机电一体化第4章控制系统及接口设计(4.11输入／输出控制的可靠性设计)

1、第四章 微机控制系统及接口设计 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术第七节第七节 微机应用系统微机应用系统输入输出控制输入输出控制的可靠性设计的可靠性设计n光电隔离电路设计光电隔离电路设计n信息转换电路设计信息转换电路设计 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术 微机应用系统的输入输出是通过硬件电路和软微机应用系统的输入输出是通过硬件电路和软件共同完成的。对其硬件电路的要求是：件共同完成的。对其硬件电路的要求是： 能够可靠地传递控制信息，井能够输入有关运动能够可靠地传递控制信息，井能够输入有关运动机构的状态信息；机构的状态信息； 能够进

2、行相应的信息转换，以满足微机对输入能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入输出信息的转换要求，如输出信息的转换要求，如D DA A、A AD D转换、并行数字转换、并行数字量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配、电量与非量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配、电量与非电量之间的转换电量之间的转换h h弱电与强电的转换以及功率的匹配等弱电与强电的转换以及功率的匹配等， 应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。主要采用滤波技术、光能力，以提高系统的可靠性。主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。电隔离技术、屏蔽技术等。 5 5

3、控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术一、光电隔离电路设计一、光电隔离电路设计 光电隔离电路的作用主要有以下几个方面：光电隔离电路的作用主要有以下几个方面： 可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，用一套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，又由于光电韶合又由于光电韶合5S5S输入与输出端之间绝缘电阻非常大输入与输出端之间绝缘电阻非常大( (一一般为般为10101111一一10101313 ) )，寄生电容很小，寄生电容很小( (一般为一般为0 052pF)52pF)，因此，

4、干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到因此，干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。隔离作用。 可以进行电平转换。如图可以进行电平转换。如图457(a)457(a)所示电路，通过所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为l2vl2v。 提高驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件如达林顿提高驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件如达林顿输出和可控硅输出型光电耦合器件，不但具有隔离功能，输出和可控硅输出型光电耦合器件，不但具有隔离功能，而且还具有较强的驱动负载能力。微机输出信号通过这而且还具有较强的驱动负载能力。微机输出信号通过这种光电耦

5、合器件后，就能宜接驱动负载。种光电耦合器件后，就能宜接驱动负载。 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术 光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图所示。它们的向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图所示。它们的原理是相同的，即都是通过电原理是相同的，即都是通过电光光电这种信号转换，电这种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术 现以最简单的三极管型

6、光电耦合隔离器为例来说明它现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理，如图所示。的结构原理，如图所示。 输入信号（来自微机）（去执行系统）输出信号去微机来自机械系统GGVc+5vVc+12vVc+5vR1R1R2R274LS04a)b) 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术光电隔离时域检测电路光电隔离时域检测电路时域响应特性时域响应特性 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术 光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入输出特性，即存在着截止区、饱和区与线性区三入输出特性，即存在着

7、截止区、饱和区与线性区三部分。利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管部分。利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称对数字信号进行隔离。电磁干扰，简称对数字信号进行隔离。 例如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输例如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的入输出通道中的A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU或或CPUCPU与与D/AD/A转换器转换器之间的数字信号的耦合传送，都可之间的数字信号的耦合传送，都可用光耦的这种开用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔离。关特性对数字信号进行

8、隔离。 例如在现场传感器与例如在现场传感器与A/DA/D转换器或转换器或D/AD/A转换器与现转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送，可场执行器之间的模拟信号的线性传送，可用光耦的用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离这种线性区对模拟信号进行隔离。 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术 光耦的这两种隔离方法各有优缺点。光耦的这两种隔离方法各有优缺点。 模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响响A/DA/D或或D/AD/A转

9、换的精度和线性度。数字信号隔离方法转换的精度和线性度。数字信号隔离方法的优点是调试简单，不影响系统的精度和线性度；的优点是调试简单，不影响系统的精度和线性度； 缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因而在工程中使用的最多。而在工程中使用的最多。 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术 要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动光要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的同一个电源，必须分开敏管的电源不应是共地的同

10、一个电源，必须分开单独供电，才能有效避免输出端与输入端相互间单独供电，才能有效避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；另外，发光二极管的动态电阻很的反馈和干扰；另外，发光二极管的动态电阻很小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。因此，利小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。因此，利用光耦隔离器可用来传递信号而有效地隔离电磁用光耦隔离器可用来传递信号而有效地隔离电磁场的电干扰。场的电干扰。 为了适应计算机控制系统的需求，目前已生产为了适应计算机控制系统的需求，目前已生产出各种集成的多路光耦隔离器，如出各种集成的多路光耦隔离器，如TLPTLP系列就是常系列就是常用的一种。用的一种。 5 5 控制系统及接口设计

