WX微型計算機(jī)控制技術(shù)第二章160486課件

第2章輸入/輸出接口與過程通道采用計算機(jī)實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制，需要采集生產(chǎn)過程中的各種必要信息（參數(shù)），并轉(zhuǎn)換成計算機(jī)所要求的數(shù)據(jù)形式，送入計算機(jī)。計算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，形成所需要的控制信息，以生產(chǎn)過程能接受的信號形式輸出，以便實現(xiàn)控制、顯示、打印等各種功能。輸入/輸出通道（簡稱過程通道或I/O通道）就是在計算機(jī)和生產(chǎn)過程之間進(jìn)行信息傳送和變換的連接通道。過程通道按變換傳遞信號的種類分：模擬量通道和數(shù)字量通道；按信號傳輸?shù)姆较蚍郑狠斎胪ǖ篮洼敵鐾ǖ?，或前向通道和后向通道?章輸入/輸出接口與過程通道§2.1輸入/輸出接口§2.2過程通道的一般結(jié)構(gòu)§2.3信號的采樣和量化§2.4模擬量輸入通道的信號調(diào)理電路§2.5模擬開關(guān)及采樣保持§2.6A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)§2.7模擬量輸出通道§2.8數(shù)字量輸入與輸出通道§2.9I/O通道的抗干擾技術(shù)2.1輸入/輸出接口在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，過程通道或外部設(shè)備是不能直接與中央處理單元（CPU）連接的，因為它們的速度、數(shù)據(jù)格式不一定相同，信號形式也不一定相匹配。為了便于兩者交換信息，需要通過一個中間環(huán)節(jié)將CPU和外部通道連接起來，該中間環(huán)節(jié)就是接口電路。主要實現(xiàn)：電平變換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖和狀態(tài)信息提供等功能。2.1.1接口技術(shù)微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時，外部設(shè)備（簡稱外設(shè)）與CPU之間的信息交換是十分頻繁的。CPU與外設(shè)所交換的信息有數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息，為了CPU對外設(shè)尋址，還需要有地址信息。為了保證信息的正確傳送，I/O接口設(shè)有三種端口，即數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口，負(fù)責(zé)對應(yīng)信息的傳送。接口技術(shù)就是研究CPU與外設(shè)之間如何交換信息的技術(shù)。

