第3章 计算机控制系统输入输出接口技术

1、3.1模拟输入接口技术计算机控制系统的输入和输出接口(通常称为生产流程通道)是计算机与生产流程或外部设备之间信息交换的桥梁。第三章过程控制计算机的输入和输出接口可以分为模拟输出接口、模拟输入接口、交换机(数字)输入接口和输出接口。模拟输入接口通常包括接口电路、控制电路、模数转换器和电流电压(I/V)转换器等，其核心是模数转换器(AD)。3.1.1AD转换器主要参数、3.1.2AD转换器外部功能、表3.1显示了每个制造商的AD转换器芯片转换开始和转换结束信号命名。表3.1多个AD转换器芯片的针脚比较表。在满足转换速度和分辨率要求的同时，应注意AD转换器的连接特性，具体取决于AD转换器芯片的转换开

2、始信号是从电位开始还是沿脉冲开始。(1)AD转换器芯片上的转换开始信号是否以电位开始。(2)AD转换器芯片是否有用于输出数字量的三态门输出闩锁。(3)将数字正形式输出为二进制或BCD代码。3.1.312位AD转换器芯片AD574A，AD574A是12位分辨率的AD转换器芯片，下图是其原理框图。AD574A方框图，从使用的角度来看，任何AD转换器芯片通常具有以下输出信号线：1转换起始线(输入):系统控制器发送的控制信号，该信号有效，转换开始。2转换结束行(输出):转换后AD转换器发送的状态信号，用于中断或DMA传输或查询。3模拟信号输入线：单通道输入和多通道输入的转换对象。4数字信号输出线：由A

3、/D转换器向CPU数据线发送数字量。数据线的根数表示AD转换器的分辨率。3.1.4模拟输入接口设计，100，5v，12v，-12v，ad 574，D7，D6，d0，100，否则，执行8位AD转换，使用偶数地址读取AD574时读取高8位。否则，读取低4位。收集程序如下：MOVDX，n；n是偶数地址OUTDX，al；假外围操作，启动12位AD转换调用延迟；调用100s(35s或转换时间)的子程序MOVDX，n；n是偶数地址INAL，dx；高8位MOVAH读取，al；Movdx，n；n是奇数地址INAL，dx；从数据总线D4D7位中读取低4位2 .从AD574和ISA总线上的接口(查询方法)1 12

4、/5V，A/D一次读取转换的12位数据。2) A/D转换通过以下图查找或中断实现，转换结束信号STS从D0位读取。3)要向ISA总线通知16位IO读写操作，需要输出解码器并将其发送到AD574的终端。0是查询端口，1是AD574的片，使用地址行A0和1分别生成相应的奇数和偶数地址。AD574与ISA总线连接，查询收集程序如下所示。3.1.5模拟输入通道、模拟输入通道的典型结构如下图所示，模拟输入通道的配置结构、手动IV转换电路、手动IV转换如下图所示。420mA输入信号为Rl100、r22250、(r2的精密电阻)如果输入的I值为420mA，则输出的v值为15V。1 .IV转换，活动IV转换如

5、下图所示。带R1200、R3100K、R425K时，420mA输入对应于15V的电压输出。主动IV转换电路，2 .多路复用器多路复用器将各个输入信号依次或随机连接到公用放大器或A/D转换器。CD4051的原理如下图所示，通道选择表如下所示：CD4051原理图，4051真值表，3 .可编程放大器，通用数据采集系统由于每个模拟通道的不匹配，需要引入可编程放大器。在MUX中更改通道序号时，比例将由相应的一组数字序列控制更改。单个运算放大器、取样固定器工作原理、最简单的取样保持电路由电容器和开关组成，如图a所示。典型的采样固定器电路如图b所示。a .最简单的采样/保持电路，使用B. Op放大器的典型采

6、样保持电路，采样固定器工作如下：保持模拟信号稳定，以便完成AD转换。同时在测量中取样多个模拟输入(每个输入需要一个保留范例电路)。消除A/D转换器(如限制输出电压的尖峰)的输出瞬态。1)采样固定器的作用，正弦信号受AD转换时间的影响，解决方法是在AD转换之前添加采样固定器。分离采样和转换，采样使用非常短的时间来确保信号的准确性，AD转换在保持期间进行，以确保足够的时间完成。采样清理：仅当采样频率大于最大信号频率的2倍时，采样信号和连续信号(输入信号)的频谱相同。连续和采样信号，2)采样固定器的主要参数收集时间(捕获时间):表示从采样开始到稳定输出之间的时间。转换速度：输出变化的最大速度(单位对

