讲义第二章输入输出接口与过程通道.doc

第二章 输入输出接口与过程通道接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机进行处理，计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备进行控制。尤其在工业过程的计算机控制系统中，输入输出接口无时无刻都在起着重要的作用，因为信息的交换是时刻发生的。过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道（AI），模拟量输出通道（AO），数字量（开关量）输入通道（DI），数字量（开关量）输出通道（DO）。在计算机控制系统中，工控机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。本章对工业控制机的输入输出接口和过程通道进行设计和分析。【补充知识】采用输入输出（I/O）接口的必要性：键盘，鼠标，磁盘，扫描仪，U盘等是大家熟悉的输入设备，而磁盘，CRT，打印机，绘图仪等则是最常见的输出设备。所有这些设备可以统称为计算机的外围设备，简称外设（Peripherals），或I/O设备。为了让这些设备能够按照计算机的要求有次序的输入或接收数据，CPU必须能够控制这些输入输出设备的启动和停止，以及了解它们的当前工作状态，并据此送出相应的控制命令。通常，我们把计算机与外设之间的这种交换数据，状态，和控制命令的过程统称为通信（Communication）。CPU与外设交换信息的过程，和它与存储器的交换数据一样，也是在控制信号的作用下，通过数据总线来完成的。但后者要简单的多。因为存储器芯片的存取速度与CPU是在同一数量级的，而且存储器本身具有数据缓冲的能力。因此，CPU可以通过数据总线方便，迅速的与存储器进行数据交换。而外设则不同，因为外部设备的种类繁多，要求也各不相同，容易带来以下许多问题，因此大多不能直接通过数据总线直接连接。1 速度不匹配。2 信号电平不匹配。CPU往往采用TTL电平页：1TTL: Transister-Transister Logic,晶体管晶体管逻辑，TTL电路的电源供电允许在正负5V加减10的范围内。与此对应的是CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor 互补型金属氧化物半导体)电路，其电源供电允许在正负5V到15V的范围内。而外设则是复杂的机电设备，不能用TTL电平来驱动，有各自专用的电源和信号电平。3 信号格式不匹配。有模拟量，数字量，电流量，电压量，串行，并行多种形式。4 时序不匹配。许多外设有自己的定时与控制逻辑。因此，I/O设备常常不能直接与CPU的系统总线相连，而必须设置专门的接口（Interface）电路来解决上述的问题。接口电路的基本功能除了解决上述4个矛盾之外，还应该能提供地址译码电路。CPU要与多个外设打交道，一个外设接口常包含若干个端口，而同一时刻CPU只能与某一个端口交换信息，只有被CPU选中的设备才能接收和发送数据，这就需要有外设地址译码电路。【补充知识】戴梅萼，微型机算计技术及应用，清华大学出版社，P1361 串行接口和串行通信，并行接口和并行通信许多外部设备和计算机是按照串行方式来进行通信的，就是说，数据是一位接一位进行传输的，在传输过程中，每一位数据都占据了一固定的时间长度。这种情况就需要用串行接口把这个外部设备连接到总线上。并行通信就是把一个字符的各数位用几条线同时进行传输。可编程串行通信接口8251A，可编程并行通信接口8255A2 全双工方式，半双工方式如果一个数据通信系统中，对数据的两个传输方向采用不同的通路，这样的系统就可以工作在全双工方式，可以同时进行发送和接受。在半双工方式中，输入过程和输出过程使用同一个通路。例如，计算机用串行接口连接显示终端，而终端带有键盘。一方面键盘上输入的字符送到主机内存；另一方面，主机内存的信息可以送到屏幕显示。前一个字符的回送过程和后一个字符的输入过程是同时进行的，即工作于全双工方式。从键盘打入的字符在发送到主机的同时就被送到终端上显示出来，而不是回送的方法。对于打印机这种单方向传输的外部设备，只用半双工即可。3 同步通信方式，异步通信方式同步通信时，将许多字符组成一个信息组，字符可以一个接一个的传输。在每组信息的开始要加上同步字符，没有信息要传输时，填上控字符，不允许有间隙。异步通信时，两个字符之间的传输间隔是任意的，每个字符的前后都要用一些数位作为分隔符。在传输率相同时，同步方式的信息有效率要比异步方式高。但同步方式下要求信息传输的双方有同一个时钟进行协调，必须传输时钟信号。而异步方式，接受方与发送方的时钟频率不必完全一样。2.1 总线技术2.1.1 总线的定义、层次结构及种类 所谓总线，就是计算机各模块之间互联和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。以微处理器为核心，总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。 