第三章开关量输入输出通道1

第三章智能仪表的I/O接口3.1概述3.2开关量输入3.3开关量输出3.4模拟量输入3.5模拟量输出3.1概述

3.1.1I/O接口的作用和分类智能仪表的输入输出接口是微处理器与外部世界联系的通道。包括：开关量输入输出接口模拟量输入输出接口频率量输入输出接口音频、视频信号输入输出接口等本课程只介绍开关量输入输出接口和模拟量输入输出接口。3.1.2I/O接口的基本功能1、速度匹配： 锁存数据、传送联络信号。2、信号调理： 信号类型、电平或正/负逻辑转换。3、数据格式转换：并-串转换、A/D、D/A转换。4、信号隔离：为防止外界高电压干扰信号入侵MCU而采取的电气隔离措施。5、驱动放大：放大驱动信号以驱动多个逻辑部件或大功率执行部件。3.1.3输入/输出的控制方式

一、无条件传送方式MCUI/O外设数据数据直接进行数据传送（接口电路十分简单）二、条件（查询式）传送方式

查询状态输入/输出数据准备就绪？YN

先查询I/O设备当前状态，若准备就绪，则交换数据，否则循环查询状态。下图为输入端口的条件传送示意图。优点：可协调外设和CPU的时间差别，接口电路较简单。DB单片机AB数据端口状态端口外部设备I/O接口D0译码器R/W三、中断控制方式MCUI/O接口外设数据数据状态中断申请INT1当外设准备就绪，向CPU发出中断请求信号。CPU暂停当前程序，执行I/O操作。当I/O操作结束，CPU仍继续被中断的工作。3.2开关量输入3.2.1作用

开关量输入（DI）用于采集“逻辑信号”。比如现场来的开关信号，继电器闭合信号等。3.2.2无条件传送式DI

DI信号经过隔离保护、电平变换电路后直接送到MCU的某些I/O口线。MCU通过对端口的扫描来获取输入的状态。89C51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7隔离保护、电平变换电路3.2.2无条件传送式DI例：有6路开关量输入信号，设计输入接口。解：用MCS-51P1口做输入。

MOV A,P1 ；一次读入全部口线

……MOV C,P1.0 ；一次读入一条口线

……89C51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7隔离保护、电平变换电路3.2.3中断控制式DI

DI信号经过隔离保护、电平变换电路后送到MCU的某个I/O端口，外部设备通过一条信号线通知MCU外部信号已准备好。89C51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7隔离保护、电平变换电路INT1外设3.2.3中断控制式DI例：一个外部设备，有8路开关量输入信号，一路联络信号。设计输入接口。解：用MCS-51P1口做数据输入，外部中断1做信号联络输入。如上图。0013H：LJMP INT …INT: PUSH ACCPUSH PSWMOV A,P1 ；读入… ；相应的处理程序（略）POP PSWPOP ACCRETI3.2.4直接中断式DI

DI信号经过隔离保护、电平变换电路后送到MCU的某个I/O端口，同时通过一个或非门接在单片机的外部中断输入引脚上。任一路DI变高时引起中断。MCU通过读P1口判断中断是哪一路DI引起的。3.2.4直接中断式DI0013H： LJMP INT …INT：PUSH ACCPUSH PSWJB P1.1，DI1 ；若P1.1为高，执行程序DI1JB P1.2，DI2 ；若P1.2为高，执行程序DI2JB P1.3，DI3 ；若P1.3为高，执行程序DI3JB P1.4，DI4 ；若P1.4为高，执行程序DI4BCK:POP PSWPOP ACCRETIDI1：…LJMPBCKDI2：…例：有DI1~DI4共4条输入线，要求每个事件发生（对应输入线为高）时均能得到及时响应

3.2.4直接中断式DI中断式适用于下列情况：偶然发生的事件要求紧急处理的事件中断式适用于那些情况？3.2.5输入端口的保护仪表I/O端口直接与外部信号连接，容易受到输入信号线携带的高电压噪声的损害。所以，输入端口应采取适当的保护。常用的保护措施有：电平匹配限幅（电压）限流隔离一、电平匹配1常用IC和现场信号逻辑电平TTL：5V（±5~10%）CMOS：3~18V其它：24V，3.3V，3V，……2逻辑信号电平的匹配三极管电平转换芯片如74LVXC4245V2V1二、限电压保护右图是一种限压保护电路。该电路可将Vi’的信号电平控制在0-VD~VCC+VD之间。VD是二极管D1D2的管压降。二极管D1D2应选择导通速度快的开关二极管。三、限电流保护右图是一种限电流/限电压保护电路。该电路可将输入信号的电流限制一定范围内。Rs是PTC材料的自复保险丝。正温热敏电阻PTCR

（自复保险丝）简介以微量稀土元素掺杂而半导化的BaTiO3陶瓷在室温至一定温度范围电阻很小，到一定温度（相变温度）后电阻急剧上升，电阻变化可达105以上，这一特性称为正温热敏电阻效应，简称PTC效应，用该陶瓷制成的元件称为PTCR热敏电阻芯片。

