1、1,第3章 输入输出接口与过程通道,2,过程通道:计算机和生产过程之间设置的信息传送和交换的连接通道,3,主要内容：,3.5 硬件抗干扰技术,3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.1 数字量输入输出通道,3.2 模拟量输入通道,3.3 模拟量输出通道,3.4 D/A、A/D转换器的电源、接地与布线,4,3.1 数字量输入输出通道,数字量（开关量）信号： 开关的闭合与断开 继电器或接触器的吸合与释放 马达的启动与停止 阀门的打开与关闭 用 “0”和“1”表示,5,1.数字量输入接口,用三态门缓冲器74LS244取得状态信息 . 隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。有八个通道,可同时输
2、入8个开关状态。,MOV DX, PORT IN AL, DX,3.1.1 数字量输入输出接口技术,查阅有关74LS244的datashet,,武汉力源,要求对数据具有控制能力（常用三态门实现),负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种状态信号。,6,7,2. 数字量输出接口,MOV AL, DATA MOV DX, PORT OUT DX, AL,可用锁存器74LS273对状态输出信号进行锁存，,查阅有关74LS273的datashet,需要保持，直到下次给出新的值为止。要求对数据具有锁存能力（常用锁存器实现）,负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。,8,数字
3、量输入通道主要由缓冲器(74LS273等)、输入调理电路、输入地址译码电路等组成,基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号。,1，数字量输入通道结构,3.1.2 数字量输入通道,9,输入调理电路 把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 计算机能够接收的逻辑信号。,小功率输入调理电路 大功率输入调理电路,2. 输入调理电路,10,（1）小功率输入调理电路 开关去抖电路,图3.4 采用积分电路,2. 输入调理电路,查阅有关74LS04的datashet,11,RS触发器去抖电路,2. 输入调理电路,12,（2）大功率输入调理电路,在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。为了使
4、接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压,由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离 。,图3.6 大功率信号输入电路,2. 输入调理电路,13,数字量输出通道主要由输出锁存器(如74LS273等)，输出驱动电路、输出地址译码电路等组成,1，数字量输出通道结构,3.1.3 数字量输出通道,14,小功率直流驱动电路 大功率驱动电路,（1）小功率直流驱动电路 采用功率晶体管输出驱动继电器电路 采用高压输出的门电路驱动,图3.8继电器驱动电路,2、输出驱动电路,查阅有关74LS06的datashet,15,（2）大功率驱动电路,(b)交流固态继电器的结构,(a)直流固态继电器
5、的结构,可以利用固态继电器(SSR)等实现,16,3.2 模拟量输入通道,功能：是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。,17,3.2.1 模拟量输入通道的组成,如热电偶温度测量,18,信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同。通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压转换、滤波、线性化、隔离等,1.量程自动转换技术,单参数测量系统,多参数测量系统,3.2.2 信号调理,19,量程自动转换就是指根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求,可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifie
6、r)，简称PGA 可编程增益放大器有两种，组合PGA和集成PGA,例如，输入的原始信号可能是mv级别的，也可能是uv级别的，这些电压统统要转换成数字电路能够处理和识别的TTL电平等标准电平，因此需要用到可编程增益放大器。,20,21,MCP6S系列产品主要特点：,8种可编程增益选择：+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16 或+32 V/V； SPI串行编程接口； 级联输入和输出； 低增益误差，最大：1%； 低漂移，最大：275V； 高带宽频率，典型值：212MHz； 低噪声，典型值：10 nV/rtHz 10 kHz 低电源电流，典型值：1mA； 单电源供电，2.5V5.5V；,22,集
