第二章 过程通道与输入输出接口.docx
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第二章过程通道与输入输出接口
第二章过程通道与输入输出接口
§1概述
本章学习目的:
解决计算机和外部的连接问题,使计算机和外部构成一个整体,能正确、可靠、高效率的交换信息,这是设计一个计算机控制系统必须解决的基本问题。
重点介绍计算机过程控制中的过程通道和输入输出接口电路的设计技术。
一、通道、接口及其功能
实现在过程信号与计算机数据之间变换传递的电路称为输入输出过程通道,简称过程通道。
过程通道按变换传递信号的种类分为模拟量通道和数字量通道。
模拟量是指在生产过程中连续变化的模拟信号,如电压、电流、有功功率、频率、压力、流量、温度、液位、转速等;数字量是指离散的数字信号,如表示开关、触点等开合位置的状态信号(开关量),电平高低、脉冲等。
过程通道按信号传输的方向分为输入通道和输出通道,或前向通道和后向通道。
输入输出接口技术——研究处理器和外部设备之间信息交换的技术。
外界的各种数据和信息通过输入设备送到微处理器,而处理器将计算结果或控制信号输出外部设备,以便显示、打印或实现各种控制。
外部设备品种很多,有机械式的、机电式的或电子式的等,其原理也多种多样,各不相同。
它们在与计算机系统交换信息时,往往存在着速度不匹配、数据类型不一样等问题,为了解决这些问题,必须设计一套介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件,这就是所谓输入输出接口或简称接口。
I/O通道(过程通道):
是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。
如图,I/O通道分为:
模拟量输入通道
模拟量输出通道
数字量输入通道
数字量输出通道
二、I/O信号的种类
外部设备与CPU之间交换信息,如图2—1所示,通常有三类信息。
(1)数据信息
在微型机中,数据通常为8位或16位,它可以分为以下三种:
1)数字量:
由键盘、光电输入机、卡片机等读入的信息一般是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数或字符。
2)模拟量:
当微处理器用于实时控制时,大量的现场信息经过传感器把非电量转换成的电量以及执行机构所能接受的控制量。
3)开关量:
这些变量只有开和关两个状态,通常用一位二进制数来表示。
(2)状态信息:
状态信息也称握手信息、应答信息,它是反应外部设备的状态的。
(3)控制信息:
用来控制I/O装置的启动或停止等信息,它是由CPU发送给外部设备的。
CPU与外部设备之间的信息传送是通过I/O接口电路来完成的,微处理机与外部设备的联系,如图2—2所示。
为保证信息的正确传送,I/O接口往往开辟三个不同的端口来传送数据信息、状态信息和控制信息。
§2过程通道的一般结构
2.1输入输出过程通道的基本概念
计算机控制系统中过程通道的一般结构,如图2-3所示。
1、输入过程通道
输入过程通道是指从被控设备到计算机的物理信号传输和变换的通道。
在计算机控制系统中,被控对象的参数和状态量要经过输入通道转换成计算机所能接受的标准数字信号。
在模拟量输入通道中,采用传感器或变送器将被控对象的非电量或电量等模拟量转换成模数转换器A/D量程范围允许的电信号,再经过A/D转换成数字信号送入计算机中.在数字量输入通道中,通过转换电路和接口电路将生产过程中的开关信号、数字信号和脉冲信号转换计算机能接受的数字信号,并送入计算机中,往往需要进行电平转换和整形,有时也需要信号隔离。
所以,输入过程通道主要是实现被控设备和计算机之间的原始参数和信号的变换、调理、传递和抗干扰。
2、输出过程通道
输出过程通道是指从计算机到被控设备控制信号和参数的传输。
数字量输出通道是将计算机输出的数字信号变换成所要求的电平,一般需要信号隔离、功率驱动等。
2.2输入过程通道的结构类型
输入通道的结构主要取决于生产过程的环境、控制要求和输入信号的种类、性质、数量、大小。
在不考虑前端传感器的类型情况下,输入通道结构归纳起来大致分为以下几种。
1、单信号通道类型
单信号常见有以下几种类型:
高电压、大电流模拟信号,低电压、小电流模拟信号,脉冲信号,开关信号等。
它们对应的输入通道结构如图2-4所示。
信号类型
输入通道结构类型
高电压、大电流模拟信号
低电压、小电流模拟信号
频率信号
开关信号
2、多信号输入通道类型
计算机控制系统往往需要采集生产过程中多个模拟信号和数字信号,需要多信号输入通道来实现。
在多信号输入通道中,根据多路模拟开关的位置不同,有两种模拟量输入通道结构。
