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第二章 输入输出接口 与过程通道

第二章 输入输出接口 与过程通道. 主讲人：朱云芳. 第 2 章 输入输出接口与过程通道. 接口：计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入和输出接口。 接口技术：研究计算机与外部设备交换信息的技术。 过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（ AI 、 AO 、 DI 、 DO ） 2.1 数字量输入输出通道（ DI 、 DO ） 数字量－开关量：用 “ 0 ” 和 “ 1 ” 两个量进行描述。. 2.1.1 数字量输入输出接口 数字量输入接口 三态门缓冲器 74LS244 MOV DX, port IN AL,DX.

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第二章 输入输出接口 与过程通道

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Presentation Transcript

  1. 第二章 输入输出接口与过程通道 主讲人：朱云芳

  2. 第2章 输入输出接口与过程通道 • 接口：计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入和输出接口。 • 接口技术：研究计算机与外部设备交换信息的技术。 • 过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO） • 2.1 数字量输入输出通道（DI、DO） • 数字量－开关量：用“0”和“1”两个量进行描述。

  3. 2.1.1 数字量输入输出接口 • 数字量输入接口 • 三态门缓冲器74LS244 • MOV DX, port • IN AL,DX

  4. MOV DX, 00H IN AL,DX

  5. 数字量输出接口 • 锁存器74LS273 • 利用IOW上 • 升沿锁存 • MOV AL,DATA • MOV DX, port • OUT DX,DL

  6. MOV AL,DATA MOV DX, 00H OUT DX,DL

  7. 2.1.2 数字量输入通道 • 数字量输入通道结构 P C 总 线 生 产 过 程 输入 缓冲 器 输入 调理 电路 地址译码器

  8. 输入调理电路 • －把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 • 计算机能够接收的逻辑信号。 • 小功率输入调理电路 • －开关去抖电路 • 积分电路 A1 A O O A O

  9. RS触发器 去抖 RS触发器 “ 1” 负脉冲 “ 0” 高电平

  10. 大功率输入调理电路 • －采用光电隔离

  11. 2.1.3 数字量输出通道 1、数字量输出通道结构 P C 总 线 生 产 过 程 输出 锁存 器 输出 驱动 器 地址译码器

  12. 2、输出驱动电路 • 小功率直流驱动电路 • －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。

  13. －达林顿阵列输出驱动继电器电路 • MC1416，7路驱动，带保护二极管

  14. 大功率直流驱动电路 • －固态继电器。零交叉电路在交流电过零时产生 • 触发信号，减少干扰。

  15. 2.2 A/D转换器及接口技术 • 常用A/D转换方式： • －逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比较） ADC0809（8位），AD574（12位） • －双斜积分型：转换时间长，抗扰性好（积分） • MC14433（11位），ICL7135（14位） • －全并行比较型（Flash型）：采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高。 • －分级型：减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减小电路规模，保持较高速度。 • －Σ-Δ型（过采样转换器）：高速1bit DAC+数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。

  16. A/D转换器的主要技术指标： －转换时间：积分型 毫秒级，逐次比较 微秒级， 全并行 纳秒级。 －分辨率：数字量位数n。 LSB（最低有效位）－满量程的1/2n. －线性误差：量程范围内，偏离理想转换特性 的最大误差，通常为1/2LSB或1LSB －量程：能转换的电压范围。 －对基准电源的要求：电源精度。

  17. 2.2.1 A/D转换器 • 8位A/D转换器ADC0809 • －带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器 • －转换时间100us, 误差±1/2LSB

  18. 8通道模拟开关及通道选择 • －地址锁存信号ALE • 转换启动：START收到正脉冲 • 转换结束：EOC从低电平变为高电平 • 基准电压：VREF(+)=5.12V, VREF(-)=0V

  19. 转换时序

  20. 12位A/D转换器AD547A • －单通道12位逐次逼近A/D转换器 • －转换时间25us, 误差±1/2LSB，单极性或双极 • 性输入，量程10V或20V。

