第2章-输入输出接口与过程通道-1概要.ppt

1、微型计算机控制技术,蒋荣华 E-mail: ,四川大学电气信息学院,Offfice:JC-B215,本章学习目的: 解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。,第2章 输入输出接口与过程通道,2.1 总线技术 2.2 总线扩展技术 2.3 数字量输入输出接口与过程通道 2.4 模拟量输入接口与过程通道 2.5 模拟量输出接口与过程通道 2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术 2.7 硬件抗干扰技术,输入输出接口与过程通道,什么是过程通道？,过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连

2、接通道。 包括 模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量(开关量)输入通道 数字量(开关量)输出通道,在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口。,接口(电路)-是计算机与外部设备交换信息的桥梁。 输入接口：外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机。 输出接口：计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。 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。,什么是接口？,简单接口电路, 接口芯片 并行, 串行 地址安排 速度匹配: 查询, 中断, 定时传送, DMA,问题：为什么要采用输入输出接口？,1 速度不匹配。(快速的CPU与慢速的

3、外设）,2 信号电平不匹配。,3 信号格式不匹配。(A/D,D/A),时序不匹配.(CPU与外设的同步与通信联络, 何时可以发送数据及接收数据）,信号的放大、采样、保持、电平转换、整形、驱动等,计算机控制系统的组成框图,自动控制系统的组成框图,1. 定义：就是计算机各模块之间互联和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。 解释：总线是指计算机中多个部件之间 公用的一组连线，是若干互连信号线的集合，由它构成系统插件间、插件的芯片间或系统间的标准信息通路。,2.1.1 总线的定义、层次结构及种类,2. 分类： 微处理器芯片总线（元件级总线） 包括数据总线、地址总线、控制总线、I2C总线、SPI总

4、线、SCI总线等； 内部总线（系统总线） IBM PC、ISA， PCI 、STD 和VME 外部总线 RS232和USB，IEEE-488，VXI，Centronics ，RS485,2.1.1 总线的定义、层次结构及种类,组成 数据总线：数据总线是外部设备和总线主控设备之间进行数据传送的数据通道。总线宽度表征数据传输能力 2. 地址总线：地址总线是外部设备与主控设备之间传送地址信息的通道。不同的总线对地址的分配不同,组成 控制总线：控制总线是专供各种控制信号传递的通道，总线操作的各项功能都是由控制总线完成的。控制信号最能体现总线特色。 4. 电源：电源+12V、-12V、+5V、-5V，是

5、系统必备总线，-5V用得较少，+5V要求大电流供电。PCI总线还有3.3V电源信号，这表现了计算机系统向低压发展的趋向，即电源的种类在向3.3V、2.5V、1.7V方向发展。,计算机的总线层次结构,总线在系统中的分布,2.1.2 PC/ISA/EISA总线简介,1.PC/ISA总线的发展2.ISA信号线定义,3.EISA（Extended Industry Standard Architecture）,PCI总线插槽,PCI引脚,2.1.3 PCI/Compact PCI总线简介,1.PCI总线的主要性能 2.其它性能,PCI(Peripheral Component Interconnect

6、)是美国SIG(Special Interest Group of Association for Computer Machinery)集团推出的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mby/s(峰值传输率为133Mby/s)。,3.PCI总线信号定义 主控设备49条，目标设备47条，可选引脚 51条（主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等），总引脚数 120条（包含电源、地、保留引脚等）。 4.Compact PCI总线,2.1.4 其它总线简介,1.PC/104总线 2.PC/104 plus总线 3.STD总线 (1)STD总线信号 (2)STD32总线,

7、STD总线,结构：56根引脚确切定义；小尺寸板子结 构；支持16位甚至32位数据传输。 优点：开放式系统结构；耐振动、冲击， 具有良好的坚固性和可靠性，适合 于工业测控场合的应用；机箱、插 件板结构简单、成本低。 缺点：边缘式印制插头接触不良 。,2.1.5 外部总线,外部总线：主要用于计算机系统与系统之间或者计算机系统与外部设备之间的通信。,外部总线分类,串行总线：RS-232、RS-485等,并行总线：IEEE-488、EPP,2.1.5 串行外部总线简介,1.RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线 RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。 （1）平

8、衡和不平衡传输方式 （2）RS-232C(P16),（3）RS-422A/ RS-485,RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-26V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。,（4）RS-485多点互连,2.1.5 串行外部总线简介,2.USB总线 （1）具有热插拔功能 （2）USB采用“级联”方式连接各个外部设备 （3）适用于低速外设连接,

