第3章 计算机控制系统输入输出接口技术

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。 3.1.1 AD转换器主要参数AD转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。常用的AD转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。逐次逼近式： 转换时间短（几个微秒几百个微秒），但抗干扰能力较差。双斜积分式： 转换时间长（几十个毫秒几百个

2、毫秒），抗干扰能力较强。常用的逐次逼近式A / D换器 有8位分辨率的ADC0809，12位分辨率的AD574等。常用的双斜积分式AD转换器有3位半的MC14433，4位半的ICL7135等。 AD转换器的主要技术指标:转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。即数字量的最低有效位（LSB）对应于满量程输入的l2n。若n = 8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压为：5.12V2820mV。线性误差： 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。线性误差常用LSB的分数表示，如1/2L

3、SB或1LSB。量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V+5V，010V，05V等。对基准电源的要求：是否要外接精密基准电源。3.1.2 AD转换器的外部特性表所示各厂家的AD转换器芯片的转换启动和转换结束信号命名。 表3.1 几种AD转换器芯片的引脚对照表 芯 片 转换启动转换结束ADC0816（0809）STARTEOCAD 570（571）B 0ADC 0804 ADC7570START =1ADC11315CONVCMDSTATUS下降沿ADC1210 AD 574CE （R ）= 0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：

4、（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。 3.1.3 12位AD转换器芯片AD574AAD574A是分辨率为12位的AD转换器芯片，下图为其原理结构框图. 20VINMSBAGND 逐位 逼近寄存器 (SAR)8711115VDD272625242322212019181716 三态 输出 锁存缓冲器D7D6D5D4D3D2D1D0D11D10D9D82345620控制逻辑CS12/8A0R/CSTSEC D/A转换器 AD565A 10V基准电源10VINREF

5、INREF OUTBIP OFVEEVCCDGND101213149LSB时钟电路比较器+-10K5K5KAD574A结构框图 从使用的角度来看，任何一种AD转换器芯片一般具有以下输出信号线：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。 10Vin、20Vin、BIP OFF：模拟电压信号输入线， BIP O

6、FF引脚可接-5V（-5V+5V输入信号）或-10V（-10V+10V输入信号）。VDD、VEE：模拟电路电源输入线。AGND：模拟电路接地线。 VCC：数字电路电源输入线。DGND：数字电路公共接地线。 REF OUT：内部基准电源输出线。REF IN：AD转换基准电压输入线。 ：转换结束输出信号线。DO0DO11转换数据输出线， D0最低有效位LSB，D11最高有效位MSB。CE：片使能信号输入线。 ：片选信号输入线。AD574A各引脚特性如下： / ：读、起动转换控制信号输入线，当为高电平时；表示读取AD转换数据，当为低电平时，表示起动AD转换。12 ：12位、8位数据读取方式选择输入线

7、，当接在VCC上时，进行12位数据读取操作，当接在数字地上时，与A0信号配合，进行高8位、低4位数据读取操作。 A0：字节选择控制输入线，在起动AD转换时，为低电平，产生12位的转换，当为高电平时，只产生8位的转换。在读取数据操作时，此线为低电平，输出高8位的转换数据，当为高电平时，输出低4位的转换数据。接在VCC上，则不起作用。 R1. AD574与ISA总线是前62根信号线的接口用软件延时方法实现定时间隔的AD转换接口电路，如图下所示。当DIR=1时，即R =1时，系统通过74LS245读AD574转换结果。当DIR=0，即R/ 0时，系统用假定外设操作来启动AD转换。译码电路用A1A9，

8、 和 ，AEN参加译码， 0 n为读写端口，AEN为避开DMA操作时对AD574的误操作。100+5V+12V-12VAD574D7D6D0100D11D4CSY0Y1YnIOWAENA1A91OE74LS245DIR译码器&CE12/8REF INBIP OFF+15VISA总线-15V10VIN5VREF OUTR/CD5D4D3D2D1A0IORB7B0A7A0A0D3D2D1D0D7D61D5D10D9D8AD574与ISA总线前62芯插槽的连接系统地址A0接AD574的A0，当用偶地址假写AD574时，启动进行12位AD转换；否则，进行8位AD转换，当用偶地址读AD574时，读出高8

9、位，否则读出低4位。采集程序如下： MOV DX， n ； n为偶地址 OUT DX，AL ；假写外设操作，启动12位AD转换 CALL DELAY ；调用延时100s（35s或转换时间） 的子程序 MOV DX， n ； n为偶地址 IN AL，DX ；读高8位 MOV AH，AL ； MOV DX, n ； n为奇地址 IN AL，DX ；从数据总线D4D7位读入低4位 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） 采用如下图查询方式或中断方式实现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I

10、O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。 AD574与ISA总线的连接 MOV DX， 1 ； 1为偶地址OUT DX，AL ；假写外设操作，启动12位A/D转换 LOOP1： IN AL， 0 ；读入 AND AL，01H ；JNZ LOOP1 ；如果 = 1，未转换完，则循环MOV DX， 1 ；IN AL，DX ；从数据总线D0D11一次读入12位 二进制数据查询采集程序如下：3.1.5 模拟量输入通道模拟量输入通道的一般结构如下图所示 模拟量输入通道的组成结构 无源IV变换