片级总线是位于cpu芯片内部，用于连接芯片内各部件的总线，如寄存器，ALU及控制部件间的总线。包括数据总线、地址总线、控制总线等。 系统总线也称为板级总线，指计算机系统中各部分之间的连接总线。包括ISA、EISA、PCI总线。 外部总线主要是指通信总线，包括RS232C、RS485、IEEE-488、USB等。2.1.2 PC/ISA/EISA总线 1981年，62线的IBM PC总线诞生，是ISA总线的前身。1987年，IEEE正式制定了ISA (Industry Standard Architecture)总线标准。ISA总线共有98根信号线，数据线宽度为16位，地址线宽度为24位，总线时钟为8MHz。EISA (Extended Industry Standard Architecture)是为32位中央处理器设计的总线扩展工业标准。它总线宽度为32位，总线频率为16MHz。2.1.3 PCI总线 PCI(Peripheral Component Interconnect：外围部件互联)是美国SIG集团推出的64位总线，该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80MB/s。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路（北桥芯片）实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。PCI和ISA总线之间也通过桥接电路（南桥芯片）相连。2.1.4 RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线RS-232总线是目前广泛使用的串行通信接口标准。美国电子工业协会（EIA Electronic Industries Association）制定的串行接口标准。RS是英文Recommend Standard的缩写，推荐标准，232是标识号，C表示修改次数。25芯的标准接头。它有一系列的不足：数据传输速率局限于20KB/s；传输距离局限于15m；该标准没有规定连接器，有时互不兼容；接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号间产生干扰；每个信号使用一根导线，并公用一根信号地线，由于采用单端输入和公共信号地线，容易引进干扰。 RS-422A采用了平衡驱动和差分接收方法，解决了RS-232中存在的地电平的电位差问题。它需要两对平衡差分电路形成全双工传输电路。 RS-485是RS-422A的变型，为半双工工作方式。IEEE488并行通信总线页：3IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers,美国电气及电子工程师协会，一个美国的工程技术和电子专家成立的组织，但它因大量其他国家的会员而出名，致力于电子，电气，计算机工程领域的发展和研究，有大约175个国家的36万多名会员。其出版了大量高水平专业刊物和会议。也称为GPIB. General Purpose Interface Bus。总线电缆是一条无源电缆线，16条信号线和9条地线。通过总线互联的设备不超过15台。长度不超过20米，传输速率不大于500kbps，最多不过1Mbps。2.1.5 USB(Universal Serial Bus：通用串行总线) USB是新一代接口标准，是一种连接外部设备的机外总线，USB产生的原因在于新型电脑外设对计算机接口技术提出了更高的要求：要求高速的双向数据传输；要求免除总线扩展板卡，不必打开机箱连接外设；要求可热插拔，即插即用；可以方便地连接多台设备；可以免除设备外接电源。 USB的主要性能特点有： （1）具有热插拔功能。 （2）采用“级联”的方式连接各个设备。每个USB设备用一个USB插头连接到前一个设备的USB插座上，最多可达127个外设，两个外设间距离可达5m。 （3）可适用于低速外设连接。根据USB规范，USB1.1传送速度可达12MB/s，USB2.0传送速度可达120480MB/s。2.2 数字量输入过程通道在生产过程中有一类最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）信号。比如：开关的闭合和断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器的吸合与释放，电机的启动与停止，阀门的开关等等，这些信号的共同特征是它们都是有两个状态来工作的，这反映到计算机里就可以以二进制的逻辑“1”和“0”来表示，因此在计算机控制系统中，对应的二进制数码的每一位都可以代表生产过程中某一个二值设备的一个工作状态。本节就是研究如何把这类数字量信号通过输入过程通道输入到计算机中。2.2.1 数字量输入过程通道的结构输入调理电路图2.1 数字量输入过程通道结构数字量输入过程通道主要由输入缓冲器，输入调理电路，输入地址译码电路等组成，如图2.1所示。