9、补充：USB总线,USB接口是目前广泛使用的计算机接口，具有传输速度快使用方便的特点。 在应用单片机设计系统时，经常设计USB接口，便于数据的存储和传输。 常用USB芯片可以实现全部的USB协议层，不需要固件的参与，降低了用户编程难度。 硬件可实现同步模式的识别、并行/串行转换、位填充/解除填充、CRC校验/产生、PID校验/产生、地址识别和握手评估/产生。,PUIUSBD12管脚图,DA0DA7:双向并行数据线 SUSPEND:挂起与恢复 D+、D-:USB数据 EOT、DMACK:DMA功能,通用USB接口模块示意图,2.2 总线扩展技术,2.2.1 微型计算机系统I/O端口与地址分配 1

10、.I/O端口及I/O操作 接口电路内部设置若干寄存器，用以暂存CPU和外设之间传输的数据、状态和控制信息。(数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器)。,2.2 总线扩展技术,2.2.1 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 端口：CPU能够直接访问的寄存器，每个端口具有一个独立地址，作为CPU区分它们的依据。 数据端口：CPU与外设的数据交换，起数据缓冲作用 状态端口：指示外设的当前状态(ready, busy和error) 命令端口：存放CPU向接口发出的各种命令和控制字地址空间大小灵活，译码困难，输入输出效率低,2.2 总线扩展技术,2.2.1 微型计算机系统I/O端

11、口与地址分配 2. I/O端口编址方式 CPU通过端口地址实现对多个端口的读写选择。 统一编址:把端口看作特殊的内存单元和存储器统一编址(存储器映射) 独立编址：独立的I/O地址空间，采用专门的I/O指令访问端口(I/O映射) 译码简单，指令执行速度快，专门的I/O指令,独立编址方式的优点： 可寻址256个端口，执行IO指令时间短，译码电路简单 程序清晰易读 硬件设计简单 独立编址方式的缺点： 专门IO指令的功能有限，不如访问内存指令丰富； 增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。,2.2.2 I/O端口地址译码技术,把CPU送出的地址转变为芯片选择和端口区分依据的就是地址译码电路。 CPU执行输

12、入输出指令时，就进入I/O端口读写周期，端口地址有效I/O读写控制信号有效译码信号I/O读写 1.三种译码方式 线选法 全译码法 部分译码,PC工控机采用ISA总线时，主板上有多个板卡插槽。板卡可以在任意一个插槽插入。如何区分板卡？ 译码目的：区分不同的板卡及板卡内端口。 译码方法： 高地址与总线有关控制信号形成片选信号，用于选择芯片。 低地址选择芯片的端口。,2.I/O端口地址译码电路信号,译码过程：地址信号和控制信号 地址信号与控制信号组合产生对芯片或端口的选择信号。 不仅要选择地址范围，还要根据数据读写、数据宽度引入相应的控制信号,2.2.2 I/O端口地址译码技术,3.I/O端口地址译

13、码方法及电路形式,2.2.2 I/O端口地址译码技术,（1）固定地址译码,地址信号和控制信号的不同组合选择端口地址。 地址信号分为两部分：高位地址(CPU或控制信号)；低位地址直接连I/O接口芯片-内部译码-片内寻址。,I/O地址：3A0H-3A7H AEN是ISA总线上DMA周期的地址使能信号 缺点：同类板卡地址译码冲突,1)固定地址译码 按图译出3A0H3A7H连续8个地址。 选用3-8译码器138 地址线10根 最低3位地址线接 138的ABC引脚。 高7位地址 A9A8 A7A6A5A4A3 11 10100 及AEN通过门电路 组合后接到138的 三个控制端。,41,2）开关选择译码

14、 因为工控机可以插入各种板卡，同类的板卡地址可能冲突，一般设计成用户自行设置。 用一组逻辑开关和数据比较器 实现ISA板卡高位地址的选择与 设定。 数据比较器74LS688 当输入P7P6P5P4P3P2P1P0与 输入Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0 相等时，P=Q引脚输出为低。,42,A15A4确定板卡的基地址。其中A15A10作为比较器的输入，由6个DIP开关决定其数值。A3A0确定板卡内部地址。 DIP全部闭合时的地址： 000000 111110 xxxx = 3ExH Y0 地址： 3E0H/ 3E1H Y1 地址： 3E2H/ 3E3H,A0=?,2.2.3 基于ISA总线端口扩

