第二章 输入输出接口技术和输入输出通道.ppt

1、,本章学习目的: 解决微型计算机和外部设备的连接问题，使计算机和外部设备构成一个整体，能够正确、可靠、高效率地交换信息，这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。,第二章 输入输出接口技术和输入输出通道,内容提要,概述 I/0接口设计 模拟量输出通道 模拟量输入通道 开关量输入输出通道 I/O通道的抗干扰措施,2.1 概述 1、接口、通道及其功能 1)IO接口电路 是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完成信息交换。 2)输入输出接口技术 研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。 输入输出接口 简称“接口”,3)IO通道 IO通道也称为过程通道。它是计算机

2、和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。,模拟量输入和输出通路主要功能 实现模拟量与数字量之间的信号变换。,模拟量输入通道 模拟量输出通道 开关量输入通道 开关量输出通道,2、IO信号的种类,通常有三类信息：,数据信息,数字量 模拟量 开关量,状态信息,控制信息,3、计算机和外部的通信方式,并行通信：,串行通信：,把一个字符的各数位用几条线同时进行传输,传送速度高，成本高,距离短。,数据按位进行传送,传送速度低，成本低,传送距离长，几十至几千米。,串行通信,全双工方式,半双工方式,同步通信,异步通信,全双工方式:,能沿相反两个方向同时传送数据信息。,半双工方式:,数据信息可沿数据传输线的两个方

3、向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。,异步通信方式ASYNC（Asynchronous Data Communication) 用1个起始位表示传送过程的开始。一次只传送一个字符。 停止位(1、1.5或2位), 一帧信息（10、10.5或11位）。,同步通信方式SYNC（Synchronous Data Communication) 用1个或2个同步字符表示传送过程的开始。每次传送n个字节的数据块。,2.2 I/O接口设计,一.I0接口的编址方式,I0接口与存储器独立编址方式 I0接口与存储器统一编址方式,1. I0接口与存储器独立编址方式,存储器传送方式: MOV BUF,AL MOV B

4、UF,AX MOV AL, BUF MOV AX, BUF,I/O接口传送方式: IN AL,n OUT n,AL IN AX,n OUT n,AX IN AL,DX OUT DX,AL IN AX,DX OUT DX,AX,软件： 存储器 ：访内指令。 I/O接口：专用的输入输出指令。,存储器传送方式: MOV BUF,AL MOV BUF,AX MOV AL, BUF MOV AX, BUF,I/O接口传送方式: IN AL,n OUT n,AL IN AX,n OUT n,AX IN AL,DC OUT DX,AL IN AX,DX OUT DX,AX,独立编址方式的优点： 可寻址64K

5、个端口，执行IO指令时间短，译码电路简单 程序清晰易读 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。,2I0接口与存储器统一编址方式,又称存储器映像方式: 把所有的I0端口作为存储单元，每个外围设备的端口都给予相应的一个16位地址号。,统一编址方式的优点： 数据处理能力强 输入输出部分可以和存储器部分共用译码和控制电路 CPU不需区分访内操作及访问输入输出操作的控制信号，可以相应减少引脚 统一编址方式的缺点： 每个IO操作需全字长地址译码，整个指令执行时间较长. 程序中较难区分IO操作,难于阅读与调试程序. IO端口占用了存储空间地

6、址,二.通过IO接口芯片,CPU和外围设备的连接,接口芯片和CPU之间必须连接的信号有下列4类：,数据信号D0D7 读写控制信号 片选信号和地址线 时钟、复位、中断控制、联络信号,三. IO接口扩展 1. 地址译码器的扩 展 使用译码器的 目的? 译码器 常用的译码器有：四中选一、八中选一、十六中选一。,74LSl38扩展地址译码器,例：采用74LSl38作地址译码器设计的微机主机板接口子系统地址译码电路。,2. 负载能力的扩展 - 应用接口芯片 常用的： 74LS244单向三态门 74LS373(74LS273)三态输出锁存器 74LS245三态输出八总线收发器,74LS245三态输出八总线

7、收发器,四. IO接口设计的方法、步骤及设计举例 1. IO接口设计的方法、步骤 IO接口设计步骤 了解常用外围设备或被控设备与CPU之间信息交换的要求； 考虑硬件和软件的功能分配； 进行IO端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配； IO接口硬件电路的扩展设计； IO接口控制软件设计； 进行接口硬件和软件联调。, IO接口扩展的方案选择: 购置多功能IO接口板 自行设计IO接口电路 采用通用的大规模集成电路接口芯片扩展IO接口电路 采用普通的缓冲器、锁存器和译码器等集成电路扩展IO接口 2.IO接口设计举例一,设计8088CPU微机系统IO接口电路，有8组8位的数字量外部输入，8组8位的

