1、计算机控制系统的输入输出接口（经常被称作生产过程通道）是计算机与生产过程或外部设备之间交换信息的桥梁。,第3章 计算机控制系统输入输出接口技术,用于过程控制计算机的输入输出接口可以分为模拟量输出接口、模拟量输入接口、开关量（数字量）输入输出接口。,模拟量输入接口一般由接口电路、控制电路、模数转换器和电流电压（I/V）变换器等构成，其核心是模数转换器，简称AD。,3.1模拟量输入接口技术,模拟量输入通道的组成结构,3.1.1 AD转换器主要参数,逐次逼近式 原理:对应电路，它由启动脉冲启动后，在第一个时钟脉冲作用下，控制电路使时序产生器的最高位置1，其他位置0，其输出经数据寄存器将10000，送
2、入D/A转换器。输入电压首先与D/A转换器输出电压（VREF/2）相比较，如v1VREF/2，比较器输出为1，若vI VREF/2，则为0。比较结果存于数据寄存器的Dn-1位。然后在第二个CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其他低位置0。如最高位已存1，则此时 vO=（3/4）VREF。于是v1再与（3/4）VREF相比较，如v1（3/4）VREF，则次高位Dn-2存1，否则Dn-2=0；如最高位为0，则vO=VREF/4，与vO比较，如v1VREF/4，则 Dn-2位存1，否则存0。以此类推，逐次比较得到输出数字量。 特点: (1)转换速度快;(2)抗干扰能力差.,双斜积分式 原理:双积分A
3、DC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间 隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能 力，在数字测量中得到广泛应用。 特点(1)转换精度高。 (2)转换速度慢，不适于高速应用场合。,把模拟量信号转换为n位二进制数字量信号的电路,通常分四步进行: 采样, :把时间上连续变化的模拟量转换为一个时间上断续变化的(离散的)模拟量(P39图3.14) 保持:将采样得到的模拟量信号在单位时间内保持下来(保持电路) 量化:用基本的量化电平q的个数表示保持
4、电路里的模拟电压值,其实质是把时间上离散而数字上连续的模拟量变为时间和数字上都离散的数字值. 编码:把量化的数字值用二进制码或BCD码表示出来.,AD转换器的工作原理,3.1.3 12位AD转换器芯片AD574A,AD574A结构框图,AD574A是分辨率为12位的AD转换器芯片，下图为其原理结构框图.,模拟 信号 输入 线,STS:转换结束 输出线,D0- D11 转换数据 输出线,R/C:读,启动转换 信号控制线,1转换启动线（输入）：由系统控制器发出的控制信号，此信号有效，转换开始。 2转换结束线（输出）：转换完毕后由AD转换器发出的状态信号，由它中断或DMA传送，或作查询之用。 3模拟
5、信号输入线：来自被转换的对象，有单通道输入与多通道输入之分。 4数字信号输出线: 由A/D转换器将数字量送给CPU的数据线。数据线的根数表示AD转换器的分辨率。,AD转换器的外部特性,2 在选择和使用AD转换器芯片时，除满足转换速度和分辨率要求之外，要注意AD转换器的连接特性，有以下几点：（1）AD转换器芯片的转换启动信号是用电位启动还是脉冲沿启动。（2）AD转换器芯片内是否带有三态门输出锁存器来输出数字量。（3）输出数字量的形式，是二进制还是BCD码。,CPU 与A/D转换器的工作方式: 程序查询: 在启动A/D转换器工作后,程序不断读取A/D转换结束信号,如果发现结束信号有效,则认为完成一
6、次转换,因而用输入指令读取数据. 中断方式:把转换结束信号作为中断请求,送到中断控制器的中断请求输入端. CPU等待方式:利用CPU的READY引脚功能,设法在A/D转换期间使READY处于低电平,以使CPU停止工作,转换结束,则使READY成为高电平,CPU读取转换数据. 固定的延迟程序:此方法需要预先精确知道一次A/D转换需要的时间,当CPU发出启动命令后,执行一个固定的延迟程序,此程序执行完时,A/D转换也正好结束,于是,CPU读取数据.,3.1.4模拟量输入接口设计,2. AD574与ISA总线的接口 （查询方式） 1） 12/ 接+5V，A/D转换的12位数据一次读出；2） 采用如下
