数字量输入输出通道

数字量输入输出通道第一页，共三十七页，编辑于2023年，星期六2.1总线扩展技术2.1.1微型计算机系统I/O端口与地址分配

1.I/O端口及I/O操作（1）数据端口（2）状态端口（3）命令端口

CPU与外设之间的数据输入输出、联络、控制等操作，都是通过对相应端口的读/写操作完成的。

2.I/O端口编址方式（1）统一编址：把系统中的每一个I/O端口看作一个存储单元，与存储单元一样统一编址，不用设置专门的I/O指令。单片机采用这种编址方式。（2）独立编址：I/O端口单独编址，采用专门的I/O指令。80×86系列机。

第二页，共三十七页，编辑于2023年，星期六2.1.2I/O端口地址译码技术1.I/O端口地址译码电路信号译码电路不仅与地址信号有关，而且与控制信号有关。其中，ISA总线中，使用A0～A9、IOW、IOR等信号组合。第三页，共三十七页，编辑于2023年，星期六2.I/O端口地址译码方法及电路形式

译码方式（1）线选法：就是直接以某位地址信号作为芯片的片选信号。（2）译码法：就是使用译码器对高位地址进行译码，以其译码输出作为扩展芯片的片选信号。

I/O端口地址译码一般采用译码法，分为片选信号及I/O接口芯片内部端口寻址两部分：片选信号：采用部分高位地址线与CPU或总线的控制信号组合经译码电路产生片选信号；接口芯片片内寻址：部分低位地址连接到接口芯片，经芯片内部的译码电路实现接口芯片的片内寻址。第四页，共三十七页，编辑于2023年，星期六（1）固定地址译码该方法是PC系统板卡常用的方法图中：A9-A3=1110100B第五页，共三十七页，编辑于2023年，星期六

（2）开关选择译码图中；74LS688是比较器，地址总线上发出的地址和开关设置的地址相比较，如相等，比较器的输出端输出有效的低电平，该板卡被选中。ISA总线常采用此方法。A15-A0=000000111110A3A2A10B，Y0=03E0H。第六页，共三十七页，编辑于2023年，星期六2.1.3基于ISA总线端口扩展1.板选译码与板内译码2.总线驱动及逻辑控制3.端口及其读写控制第七页，共三十七页，编辑于2023年，星期六2.2数字量输入输出通道2.2.1数字量输入输出接口技术2.2.2数字量输入通道2.2.3数字量输出通道2.2.4数字（开关）量输入/输出通道模板举例数字量(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。

第八页，共三十七页，编辑于2023年，星期六2.2.1数字量输入输出接口1、数字量输入接口（DI）

三态门缓冲器74LS244(74HC,LVT,AHCT244) MOVDX,port

INAL,DX作用：采集生产过程的状态信息。完成过程：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。第九页，共三十七页，编辑于2023年，星期六2、数字量输出接口作用：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。

完成过程：用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。由于PC总线工业控制机的I/O端口写总线周期时序关系中，总线数据D0～D7比I/O写前沿(下降沿)稍晚，因此利用I/O写的后沿产生的上升沿锁存数据。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。利用74LS273可以锁存8个开关状态。

注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语言)第十页，共三十七页，编辑于2023年，星期六

锁存器74LS273(74LS373,573)

利用IOW上

升沿锁存

MOVAL,DATA

MOVDX,port

OUTDX,AL注：目前已有多种单片机无总线读写等控制信号第十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期六输

入调

理电

路输

入缓

冲器地址译码器生产过程ISA总线2.2.2数字量输入通道

1.数字量输入通道的结构

注意教材图2-6错误第十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期六2.输入调理电路生产过程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。

第十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期六

在开关输入电路中，主要是考虑信号调理技术，如电平转换，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滤波器滤出高频干扰。（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。第十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期六小功率输入调理电路－开关去抖电路

