第三章開關(guān)量輸入輸出通道1

第三章智能儀表的I/O接口3.1概述3.2開關(guān)量輸入3.3開關(guān)量輸出3.4模擬量輸入3.5模擬量輸出3.1概述

3.1.1I/O接口的作用和分類智能儀表的輸入輸出接口是微處理器與外部世界聯(lián)系的通道。包括：開關(guān)量輸入輸出接口模擬量輸入輸出接口頻率量輸入輸出接口音頻、視頻信號(hào)輸入輸出接口等本課程只介紹開關(guān)量輸入輸出接口和模擬量輸入輸出接口。3.1.2I/O接口的基本功能1、速度匹配： 鎖存數(shù)據(jù)、傳送聯(lián)絡(luò)信號(hào)。2、信號(hào)調(diào)理： 信號(hào)類型、電平或正/負(fù)邏輯轉(zhuǎn)換。3、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：并-串轉(zhuǎn)換、A/D、D/A轉(zhuǎn)換。4、信號(hào)隔離：為防止外界高電壓干擾信號(hào)入侵MCU而采取的電氣隔離措施。5、驅(qū)動(dòng)放大：放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)多個(gè)邏輯部件或大功率執(zhí)行部件。3.1.3輸入/輸出的控制方式

一、無(wú)條件傳送方式MCUI/O外設(shè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送（接口電路十分簡(jiǎn)單）二、條件（查詢式）傳送方式

查詢狀態(tài)輸入/輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒？YN

先查詢I/O設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，若準(zhǔn)備就緒，則交換數(shù)據(jù)，否則循環(huán)查詢狀態(tài)。下圖為輸入端口的條件傳送示意圖。優(yōu)點(diǎn)：可協(xié)調(diào)外設(shè)和CPU的時(shí)間差別，接口電路較簡(jiǎn)單。DB單片機(jī)AB數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口外部設(shè)備I/O接口D0譯碼器R/W三、中斷控制方式MCUI/O接口外設(shè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)中斷申請(qǐng)INT1當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備就緒，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。CPU暫停當(dāng)前程序，執(zhí)行I/O操作。當(dāng)I/O操作結(jié)束，CPU仍繼續(xù)被中斷的工作。3.2開關(guān)量輸入3.2.1作用

開關(guān)量輸入（DI）用于采集“邏輯信號(hào)”。比如現(xiàn)場(chǎng)來的開關(guān)信號(hào)，繼電器閉合信號(hào)等。3.2.2無(wú)條件傳送式DI

DI信號(hào)經(jīng)過隔離保護(hù)、電平變換電路后直接送到MCU的某些I/O口線。MCU通過對(duì)端口的掃描來獲取輸入的狀態(tài)。89C51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7隔離保護(hù)、電平變換電路3.2.2無(wú)條件傳送式DI例：有6路開關(guān)量輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)輸入接口。解：用MCS-51P1口做輸入。

MOV A,P1 ；一次讀入全部口線

……MOV C,P1.0 ；一次讀入一條口線

……89C51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7隔離保護(hù)、電平變換電路3.2.3中斷控制式DI

DI信號(hào)經(jīng)過隔離保護(hù)、電平變換電路后送到MCU的某個(gè)I/O端口，外部設(shè)備通過一條信號(hào)線通知MCU外部信號(hào)已準(zhǔn)備好。89C51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7隔離保護(hù)、電平變換電路INT1外設(shè)3.2.3中斷控制式DI例：一個(gè)外部設(shè)備，有8路開關(guān)量輸入信號(hào)，一路聯(lián)絡(luò)信號(hào)。設(shè)計(jì)輸入接口。解：用MCS-51P1口做數(shù)據(jù)輸入，外部中斷1做信號(hào)聯(lián)絡(luò)輸入。如上圖。0013H：LJMP INT …INT: PUSH ACCPUSH PSWMOV A,P1 ；讀入… ；相應(yīng)的處理程序（略）POP PSWPOP ACCRETI3.2.4直接中斷式DI

DI信號(hào)經(jīng)過隔離保護(hù)、電平變換電路后送到MCU的某個(gè)I/O端口，同時(shí)通過一個(gè)或非門接在單片機(jī)的外部中斷輸入引腳上。任一路DI變高時(shí)引起中斷。MCU通過讀P1口判斷中斷是哪一路DI引起的。3.2.4直接中斷式DI0013H： LJMP INT …INT：PUSH ACCPUSH PSWJB P1.1，DI1 ；若P1.1為高，執(zhí)行程序DI1JB P1.2，DI2 ；若P1.2為高，執(zhí)行程序DI2JB P1.3，DI3 ；若P1.3為高，執(zhí)行程序DI3JB P1.4，DI4 ；若P1.4為高，執(zhí)行程序DI4BCK:POP PSWPOP ACCRETIDI1：…LJMPBCKDI2：…例：有DI1~DI4共4條輸入線，要求每個(gè)事件發(fā)生（對(duì)應(yīng)輸入線為高）時(shí)均能得到及時(shí)響應(yīng)