8、控制和显示数据输出到外部。8个输入端口地址号为E8HEFH，8个输出端口地址为F0HF7H。,设计要求：,设计：,A7A6A5A4A3A2A1A0 1 1 1 0 1 IN AL, 0E8H,1 1 1 1 0 X X X,OUT 0F0H, AL,设计8088CPU微机系统IO接口电路，有8组8位的数字量外部输入，8组8位的控制和显示数据输出到外部。8个输入端口地址号为E8HEFH，8个输出端口地址为F0HF7H。,3.IO接口设计举例二 设计要求：,设计8086最小模式系统接口电路，采用8255A作为连接打印机的接口，指定8255A的A、B、C和控制端口的地址号分别为FFF8H、FFFAH

9、、FFFCH和FFFEH。,设计：,以程序控制方式设计,A7A6A5A4A3A2A1A0 1 1 1 1 1 X X X,FFF8H(A端口)、FFFAH(B端口)、FFFCH(C端口)、FFFEH(控制端口),4.IO接口设计举例三,模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量输入通道 数字量输出通道,IO通道分为：,开关量？,2.3 模拟量输出通道,功能：把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中 的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。 组成：DA转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤 波电路和功放电路。,一.模拟量输出通道结构形式的分类,2、多路DA的结构形式,1、多个输出通路共用

10、一个DA转换器的结构形式,常用于高速系统,常用的形式,二.数模(DA)转换的基本工作原理 作用：把数字量转换成模拟量。 按工作方式可分成：并行和串行两种。 1. 并行DA转换器的工作原理 DA转换器由电阻网络和运算放大器组成。,T 型电阻网络的DA转换器:,反相端作输入电压：,电路工作原理： 输入信号为001,输入的信号为010,流经负载电阻的电流表达式为：,2.串行DA转换器的工作原理,采用步进电动机的DA转换器,步 数 1-允许脉冲通过 计数器 0-不允许脉冲通过,三.DA转换器的性能指标 1分辨率 定义：当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。 对于一个n位的DA转换器其分辨率为：,

11、例如：对于满刻度值5.12V，单极性输出， 8位DA转换器的分辨率为：5.12V/(28-1)20mV l0位DA转换器的分辨率为：5.12V/(210-1) =5.12V/1023 5mV 12位DA转换器的分辨率为：5.12V/(212-1)=5.12V/4095 1.25mV,2.稳定时间 定义：数据变化量是满刻度时，达到终值1/2LSB时所需要的时间。,3输入编码 一般为二进制编码、BCD码、符号-数值码等。,定义：在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差。,5工作温度范围 较好的DA转换器工作温度范围为-4085，较差的为070。,4线性误差,四.D/A转换器及其接口电路 为了满足

12、速度、精度、分辨率及经济性能要求的有： 通用、廉价的D/A转换器：AD1408、AD7524、AD558。 高速、高精度D/A：AD562、AD7541。 高速D/A：AD561、DAC-08。 高分辨率D/A：DAC1136、DAC1137等。 为了应用的灵活性，有： 可选择输出电压双极性的：AD7524、AD7542。 芯片内带有数字寄存器可与CPU数字总线直接相连的 AD558、AD7524。,1、8位DAC0832芯片及接口电路 1）外部结构特征 采用20引脚、双列直插式集成电路芯片。 主要参数：分辨率8位，电流稳定时间1s，电流 输出，与TTL电平兼容；功耗20mW。,2）内部结构及

13、原理,单缓冲、双缓冲或直通数字数据输入方式,D0D7：数字信号输入端ILE：输入寄存器允许，高电平有效CS：片选信号，低电平有效WR1：写信号1，低电平有效XFER：传送控制信号，低电平有效WR2：写信号2，低电平有效IOUT1/2：DAC电流输出端Rfb：集成在片内的外接运放的反馈电阻 Vref：基准电压（-1010V）Vcc：源电压（+5+15V）AGND：模拟地NGND：数字地，可与AGND接在一起使用,3）DAC0832输出方式,电压输出方式 电流输出方式, 电压输出方式,单极性电压输出方式,双极性电压输出电路, 电流输出方式,量程选择：010mA直流电流 420mA直流电流,4）接口