2.1.2I/O信號的種類外部設(shè)備與CPU之間交換的信息按功能通常分為三類信息：數(shù)據(jù)信息狀態(tài)信息控制信息1．?dāng)?shù)據(jù)信息（1）數(shù)字量。數(shù)字量是指時間上、幅值上離散的信號，一般是以二進(jìn)制形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)或字符。如由鍵盤、撥碼開關(guān)等輸入的信息，主機(jī)送給顯示器、打印機(jī)的輸出信息等。（2）模擬量。模擬量是指時間上、幅值上連續(xù)變化的物理量。如生產(chǎn)現(xiàn)場的壓力、溫度、液位、速度、重量、位移等。（3）開關(guān)量。只有開關(guān)兩種狀態(tài)，通常用一位二進(jìn)制數(shù)來表示。如開關(guān)的閉合和斷開、電動機(jī)的啟動和停止、閥門的打開和關(guān)閉等。2．狀態(tài)信息狀態(tài)信息也稱握手信息或應(yīng)答信息，它反映了與CPU連接的外設(shè)的當(dāng)前工作狀態(tài)，是外設(shè)通過接口發(fā)往CPU的信息，作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號。例如，狀態(tài)信息中的“就緒”信號表示等待的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒，外部設(shè)備“忙”信號表示輸出設(shè)備是否處于空閑狀態(tài)等。信號輸入時，CPU讀取“就緒”（Ready）狀態(tài)信息，若準(zhǔn)備就緒則讀入數(shù)據(jù)。CPU與外部設(shè)備之間的信息傳送是通過I/O接口電路來完成的，I/O接口通常是一塊大規(guī)模集成電路芯片。不同芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別很大，但從外部連接來看，可分為兩大部分：一部分是與外圍設(shè)備相連的。為保證信息的正確傳送，I/O接口往往開辟不同的端口來傳送數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。另一部分是與系統(tǒng)總線相連的。CPU通過系統(tǒng)總線與I/O接口相連。圖2-1外部設(shè)備通過接口和CPU的連接示意圖2.1.3I/O控制方式在微機(jī)系統(tǒng)中，可采用的I/O控制方式一般有3種：程序控制方式中斷控制方式直接存儲器存取方式（DMA方式）一、程序控制方式查詢方式比無條件方式可靠，接口電路簡單，不占用中斷線，同時查詢程序也簡單，易于設(shè)計調(diào)試。特別適合于按一定規(guī)律順序工作的生產(chǎn)過程，如：自動線、定時數(shù)據(jù)采集等。該方式的缺點是：CPU在程序循環(huán)中因等待I/O設(shè)備的就緒而不能做其他工作，使CPU的效率較低。倘若外部發(fā)生緊急事件，CPU不能立即響應(yīng)，因而實時性不好。二、中斷控制I/O方式在許多場合下，計算機(jī)控制系統(tǒng)對實時性有較高的要求，此時若采用查詢方式，則CPU會浪費大量的時間在循環(huán)等待中，實時性差。中斷技術(shù)的引用，很大程度上克服了這個弊端，比較好的解決外圍設(shè)備運(yùn)行速度較慢而CPU運(yùn)行速度較快的矛盾，提高了CPU效率，同時使控制系統(tǒng)具有良好的實時性。中斷方式的應(yīng)用，要求系統(tǒng)設(shè)計時必須解決以下四個問題：（1）保護(hù)現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場。（2）正確判斷中斷源。（3）實時響應(yīng)。（4）按優(yōu)先權(quán)順序處理。2.1.4I/O接口設(shè)計I/O接口設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)過程的要求和外圍設(shè)備的特性，選定各被控設(shè)備的I/O控制方式，設(shè)計出合適的I/O接口電路和相應(yīng)的接口控制程序。使CPU和被控設(shè)備之間能實時、可靠地交換信息，從而保證滿足實時控制、數(shù)據(jù)采集等提出的要求。I/O接口設(shè)計方案選擇：1．選用現(xiàn)成的多功能I/O接口板為了適應(yīng)系統(tǒng)I/O擴(kuò)展的需要，每一種微型計算機(jī)系統(tǒng)都設(shè)計有配套的I/O接口板，將I/O接口板插到系統(tǒng)外引總線槽上，只要適當(dāng)選擇板上的有關(guān)選擇開關(guān)（選址開關(guān)、工作方式選擇開關(guān)等），就可與系統(tǒng)配套使用。2．自行開發(fā)設(shè)計I/O接口電路該方式在具體做法上又有兩種方案：一是采用通用可編程接口芯片擴(kuò)展I/O接口。所謂可編程接口，就是接口的通用部分由大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，其具體功能由程序來確定。如并行接口8255A/8155、串行接口8251A等。另一種方案是采用普通的緩沖器、鎖存器和譯碼器等芯片擴(kuò)展I/O接口。如常用的接口芯片有地址/數(shù)據(jù)鎖存器74LS273和74LS373、8位三態(tài)輸出數(shù)據(jù)緩沖/驅(qū)動器74LS244、地址譯碼器74LSl38/74LS139等。自行開發(fā)設(shè)計I/O接口電路，針對性強(qiáng)、成本低，但開發(fā)周期長。

2.2過程通道的一般結(jié)構(gòu)計算機(jī)控制系統(tǒng)的過程通道分為四類：模擬量輸入通道模擬量輸出通道數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸出通道模擬量輸入通道（AnalogInput，AI）：，采用傳感器或變送器將被控對象的模擬量參數(shù)（如壓力、溫度、液位、重量等）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號，這些信號再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機(jī)中。數(shù)字量輸入通道（DigitalInput，DI）：通過轉(zhuǎn)換電路和接口電路將生產(chǎn)過程中的開關(guān)信號、數(shù)字信號和脈沖信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)所能接受的數(shù)字信號，并送入計算機(jī)中。模擬量輸出通道（AnalogOutput，AO）：需經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，將計算機(jī)輸出的數(shù)字信號變換成模擬量，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用于生產(chǎn)過程進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。數(shù)字量輸出通道（DigitalOutput，DO）：是將計算機(jī)輸出的數(shù)字信號變換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的電平，一般需要進(jìn)行信號隔離、功率驅(qū)動等。1.單信號通道類型現(xiàn)場中采集到的信號常見有以下幾種類型：高電壓、大電流模擬信號，低電壓、小電流模擬信號，脈沖信號、開關(guān)信號等。僅考慮單信號時，它們所對應(yīng)的輸入通道結(jié)構(gòu)如表2-1所示。信號類型輸入通道結(jié)構(gòu)類型高電壓模擬信號大電流模擬信號低電壓模擬信號小電流模擬信號頻率信號開關(guān)量信號數(shù)字信號2.多信號輸入通道類型計算機(jī)控制系統(tǒng)往往需要采集生產(chǎn)過程中的多個模擬信號和數(shù)字信號。模擬量輸入通道根據(jù)應(yīng)用要求不同，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式。一般結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，由傳感器及檢測裝置、信號調(diào)理電