当传感器的输出信号较微弱时,应该先对信号进行放大,再经过多路开关分时采样,避免经多路开关造成较大误差,如图2-5所示。
当传感器或变送器输出信号电压较大时,多路开关可直接和传感器(或变送器)输出相连,并在多路开关后设置放大电路,如图2-6所示。
多路频率开关信号可省略A/D转换,只需要将各路频率信号通过放大、整形后送入计算机的I/O口或中断入口。
2.3、输出过程通道的结构类型
输出过程通道根据输出信号形式和控制对象的特点,其结构形式如图2-7所示。
2.3计算机和外部的通信方式
并行通信
串行通信
一、并行通信
并行通信:
把一个字符的各数位用几条线同时进行传输,传输速度快,信息率高。
二、串行通信
串行通信:
数据按位进行传送的。
串行通信又分为全双工方式和半双工方式、同步方式和异步方式。
1、全双工方式
全双工通信方式:
指数据信息能沿相反两个方向传送。
特点:
信息传输效率较高。
2、半双工方式
半双工通信方式:
指数据信息可沿数据传输线的两个方向传送,但同一时刻只能沿一个方向传送。
特点:
信息传输效率低些,但可省一根传输线。
3、同步通信
同步通信方式:
在一组字符(信息帧)前后加同步字符(如SYN字符),它们标志着一组数据块的开始,这样接收装置一接收到SYN字符,就知道已发送了数据块而开始接收数据,直到接收后同步字符,一帧数据宣告结束。
然后,接收装置又开始寻找新的SYN控制字符。
特点:
开销小,效率高,可获得较高的数据率。
但如果数据中有一位错,就必须重新传输整块数据,且控制比较复杂。
4、异步通信(起止方式)
异步通信方式:
要传送的字符代码前加一起始位,以示该字符代码开始,在字符代码后面加一停止位,以示该字符代码结束。
这是一种在计算机通信网络中常用的也是最简单的传输方式。
特点:
开销大,效率低,速度慢。
但如果有错,只需重发一个字符,且控制简单。
由于这种方式的字符发送是相互独立的故称为异步方式。
§3输入输出接口
计算机控制系统中,外部通道或外部设备是不能直接与CPU相连的,因为它们的速度、数据格式不一定相同,信号形式也不一定相匹配。
为便于两者交换信息,需要通过一个中间环节将CPU和外部通道连接起来,该中间环节就是接口电路。
它具有以下功能。
1、数据缓冲功能:
计算机的工作速度很快,过程通道和外部设备的工作速度相比则是比较慢的,利用接口电路进行数据缓冲,协调两者的工作。
接口电路设置有数据寄存器或者锁存器,计算机工作时从寄存器取数据,而寄存器数据是由外部电路或者计算机定时刷新,所以计算机的工作不受寄存器数据和外部电路影响。
2、信号转换功能过程通道和外部设备提供的状态信号和控制信号与计算机能识别的信号一般是不相同的,利用接口电路实现信号转换,如电平变换,数据转换等,特别是连接不同公司芯片时,信号之间的转换是经常的。
3、驱动功能由于计算机总线的信号驱动能力有限,当需要连接多台外部设备时,总线资源可能不够,利用接口电路可以提高总线的负载能力,使一个接口与多个外部设备相连接,充分利用计算机的硬件资源。
4、中断管理功能外部设备与计算的沟通,一个重要的手段就是釆用中断处理技术,釆用具有中断控制管理功能的接口,便于计算机处理有关中断事物,包括提出中断请求,中断优先级排队,提供中断向量等,从而加快计算机对外部事件的响应速度,提高CPU效率。
接口(I/O)根据数据传输的时间关系可分为并行接口和串行接口,根据数据传输的方向可分为输入接口和输出接口。
3.1接口技术
接口技术就是研究计算机与外设之间如何交换信息的技术,它主要包括以下几个方面的内容:
1、数据缓冲:
完成不同速度器件间的连接或同步控制的需要。
2、功能寻址:
实现外部设备的惟一性地址标识,可完成从多个外部设备中选择所需的设备。
3、命令译码:
用来解释和产生各种操作信息。
4、同步控制:
用来协调被连接部件动作时间上的差异控制。
5、数据转换:
实现不同设备对同一信息的使用。
常见是并行数据转换成串行数据或串行数据转换成并行数据。
6、电平转换:
实现不同电平器件的连接,如TTL器件(电路)和CMOS器件相连,需进行逻辑电平的转换。
7、中断接口:
具有发送中断请求信号和接收中断响应信号的功能,向CPU提供中断类型码的功能以及中断优先级管理的功能等。
8、总线驱动:
各总线的驱动能力是有限的,只能带一定数量的电路。
在设计时,首先要估计总线的负载情况,以确定是否需要对总线的驱动能力进行扩。
总线的驱动扩展常釆用总线驱动器,如常用的单向总线驱动器有74LS240,74LS241和74LS244;常用的双向驱动器为74LS245等。
由于计算机所提供的I/O接口非常有限,往往很难满足实际需要。
