微型计算机控制技术-第二章

1、第2章 输入/输出接口与过程通道2.8数字量输入与输出通道在微机控制系统中，除了要处理模拟信号以外，还要处理另一类信号，即数字信号，包括编码数字、脉冲信号和开关信号等。它们是以二进制的逻辑“1”和“0”或高、低电平出现的。如仪器仪表的 BCD 码，脉冲信号的计数，以及开关触点的闭合和断开、指示灯的亮和灭、继电器或接触器的吸合和释放、马达的启动和停止、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等等。 2.8.1光电耦合隔离技术在开关量控制中，最常用的器件是光电耦合隔离器（简称“光电耦合器”或“光耦”）。光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（一次侧）与信息接收输出端（二次侧）是电绝缘的，从而

2、对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰的能力，且速度高、价格低、接口简单，因而得到广泛应用。（a）二极管型 （b）三极管型 （c）双向可控硅型图2-48光电耦合器的几种类型图2-49光电耦合器应用电路典型的光电耦合隔离电路有数字量同相传递与数字量反相传递两种，如图2-50所示。（a）数字量同相传输 （b）数字量反相传输图2-50 光电耦合隔离电路2.8.2数字量输入通道数字量输入通道的任务是把外界生产过程的开关状态信号或数字信号送至计算机或微处理器，简称DI（Digital Input）通道。一、数字量输入通道的结构输入数字信号的类型不同，数字量输入通道的结构也不同。一般由输

3、入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成 。图2-51 数字量输入通道结构（1）TTL电平编码数字（二进制、十进制）。可将编码数字直接接到并行接口电路的输入端口上。对于可靠性要求很高的场合，输入数字信号可经光电隔离后再接到接口上。（2）脉冲列。假定脉冲频率不高，则可采用软件计数的方法，将脉冲信号加到并行接口的一个输入端，用查询方式或中断方式对输入脉冲计数。假定脉冲频率高，软件计数来不及处理，则需外加硬件计数器，比如使用可编程计数器/定时器8253就很方便。（3）如果输入的是来自操作台的按钮、转换开关、继电器或来自现场的行程开关等触点接通或断开的开关量信号。则首先必须经过电平转换电路，将触

4、点的通断转换成高电平或低电平，同时考虑滤波、防触点抖动以及采用光电隔离等措施。 在开关量输入电路中，常用的信号调理技术有电平转换、RC滤波、过电压保护、反电压保护、光电隔离等。（1）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号。（2）RC滤波是用RC滤波器滤除高频干扰。（3）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。（4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。（5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。二、触点抖动处理在机械式开关触点开始接触或脱离接触的瞬间，由于存在弹性使触点产生弹跳，输出的电信号会有抖动现象。抖

5、动持续时间在1020ms之间。为了消除由于触点的机械抖动而产生的信号振荡，一般可采取软件法或硬件法来消除这种抖动。软件法即通过软件延时，多次查询去抖动。当连续几次检测为同一电平时，才记入。硬件法一般都采取电容滤波来消除抖动。图2-52防抖动调理电路 三、典型的开关量输入信号调理电路（a）直流输入电路（b）交流输入电路图2-53开关量输入信号调理电路2.8.3数字量输出通道 数字量输出通道简称 DO（Digital Output），它的任务是输出数字信号驱动生产现场的设备。图2-54 数字量输出通道结构一、晶体管输出驱动电路1、普通三极管驱动电路 当驱动电流只有十几mA时，只要一个普通的功率三极

6、管就能构成驱动电路。图2-55小功率三极管驱动电路2、达林顿驱动电路当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中等功率继电器，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管组成的达林顿复合管构成，具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点，同时多对复合管也非常适用于计算机控制系统中的多路负荷。 ULN2003 是高耐压、大电流驱动阵列芯片，内部由7个NPN型达林顿管组成。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7k 的基极电阻，在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，

7、可用于驱动常见的小功率负载（如继电器、电磁阀、小直流电机、步进电机等）。若实际应用电路需要更大的驱动电流，可将多组单元驱动电路并联。（a）ULN2003内部结构示意图 （b）一组驱动电路的原理图图2-56 ULN2003内部结构ULN2003芯片内部集成有一个续流二极管，9脚（COM端）便是内部续流二极管的共阴极。当用2003驱动继电器时，可以省略掉保护继电器线圈的二极管。使用时只需将COM接到继电器电源端。如果负载是阻性的，9脚可以悬空。ULN2003第8脚是共地引脚，直接接地。图2-57 ULN2003常用驱动电路二、继电器输出驱动电路电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成，简称