PTC突变温度可以从-30℃到400℃范围调整，其应用遍及温度测量与控制，热保护，热补偿，恒温发热，限流，过流保护，液面，气流测量，电机启动，彩电彩显消磁，延时控制，非线性振荡等方面。四、隔离保护当信号源和仪表之间距离较大时，两地间地电位差会比较大，形成很大的共模电压。所以应在信号源和仪表之间采取隔离措施以保护仪表电路的安全。如图，当两地之间的地电位相差ΔV时，信号源的12V电压对于仪表来说就成为12V+ΔV了。而ΔV可能很大。四、隔离保护当信号源和仪表之间距离较大时，两地间地电位差会比较大，形成很大的共模电压。所以应在信号源和仪表之间采取隔离措施以保护仪表电路的安全。常用的隔离方式有：

光耦合：电气信号链路中间的一部分用光信号传递。常用的器件是光电耦合器。磁耦合：电气信号链路中间的一部分用磁信号传递。1光电耦合器光电耦合器（Optocoupler）由一个发光二极管和一个光敏三极管组成。其工作原理是：当Vi为高电平时，发光二极管发光，光敏三极管受光导通，Vo成低电平；反之，当Vi为低电平时，Vo成高电平（反相逻辑）。光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强．无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，因而在各种电子设备上得到广泛的应用。2磁耦合器磁耦合器用磁信号实现信号的电气隔离。如ADuM1404是4通道磁耦合数字隔离器。这种新的4通道数字隔离器仅用一颗单芯片，不需要使用多个分立器件，与现在普遍使用的光电耦合器相比，其印制电路板（PCB）面积缩小60％，每通道成本降低40％，功耗降低98％。非常适合各种工业应用，包括数据通信、数据转换器接口以及其它多通道隔离应用。磁耦合器的工作原理如下图所示:3.3开关量输出智能仪器仪表用于控制过程中，除了需要模拟输出信号外，还需要开关量输出信号。开关信号包括：指示灯的亮与灭继电器或接触器的吸合与释放可控硅的通与断阀门的打开与关闭等。一般情况下，输出信号应具备足够的功率驱动能力。

3.3.1开关量输出通道的一般结构3.3.2开关量输出的隔离当传输距离教远，或有潜在不安全因素时，需要隔离。隔离方法：

1光耦隔离： 优点：寿命长，速度快（与继电器比）

2继电器： 优点：驱动能力大（安培级） 缺点：寿命短，速度慢3.3.3开关量输出的驱动、晶体管输出、继电器、固态继电器一、晶体管输出单个晶体管注意放大倍数达林顿管场效应管二、继电器3.4模拟量输入3.4.0模拟输入（AnalogInput）电路一般性原理框图DBDBAB/RD/WRREADY模拟多路开关信号放大电路

译码器锁存器变换、保护电路ADC

输入启动逻辑MCUS/H本节介绍了模拟信号的采集技术。对于一个以单片机为核心的智能仪器系统来说，解决的是怎样将各类模拟信号变换成微型计算机能够识别和处理的二进制数字信号的问题。3.4.1I/V变换和限幅保护典型电路3.4.2模拟开关1工作原理3.4.3信号放大一、信号变换要求线性放大：Y=KX+B非线性放大：对数型开方型其它：如热电偶信号电源电压：决定输出信号范围,单双极性输入失调及其温度漂移系数：决定电路精度输入阻抗：输入阻抗不够高时要求信号源内阻很低共模抑制比：共模抑制比低时不宜做差分出入和加减运算带宽等。二、放大器的主要参数普通放大器：适合一般用途，价格低带自校准功能的放大器：克服失调

仪用放大器：输入阻抗高，共模抑制比高程控放大器：可以设置不同的放大倍数以适应不同的信号电压幅值隔离放大器：实现仪表和现场的电气隔离，消除高共模电压的危害特殊放大器：差分输出；对数输出…三、放大器种类的选择2程控放大器单片集成程控放大器LH00843隔离放大器3.4.4采样/保持器1作用：保持快速变化信号的指定时刻的大小2原理：3.4.5ADC1选择时主要考虑的因素：MCU内置，还是外置精度速度2常用ADC的种类：双积分型 10-14位逐次比较型 8-12位∑−∆型 14-24位3.4.6模入电路设计总结尽量选用带有所需模拟电路的单片机，以简化电路，提高产品可靠性，降低成本；如果可以，尽量用软件功能代替硬件功能。比如非线性信号的线性化；模拟电路和数字电路尽可能分开，并把模拟地和数字地分开，选择合适的地方一点接地。模入通道的精度是通道中各个环节共同决定的。选器件时应根据设计要求合理分配误差。3.5模拟量输出3.5.1概述前面已经介绍了模拟信号的采集技术。相反，将微型机处理后的数字信号，用于控制执行机构时，就必须考虑输出信号的形式。实际的工程应用中，根据不同的受控对象和具体要求，信号输出可以有多种，如模拟量、开关量、数字量等。本节研究模拟量输出。3.5.2模拟量输出方式智能仪器输出模拟量有两种主要方式：数模转换器权电阻网络/直接给出模拟电压PWM脉冲调宽，需接滤波器3.5.3D/A转换器及其接口一、DAC的工作原理DAC的输出：UO=-UR*D/(2N-1)二、并行DAC与MCU的接口三、信号隔离当需要在仪表和执行器之间进行隔离时：可以采用模拟输出端隔离和DAC