因此实际系统设计中经常需要进行I/O扩展。
在进行I/O接口扩展时还应注意以下几点:
1、硬件相依性。
因为在计算机应用系统中,I/O的扩展是为外部通道及设备提供一个输入法、输出通道。
所以I/O口的扩展,总是为了实现某一测、控及传输功能而进行的,如连接键盘、显示器驱动开关控制电路以及开关量监测等,因此在I/O口扩展时必须考虑与之相连的外设硬件电路特性,如驱动功率、电平、干扰抑制及隔离等。
2、软件相依性。
不同的I/O扩展芯片或外设,扩展I/O口的操作方式不同,其应用程序也不同,如入口地址、初始化状态设置、工作方式选择等。
3.2输入输出通道接口实现
1、采用通用I/O接口芯片实现
2、单板式整体结构
3、标准计算机扩展板
4、模块化
3.3输入输出控制方式
在微机系统中,可采用的输入/输出控制方式一般有3种:
程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式(DMA方式)。
一、程序控制方式
程序控制方式又分为无条件传送方式和查询传送方式(条件传送方式)。
1、无条件传送方式
当外设已准备就绪,那就不必查询外设的状态而进行信息传输,这就称为无条件传送。
这种信息传送方式只适用于简单的外设,如开关和数码段显示器等。
如图所示,直接使用三态缓冲器与数据总线相连。
2、查询传送方式(条件传送方式)
CPU通过执行程序不断读取并测试外设状态,如果输入外设处于已准备好状态或输出外设为空闲状态时,则CPU执行传送信息指令。
查询传送方式的接口电路应包括:
传送数据端口及传送状态端口。
图1为查询式输入的接口电路。
图2为查询式输出接口电路。
二、中断控制I/O方式
1、中断控制I/O时应解决的问题
中断控制方式:
当外围设备需要请求服务时,向CPU发出中断请求,CPU响应外围设备中断,停止执行当前程序,转去执行一个外围设备的服务程序。
中断处理完毕,CPU又返回来执行原来的程序。
外部中断:
通过I/O接口硬件向CPU发出中断请求信号,从而引起一个中断处理过程。
多重中断处理时必须解决以下四个问题。
、保存现场和恢复现场
在中断服务程序开始设置保存现场、中断返回前恢复现场。
、正确判断中断源
要能正确地找到申请中断的外围设备的中断服务程序入口地址,且能跳转到这个入口。
、实时响应
对于每个外围设备的中断请求,CPU都能接受到并在最短响应时间内给予服务。
、按优先权顺序处理
优先权顺序:
多个外围设备同时提出中断请求时,应能按轻重缓急设定中断顺序,逐个进行处理。
2、中断优先级
中断优先级的设定办法常采用:
软件查询方式,雏菊链法,专用硬件方式。
1.软件查询方式
如图所示,接口硬件电路包括三部分:
中断寄存器、中断申请电路和并行I/O接口。
2.雏菊链法
雏菊链法:
在每个外围设备的接口上连接一个雏菊链(逻辑电路),这个雏菊链是中断回答信号的控制通路。
如图是雏菊链的线路图。
3.专用硬件方式
如:
采用可编程中断控制器8259A。
三、DMA控制方式
DMA控制方式:
一种成块传送数据的方式。
当某一外设需要输入/输出一批数据时,向DMA控制器发出请求,DMA控制器接收到这一请求后,向CPU发出总线请求,若CPU响应DMA的请求把总线使用权赋给DMA控制器,数据不通过CPU,可直接在DMA控制器操纵下进行。
通常采用的是可编程DMA控制器8237A。
8237A的数据传送速率高达1.6M字节/s;8257A的数据传送速率可达1.25M字节/s。
§4模拟量输入通道
主要作用:
完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。
常用的模拟量输入通道的结构形式如图。
主要组成:
信号处理装置、
采样单元、
采样保持器、
数据放大器、
A/D转换器、
控制电路。
分别介绍各部分的功能、组成、原理及电路。
1、信号处理装置
组成:
标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量转换电路等。
☆标度变换器:
作用:
把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号。
如(0~10mA或4~20mA)或(0~±5V)信号。
标度变换器一般包含在变送器中,通常是电阻网络或电桥。
☆滤波电路:
作用:
滤掉或消除干扰信号,保留或增强有用信号。
方法:
采用有源滤波器或无源滤波器,
☆线性化处理:
有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。
所以必须对信号进行线性化处理,使它接近线性化。
方法:
