第5章開關量輸出、輸入

第5章

過程通道和數(shù)據采集系統(tǒng)之六概述模擬量輸入通道D/A與A/D轉換技術數(shù)據采集系統(tǒng)模擬量輸出通道過程通道的抗干擾措施小結2.數(shù)字量輸出通道

數(shù)字量輸出通道的任務是把計算機輸出的數(shù)字信號（或開關信號）傳送給開關器件（如繼電器或指示燈），控制它們的通、斷或亮、滅，簡稱DO通道。

圖7—4數(shù)字量輸出通道結構數(shù)字量輸出通道主要由輸出接口電路和輸出驅動電路等組成。DO接口電路5.3.2開關量輸出通道與CPU的接口1)對于單片機，由于本身帶有具備鎖存功能的I/O口，因此可以直接利用其I/O口作為輸出，而無需另加接口電路。

2)采用通用集成可編程輸入輸出接口芯片。

3)采用通用邏輯芯片。2.4數(shù)字量輸入輸出通道2．輸出信號驅動電路（1）低電壓開關量信號輸出技術對于低電壓情況下開關量控制輸出，可采用晶體管、OC門或運放等方式輸出，如驅動低壓電磁閥、指示燈、直流電機等，如圖2-80所示。圖2-80低壓開關量輸出光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應用。2.4數(shù)字量輸入輸出通道需注意的是，在使用OC門時，由于其為集電極開路輸出，在其輸出為“高”電平狀態(tài)時，實質只是一種高阻狀態(tài)，必須外接上拉電阻，此時的輸出驅動電流主要由Vc提供，只能直流驅動并且OC門的驅動電流一般不大，在幾十毫安量級。如果驅動設備所需驅動電流較大，則可采用三極管輸出方式，如圖2-81所示。圖2-81三極管輸出驅動2.4數(shù)字量輸入輸出通道（2）繼電器輸出接口技術一般在驅動大型設備時，往往利用繼電器作為控制系統(tǒng)輸出到輸出驅動級之間的第一級執(zhí)行機構，通過第一級繼電器輸出，可以完成從低壓直流到高壓交流的過渡。如圖2-82所示。圖2-82繼電器輸出電路2.4數(shù)字量輸入輸出通道繼電器輸出也可用于低壓場合，與晶體管等低壓輸出驅動器相比，繼電器輸出時輸入端與輸出端有一定的隔離功能。但由于采用電磁吸合方式，在開關瞬間，觸點容易產生火花從而引起干擾；對于交流高壓等場合使用，觸點也容易氧化；由于繼電器的驅動線圈有一定的電感，在關斷瞬間可能會產生較大的電壓，因此在對繼電器的驅動電路上常常反接一個保護二極管用于反向放電。(3)交流電磁式接觸器的功率接口繼電器中切換電路能力較強的電磁式繼電器稱為接觸器，接觸器的觸點數(shù)一般較多。圖5-12交流接觸器的接口電路交流電磁式接觸器由于線圈的工作電壓要求是交流電，所以通常使用雙向晶閘管驅動或使用一個直流繼電器作為中間繼電器控制。5.4開關量輸入通道5.4.1開關量輸入通道的結構形式

5.4.2開關量形式及變換

5.4.3整形與電平變換

5.4.4開關量輸入通道與CPU的接口5.4.1開關量輸入通道的結構形式數(shù)字量輸入通道主要包括：(1)信號變換器將過程的非電量開關量轉換為電壓或電流的雙值邏輯值。

(2)整形電路將混有毛刺之類干擾的輸入雙值邏輯信號或前后沿不合要求的輸入信號整形為接近理想狀態(tài)的方波或矩形波，而后再根據系統(tǒng)要求變換為相應形狀的脈沖信號。

(3)電平變換電路將輸入的雙值邏輯電平轉換為與CPU兼容的邏輯電平。

(4)總線緩沖區(qū)暫存數(shù)字量信息并實現(xiàn)與CPU數(shù)據總線的連接。

(5)接口邏輯電路協(xié)調通道的同步工作，向CPU傳遞狀態(tài)信息并控制開關量到CPU的輸入。圖5-13開關量輸入通道結構框圖(1)控制系統(tǒng)自帶電源方式圖5-14自帶電源的開關量變換電路

a)并聯(lián)方式b)串聯(lián)方式(2)外接電源方式它適合于開關安裝在離控制設備較遠位置的場合。圖5-15外接直流電源開關量變換電路(3)恒流源方式這種方式用于抗干擾能力要求高、傳輸距離較遠的場合。電流一般取0～10mA，即觸點閉合時輸出電流為10mA，觸點打開時輸出電流為0。(3)恒流源方式這種方式用于抗干擾能力要求高、傳輸距離較遠的場合。電流一般取0～10mA，即觸點閉合時輸出電流為10mA，觸點打開時輸出電流為0。2.無觸點開關量圖5-16無觸點開關變換電路

a)并聯(lián)方式b)串聯(lián)方式2.無觸點開關量圖5-17開關量取樣變換電路框圖3.非電量開關量(數(shù)字量)圖5-18非電量開關量變換電路結構圖5.4.3整形與電平變換1.波形整形

2.電平變換1.波形整形(1)觸點消抖在機械有觸點開關中，當觸點閉合或打開時將產生抖動，使得開關量在動作瞬間的狀態(tài)不穩(wěn)，若是工作在計數(shù)方式或作為中斷輸入，將導致系統(tǒng)工作不正常，因此采用觸點消抖是必要的。

(2)脈沖定寬在許多控制系統(tǒng)中，有時要求在開關量變化時提供一個脈沖寬度穩(wěn)定的脈沖，如上跳時產生脈沖、下跳時產生脈沖、上下跳變時都產生脈沖。

(3)消除毛刺由于受環(huán)境干擾的影響，傳輸?shù)拈_關量信號將產生毛刺。(1)觸點消抖圖5-19觸點消抖電路(2)脈沖定寬

圖5-20開關狀態(tài)產生定寬脈沖電路(3)消除毛刺由于受環(huán)境干擾的影響，傳輸?shù)拈_關量信號將產生毛刺。圖5-21采用比較器的整形電路2.電平變換圖5-22電平變換電路

a)光電隔離電平變換b)晶體管電平變換c)CMOS-TTL芯片電平變換5.4.4開關量輸入通道與CPU的接口1.開關狀態(tài)檢測接口電路

2.脈寬測量接口電路

3.脈沖計數(shù)接口電路1.開關狀態(tài)檢測接口電路圖5-23采用74LS244的定時查詢方式接口電路2.脈寬測量接口電路圖5-248253的原理圖3.脈沖計數(shù)接口電路脈沖計數(shù)通常用來測量單位時間內的脈沖數(shù)，主要用于測頻率、測轉速或用于V/F方式的A/D轉換。脈沖計數(shù)可直接采用單片機的定時器/計數(shù)器來完成，也可采用8253實現(xiàn)。采用8253進行脈沖計數(shù)時，被測信號連接到CLK上，而GATE則接入一個脈寬為采樣周期的方波信號，用它來控制計數(shù)時間。8253是16位減法計數(shù)器，每個計數(shù)器內部都有一個控制單元，用于控制本計數(shù)器的工作方式，一個16位計數(shù)初值寄存器CR，分高8位和低8位，只能寫入不能讀出，在計數(shù)過程中