14、电路, 用锁存器连接 用可编程并行口8255连接 直接连接, 用锁存器连接,MOV DX,0380H OUT DX,AL, 用可编程并行口8255连接,DAC: MOV DX,0383H MOV AL,80H OUT DX,AL MOV AL,DATA MOV DX,0381H OUT DX,AL XOR AL,AL MOV DX,0380H OUT DX,AL OR AL,01H OUT DX,AL HLT,汇编程序：,A口地址:0380H ; B口地址:0381H; C口地址:0382H;控制寄存器地址:0383H, D/A与CPU直接连接,D7D0,OUT DX,AL,2、12位DA转换

15、器-DAC1210芯片 1）DAC 1210的主要性能指标 DACl210是双列直插式24引脚集成电路芯片。 主要技术指标： 输入数字为12位二进制数字； 分辨率12位； 电流建立时间1s； 供电电源+5+15V(单电源供电)； 基准电压VREF范围-10+10V。,2）DAC 1210引脚说明, 特点： 单缓冲、双缓冲或直通数字数据输入方式 与TTL逻辑电平兼容。,与DAC0832的两点区别 ：, 它有12条数据输入线 可用BYTElBYTE2控制数据的输入,3) DACl210与CPU的连接(一),DAC:MOV DX,0381H MOV AL,DATA OUT DX,AL DEC DX

16、MOV AL,DATA+1 OUT DX,AL MOV DX,0384H OUT DX,AL HLT,DACl210与CPU的连接(二),2.4 模拟量输入通道,主要组成： 信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、AD转换器及控制电路。,任务：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。,一、信号处理装置 组成：标度变换器、滤波电路、线性化处理等。 标度变换器：把经各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一标准信号。 滤波电路：滤掉或消除干扰信号，保留或增强有用信号。 线性化处理：有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。 所以必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。,二

17、、采样单元 作用：把各路模拟量分时接到AD转换器进行转换，实现 CPU对各路模拟量分时采样。 组成：开关矩阵及逻辑控制电路。 开关矩阵 模拟开关的组合 逻辑控制电路 在软件或通道控制电路的控制下，以一 定速度，按顺序输入被测模拟信号。,采样过程:,用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。,香农(Shannon)定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为max，只要按照采样频率S2max进行采样，那么取出的样品系列(f1*(t)，f2*(t)，)就足以代表(或恢复)f(t)。,CD405l,组成： 逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路。,主要特性： 直流供电电源：VDD+

18、5V+15V， 数字信号电位变化范围：315V 输入电压：UIN0VDD， 模拟信号峰峰值：15V,单片多路开关CD4051真值表,CD405l的应用：(差动式输入采样开关),三、采样保持 功能：对变化的模拟信号快速采样，并在A/D转换过程中保持 模拟信号。,两个工作状态： 采样状态 : “ 1 ” 保持状态 : “ 0 ”,采样保持集成芯片LFl98,主要特性： 供电电源：5V 18V； 信号获取时间： 0.01F 时, 25s； 可以和TTL、MOS、 CMOS逻辑输入兼容； 典型保持电容： 1000pF、0.01F,四、数据放大器 把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的 AD 转换器

19、输入电平。,五、AD转换器 功能: 把通道输入的模拟量转换成数字量，通过 I/O接口电路送入CPU。,AD转换的方法,计数器式: 速度和精度都较低 双积分式: 精度高、速度低 逐次逼近式: 速度和精度都较高,组成：计数器、DA转 换器及比较器,特点：结构简单，价格便 宜，但转换速度和 精度都比较低。,(1) 计数器式AD转换器,1.A/D转换的基本工作原理,组成：,逐次逼近寄存器SAR DA转换器 比较器 时序（时钟） 置数选择逻辑,工作过程：,如果UiUO，应予保留； 如果UiUO，应予清除。,(2) 逐次逼近式AD转换器,例： 设：数码寄存器为4位， 满刻度值1v ，Vi=0.65v， 用

20、逐次逼近式A/D转换器转换成二进制数。,2. AD转换器的主要技术参数,分辩率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。 n位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。,(2) 量程 量程是指所能转换的电压范围。,(l) 分辨率,(3) 转换时间 转换时间是指启动AD到转换结束所需的时间。 (4) 工作温度范围 较好的转换器件工作温度为-4085，差的只 有070。,3. 8位AD转换器-ADC0809及接口电路 ADC0809 CMOS单片8通道8位集成A/D转换器 - 逐次逼近法 主要性能指标： 分辨率: 8 位； 转换时间: 100s； 温度范围: -40 +85 ； 可使用单一的 +5