7、图查询方式实现A/D转换，转换结束信号STS从D0位读入；3） 为通知ISA总线进行16位IO读写操作，须将译码器 输出，送AD574的 端， 输入端。0为查询口， 1为AD574的片选，同样用地址线A0 配合 1分别产生相应的奇地址和偶地址。,3.1.4模拟量输入接口设计,AD574与ISA总线的连接,程序流程图,CPU写信号给外设地址, 启动A/D转换(R/C为低),CPU读入STS信号,判断是否转换结束?,从D11-D0读入转换好的12位数字量信号,是,否,3.1.5 模拟量输入通道的结构组成,模拟量输入通道的组成结构,多个过程参数由传感器和变送器测量并转换为电流(电压)形式后,再送至多
8、路开 关,在微机的控制下,由多路开关将各个过程参数依次切换到后级,进行采样和A/D转换, 实现过程参数的巡回检测.,3.1.6 IPC、DCS、PLC模拟量输入通道,1IPC模拟量输入通道 IPC模拟量输入通道由三部分组成：PC总线接口、模板功能和信号调理。 模板功能包括采样、隔离、放大、A/D电路的设计和接口控制逻辑。,CONTEC公司的PCHELPER系列模拟量模板ADC30B特性：（1）能以30kHz的速度将模拟信号转换成12位的数字量数据。 （2）有4个TTL电平数字量输入通道和4个数字量输出通道。 （3）有16个光电隔离型数字量输入通道和16个数字量输出通道 （4）有一可编程的定时器
9、。,泓格公司I-7017为8通道 模拟量输入模块,AI模拟量输入卡电气原理图为实现放大器增益的调节，AI采用跳接改变放大倍数，可编程放大器（PGA）共有三级放大器，总放大倍数有12级。 A/D采用ADC574A有三态数据输出缓存器，直接与并行接口连接来实现通信。 通道切换是通过电子开关阵列实现的。共采用17个光电晶体管继电器。 串行通信的RS232接口用于检测和调试卡件，,3. PLC模拟量输入通道 SIMATIC S7-300构成: 导轨(RACK) 电源 中央处理单元CPU模块 接口模块(IM) 信号模块(FM),SM331 AI 812位模块的电气原理如图3.18所示。模块由AD转换部件
10、、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成 AD转换采用积分法， SM331可选四档积分时间：2.5mA，16.7mA，20mA，100ms，相对应精度为：9，12，12，14位。 每一种积分时间有一个最佳的噪声抑制频率f0，以上四种积分时间分别对应400Hz，60Hz，50Hz，10Hz例如AD的积分时间设为20ms，则它的转换精度为12位，此时对频率为50Hz的噪声干扰有很强的抑制作用在我国为了抑制工频及其谐波的干扰，一般选用20ms的积分时间,SM331 812模拟量输入模块的电气原理图,模拟量输出接口由接口电路、控制电路、数模转换器和电压电流（V/I）变换器等构成。
11、DA性能的主要参数： 1分辨率 指DA能够转换的二进制数的位数。 2转换时间 指数字量输入到完成DA转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。电流型转换器转换较快,电压型转换器转换较慢. 3精度 指DA转换器实际输出电压与理论值之间的误差。 4线性度 模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。,3.2模拟量输出接口技术,3.2.1 DA转换器主要参数,3.2.2 DA转换器的输入输出特性,DA转换器的输入输出特性： 1输入缓冲能力 DA转换器是否带有三态输入缓冲器来保存输入数字量。 2数据的宽度 DA转换器通常有8位、10位、14位、16位之分。 3电流型还是电压型 DA转换器输出的是电流还是
12、电压。 4输入码制 即DA转换器能接收哪些码制的数字量输入。 5单极性输出还是双极性输出。,3.2.3 DA转换器芯片DAC0832,DAC0832是电流输出型，电流稳定时间为1s，采用20引脚双列直插式封装的8位DA转换器。图3.19是DAC0832芯片的内部原理图。,DAC0832结构框图,DAC0832的引脚功能如下： D0D7：转换数据输入接口线，D0为最低有效位LSB，D7为最高有效位MSB。 ILE： 允许8位输入寄存器锁存控制信号线。：片选信号输入线。1：写8位输入寄存器控制信号线。2：写8位DAC寄存器控制信号线。：传输转换数据线。 IOUT1：电流输出1端。 IOUT2：电流