7、单位)。光圈时间：与采样保持一致时，采样开关完全分离所需的时间。下降率(衰减率):由于保持阶段后交换机的泄漏电流和保持电容泄漏，输出电压降低到mVs。3)常用的取样固定器芯片取样固定器可分为单片、混合式和模块化三种类型。常用的集成单芯片取样固定器包括LFl98/LF298LF398，这三个系列的工作原理相同，只有工作参数略有不同。通常，DIP包LF398的典型连接如图所示。874，621、R1W、LF398、V0、Vi、1k电阻用于调整漂移电压。对于CH1000pF，采样精度为0.1的收集时间为4s，对于CH0.01F，相同精度的收集时间为20s。电容的降低率为CH0.01F到1mVms，与C

8、H大小成反比，因此，在转换时间长、准确度高的系统上，应该使用大电容。当然，较大的电容会导致采样时间延长，这些矛盾必须根据准确性和AD转换时间进行折衷。LF398的典型应用程序、3.1.6IPC、DCS、PLC模拟输入通道和1IPC模拟输入通道IPC模拟输入通道由PC总线接口、模板功能和信号调节三部分组成。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的PCHELPER系列模拟模板ADC30B特性：(1)以30kHz的速度将模拟信号转换为12位数字卷数据。(2)具有4个TTL级数字音量输入通道和4个数字音量输出通道。(3) 16个光绝缘数字音量输入通道和16个数字音量

9、输出通道(4)具有可编程计时器。ADC30B逻辑块图如下图所示。AI模拟输入卡电路图，为了调节放大器增益，AI使用捕捉改变放大，可编程放大器(PGA)具有总第三级放大器，其倍率总计为12。A/D使用ADC574A的三状态数据输出缓存直接与并行接口进行通信。通道切换通过电子交换机阵列完成。总共使用了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部件。3 .图3.18显示了PLC模拟输入通道SM331AI812位模块的电气原理。模块是由AD转换部件、模拟开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成的AD转换，以点为单位，SM331选项4文件积分时间：2.5mA、16.7m

10、A、20mA、100ms，其准确度为9，12，12，14位每个积分时间有400Hz、60Hz、50Hz、10Hz等4个积分时间分别设置为20ms的最佳噪声抑制频率F0，这是12位的转换精度，对50Hz的噪声干扰有很强的抑制效果。在我国，为了抑制工频和谐波干扰，一般选择20毫秒的积分时间，SM331812模拟输入模块的电路图、3.2模拟输出接口技术、3.2.1DA转换器主要参数、模拟输出接口由接口电路、控制电路、数字模拟转换器和电压电流(V/I)转换器等组成。DA性能的主要参数：1分辨率表示DA可以转换的二进制数字位数。2转换时间是在DA转换完成之前输入数值量，然后输出达到最终值并稳定所需的时间

11、。3精度是指DA转换器实际输出电压和理论值之间的误差。4线性也将模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。3.2.2DA转换器的输入和输出特性、DA转换器的输入和输出特性：1输入缓冲容量DA转换器是否具有用于存储输入数字量的三状态输入缓冲。2数据宽度DA转换器通常包含8位、10位、14位和16位。输出3电流型或电压型DA转换器是电流还是电压。4输入代码制是DA转换器可以接收的编码数字输入。5单极输出或双极输出。3.2.3DA转换器芯片DAC0832，DAC0832使用电流输出类型，电流稳定时间为1s，20针双列直插式封装的8位DA转换器。图3.19是DAC0832芯片的内部结构图。DAC083

12、2方块图，DAC0832针脚功能包括：D0D7:资料输入连接器转换，D0为最小有效位元LSB，D7为最大有效位元MSB。ILE:允许8位输入寄存器锁控制信号线。面片选择信号输入行。创建1: 8位输入寄存器控制信号线。写入2: 8位DAC寄存器控制信号线。传输转换数据线。IOUT1:电流输出1结束。IOUT2:电流输出2端子。Rfb:连接到外部运算放大器输出的标准电阻线，反馈电阻。VREF:基准电压源输入线。ANGD:模拟电路接地线。VCC:数字操作电压源输入线。DGND:数字回路地线。3.2.4模拟输出接口设计、模拟输出通道的任务是将计算机输出的数字量转换为模拟电压或电流信号，以驱动相应的执行