15、展,板选译码,板内译码,总线驱动,端口及读写控制,44,2.2.3 基于ISA总线的端口扩展,8位数字量输入输出模板 1. 板选译码与板内译码 1）板选译码 开关W，74HCT688 Q2Q7接A9A4(高位译码) AEN控制74HCT688工作 74LS245双向数据驱动 在高位地址与开关位置一致时，74LS245工作。 DIR=0,输入；DIR=1,输出,45,2) 板内译码 在高位地址有效时，P=Q为低，使能74HCT138，对A2A1A0译码，选择四个端口之一。 端口地址分别是 端口1：基址+0 端口2：基址+1 端口3：基址+2 端口4：基址+3,46,2. 端口读写控制 138译码

16、输出 Y0, Y1, Y2, Y3 与 IOR，IOW组合 3. 总线驱动 DB：74HCT245 AB：负载不重，不加 驱动。 CB：只用到IOR, IOW， 用74HCT125驱动。,2.3 数字量输入接口技术,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。这里用三态缓冲器74LS244取得状态信息，如图所示。这是简单数字量输入接口。,2.3 数字量输入输出接口与过程通道,2.3.1数字量输入输出接口技术 1.数字量输入接口 收集生产过程状态信息控制量， 端口地址译码CS IN周期IOR 设片选端口地址为port 可用下列指令完成取数： MOV DX，por

17、t IN AL，DX,图2.4 数字量输入接口,在执行IN指令时，经过端口地址译码，得到片选信号/CS，同时产生信号/IOR，打开缓冲器，外部状态经总线到达CPU。,特点：简单，只能用无条件传送方式工作,8通道光电隔离数字量输入接口原理图,输入缓冲器,开关信号S1-S8通过光电耦合连接到244输入端。计算机通过有效地址（/CS），和读命令（/RD），将8个的开关信号读入CPU中。,用可编程芯片组成数字量输入接口,特点：电路复杂一些，数据传送方式灵活。,数字量输出接口技术,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，这时输出就需要锁存。可用74LS273作8位输出锁存口

18、，对状态输出信号进行锁存。这是简单数字量输出接口。,2.3.1 数字量输入输出通道,2.数字量输出接口 片选端口地址为port 完成数据输出控制的指令为： MOV AL，DATA MOV DX，port OUT DX，AL 74LS273有8个通道 可输出8个开关状态 并可驱动8个输出装置,2.3 数字量输入输出接口与过程通道,图2.5 数字量输出接口,在右图的电路中，273的CLK上升沿锁存数据。在执行OUT指令时, 经过端口地址译码，得到片选信号/CS，同时产生/IOW信号。两个信号都变低时，CLK也变低，Q=D,然后/IOW变高，CLK上升沿锁存输出。,特点：简单，只能用无条件传送方式工

19、作,8通道光电隔离数字量输出接口原理图,数据锁存器,计算机通过选择地址有效(/CS)和写有效(/WR)，将要输出的数字量信号写入U3(74LS574)数据锁存器中，再经光电耦合器U1、U2，驱动继电器J1-J4或指示灯LED1-LED4动作。,用可编程芯片组成数字量输出接口,特点：电路复杂一些，数据传送方式灵活。,2.3.2 数字量输入通道,1.数字量输入通道的结构,图2.6 数字量输入通道结构,主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码器等组成,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

20、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。,2.3.2 数字量输入通道,2、输入调理电路 （1）小功率输入调理电路 图示为从开关、继电器等接点输入信号的电路。将开关动作转换成TTL 电平信号与计算机相连。 （a）采用积分电路消除开关抖动的方法图 （b）为R-S触发器消除开关两次反跳的方法,图2.7 小功率输入调理电路,2.3.2 数字量输入通道,2、输入调理电路 （2）大功率输入调理电路 在高压和低压间用光电耦合器进行隔离，当电信号送入光电耦合器的输入端时，

21、发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ 0”。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。,图2.8 大功率输入调理电路,2.3.3 数字量输出通道,1、数字量输出通道的结构 主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码器电路等组成,图2.9 数字量输出通道结构,2.3.3数字量输出通道,2.输出驱动电路 (1)小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 功率晶体管输出驱动继电器电路因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电