从图中可以看出，对于生产过程的开关量设备的状态信息首先要经过输入调理电路的处理，把开关量信号转换成计算机能够接受的逻辑信号，然后由输入缓冲器对其进行缓冲，在地址译码电路的协调下，在适当的时机把信号读入到计算机内部进行运算处理。2.2.2 输入调理电路生产过程中的状态信号的形式可能是电压，电流等。而且由于实际操作中可能会引起高电压，过电压，接触抖动不稳定等各种现象。为了将外部的开关量信号安全有效的输入到计算机，必须将现场的信号经过转换，保护，滤波，隔离等措施转换成计算机能够接受的逻辑信号，这些功能称为信号调理。图2.3 数字量输入接口74LS2445VKCR1R2图2.2 输入调理电路例：小功率输入调理电路图2.2为开关，继电器等接点输入信号的小功率输入调理电路。把接点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号和计算机相连。为了清除由于接点的抖动而产生的振荡信号，一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除。2.2.3 数字量输入接口（输入缓冲器）一般对生产过程中的数字量状态信息，常常采用三态门缓冲器74LS244来取得状态信息，如图2.3。当CPU需要输入数据时，在它的使能控制段G（或EN）给一个低电平脉冲，使它内部的各个缓冲单元接通，数据被送上总线。当使能端为高电平时，处在高阻态，相当于一个断开的开关。74LS244是一种8路的数据缓冲器，内部包括8个缓冲单元，被分为两组，分别由门控信号和控制。页：574LS244的内部实际分成了两组，其中门控信号控制1A11A4，门控信号控制2A12A4，门控信号为低电平有效，因此芯片上加一个圈表示。芯片的引脚排序判断方法，将芯片放正，一般来说从芯片的左上角的第一个引脚为1号引脚，然后逆时针依次排序，其右上角的引脚为最后一个引脚。如何判断芯片是正的，如正方形的芯片怎么判断上下？一般在芯片的上方会有一半圆，或者正面会写上芯片型号，或者一号引脚处有一圆点。2.3 数字量输出过程通道2.3.1 数字量输出过程通道的结构输出锁存器图2.4 数字量输出过程通道结构数字量输出通道主要由输出锁存器，输出驱动电路，输出口地址译码电路组成，如图2.4所示。从图中可以看出，计算机要想输出数字量信号去控制生产过程中的开关器件，首先要由CPU给出要输出的地址，然后把数据经过输出锁存器在合适的时机到来后输出给输出驱动器，由它转换成生产过程中需要的信号去控制现场设备。2.3.2 输出驱动电路计算机产生的TTL电平信号往往不能直接去控制生产过程中的各种设备，必须将其进行必要的转换，增强其驱动能力，这就用到输出驱动电路。图2.6数字量输出接口74LS273例：功率晶体管输出驱动继电器电路24VRD功率晶体管图2.5 功率晶体管输出驱动继电器J2.3.3 数字量输出接口（输出锁存器）常用74LS273等作为输出锁存器，如图2.6所示。锁存器具有暂存数据的能力，能在数据的传输过程中把数据锁住，然后在此后的任何时刻，在控制信号的作用下把数据发送出去。输入使能端G（书中CLK）和允许输出端(书中)，真值表如表2.1。表2.1 74LS273锁存器真值表输入使能端G允许输出端输入D输出QHLLLHLHHLL*（锁存状态）*H*Z（高阻态）2.4 模拟量输入过程通道2.4.1 模拟量输入过程通道的组成结构图2.7 模拟量输入通道的组成结构模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号变成二进制数字信号，经过接口送往计算机。图中，生产过程中的模拟信号，这些过程参数（温度，压力等）首先经过传感器转换为电参数（直流电压，电流等），再经各类变送器将不同的电信号转换为标准的010mA或420mA的统一信号，进入到模拟量输入通道来处理。首先将标准电流信号经I/V变换转换为电压信号，然后经多路开关选择性的进入到采样保持器，对信号进行采样量化和保持，最后由A/D转换器对其进行转换成数字量进入到计算机进行处理。2.4.2 I/V变换变送器输出的信号为010mA或420mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-型的输出信号标准为010mA，而DDZ-型和DDZ-S系列的输出信号标准为420mA。例 无源I/V变换。利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施。如图2.8所示。通过调整两个电阻的阻值即可实现电流I到电压V的变换。电平转换译码驱动电路ABCINHVSSVEEVDDX1X2X7X图2.9 CD4051原理图IR1D图2.8 无源I/V变换电路R2CV+5V2.4.3 多路转换器多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高过程参数的测量精度，对多路开关提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的导通电阻为零。此外，还希望切换速度快，噪音小，寿命长，工作可靠。