  21. 单、双极性应用 • －单极性：BIP OFF接0V • －双极性：BIP OFF接10V

  22. 转换结果输出： • －引脚12/8=1：D11-D0并行输出； • 引脚12/8=0：D11-D8和D7-D0分时输出； • 控制逻辑

  23. 转换进行：STS为高电平 • 转换结束：STS从高电平转为低电平 • 转换时序：启动

  24. 转换时序：读

  25. 2.2.2 A/D转换接口技术 ADC0809与8255A接口 －8255A的A口工作方式0。 A口为数据输入端 －C口上半部分为输入，下半部分为输出。 PC0-PC2 － 通道地址ABC PC3 － ALE和START，启动转换 PC7 － OE和EOC，检测转换结束 －8255A系统地址2C0H~2C3H。

  26. ADC0809 PROC NEAR MOV CX,8; 循环次数 CLD; DI自动增量 MOV BL,00H ; 模拟通道地址 LEA DI,DATABUF； 字串存储地址 NEXTA: MOV DX,02C2H MOV AL,BL OUT DX,AL INC DX MOV AL,00000111B；输出启动信号，上升沿锁存地址 NOP NOP NOP MOV AL,00000110B；下降沿, 形成ALE, START 脉冲

  27. OUT DX,AL DEC DX NOSC: IN AL, DX; 检测转换结束信号 TEST AL,80H JNZ NOSC; EOC=1, 则等待，检测EOC下降沿 NOEOC: IN AL, DX; TEST AL,80H JZ NOSC; EOC=0, 则等待，检测EOC上升沿，转换结束 MOV DX,02C0H; 读转换结果 IN AL,DX STOS DATABUF; 保存结果 INC BL; 修改模拟通道地址 LOOP NEXTA；CX-1; RET ADC0809 ENDP

  28. AD574与8255A接口 －AD574的12/8接＋5V，A0接地，工作于12位转换和读出方式。 －8255A的A口、B口工作方式0，数据输入端 －C口上半部分为输入，下半部分为输出。 PC0-PC2 － R/C，CS，CE PC7 － STS，检测转换结束 －8255A系统地址2C0H~2C3H。

  29. MOV DX,02C2H; 令CS,R/C为低电平 MOV AL,00H OUT DX,AL NOP NOP MOV AL,04H； 令CE=1, 启动转换 OUT DX,AL NOP NOP MOV AL,03H；令CE=0，CS, R/C＝1，启动完毕 OUT DX,AL POLLING: IN AL,DX; 查询STS状态 TEST AL,80H JNZ POLLING; STS=1 则等待，检测下降沿（转换结束） MOV AL,01H；令CS＝0,R/C＝1, 准备读

  30. OUT DX,AL NOP MOV AL,05H; 令CE=1,允许读出 OUT DX,AL MOV DX,02C0H IN AL,DX ; 读高4位DB11-DB8; AND AL, 0FH MOV BH,AL；存高4位 INC DX IN AL,DX ；读低8位DB7-DB0 MOV BL,AL INC DX MOV AL,03H OUT DX,AL; 结束读出操作

  31. 作业 P62 －2.1, 2.2, 2.3

  32. 第二章 输入输出接口于过程通道（2） • 2.3 模拟量输入通道 • 模拟量输入通道－把模拟信号转换为二进制数字信号，送入计算机中。 • 模拟信号传输－0～10mA或4～20mA电流传输。

  33. 2.3.1 模拟量输入通道结构

  34. 2.3.2 I/V变换 • 电流输出 仪表DDZ-Ⅱ：0～10mA • 仪表DDZ-Ⅲ,DDZ-S：4～20mA • 无源I/V变换（利用无源器件完成） • 0～10mA:R1 100Ω • R2 500Ω • 0～5V输出 • 4～20mA:R1 100Ω • R2 250Ω • 1～5V输出

  35. 有源I/V变换（利用有源器件完成） • 0～10mA:R1 200Ω • R3 100kΩ • R4 150kΩ • 0～5V输出 • 4～20mA:R1 200Ω • R3 100kΩ • 同相放大器倍数 A=1+R4/R3 R4 25kΩ • 1～5V输出