11、控制系统及接口设计- -接口技术接口技术光电耦合隔离电路应用光电耦合隔离电路应用 采用光电耦合器可以将微机与前向、后向通道以及采用光电耦合器可以将微机与前向、后向通道以及其它相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干其它相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机。扰信号进入微机。其他I/O接口多通道地址选择光电耦合光电耦合CPU后向接口光电耦合前向接口光电耦合A/DD/A或执行机构地址选择 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术 请同学们注意：请同学们注意： 在微机控制系统中，由于可采用的高功能集成元件端口在微机控制系统中，由于可采用的高功能集成元件端

12、口（输入（输入/ /输出接口）的性质常有所不同，因而所采用或设计输出接口）的性质常有所不同，因而所采用或设计的光电隔离电路也有所不同。在系统设计中，应依据实际情的光电隔离电路也有所不同。在系统设计中，应依据实际情况而定。况而定。 1 1）80318031芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路 Vc+5vGR1R2来自机械系统P38031 特点：特点：P3口作为准口作为准双向接口，当双向接口，当P3输入输入口被拉成低电平时，口被拉成低电平时，可直接由可直接由TTL或或MOS电路驱动；当外部信电路驱动；当外部信号为低电平时，号为低电平时，P3可可被拉成高电平直接与被拉

13、成高电平直接与光电耦合器连接。光电耦合器连接。 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术2）8031、8215、8255芯片匹配光电隔离接口电路芯片匹配光电隔离接口电路 特点：当接口作为输入口特点：当接口作为输入口时，端口为高阻抗输入，与时，端口为高阻抗输入，与8031的的P1接口与光电耦合接口与光电耦合器的输入连接相同；当器的输入连接相同；当P1和和P3作为输出接口（准双向接作为输出接口（准双向接口）时，高电平输出时对外口）时，高电平输出时对外泄漏的电流很小（零点几泄漏的电流很小（零点几mA）；低电平输出时对外）；低电平输出时对外泄漏的电流很大，泄漏的电流很大，P1

14、和和P3作作为输出接口。为输出接口。Vc+5v（来自微机）输入信号GR1Vc+12v输出信号R28255P182158031 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术3）8155、8255芯片匹配光电隔离接口电路芯片匹配光电隔离接口电路 特点：由于特点：由于8155、8255输出口可释放输出口可释放和吸收的电流较大，和吸收的电流较大，故可直接用高点平故可直接用高点平推动晶体管驱动光推动晶体管驱动光电二极管。电二极管。 在在8155、8255上上电复位（高阻抗状电复位（高阻抗状态）时，不使开机态）时，不使开机输出额外的信息，输出额外的信息，将晶体管硬拉成低将晶体管硬拉成

15、低电平。电平。（去执行系统）输出信号Vc+12vVc+5v（来自微机）82558155输入信号R3GR2R1R4VT 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术4）输出较大电流驱动的光电隔离接口输出电路输出较大电流驱动的光电隔离接口输出电路 特点：特点：采用达采用达林顿型驱动电路，林顿型驱动电路，可输出更大的电可输出更大的电流驱动输出设备。流驱动输出设备。Vc+5vR2（来自微机）82558155输入信号R1VTR3JGVcVD 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术5）提高普通光电耦合器光耦合速度的光电隔离接提高普通光电耦合器光耦合速度的光

16、电隔离接口输出（响应）电路口输出（响应）电路 特点：特点：可进一步可进一步提高普通光电提高普通光电耦合器光耦合耦合器光耦合速度。速度。GR0Vc+12VR4R5R2R1VT1VT2R3 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术6）V/FV/F转换器（转换器（LM331LM331）频率输出光电隔离接口输）频率输出光电隔离接口输出电路出电路 特点：特点：可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干扰可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干扰能力。能力。VccVssG1k1k815580318255T0/T1LM331Vss1kGLOGIO3.3k+Va)b)1LM331T 5

17、 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术二、信息转换电路设计二、信息转换电路设计(1) 弱点弱点/强电转换电路强电转换电路 微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经过功率放大后，才能驱动备类执行元件。来自微机开关量G功 放 电 路YAG功 放 电 路KDTG功 放 电 路KKMAC电 动 机G功 放 电 路KAC电 动 机 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术A相功放电路A相功放电路A相功放电路光电隔离电路I/O 接口微机步进电机（2）数字）数字/脉冲信号转换脉冲信号转换并行转换为串行并行转换为串行 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术 5 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计- -接口技术接口技术（3）数）数/模模(D/A)转换、模数转换、模数(A/D)转换转换