常用的多路开关有CD4051，其原理如图2.9所示。它是单端的8通道开关，有三根二进制的控制输入端A,B,C和一根禁止输入端INH（高电平禁止）。片上有二进制译码器，可由A,B,C三个二进制信号在8个通道中选择一个，使输入和输出接通。而当INH为高电平时，不论A,B,C为何值，8个通道均不导通。其通道选择表如下：表2.2 CD4051通道选择表INHCBAX接通0000X00001X10111X71全不通2.4.4 采样保持器1 信号的采样按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0,T,2T,kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。采样定理（香农Shannon定理）：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为，只要按照采样频率进行采样，那么采样信号就能够唯一的复现原信号。实际应用中，常常取甚至更高。页：7这样做的目的一是保险，因为在采样时有可能漏掉某几个采样点，如果正好采用2倍的采样频率的话，有可能无法复原，再者有可能信号中存在着未知的干扰，其频率高于信号频率，因此可以采样频率采用高点。 2 采样保持器（1）孔径时间和孔径误差在A/D转换的过程中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，我们把完成一次A/D转换所需的时间称之为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，称之为孔径误差。（2）量化所谓量化，就是采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号，执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把范围内变化的采样信号，变换为数字0，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量称为量化单位。（3）采样保持器在A/D转换期间，如果输入信号的变化较大，（一是变换频率过快，二是受到外界干扰），在转换期间就会引起转换误差，此时就引入了采样保持器把信号保持住，一直等到A/D转换结束。采样保持器的功能在于使输入信号保持稳定，并且在需要的时候进行转换，减少由于信号变化而导致的转换误差。但需要注意的是，采样保持器并不是解决了实时性问题。2.4.5 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，它是将模拟系统和计算机连接的接口，在数据的采集和控制系统中得到了广泛的应用。因为在实际的生产过程当中，我们要检测的量常常不是开关式的，而是在某一范围内持续变换的模拟量，而且有时我们送出的控制信号也要求是连续量，比如电压的控制，温度等的采集。常用的A/D转换方式有逐次逼进式和双斜积分式，前者转换时间短（几个微秒几百个微秒），但抗干扰能力较差；后者转换时间长（几十个毫秒几百个毫秒），抗干扰能力强。在信号变化缓慢时，现场干扰情况严重的场合，宜采用后者。A/D转换器的主要技术指标有：（1） 转换时间：完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。（2） 分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位，12位，等。分辨率为n位表示它能对满量程输入的1/2n的增量作出反映，即数字量的最低有效位（LSB）对应于满量程输入的1/2n。若n8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于5.12V/2820mv。（3） 线性误差：理想的转换特性应该是线性的，但实际中往往并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。常用LSB的分数表示，如1/2LSB或1LSB。（4） 量程：所能转换的输入电压范围，如5V5V，010V。逐次逼近式A/D转换器原理：这类A/D转换器的原理是建立在逐次逼近的基础上，即把输入电压Vi同一组从参考电压分层得到的量化电压进行比较，比较从最大的量化电压开始，由粗到细逐次进行，由每次比较的结果来确定相应的位是1还是0。不断比较和比较之后，直到两者的差别小于某一误差范围时即完成了一次转换。这种逐次比较的过程与天平称重物体的过程很相似。若我们要用天平称量一个实际重量为27.4克的重物，天平具有32克，16克，8克，4克，2克，1克六种砝码。称量时，先从最重的砝码试起，称量过程可用表2.3来说明。经过6步操作后，天平基本平衡，由于最小的砝码是1克，没有更小的砝码可用，所以称量已经结束。结果为：表2.3 一个27.4克重物的称量过程次序n加砝码（克）天平指示操作记录132超重去码X1=0216欠重留码X2=138欠重留码X3=144超重去码X4=052欠重留码X5=161平衡留码X6=1结果与实际的重量之间的误差为0.4克，由于砝码是以二进制加权分布的，因此也可以用二进制码011011来表示该物体的重量。