3.2.4直接中斷式DI中斷式適用于下列情況：偶然發(fā)生的事件要求緊急處理的事件中斷式適用于那些情況？3.2.5輸入端口的保護(hù)儀表I/O端口直接與外部信號(hào)連接，容易受到輸入信號(hào)線攜帶的高電壓噪聲的損害。所以，輸入端口應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。常用的保護(hù)措施有：電平匹配限幅（電壓）限流隔離一、電平匹配1常用IC和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)邏輯電平TTL：5V（±5~10%）CMOS：3~18V其它：24V，3.3V，3V，……2邏輯信號(hào)電平的匹配三極管電平轉(zhuǎn)換芯片如74LVXC4245V2V1二、限電壓保護(hù)右圖是一種限壓保護(hù)電路。該電路可將Vi’的信號(hào)電平控制在0-VD~VCC+VD之間。VD是二極管D1D2的管壓降。二極管D1D2應(yīng)選擇導(dǎo)通速度快的開關(guān)二極管。三、限電流保護(hù)右圖是一種限電流/限電壓保護(hù)電路。該電路可將輸入信號(hào)的電流限制一定范圍內(nèi)。Rs是PTC材料的自復(fù)保險(xiǎn)絲。正溫?zé)崦綦娮鑀TCR

（自復(fù)保險(xiǎn)絲）簡(jiǎn)介以微量稀土元素?fù)诫s而半導(dǎo)化的BaTiO3陶瓷在室溫至一定溫度范圍電阻很小，到一定溫度（相變溫度）后電阻急劇上升，電阻變化可達(dá)105以上，這一特性稱為正溫?zé)崦綦娮栊?yīng)，簡(jiǎn)稱PTC效應(yīng)，用該陶瓷制成的元件稱為PTCR熱敏電阻芯片。

PTC突變溫度可以從-30℃到400℃范圍調(diào)整，其應(yīng)用遍及溫度測(cè)量與控制，熱保護(hù)，熱補(bǔ)償，恒溫發(fā)熱，限流，過流保護(hù)，液面，氣流測(cè)量，電機(jī)啟動(dòng)，彩電彩顯消磁，延時(shí)控制，非線性振蕩等方面。四、隔離保護(hù)當(dāng)信號(hào)源和儀表之間距離較大時(shí)，兩地間地電位差會(huì)比較大，形成很大的共模電壓。所以應(yīng)在信號(hào)源和儀表之間采取隔離措施以保護(hù)儀表電路的安全。如圖，當(dāng)兩地之間的地電位相差ΔV時(shí)，信號(hào)源的12V電壓對(duì)于儀表來說就成為12V+ΔV了。而ΔV可能很大。四、隔離保護(hù)當(dāng)信號(hào)源和儀表之間距離較大時(shí)，兩地間地電位差會(huì)比較大，形成很大的共模電壓。所以應(yīng)在信號(hào)源和儀表之間采取隔離措施以保護(hù)儀表電路的安全。常用的隔離方式有：

光耦合：電氣信號(hào)鏈路中間的一部分用光信號(hào)傳遞。常用的器件是光電耦合器。磁耦合：電氣信號(hào)鏈路中間的一部分用磁信號(hào)傳遞。1光電耦合器光電耦合器（Optocoupler）由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管組成。其工作原理是：當(dāng)Vi為高電平時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管受光導(dǎo)通，Vo成低電平；反之，當(dāng)Vi為低電平時(shí)，Vo成高電平（反相邏輯）。光電耦合器具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)．無(wú)觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，因而在各種電子設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。2磁耦合器磁耦合器用磁信號(hào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電氣隔離。如ADuM1404是4通道磁耦合數(shù)字隔離器。這種新的4通道數(shù)字隔離器僅用一顆單芯片，不需要使用多個(gè)分立器件，與現(xiàn)在普遍使用的光電耦合器相比，其印制電路板（PCB）面積縮小60％，每通道成本降低40％，功耗降低98％。非常適合各種工業(yè)應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口以及其它多通道隔離應(yīng)用。磁耦合器的工作原理如下圖所示:3.3開關(guān)量輸出智能儀器儀表用于控制過程中，除了需要模擬輸出信號(hào)外，還需要開關(guān)量輸出信號(hào)。開關(guān)信號(hào)包括：指示燈的亮與滅繼電器或接觸器的吸合與釋放可控硅的通與斷閥門的打開與關(guān)閉等。一般情況下，輸出信號(hào)應(yīng)具備足夠的功率驅(qū)動(dòng)能力。