  36. 2.3.3 多路转换器 • 多路开关－理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。 • 举例：CD4051－8通道开关 • INH 禁止输入

  37. 2.3.4 采样、量化及常用的采样保持器 • 信号的采样 • －采样过程：以周期时间间隔T，把时间与幅值连续的模拟信号转变为连串脉冲输出信号。 • －τ为采样宽度，即K闭合的时间。

  38. －香农采样定量：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f ≥ 2 fmax，采样信号就能唯一复现原信号。 量化 －量化：用一组数码逼近离散模拟信号的幅 值。 －量化过程：模拟信号－>数字信号。 －量化单位：A/D转换器的最低有效位LSB对应的模拟量。 q=(ymax-ymin)/(2n-1) －量化误差：± 1/2q

  39. 采样保持器 • －孔径时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时间。 • －孔径误差：采样时刻的最大转换误差。 • －孔径误差的消除：采用采样保持器

  40. －孔径时间内，信号的变化导致转换误差，A/D转换器需要采样保持器来提高输入信号的频率范围。 －采样保持器：把t=KT时刻的采样值保持到A/D转换结束。 采样：K闭合，CH快速充电，VOUT跟随VIN 保持：K断开，VOUT保持VC －缓慢变化的信号无需采样保持器

  41. －LF398 采样保持控制引脚8：高电平，采样 低电平，保持 CH外接高品质电容，其减小可以提高采样频率。 获取时间：CH为0.01uF时, 时间为25us

  42. 2.3.5 模拟量输入通道设计 • 器件：AD547A, LF398, CD4051,8255A • 指标 －8通道模拟量输入 • －12位A/D转换（25us)，量程0～10V • －查询应答方式 • 电路逻辑： • －通道选择->PC0-PC2, 通道禁止->PC3 • －LF398采样和保持->ADC547的STS+反相器 • －AD547A的R/C, CS, CE ->PC4-PC6 • －转换状态检测STS->PA7 • －数据输入：高4位->PA0-PA3，低8位->B口

  43. AD574A PROC NEAR CLD LEA DI,BUF MOV BL,00000000B; 令CE，CS, R/C, INH=0,初始化 MOV CX,8 ADC: MOV DX,2C2H ; C口地址 MOV AL,BL OUT DX,AL; 选择多路开关，STS=0, LF398采样 NOP NOP OR AL,01000000B； 令CE=1, 启动转换A/D OUT DX,AL； AND AL,10111111B； 令CE=0, 形成启动脉冲 OUT DX,AL； MOV DX,2C0H; A口地址

  44. PULLING IN AL,DX ； 测试STS，看转换是否结束 TEST AL,80H JNZ PULLING ；转换期间 STS＝1，LF398保持 MOV AL,BL； OR AL,00010000B; 转换结束，令R/C＝1，准备读 MOV DX,2C2H; OUT DX,AL OR AL,01000000B;令 CE, R/C＝1，开始读 MOV DX,2C0H ; 读A口高4位 IN AL,DX AND AL,0FH MOV AH,AL ；高4位存在AH INC DX; 读B口低8位 IN AL,DX ；低8位存在AL STOSW; 数据存储

  45. INC BL ; 更换通道 LOOP ADC MOV AL,00111000B; CE=0，CS, R/C, INH=1, 芯片复位 MOV DX,2C2H OUT DX,AL RET AD574A ENDP

  46. 2.4 D/A转换器及接口技术 • D/A转换器的技术指标 • －分辨率：D/A转换器输入二进制数的位数。 • －建立时间：输入数字信号的变化是满量程时， • 输出信号达到离终值± 1/2LSB的所需时间。 • －线性误差：偏离理想转换特性的最大误差。 • 常见D/A转换器类型： • －电流输出型，通常要转为电压，速度因外接放大器有滞后。 • －电压输出形，速度快，仅用于高阻抗负载。

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