13、输出2端。 Rfb： 标准电阻线，与外部运算放大器的输出相连，作为反馈电阻。 VREF：基准电压源输入线。 ANGD：模拟电路接地线。 VCC： 数字工作电压源输入线。 DGND：数字电路接地线。,3.2.4模拟量输出接口设计,模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。模拟量输出通道一般由接口电路、DA转换器、VI变换等组成。1. 模拟量输出通道的结构型式 两种基本结构形式。 （1）一个通路设置一个数模转换器的形式,一个通路设置一个DA转换器的结构,优点:转换速度快,工作可靠;缺点:用了比较多的D/A转换器.,（2）多个通路共用
14、一个数模转换器的形式,共用DA转换器的结构,特点:节省了A/D转换器,只适合用于通路数量多且速度要求不高的场合, 可靠性不高.,2单极性与双极性电压输出电路,DA转换器的单极性与双极性输出,在实现05V、010V、15V直流电压信号到010mA、420mA转换时，可直接采用集成VI转换电路来完成，以 VI 变换器ZF2B20为例。 下图所示电路是一种带初值校准的010V到420mA转换电路。,3. VI变换,VI转换电路,DAC0832有8位寄存器，数据输入线可直接与微机数据总线D0D7相连。和 2 接地，由第一级缓冲器控制数据的输入， 当 1和 1 有效时，D0 D7的数据DA转换。,4 .
15、 DA转换器DAC0832与ISA总线接口,DAC0832与ISA总线接口,1.IPC模拟量输出通道 ADC40板是CONTEC公司的PC-HELPER系列4通道模拟量输出板，主要特性： （1） 以高达30kHz的速度将12位数字数据转换为模拟信号。 （2） 4个模拟量输出通道。 （3）输出模拟信号范围：10V，5V，010V或05V； 4mA20mA。 ADC40逻辑框图如下图所示。,3.2.5 IPC、DCS、PLC模拟量输出通道,ADC40逻辑框图,ADC40模拟输出电路,2DCS模拟量输出通道 在XDPS分散控制系统中，AO模拟量输出卡件的主要功能是： 8通道模拟量输出，输出信号有15
16、V或420mA，精度12位，输出负载1k； 各通道信号完全隔离； 完成与BC站控制卡之间的通信。 下图为AO模拟量输出卡件的电气原理图。为保证各输出通道电信号的隔离，采用各自独立的电源供电模块对每个通道供电。,AO模拟量输出卡电气原理图,3PLC模拟量输出通道 （模拟量输出模块SM332）,（1） 模拟量输出通道 下图是该模块的电气原理图。,SM332AO 412位模块电气原理图,（2）SM332与负载执行装置的连接 SM332可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。采用4线回路能获得比较高的输出精度。如下图所示。,通过4线回路将负载与隔离的模
17、出模块相连,用两种状态来表示的量称为开关量。 数字量的输入输出同样称为开关量。 按类型分有电平式和触点式两种: 电平式为高电平或低电平； 触点式为触点闭合或触点断开。开关量输入输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口亦即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路。,3. 3 开关量输入输出通道,3.3.1开关量输入输出通道的一般结构形式,典型的开关量输入输出通道结构图,典型的开关量输入输出通道结构如下图所示。 开关量输出/输入电气接口的主要功能: 滤波、电平转换、隔离和功率驱动.,CPU接口逻辑,输入与输出,I/O电气接口,3.3.2开关量输入隔离及电平变换
18、,信号电平变换方法如图a所示。 实现这种信号变换隔离的电路如图b所示。,图a输入电平变换 图b隔离及电平变换电路,图4-5 脉冲计数输入电路,3.3.3开关量输出驱动电路,在计算机控制系统中，开关量的输出常常要求有一定的驱动能力，以控制不同的装置。用的驱动电路有以下几种： 1小功率驱动电路 驱动发光二极管、LED、小功率继电器等，电路的驱动能力1040mA，用小功率的三极管或集成电路驱动。下图为典型的小功率驱动电路 。,小功率驱动电路,LED,反相器,来自输出锁蹲器的Di,2中功率驱动电路 驱动中功率继电器、电磁开关，要求50500mA的驱动能力，用达林顿复合晶体管或中功率三极管来驱动。目前常