11、电路 无源IV变换 如下图所示。对于420mA输入信号： 取 Rl100， R2250,（R2为精密电阻）当输入的I值为420mA时，输出的V值为15V。 CR3R1R2IDV+5V1. IV变换 有源IV变换如下图所示。取 R1200， R3100K， R425K，则420mA输入对应于15V的电压输出。 V+-CR4R3R1R5AR2I有源IV变换电路2. 多路转换器 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。CD4051的原理如下图所示，通道选择表如下。 CD4051原理图 4051真值表3. 可编程放大器 通用数据采集系统均支持多个模拟通道，每个模拟通道的

12、不一致，所以需引入可编程放大器。在MUX改变其通道序号时，放大电路也由相应的一组数字序列控制改变放大倍数。单运放可编程放大器 采样保持器的工作原理 必要性：AD转换器都需要一定的时间完成量化及编码的操作。在转换过程中，如果模拟量变化，将直接影响转换精度。在同步系统中，几个并联的量均需要取同一瞬时的值。作用 ：使输入到AD转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变。但转换之后， AD变换器的输入信号能够跟踪模拟量的变化。理想的采样保持器工作原理如下图所示。4. 采样保持电路最简单的采样保持电路是由一个电容器和一个开关组成，如图a 所示；典型的采样保持器电路如图b 所示。A。最简单的采样/保持电路B。

13、使用运放的典型采样保持电路采样保持器的作用如下： 稳定地保持模拟信号以便能够完成AD转换。 在测量中同时对若干个模拟输入量采样（每个输入需要一个采样保持电路）。 消除A/D转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。 1）采样保持器的作用正弦信号受AD转换时间的影响 解决的方法：就是在AD转换之前加采样保持器。将采样和转换分开，采样用极短的时间以保证信号的精度，AD转换在保持期间进行，以便有足够的时间完成。采样定理：只有采样频率大于最高信号频率的2倍，采样信号和连续信号（输入信号）的频谱才是相等的。连续信号和采样信号 2）采样保持器的主要参数 采集时间（捕捉时间）：指从采样开始到输出稳定之间的时间

14、。 转换速率：指输出变化的最大速率， 单位Vs。 孔径时间：从采样转入保持时，采样开关完全断开所需的时间。 下跌率（衰减率）：在进入保持阶段后，由于开关的漏电流及保持电容泄漏,输出电压会下降，以mVs表示。 3）常用的采样保持器芯片采样保持器可分为三种：单片型、混合型和模块型。 常用的集成单片采样保持器有LFl98/LF298LF398，三个系列工作原理相同，仅工作参数略有不同。它们通常采用DIP封装，LF398的典型连接如图下所示。8 7 4 6 2 1 R1 W LF 398 V0 Vi 1k电阻用来调节漂移电压。如果CH1000pF，采样精度为0.1的采集时间为4s，当CH时，同样精度的

15、采集时间为20s。由于保持电容的下降比在CH时为1mVms，并且与CH大小成线性反比，在转换时间较长且精度高的系统中应该用较大电容。当然较大电容带来的是采样时间加长，这对矛盾应该根据精度和AD转换时间折中选取。 LF398的典型应用 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

16、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。ADC30B的逻辑框图如下图所示。 2.DCS模拟量输入通道XDPS（Xin Hua Distributed Processing System）集散控制系统是新华控制工程有限公司推出的。其输入/输出卡的主要特点： 高性能，低功耗，智能化； 带CPU的卡件都设置了系统复位按钮，看门狗、延时上电、热插拔保护等电路； 带RS-232接口的卡件可进行动态测试和校验； 信号的输入、输出采用光电隔离，供电电源采用DC/DC隔离。AI模拟量输入卡件的主要功能是： 差分输入16通道电压范围有010V、0

17、20V、-55V、-10+10V等，转换精度12位； 输入信号隔离、可调放大倍数和放大器零点自动补偿； 提供与BC站控制卡的通信和RS-232串行通信接口。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SM331 AI 812位模块的电气原理如图所示。模块由AD转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒

18、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：mA，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 3.2.1 DA转换器主要参数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。DA性能的主要参数：

19、 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。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。3.2.2 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 DAC0

20、832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

21、压源输入线。DGND：数字电路接地线。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 （2）多个通路共用一个数模转换器的形式 共用DA转换器的结构2单极性与双极性电压输出电路 VREF RFB IOUT IOUT AGNDT DA PC总线 R1 R VOUT1 VOUT2 A2 A1 - + - + 2R 2R R3 R2 DA转换器的单极

22、性与双极性输出VOUT2为双极性输出，且可推导得到VOUTl为单极性输出，若D为输入数字量，VREF为基准参考电压，且为n位DA转换器，则有 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 . DA转换器DAC0832与ISA总线接口DAC083

23、2与ISA总线接口 在上 图中要求V0 输出方波，则可以如下编程： MOV DX，200H ； 0为端口地址 OUT DX，AL ；向DAC0832输出全0 CALL DELAY ；调用延时子程序DELAY（忽略） MOV AL，0FFH OUT DX，AL ；向DAC0832输出全1 CALL DELAY JMP LOOP1 LOOP1：MOV AL，00H1.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，0

24、10V 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15V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

25、。 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。典型的开关量输入输出通道结构如下图所示。开关量输出

26、/输入电气接口的主要功能: 滤波、电平转换、隔离和功率驱动.3. 3 开关量输入输出通道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 开关量输入隔离及电平变换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 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2中功率驱动电路驱动中功率继电器、电

27、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1IPC开关量输入输出通道开关量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）。3.3.4 IPC、DCS、PLC开关量输入输出通道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。光电隔