3.3.1開關(guān)量輸出通道的一般結(jié)構(gòu)3.3.2開關(guān)量輸出的隔離當(dāng)傳輸距離教遠(yuǎn)，或有潛在不安全因素時(shí)，需要隔離。隔離方法：

1光耦隔離： 優(yōu)點(diǎn)：壽命長(zhǎng)，速度快（與繼電器比）

2繼電器： 優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)能力大（安培級(jí)） 缺點(diǎn)：壽命短，速度慢3.3.3開關(guān)量輸出的驅(qū)動(dòng)、晶體管輸出、繼電器、固態(tài)繼電器一、晶體管輸出單個(gè)晶體管注意放大倍數(shù)達(dá)林頓管場(chǎng)效應(yīng)管二、繼電器3.4模擬量輸入3.4.0模擬輸入（AnalogInput）電路一般性原理框圖DBDBAB/RD/WRREADY模擬多路開關(guān)信號(hào)放大電路

譯碼器鎖存器變換、保護(hù)電路ADC

輸入啟動(dòng)邏輯MCUS/H本節(jié)介紹了模擬信號(hào)的采集技術(shù)。對(duì)于一個(gè)以單片機(jī)為核心的智能儀器系統(tǒng)來說，解決的是怎樣將各類模擬信號(hào)變換成微型計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和處理的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的問題。3.4.1I/V變換和限幅保護(hù)典型電路3.4.2模擬開關(guān)1工作原理3.4.3信號(hào)放大一、信號(hào)變換要求線性放大：Y=KX+B非線性放大：對(duì)數(shù)型開方型其它：如熱電偶信號(hào)電源電壓：決定輸出信號(hào)范圍,單雙極性輸入失調(diào)及其溫度漂移系數(shù)：決定電路精度輸入阻抗：輸入阻抗不夠高時(shí)要求信號(hào)源內(nèi)阻很低共模抑制比：共模抑制比低時(shí)不宜做差分出入和加減運(yùn)算帶寬等。二、放大器的主要參數(shù)普通放大器：適合一般用途，價(jià)格低帶自校準(zhǔn)功能的放大器：克服失調(diào)

儀用放大器：輸入阻抗高，共模抑制比高程控放大器：可以設(shè)置不同的放大倍數(shù)以適應(yīng)不同的信號(hào)電壓幅值隔離放大器：實(shí)現(xiàn)儀表和現(xiàn)場(chǎng)的電氣隔離，消除高共模電壓的危害特殊放大器：差分輸出；對(duì)數(shù)輸出…三、放大器種類的選擇2程控放大器單片集成程控放大器LH00843隔離放大器3.4.4采樣/保持器1作用：保持快速變化信號(hào)的指定時(shí)刻的大小2原理：3.4.5ADC1選擇時(shí)主要考慮的因素：MCU內(nèi)置，還是外置精度速度2常用ADC的種類：雙積分型 10-14位逐次比較型 8-12位∑??型 14-24位3.4.6模入電路設(shè)計(jì)總結(jié)盡量選用帶有所需模擬電路的單片機(jī)，以簡(jiǎn)化電路，提高產(chǎn)品可靠性，降低成本；如果可以，盡量用軟件功能代替硬件功能。比如非線性信號(hào)的線性化；模擬電路和數(shù)字電路盡可能分開，并把模擬地和數(shù)字地分開，選擇合適的地方一點(diǎn)接地。模入通道的精度是通道中各個(gè)環(huán)節(jié)共同決定的。選器件時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求合理分配誤差。3.5模擬量輸出3.5.1概述前面已經(jīng)介紹了模擬信號(hào)的采集技術(shù)。相反，將微型機(jī)處理后的數(shù)字信號(hào)，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，就必須考慮輸出信號(hào)的形式。實(shí)際的工程應(yīng)用中，根據(jù)不同的受控對(duì)象和具體要求，信號(hào)輸出可以有多種，如模擬量、開關(guān)量、數(shù)字量等。本節(jié)研究模擬量輸出。3.5.2模擬量輸出方式智能儀器輸出模擬量有兩種主要方式：數(shù)模轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)/直接給出模擬電壓PWM脈沖調(diào)寬，需接濾波器3.5.3D/A轉(zhuǎn)換器及其接口一、DAC的工作原理DAC的輸出：UO=-UR*D/(2N-1)二、并行DAC與MCU的接口三、信號(hào)隔離當(dāng)需要在儀表和執(zhí)行器之間進(jìn)行隔離時(shí)：可以采用模擬輸出端隔離和DAC