第2章a总线接口与过程通道(new)

计算机控制技术黄国宏广东工业大学信息工程学院应用电子系第2章总线、接口与过程通道2.1总线及其标准2.2I/O接口2.1总线2.1.1总线的概念

所谓总线就是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。总线就是一组信号线的集合，用这个集合可以组成系统的标准信息通道，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信。2.1.2总线的类别

按其传送数据的方式可分为串行总线和并行总线；按应用的场合可分为芯片总线、板内总线、机箱总线、设备互连总线、现场总线及网络总线等；按用途可分为计算机总线、外设总线和控制系统总线；按总线的作用域可分为全局总线和本地总线；按标准化程度可分为标准总线和非标准化（专用）总线等。按使用位置可为分内部总线和外部总线。内部总线是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它按功能又可分为数据总线、地址总线、控制总线和电源总线四部分，每种型号的计算机都有自身的内部总线。

数据总线用于CPU与其他部件之间传送信息（数据和指令代码）。具有三态（高阻、“1”和“0”三种状态）控制功能，而且是双向传输的，即CPU通过数据总线可以接收来自其它部件的信息，也可以通过数据总线向其它部件发送信息。

数据线的宽度表示了总线数据传输的能力，反映了总线的性能。如ISA总线数据线是16位，PCI总线是32位或64位。1.数据总线

地址总线用来传送CPU要访问的存储单元或I/O接口地址信号。地址信号一般由CPU发往其它芯片，属于单向总线，但也具有三态控制功能。

地址总线的数据位数决定了该总线构成的微机系统的寻址能力。例如，ISA总线有24位地址线，可寻址16MB，PCI总线有32位地址线，可寻址到4GB。

地址总线的宽度视CPU所能直接访问的存储空间的容量而定。2.地址总线控制总线用于传输控制命令和状态信息。根据不同的使用条件，控制总线有的为单向，有的为双向；有的为三态，有的为非三态。比如，I/O读写信号、存储器读写信号和中断信号等等。控制总线是最能体现总线特色的信号线，它决定总线功能的强弱和适应性。3.控制总线

电源线与地线为挂在总线上的模块或设备提供了电能以及电流通路。电源的区别在一定程度上也体现了总线标准的特色。例如，ISA采用+12V和+5V，PCI采用+5V和+3V。一般来说，越是先进的总线标准，采用的电压越低。4.电源线与地线2.1.3采用总线的优点

1．简化了系统结构

2．简化了硬件与软件的设计

3．便于系统的扩充与更新

4．便于组织生产，提高产品质量，降低产品造价

5．可维护性好

不要打了，我再聊会就去学习了…2.2输入输出接口与过程通道接口:

是计算机与外部设备（部件与部件之间）交换信息的桥梁，它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。所谓标准接口，就是指明确定义了几何尺寸、信号功能、信号电平等的接口。实现这种联系所必需的全部电路称之为接口电路。CPU在与I/O设备进行数据交换时存在以下问题：1）速度不匹配。I/O设备的工作速度一般要比CPU慢许多，而且由于种类不同，它们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快很多。2）时序不匹配。各个I/O设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一。3）信息格式不匹配。不同的I/O设备存储和处理信息的格式不同，例如可以分为串行和并行两种；也可以分为二进制格式、ASCII编码和BCD编码等。4）信息类型不匹配。不同I/O设备采用的信号类型不同，有些是数字信号，有些是模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。基于以上原因，I/O设备一般不和微机内部直接相连，而是必须通过I/O接口与微机内部进行信息交换。接口的作用主要就是为了解决计算机与外部设备连接时存在的各种矛盾。其中接口1为程序存储器ROM接口；接口2为数据存储器RAM接口；接口3为打印机接口；接口4为显示器接口；接口5为键盘接口；接口6为系统间接接口；RS-232C为通用串行接口。

在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理后的结果还须变换成适合于对生产进行控制的信号量。这个在计算机和生产过程之间传递和变换信息的装置称为输入输出过程通道。过程通道

计算机控制系统的过程通道分为四类：

模拟量输入通道和模拟量输出通道

数字量输入通道和数字量输出通道

计算机控制系统组成框图数字量(开关量)信号开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。共同特征：这些信号的是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的，代表生产过程的一个状态。2.2.1数字量输入输出接口技术1、数字量输入接口（DI）对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量。作用：采集生产过程的状态信息。完成过程：

可以用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号。当在执行IN指令周期时，产生I/O()读信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器。

1G2G74LS244

输入接口

D0D1D2D3D4D5D6D7

1A11Y1

1A21Y2

1A31Y3

1A41Y4

1A51Y5

1A61Y6

1A71Y7

1A81Y8

IORCS图2.1数字量输入接口

PC总线设片选端口地址为port，可用如下指令来完成取数.MOVDX，portINAL，DX74LS244用来隔离输入和输出线路，在两者间起缓冲作用，它有8个通道可输入8个开关状态。

1G2G74LS244

输入接口

D0D1D2D3D4D5D6D7

1A11Y1

1A21Y2

1A31Y3

1A41Y4

1A51Y5

1A61Y6

1A71Y7

1A81Y8

IORCS图2.1数字量输入接口

PC总线当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。可以用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。2．数字量输出接口（DO）完成过程：经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生I/O写信号。

74LS273

CLR

CLK

输出接口

RESET

D0D1D2D3D4D5D6D7

PC总线

D1Q1

D2Q2

D3Q3

D4Q4

D5Q5

D6Q6

D7Q7

D8Q8

IOW

CS图2.2数字量输出接口

设片选端口地址为port，可用以下指令完成数据输出控制。MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL74LS273有8个通道，可输出8个开关状态，并可驱动8个输出装置。

74LS273

CLR

CLK

输出接口

RESET

D0D1D2D3D4D5D6D7

PC总线

D1Q1

D2Q2

D3Q3

D4Q4

D5Q5

D6Q6

D7Q7

D8Q8

IOW

CS图2.2数字量输出接口

2.3数字量输入通道1.数字量输入通道的结构

数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成。

PC总线

输入

缓冲

器

输入

调理

电路

地址译码器

来自生产过程

2.输入调理电路

数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。（1）小功率输入调理电路（2）大功率输入调理电路（1）小功率输入调理电路下图所示为从开关、继电器等接点输入信号的电路。开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械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这种振荡。+5V

C

K

R2

R1

采用积分电路的小功率输入调理电路

目的：把开关K的状态转化成二进制状态。原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相为1；断开K时，电容C充电，反相器反相为0。（2）大功率输入调理电路在大功率系统中，当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。

但是这种电路，由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。+5V

R2

R3

C

R1

+48V

光电隔离：通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号，在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可以互相的隔离。原理：当K闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为1。当K断开时，光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为0。其中，用R1、R2进行分压，C进行滤波，要合理选择参数。+5V

R2

R3

C

R1

+48V

2.4.3数字量输出通道1、数字量输出通道的结构

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等组成。

去生产过程

PC总线

输

出

锁

存

器

输

出

驱

动

电

路

地址译码器

图

2.6

数字量输出通道结构

在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。（1）小功率直流驱动电路

①功率晶体管输出驱动继电器电路2、输出驱动电路作用过程：当TTL电平为1时，晶体管截止，J不吸合；当TTL电平为0