7、成PGA,23,Vi,V=R2*I,V=A*R1*I,无源I/V变换,有源I/V变换,2. I/V变换,请问输出的电压和电流I有何关系,24,CD4051的原理电路图,3.2.3 多路转换器,查阅有关CD4051的datashet,25,CD4051的真值表,26,1. 信号的采样,采样过程（简称采样）是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程,图3.22 信号的采样过程,采样频率由香农（Shannon）采样定理确定，s(410)max,3.2.4 信号的采样和量化,27,2.量化,采样信号经整量化后成为数字信号的过程称为量化,量化过程就是用一组数码（如二进制码
8、）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号，执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把yminymax范围内变化的采样信号，变换为数字02n-1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位，其表达式为：,28,3.2.5 采样保持器,采样保持器的主要作用是（用于高速还是低速系统？）：(1)保持采样信号不变，以便完成A/D转换；(2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量； (3)减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间； (4)把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。 常用的集成采样保持器有LF198/2
9、98/398、AD582/585/346/389,29,图3.23 LF198/298/398原理图及引脚,(a)LF198/298/398原理图,(b)LF198/298/398的引脚排列,30,3.2.6 A/D转换器,A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件。 A/D转换方法有逐次逼近式、双积分式、并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈式等。 常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0801，ADC0809等，12位分辨率的AD574A等；常用的双积分式A/D转换器有3位半（相当于2进制11位分辨率）的MC14433， 等,31,1. A/D转
10、换器的主要指标,A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等 转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间 分辨率：分辨率表示A/D转换器对模拟信号的分辨能力 ，分辨率通常用数字量的位数n（字长）来表示 量程：即所能转换的电压范围 精度：精度有绝对精度和相对精度 输出逻辑电平：多数为TTL电平，有并行和串行两种输出形式 工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标。 基准电源的精度将对整个A/D转换结果的输出精度产生影响,32,(1) 8位A/D转换器ADC0809,ADC0809是美国国家半导体公司
11、生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装,2. 常用的A/D转换器,33,图3.25 AD574内部结构图,(2) 12位A/D转换器AD574A,34,AD574A引脚功能,35,硬件连接设计,软件程序设计,模拟量输入信号的连接、数字量输出引脚的连接、参考电平的连接、控制信号的连接,主要包括控制信号的编程，如：启动信号、转换结束信号以及转换结果的读出,3.2.7 A/D 转换器接口设计,36,1硬件设计,模拟量输入信号的连接 数字量输出引脚的连接 参考电平的连接 时钟的选择 A/D转换器的启动方式 转换结束信号的处理转换结束信号的硬件连接有三种形式： 中
12、断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上。 查询方式：把转换结束信号经三态门送到PC数据总线或I/O接口的某一位上。 转换信号悬空：即该管脚与其它管脚之间无电气连接。,37,2软件设计,启动A/D转换，中断、查询或延时等待转换时间后根据数据输出格式读出转换结果 (1)启动A/D转换 (2) 转换结果的读出。 中断方式： 查询方式： 软件延时方法：,38,ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器,3.2.8 A/D 转换器与PC接口,1ADC0809与PC总线工业控制机接口,39,图3.27 ADC08
13、09与PC总线的连接,电路图,40,一次A/D转换操作分两步进行： (1)启动ADC0809，并锁存通道地址 (2)判断A/D转换结束并读出转换结果,START： MOV AL，00H ； 设定通道数OUT 220H，AL ； 送通道地址、启动A/D转换CALL DELAY ； 等待转换完成IN AL，220H ；读取A/D转换结果,设DAC端口地址为220H，要把0通道的模拟量转换成数字量，利用软件延时方式实现,41,2AD574A与PC总线 工业控制机接口,AD574A引脚功能,42,图3.28 AD574A通过8255A与PC总线的连接图,8255A,首先进行8255A的初始化。实现一次