在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路。
在软件上可采用分段线性化数字处理的办法来解决。
☆电参量转换电路:
电信号之间的转换。
2、采样单元
作用:
把各路模拟量分时接到A/D转换器进行转换,实现了CPU对各路模拟量分时采样。
组成:
采样单元一般由开关矩阵及逻辑控制电路组成。
逻辑控制电路——在软件或通道控制电路的控制下,以一定速度,按顺序输入被测模拟信号。
开关矩阵——模拟开关的组合。
模拟开关分为两类:
机械式触点或开关
晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关
CD405l
CD4051为16脚、双列直插封装芯片,原理及引脚如图。
组成:
逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路。
主要特性:
直流供电电源为VDD=+5V~+15V,
数字信号电位变化范围为3~15V
输入电压UIN=0~VDD,
模拟信号峰峰值15V
当VEE接负电源时,正负模拟电压均可通过。
接通电阻小,一般小于80Ω,断开电阻高,在VDD~VEE=10V时,通过泄漏电流为±10nA。
应用:
如图16个通路差动输入CD4501的连接方法。
3、采样保持
作用:
对变化的模拟信号快速采样,并在转换过程中保持模拟信号。
采样保持电路:
由输入缓冲放大器A1、模拟开关AS、模拟信号存储电容CH和输出缓冲放大器A2组成,如图。
两个工作状态:
采样状态
保持状态。
采样保持电路的集成电路芯片——LFl98的原理图和典型应用如图。
LFl98的主要特性:
供电电源:
±5V~±18V;
信号获取时间<10/as;
可以和TTL、PMOS、CMOS逻辑输入兼容;
典型保持电容1000pF、0.01μF。
4、数据放大器
作用:
把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的A/D转换器输入电平。
仪表放大器特点:
共模抑制能力强,输入阻抗高,漂移低,增益可调。
5、A/D转换器
A/D转换器——把通道输入的模拟量转换成数字量,通过I/O接口电路送入CPU。
作用:
将模拟量转换成数字量。
常用A/D转换器有:
计数器式、双积分式和逐次逼近式。
一、A/D转换器原理
1、计数器式A/D转换器
原理框图如图。
组成:
计数器、D/A转换器及比较器
工作过程:
特点:
结构简单,价格便宜,但转换速度比较慢。
2、逐次逼近式A/D转换器
原理框图如图。
组成:
逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、时序(时钟)及置数选择逻辑。
工作过程:
(略)
SAR中设定位
如果Ui≥UO,应予保留;
如果Ui 例: 四位A/D转换器,输入模拟电压Ui=0.65V。 量化单位 转换过程如图: 3、双积分式A/D转换器 方法: 测量模拟输入电压向电容充电的固定时间及在已知标准电压下放电所需的时间。 双积分式A/D转换器组成框图。 工作过程: 优点: 消除干扰和电源噪声的能力强,精度高; 缺点: 转换速度慢。 适用场合: 在信号变化缓慢,模拟量输入速率要求较低,转换精度要求较高,且现场干扰较严重的情况下使用。 二、A/D转换器的主要技术参数 l.分辨率 分辨率越高,转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。 分辨率: 指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。 n位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。 2.量程 量程是指所能转换的电压范围。 如5V、10V等。 3.转换精度 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。 有绝对精度和相对精度。 绝对精度常用数字量的位数表示。 相对精度用相对于满量程的百分比表示。 如8位A/D转换器,满量程为10V。 绝对精度为1/2×10/28=±19.5mV, 相对精度为l/28×100%≈0.39%。 4.转换时间 转换时间: 指启动A/D到转换结束所需的时间。 5.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,在一定温度范围内才能保证额定精度指标。 较好的转换器件工作温度为-40~85℃,差的只有0~70℃。 