21、V电源； 输出带锁存器,可直接与CPU连接； 逻辑电平与TTL兼容。,1) 电路组成及引脚功能 ADC0809有28条引脚。,ADC0809输入真值表,2) 工作原理,查询法读A/D转换数,3) ADC0809转换器与CPU的连接,定时法读A/D转换数,等待法读A/D转换数,READY=“0” CPU等待 READY=“1” I/O读入(输出)数据 转换 EOC“0” 结束 EOC“1” 接口较简单 CPU运行效率低,4. 12位AD转换器-AD574及接口电路,1) 芯片特性 采用原理 逐次逼近式 内部结构 三态缓冲器、时钟脉冲源和 基准电源 输入电压 单路单极性或双极性 分辨率 12位 转

22、换时间 25S 封装形式 28脚双列直插式,2) 芯片各引脚功能,AD574的引脚定义如下：,REOUT：内部参考电源输出(+10 V)； REFIN：参考电压输入； BIP OFF：偏置电压输入； 10VIN：5 V或010 V模拟输入； 20VIN：10 V或020 V模拟输入； D0D11:数字量输出，高半字节为DB8DB11，低字节为DB0DB7； STS：工作状态指示端。STS=1时表示转换器正处于转换状态，STS返回到低电平时，表示转换完毕。该信号可处理器作为中断或查询信号用；,12/8：变换输出字长选择控制端，在输入为高电平时，变换字长输出为12位，在低电平时，按8位输出； CS

23、、CE：片选信号。当CS=0、CE=1同时满足时，AD574才能处于工作状态。 R/C：数据读出和数据转换启动控制； A0：字节地址控制。它有两个作用，在启动AD574(R/C=0)时，用来控制转换长度。A=0时，按完整的12位A/D转换方式工作，A=1时，则按8位A/D 转换方式工作。在AD574处于数据读出工作状态(R/C=1)时，A0和12/8成为输出数据格式控制。,3) AD574与CPU的连接,8路A/D转换模板实例：,主要技术指标: 分辨率:12位 通道数:双端8路 输入量程:单极性010V 转换时间:25us 线性误差:不大于0.02% 传送方式:查询,AD574A: PROC

24、NEAR MOV CX,8 ;计数器初始化 CLD ;清除方向标志 (DF=0) MOV AL,00000000B MOV BUF1,AL LEA DI,BUF ;置采样缓冲 区首址 NEXTCH: MOV DX,2C2H;C口地址 MOV AL,BUF1 OUT DX,AL ;送控制信号 与通道号 NOP NOP OR AL,01000000B,2C0H A口 2C1H B口 2C2H C口,OUT DX,AL ;CE=1,启动12 位A/D转换 MOV DX,2C0H ;A口地址 POLLING:IN AL,DX ;测试STS TEST AL,80H ;(AL)7=1,ZF=0 (AL)7

25、=0, ZF=1 JNZ POLLING MOV AL,BUF1 OR AL,01010000B MOV DX ,2C2H OUT DX,AL ;输出12位转换数 到8255A MOV DX,2C0H;A口地址,读高4位 IN AL,DX AND AL,0FH MOV AH,AL,INC DX ;读低8位 IN AL,DX STOSW ;写字串 INC BUF1 ;修改通道号 OR CX,CX JNZ NEXTCH MOV AL,00111000B;CE=0 MOV DX,2C2H OUT DX,AL RET AD574A:ENDP,作业：,1、试说明I0接口技术在计算机控制系统中的作用。 2

26、、 I0接口的编址方式有哪两种？各有何优缺点？ 3、试说明数模(DA)、模数 (AD)转换的基本工作原理。 4、请简要说明传感器与变送器、开环控制与闭环控制、在线控制与离线控制两两之间的区别与联系。 5、结合微机原理课程所学知识，简要说明“总线”在计算机控制系统中的作用。,计算题：,6、采用DAC0832搭建的双极性电压输出电路如下图所示，请推导出下述关系：,设计题：,7、试设计小区供水水箱(2个)液位控制系统，供水泵不支持调速。设计要求如下： (1)、设计基于8088、ADC0809、8255A的主控板电路原理图 (2)、编写基于汇编语言的控制程序 (3)、控制要求：当水位低于下限时启动水泵，当水位高于上限时停止水泵,2.5 开关量输入输出通道,一、开关量输入通道,主要任务：收集表征生产过程中某些具有两