19、用达林顿阵列驱动器如MC1412、MC1413、MC1416等来驱动中功率负载。下图是MC1416的结构图及每个复合管的内部结构。,a）MC1416结构图 b）复合管内部结构MC1416达林顿阵列驱动器,3大功率交流驱动电路 图3.37为固态继电器（SSR）的结构。过零检测电路可使交流电压变化到零状态附近时让电路接通，电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。,过零型固态继电器的结构,固态继电器（SSR）,3.3.4 开关量输入输出通道,按计算机控制系统的不同,分为以下几种:IPC DCS PLC,16通道开关量输入板,IPC开关量输入输出通道,基于数字量接口板的输入/输出板卡实验,1
20、6通道DO模块,16通道DI模块,各种数字量输入输出板卡,开关量IO系列模板从输入输出功能上划分可有三种模板，即PI（输入）模板、PO（输出）模板以及PIO（输入和输出）模板。 CONTEC公司的32位和16位IO模板系列举例: （1）3216位PIO系列接口板类型 32位16位PIO系列有以下接口板类型： PI32TLH（输入） PO-32T/LH（输出） PIO1616T/LH（输入输出）。,几种接口板又可划分为三类： TTL兼容型接口板有PI-32T，PO32T和PIO-1616T，这些接口板能为外部设 备提供5V电源。 光电隔离的L型接口板有PI32L，PO-32L和PIO1616L。
21、 光电隔离的H型接口板有PI32H，PO-32H和PIO1616H。（2）3216位PIO系列接口板的特点 和PCI兼容性。 支持广阔范围的应用。 TTL兼容的IO接口和隔离型的IO接口。 可通过板上DIP开关选择的IO口基地址。 输入通道的两个中断。 可使用的软件丰富。 PIO-1616T/L/H模板的逻辑功能模块框图如下图所示。,PIO-1616T/L/H模板的逻辑功能模块框图,2DCS开关量输入输出通道 （1）SOEDI开关量输入卡 在XDPS分散控制系统中，SOEDI开关量输入卡用于各种数字信号的采集和处理。它的主要功能是： 实现32路开关量DI的信号采集； 对开关量信号进行转换、保护
22、、滤波和光电隔离等信号的调理； 对SOE开关量信号顺序的识别； 完成与BC站控制卡之间的通信。,SOE/DI开关量输入卡电气原理图,（2）DO开关量输出卡（DO-251） 它的主要功能是： 提供16个通道的开关量输出，输出信号是干触点，允许外接直流电源电压30V，允许最大负荷电流50mA，也可经中间继电器转换，用于大功率开关量输出； 输出信号的光电隔离和整形； 与BC站控制卡之间进行数据的通信。,DO输出卡电气原理框图,3PLC开关量输入输出通道 （1）SM321数字量输入模块 数字量输入模块的原理电路如下图所示，其中图（a）为直流输入方式，图（b）为交流输入方式。,（a）直流输入方式 （b）
23、交流输入方式,（2） SM322数字量输出模块 数字量输出模块 按负载回路使用的电源不同分为： 直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。按输出开关器件的种类不同又可分为： 晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器触点输出方式。晶体管输出方式的模块，只能带直流负载，属于直流输出模块；响应最快.可控硅输出方式属于交流输出模块； 继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。响应最慢, 安全隔离效果及应用灵活性，继电器触点输出型最佳三种形式的输出模块其原理电路如下图所示。 数字量输出模块SM322有七种型号输出模块可供选择 即8点晶体管输出、16点晶体管输出、32点晶体管输出 8点可控硅输出、16点可控硅输出 8点继电器输出和16点继电器输出模块,功率场效应晶体管输出方式,可控硅输出方式,数字量输出模块的电气原理图,