14、A/D转换包括A/D转换的启动、检测转换是否结束、数据的读出，采用查询方式,2AD574A与PC总线工业控制机接口,43,(1)8255A初始化设置INIT： MOV AL，9AH；设置A.B.C口的工作方式MOV DX，2D3H ；8255A的控制寄存器OUT DX，AL ；方式字送控制寄存器(2)启动A/D转换START：MOV AL，00HMOV DX，2D2H；8255A的端口COUT DX，AL ；使R/C=0，启动A/D转换,44,(3) 检测转换是否结束及数据的读出 LOOP： MOV DX，2D2H ；8255A的端口CIN AL，DX ；查询STS的状态TEST AL，80H
15、JNZ LOOP；转换未完成，继续等待；转换完成，向下执行MOV AL，01H ；置位，即R/C=1OUT DX，AL DEC DX ；指向8255A的端口BIN AL，DX ；读入端口B高8位数据MOV BX+1，AL ；数据保存DEC DX ；指向8255A的端口AIN AL，DX ；读入端口A数据ANL AL，0F0H ；屏蔽低四位数据MOV BX，AL ；数据保存,45,3.3.1 模拟量输出通道的结构形式,模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、采样保持器、V/I变换等组成。,1.一个通路设置一个D/A转换器的形式,图3.29 一个通路一个D/A转换器的结构,3.3
16、 模拟量输出通道,46,2.多个通路共用一个D/A转换器的形式,接口,D/A,多路开关,采样 保持器,采样 保持器,V/I转换器,V/I转换器,通道1,通道n,PC总线,图3.30 多个通路共用一个D/A转换器的结构,47,D/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或装置，其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比例。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器。,1. D/A转换器的主要技术指标,D/A转换器的主要技术指标有分辨率、建立时间、非线性误差等。,输入输出关系 分辨率：分辨率用D/A转换器数字量的位数n（字长）来表示。 建立时
17、间：指D/A转换器中代码有满度的变化时，其输出达到稳定(离终值1/2LSB相当的模拟量范围内)所需要的时间。 非线性误差：实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。 输入编码：一般为并行或串行二进制码输入，也有BCD码输入,3.3.2 D/A转换器,48,2. D/A转换器,8位D/A转换器DAC0832,49,12位D/A转换器DAC1210,50,3.3.3 D/A转换器接口技术,D/A转换器应用接口的设计，主要包括数字量输入信号的连接以及控制信号的连接。D/A编程相对简单，包括：选中D/A转换器、送转换数据到数据线，启动D/A转换。 1.数字量输入
18、信号的连接 数字量输入信号连接时要考虑数字量的位数，D/A转换器内部是否有锁存器。 2.控制信号的连接 片选信号、写信号及转换启动信号,51,图3.34 DAC0832与PC总线接口电路,DI7 DI0,3.3.4 D/A转换器与PC接口,1. 8位D/A转换器DAC0832与PC的连接,52,若DAC0832的地址为：200H，则8位二进制数56H转换为模拟电压的接口程序如下： CONVERT： MOV DX，200H ；DAC0832地址MOV AL，56H；要转换的立即数OUT DX，AL； CS/=WR1/=0，启动D/A转换,53,图3.35 DAC1210与PC总线的连接,2. 1
19、2位D/A转换器与PC的连接,54,CONVERT：MOV AL，68H ；高8位数据 MOV DX，220H ；OUT DX，AL；=0，=1，=0，高8位数据送数据线INC DX ；修改地址指针，指向221HMOV AL，0F0H ；低4位数据OUT DX，AL；=0，=0，=0，低4位数据送数据线INC DX ；修改地址指针，指向222HOUT DX，AL；启动12位数据开始转换,转换12位二进制数68FH，则程序如下,55,3.3.5 D/A转换器的输出形式,D/A转换器的输出有电流和电压两种方式，一般电流输出需经放大器转换成电压输出。电压输出可以构成单极性电压输出和双极性电压输出电路 D/A转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，而与其位数无关。 单极性电压输出指输入值只有一个极性(或正或负)，D/A的输出也只有一个极性。双极性电压输出指当输入值为符号数时，D/A的输出反映正负极性。,56,利用DAC0832实现的单、双极性输出电路,图3.36 单、双极性输出电路,57,根据上面两式，对于8位D/A转换器，有： D=0时，； D=80H， D=FFH，实现了双极性输出。,