三、常用A/D转换器 (一)、8位A/D转换器ADC809 ADC0809采用逐次逼近方式,8通路8位A/D转换芯片,采用CMOS工艺,双列直插式封装器件。 主要特点: 分辨率8位;转换时间100s;温度范围-40~+85℃;可使用单一的+5V电源;可直接与CPU连接;输出带锁存器;逻辑电平与TTL兼容。 1.电路组成及引脚功能 组成: ADC0809有28条引脚。 原理框图如图。 2、工作原理 3、A/D转换器接口 (1)A/D转换器的接口设计 在A/D转换器接口硬件设计中,一般需要考虑如下几个问题。 ①输入模拟电压的连接 A/D的输入模拟电压可分为: 单端输入和双端差动输入(差动输入)。 单端输入: 正向信号,把VIN(-)接地,信号加到VIN(+)端; 负向信号,则把VIN(+)接地,信号加到VIN(-)端。 差动输入: 模拟信号加在VIN(-)端和VIN(+)端之间。 ②数据输出的方式 A/D转换器数据输出有两种方式: a.具有可控的三态输出门,数据输出线允许与系统数据总线直接相连。 b.不带三态输出门,数据输出线不允许和系统数据总线直接连接,必须通过I/O通道和CPU之间交换数据。 ③片选、启动、读写信号的设置 启动转换信号由CPU发出,有电平启动和脉冲启动两种方式。 片选、读写信号一般由3-8译码器的通道号以及微处理器的/IOR、/IOW经过适当的逻辑电路来连接。 ④转换结束信号及转换数据的读取 CPU可采用3种方式读取转换数据。 程序查询方式; 中断方式; 固定的延迟程序方式。 用这种方式时,要预先精确地知道完成一次A/D转换需要的时间。 CPU发出启动A/D命令之后,执行一个固定的延迟程序,延迟时间正好等于或略大于完成一次A/D转换所需的时间,延时到,即可读取数据。 (2)连接方式 对于CPU8086来说,可采用两种方式: 直接连接和用8255连接。 1 直接连接 2用8255连接 ★程序查询方式 查询方式程序框图如图。 程序清单如下: ADC: MOVDX,0383H MOVAL,0B2H;8255A口定义为选通输入方式 OUTDX,AL;B口为方式0输入方式, PC6、PC7为输出方式。 MOVAL,40H;PC6=1, MOVDX,0382H;设置C口 OUTDX,AL XORAL,AL OUTDX,AL;送复位脉冲,启动A/D ADC1: MOVDX,0381H INAL,DX TESTAL,01H;数据转换结束线变低电平? JNZADC1;否,等待 ADC2: INAL,DX TESTAL,01H;数据已准备好吗? JZADC2;否,等待 MOVDX,0382H MOVAL,40H;使PC6=1 OUTDX,AL;撤消启动信号 MOVDX,0380H;从PA口读数据 INAL,DX MOV[DATA],AL;存入DATA单元 HLT;暂停 ★中断方式读取数据,电路如图。 主程序和中断服务程序流程图如图。 程序清单: 主程序: START: CLI;关中断 MOVAX,0 MOVES,AX;设中断矢量 MOVDI,0BH*4 MOVAX,OFFSETINTR CLD STOSW MOVAX,CS STOSW MOVAL,34H;8259初始化 OUT21H,AL;允许IR3中断 MOVDX,0383H;8255初始化 MOVAL,OBOH;A口为选通输入方式, OUTDX,AL;B口方式0输出方式 MOVAL,09H OUTDX,AL;允许A口中断 STI;开中断 MOVDX,0381H MOVAL,00H;使PB0=0,启动A/D OUTDX,AL HERE: HLT;模拟程序 JMPHERE 中断服务程序; INTR: PROCNEAR PUSHAX PUSHDX PUSHDS;保护现场 MOVDX,0380H INAL,DX;读入数据 MOV[DATA],AL;存数据 POPDS POPDX POPAX;恢复现场 MOVAL,20H OUT20H,AL;送EOI命令 STI;开中断 IRET;中断返回 ENDP (二)、12位A/D转换器AD574 1、芯片特性 采用原理——逐次逼近式 内部有——三态缓冲器、时钟脉冲源和基准电源 输入电压——单路单极性或双极性 分辨率——12位 转换时间——25S 封装形式——28脚双列直插式 2、芯片各引脚功能 AD574的原理框图及引脚如图。 AD574真值表如表。 3、AD574模拟量输入电路外部连线 (1)单极性输入电路 (2)双极性输入电路 3、AD574的接口电路 例: 六、V/F转换器 电压/频率(V/F)转换技术是A/D转换的另一种形式,模拟量通过V/F转换成频率量送入计算机。 V/
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