其輸出級(jí)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(hào)轉(zhuǎn)換，利用光信號(hào)的傳送不受電磁場(chǎng)的干擾而完成隔離功能的。

現(xiàn)以最簡(jiǎn)單的三極管型光電耦合隔離器為例來(lái)說明它的結(jié)構(gòu)原理，如圖所示。

光電隔離時(shí)域檢測(cè)電路時(shí)域響應(yīng)特性

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(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(hào)而隔離電磁干擾，簡(jiǎn)稱對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。

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A/D轉(zhuǎn)換器與CPU或CPU與D/A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號(hào)的耦合傳送，都可用光耦的這種開關(guān)特性對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。

例如在現(xiàn)場(chǎng)傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器之間的模擬信號(hào)的線性傳送，可用光耦的這種線性區(qū)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離。

光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。模擬信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是使用少量的光耦，成本低；缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy，如果光耦挑選得不合適，會(huì)影響A/D或D/A轉(zhuǎn)換的精度和線性度。數(shù)字信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡(jiǎn)單，不影響系統(tǒng)的精度和線性度；缺點(diǎn)是使用較多的光耦器件，成本較高。但因光耦越來(lái)越價(jià)廉，數(shù)字信號(hào)隔離方法的優(yōu)勢(shì)凸現(xiàn)出來(lái)，因而在工程中使用的最多。

要注意的是，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光管的電源與驅(qū)動(dòng)光敏管的電源不應(yīng)是共地的同一個(gè)電源，必須分開單獨(dú)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(dòng)態(tài)電阻很小，也可以抑制系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾。因此，利用光耦隔離器可用來(lái)傳遞信號(hào)而有效地隔離電磁場(chǎng)的電干擾。

為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)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TLP系列就是常用的一種。光電耦合隔離電路應(yīng)用

采用光電耦合器可以將微機(jī)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，從而有效地防止干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)。

請(qǐng)同學(xué)們注意：

在微機(jī)控制系統(tǒng)中，由于可采用的高功能集成元件端口（輸入/輸出接口）的性質(zhì)常有所不同，因而所采用或設(shè)計(jì)的光電隔離電路也有所不同。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況而定。

1）8031芯片匹配的輸入輸出光電隔離接口電路

特點(diǎn)：P3口作為準(zhǔn)雙向接口，當(dāng)P3輸入口被拉成低電平時(shí)，可直接由TTL或MOS電路驅(qū)動(dòng)；當(dāng)外部信號(hào)為低電平時(shí)，P3可被拉成高電平直接與光電耦合器連接。

2）8031、8215、8255芯片匹配光電隔離接口電路

特點(diǎn)：當(dāng)接口作為輸入口時(shí)，端口為高阻抗輸入，與8031的P1接口與光電耦合器的輸入連接相同；當(dāng)P1和P3作為輸出接口（準(zhǔn)雙向接口）時(shí)，高電平輸出時(shí)對(duì)外泄漏的電流很?。泓c(diǎn)幾mA）；低電平輸出時(shí)對(duì)外泄漏的電流很大，P1和P3作為輸出接口。3）8155、8255芯片匹配光電隔離接口電路

特點(diǎn)：由于8155、8255輸出口可釋放和吸收的電流較大，故可直接用高點(diǎn)平推動(dòng)晶體管驅(qū)動(dòng)光電二極管。在8155、8255上電復(fù)位（高阻抗?fàn)顟B(tài)）時(shí)，不使開機(jī)輸出額外的信息，將晶體管硬拉成低電平。4）輸出較大電流驅(qū)動(dòng)的光電隔離接口輸出電路

特點(diǎn)：采用達(dá)林頓型驅(qū)動(dòng)電路，可輸出更大的電流驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。5）提高普通光電耦合器光耦合速度的光電隔離接口輸出（響應(yīng)）電路

特點(diǎn)：可進(jìn)一步提高普通光電耦合器光耦合速度。6）V/F轉(zhuǎn)換器（LM331）頻率輸出光電隔離接口輸出電路

特點(diǎn)：可提高在惡劣環(huán)境中前向型通道和電源的抗干擾能力。二、信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)(1)弱點(diǎn)/強(qiáng)電轉(zhuǎn)換電路微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的微機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)一般要經(jīng)過功率放大后，才能驅(qū)動(dòng)備類執(zhí)行元件。（2