13、机构并实现控制目的。模拟输出通道通常由接口电路、DA转换器、VI转换等组成。1.模拟输出通道的结构样式是两种基本结构形式。(1)一条通路设置一个数字-模拟转换器的形式，一条通路设置一个DA-模拟转换器的结构，(2)多条通路共享一个数字-模拟转换器的形式，共享DA-模拟转换器的结构，两个单极性和双极电压输出电路，DA转换器的单极性和双极输出为05V、010V下图中显示的回路是具有初始值校正的010V到420mA的转换回路。3 .VI转换、VI转换电路、DAC0832具有8位寄存器，数据输入线可以直接连接到计算机数据总线D0D7。和2接地，由主缓冲区控制数据输入，如果1和1有效，则为D0D7转换数

14、据DA。4 .DA转换器DAC0832和ISA总线接口，DAC0832和ISA总线接口，1 .IPC模拟输出通道ADC40主板是CONTEC公司的PC-HELPER系列4通道模拟输出板，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个模拟输出通道。(3)输出模拟信号范围：10V、5V、010V或05V；4mA20mA。ADC40逻辑块图如下图所示。3.2.5IPC、DCS、PLC模拟输出通道、ADC40逻辑方框图、ADC40模拟输出电路、XDPS分布式控制系统的2DCS模拟输出通道、AO模拟输出卡组件的主要功能包括：8通道模拟输出，输出信号15V或420mA，准

15、确度12位，输出负载1k；每个通道信号都是完全隔离的。完成与BC工作站控制器卡的通信。下图是AO模拟输出卡的电气原理图。使用单独的电源模块为每个通道供电，以隔离每个输出通道的电信号。AO模拟输出卡电气原理图、3PLC模拟输出通道(模拟输出模块SM332)、(1)模拟输出通道下图是该模块的电气原理图。SM332AO412位模块电气原理图，(2)连接到SM332负载执行设备的SM332可以输出电压或输出电流。输出电压时，可以通过两种方式连接负荷：双线回路和4线回路。使用4线电路可以获得更高的输出精度。如下图所示。将负载连接至透过4线电路分离的模出模组。以两种状态显示的量称为开关量。数字正的输入和输

16、出也称为开关量。根据类型的不同，标高和电容式：标高类型为高标高或低标高。接点类型为接点封闭或接点切断。交换机输入和输出通道通常包括三部分：CPU接口逻辑、输入缓冲和输出闩锁、输入和输出电气接口，即交换机输入信号调理和输出信号驱动电路。典型的开关输入和输出通道结构如下图所示。开关输出/输入电气接口的主要功能：滤波器、电平转换、隔离和功率驱动器。3.3开关输入和输出通道、3.3.1开关输入和输出通道的一般结构、典型开关输入和输出通道结构图、3.3.2开关输入隔离和电平转换、信号电平转换方法如图a所示。实施此信号转换隔离的电路如图b所示。图a输入级别转换图b隔离和级别转换电路，3.3.3开关输出驱动

17、电路，在计算机控制系统中，开关输出经常需要控制不同设备的特定驱动器功能。1由低功耗驱动电路驱动发光二极管、LED、低功耗继电器等、电路的驱动容量1040mA、低功耗晶体管或集成电路驱动的驱动电路包括：下图显示了典型的低功耗驱动器电路。低功耗驱动电路、双功率驱动电路驱动期间需要50500mA的驱动能力，由电源继电器、电磁开关、dalington复合晶体管或中间功率晶体管驱动。目前，常用的darlington阵列驱动器(如MC1412、MC1413、MC1416等)可驱动中等电源负载。下图显示了MC1416的结构图和每个复合管道的内部结构。a)MC1416结构图b)复合管道内部结构MC1416 darlindton阵列驱动器，3高输出交流驱动器电路图3.37是固态继电器(SSR)的结构。过零检测电路在交流电压变为接近零状态时连接