如果再增加0.5克，0.25克两种砝码，将使称重结果更精确。这时，相当于n8，即用8位二进制码01101101来表示称重结果，也就是27.25克，误差位0.15克。逐次逼近式A/D转换器就象一架电子自动平衡天平。以一个量程为5V的4位逐次逼近式ADC为例，用它来转换一个Vi=3V的电压量，由于n4，它有4个以二进制码表示的电子砝码，它们与电压量的对应关系如表2.4所示。表2.4 4个电子砝码与电压的对应关系代码相应的电压10005V212.5V01005V221.25V00105V230.625V00015V240.3125V图2.10 逐次逼近式A/D转换器的原理逐次逼近式A/D转换器的原理如图2.10所示。它由逐次逼近寄存器SAR，D/A转换器，比较器A，缓冲器等组成。SAR中包含一个移位寄存器，一个数据寄存器及决定去/留码的逻辑电路等几部分，它们在时钟脉冲CLK的作用下有次序的进行操作。D/A转换器用来形成电子砝码，送到比较器A的“”端。比较器相当于天平的杠杆和指针，它对“”端输入的模拟电压Vi和从“”端输入的电子砝码进行比较，如Vi大于所加的砝码，输出为1，SAR中的去/留码逻辑决定保留这个砝码，否则就去除这个砝码。对于Vi=3V，n4的情况，转换过程如下：在时钟驱动下，SAR中的移位寄存器的MSB位加码，其编码为1000。D/A转换器将其转换成2.5V电压，送到比较器A的“”端与Vi进行比较，由于2.5V3V，所以要去掉这位，本次比较结果为0。同理，可对第三，四位进行加码，比较。整个比较结果如表2.5所示。表2.5 4位逐次逼近式A/D转换过程（VR=+5V, Vi=3V）次序试探码D/A输出去留码本次结果110002.5V3V去1000310103.125V3V去1000410012.8125V3V留1001经过4次比较后，比较过程结束，最后在SAR的数据寄存器中的结果为1001，它就是Vi=3V所对应的数字量。它通过缓冲器输出，表示的实际电压为2.8125V。其误差为0.1875V，由于该A/D转换器的量化单位（1LSB）为5/240.3125V，这时的量化误差已小于1LSB。若要提高精度，可再增加几位，相当于用更小的电子砝码去进行比较。如换为8位的A/D转换器，则3V的输入电压可转换为二进制码10011001，表示的实际电压位2.98828125V，误差为0.01171875V。可见，增加位数后转换精度明显提高了。常用的8位 A/D转换器为ADC0809，是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼进式A/D转换器，转换时间为100微秒左右，线性误差1/2LSB，量化单位。2.5 模拟量输出过程通道2.5.1 模拟量输出通道的组成结构接口D/A多路开关采样保持器V/I和自动/手动切换采样保持器V/I和自动/手动切换PC总线通道1通道n图2.11 共用D/A转换器的模拟量输出通道结构模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键，它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，D/A转换器，V/I变换等部分组成。（1） 一个通路设置一个D/A转换器的形式在这种结构形式下，微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息，这是一种数字保持的方案。它的优点是转换速度快，工作可靠，即使某一电路D/A转换器有故障，也不影响其他通路的工作。缺点是使用了较多的D/A转换器。（2） 多个通路共用一个D/A转换器的形式（如图2.11）共用一个D/A转换器，所以必须在微处理器控制下分时工作。即依次把D/A转换器转换成的模拟电压通过多路模拟开关传送给输出采样保持器。这种结构的优点是节省了D/A转换器，但因为分时工作，只适用于通路数量多且速度要求不高的场合，还要用到多路开关。2.5.2 D/A转换器D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它的模拟量输出与二进制数成比例。主要技术指标有分辨率，建立时间，线性误差等。（1） 分辨率：通常用D/A转换器输入二进制数的位数来表示，如8位，12位。分辨率为n位，表示D/A转换器输入的二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。（2） 建立时间：输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值1/2LSB所需的时间，一般为。（3） 线性误差：理想的转换特性应该是线性的，但实际中往往并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。常用LSB的分数表示，如1/2LSB或1