积分电路AOOAAO第十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期六－

R-S触发器消除开关两次反跳电路原理：当K在上时，输出上为1，下为0。当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。Q第十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期六

－R-S触发器去抖

第十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期六大功率输入调理电路

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。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。

第十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期六典型的开关量输入信号调理电路如下图所示。点划线右边是由开关S与电源组成的外部电路，（a）是直流输入电路，（b）是交流输入电路第十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期六

交流输入电路比直流输入电路多一个降压电容和整流桥块，可把高压交流(如380VAC)变换为低压直流(如5VDC)。开关S的状态经RC滤波、稳压管D1箝位保护、电阻R2限流、二极管D2防止反极性电压输入以及光耦隔离等措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入指令便可读取开关S的状态。比如,当开关S闭合时，输入回路有电流流过，光耦中的发光管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入信号为“0”对应外电路开关S的闭合；反之，开关S断开，光耦中的发光管无电流流过，光敏管截止，数据线上为高电平，即输入信号为“1”对应外电路开关S的断开。第二十页，共三十七页，编辑于2023年，星期六输

出驱

动器输

出锁

存器地址译码器生产过程PC总线2.2.3数字量输出通道

1、数字量输出通道的结构

第二十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期六数字量输出通道简称

DO通道，它的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。第二十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期六2、输出驱动电路

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。

对于低压情况下的小电流开关量，用功率三极管就可作开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。（1）小功率（10-40mA）直流驱动电路：第二十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期六功率晶体管输出驱动继电器电路

续流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器线圈产生的反电动势提供旁路通道，保护晶体管。

继电器包括线圈和触点。因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。

D的作用是泄流，通过D放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。

R=？（作用是限流）第二十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期六（2）中功率（50-500mA）直流驱动电路：中功率晶体管，达林顿驱动器

当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中功率继电器、电磁开关等装置，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，它具有高输入阻抗、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。

常用的达林顿驱动器有：MC1416，7路驱动，带保护二极管。ULN2803第二十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期六达林顿阵列驱动器MC1416的结构图与每对复合管的内部结构如下图：MC1416内含7对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达500mA，截止时能承受100V电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二极管D2抑制高电位上发生的正向过冲，D1、D3可抑制低电平上的负向过冲。第二十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期六第二十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期六（3）大功率（500mA以上）直流驱动电路：达林顿驱动器

，固态继电器，场效应管。

固态继电器SSR（SolidStateRelay）是一种新型的无触点开关的电子继电器，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比拟的优点，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。第二十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期六

固态继电器SSR是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端。左图所示为其结构原理图，共由五部分组成。光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离；控制触发电路是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通；电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源；吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，一般由RC串联网络和压敏电阻组成；零压检测电路是为交流型SSR过零触发而设置的。第二十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期六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，就可以控制输出端大电流负载的通断。

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。而交流型SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广泛的是过零型。

过零型交流SSR是指当输入端加入控制信号后，需等待负载电源电压过零时，SSR才为导通状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，SSR才为断开状态。移相型交流SSR的断开条件同过零型交流SSR，但其导通条件简单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何，立即导通。

第三十页，共三十七页，编辑于2023年，星期六交流型SSR主要用于交流大功率控制。一般取输入电压为4－32V，输入电流小于500mA。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在1A－100A范围内，电压多为380V或220V。下图为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线Di输出数字“0”时，经7406反相变为高电平，使NPN型三极管导通,SSR输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备RL。直流型SSR的输入控制信号与输出完全同步。直流型SSR主要用于直流大功率控制。一般取输入电压为4－32V，输入电流5－10mA。它的输出端为晶体管输出，输出工作电压为30－180V。第三十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期六第三十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期六教材中给出的交流型SSR用法如下图；

图中零交叉电路在交流电过零时产生

触发信号，减少干扰。

器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。(如：MOC3040/3041)

第三十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期六在实际使用中，要特别注意固态继电器的过电流与过电压保护以及浪涌电流的承受等工程问题，在