8、为继电器。继电器方式的开关量输出是一种最常用输出方式。图2-58 继电器原理由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个续流二极管，为电感线圈提供一个电流泄放回路。 图2-59 继电器输出驱动电路三、固态继电器（SSR）驱动电路固态继电器（Solid State Relay，SSR）是一种新型的无触点开关电子继电器，它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法

9、比拟的优点，在计算机控制系统中得到广泛的应用。图2-60固态继电器结构原理图SSR的输入端与晶体管、TTL、CMOS电路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和断开负载。工作时只要在输入端施加一定的弱电信号，就可以控制输出侧大电流负载的通断。SSR的输出端可以是直流也可以是交流，分别称为直流型SSR和交流型SSR。直流型SSR内部的开关组件为功率三极管，交流型SSR内部的开关组件为双向晶闸管。交流型SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和移相型（非过零型）两种， （a）过零型 （b）非过零型图2-61交流型SSR类型图2-62固态继电器驱动电路五、晶闸管驱动电路晶闸管又称可控硅（SCR），是一

10、种大功率的半导体器件，具有用小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电机调速系统、调功系统、随动系统中应用广泛。晶闸管是一个三端器件，其符号表示如图2-63所示，（a）为单向晶闸管，有阳极A、阴极K、控制极（门极）G三个极。当阳、阴极之间加正压时，控制极与阴极两端也施加正压使控制极电流增大到触发电流值时，晶闸管由截止转为导通；只有在阳、阴极间施加反向电压或阳极电流减小到维持电流以下，晶闸管才由导通变为截止。（a）单向晶闸管 （b）双向晶闸管图2-63 晶闸管的结构符号图2-64双向晶闸管输出驱动电路2.9 I/O通道的抗干扰技术微机控制系统的工作环境往往比较复杂、恶劣，存在大量的电磁信号，

11、如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等，当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，轻者造成系统的不稳定，降低了系统的精度；重者会引起控制系统死机或误动作，造成设备损坏或人身伤亡。这对系统的可靠性与安全性构成了极大的威胁。影响计算机控制系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种干扰。进入I/O通道的干扰按照其对电路的作用形式，通常分为有串模干扰和共模干扰。下面分别说明其性质及其抑制方法。2.9.1串模干扰及抑制方法串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向干扰或正态干扰。产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合，长线传输的互感，空间电磁

12、场引起的磁场耦合，以及50Hz的工频干扰等。图2-65串模干扰示意图串模干扰的抑制方法（1）加入输入滤波器。 （2）对被测信号尽可能早地进行信号放大，以提高电路中的信号噪声比；或者尽可能早地完成A/D转换再进行长线传输；或者采用隔离和屏蔽等措施。（3）从选择元器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。 （4）可采用屏蔽双绞线或同轴电缆连接一次仪表和转换设备减少电磁感应。（5）利用数字滤波技术对已进入计算机的串模干扰进行数据处理，如可采用平均值法、中值法、一阶滞后滤波算法等滤除干扰信号。2.9.2共模干扰及抑制方法 共模干扰是指A/D转换器两个输入端上共有的干扰电压。图2-67共模干扰示意图

13、图2-68输入隔离因为在计算机控制系统中，被控制和被测试的参量可能很多，并且分散在生产现场的各个地方，计算机接收的信号或发出的控制信号与现场设备或对象之间一般用很长的导线连接，而导线上存在阻抗。因此，被测信号的参考接地点和计算机控制信号的接地点之间往往存在一定的电位差 。共模干扰常用的抑制方法： （1）利用双端输入的放大器作前置放大器，如AD521等。 （2）利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载和数字信号隔离，即“模拟地”与“数字地”断开，被测信号通过变压器或光电耦合器获得通路，而共模干扰不能形成回路而得到抑制。 三、数字量传输通道的干扰抑制 在工程设计中，对数字信号的输入信号的I/O可采取以下抗干扰措施。