第五章过程输入输出通道技术

计算机 - 被控量执行机构被控对象 D/A r 给定值控制器 A/D 第五章过程输入输出通道技术图计算机控制系统基本原理图过程输入输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。 5．1 过程输入输出通道的组成与功能根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道和数字量(开关量)输出通道。

5．2 过程输入输出通道的控制方式 5．2．l 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种： 1．数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。 2．状态信息：又叫做应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。 3．控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。在过程输入输出通道中，必须设置一个与CPU联系的接口电路，传送数据信息、状态信息和控制信息。

5．2．2 过程通道的编址方式 由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通道编址方式有两种： 1．过程通道与存储器统一编址方式这种编址方式又称存储器映像方式，它从存贮器空间划出一部分地址空间给过程通道，把过程通道的端口当作存贮单元一样进行访问，对I／O端口进行输入输出操作跟对存储单元进行读写操作方式相同，只是地址不同。

2．过程通道与存储器独立编址方式 这种编址方式将过程通道的端口地址单独编址，有自己独立的过程通道地址空间，而不占用存储器地址空间。在过程通道地址空间中，每一个过程通道的端口有一个唯一对应的过程通道的端口地址。这种独立编址方式要求CPU有专用的I/O指令（IN及OUT指令）用于CPU与过程通道端口之间的数据传输。地址总线配合存储器操作信号实现存储器的访问控制，地址总线与I／O操作信号配合则可访问过程通道。实现这种编址方式的CPU分别有存储器访问和I／O访问的指令及相应的控制信号。

编址方式的比较 统一编址的最大优点是无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计，并能省去相应的I/O操作的对外引线。而且CPU可直接对I/O数据进行算术和逻辑运算，指令丰富。统一编址的不足之处在于I/O端口地址占用了一部分存储器空间；另外访问内存的指令长度一般比专用的I/O指令长，因而取指周期较长，又多占了指令字节。

5．2．3 CPU对过程通道的控制方式 计算机的外围设备及过程通道种类繁多，它们的传送速率又很不相同。因此输入输出产生复杂的定时问题，也就是CPU采用什么控制方式向过程通道输入和输出数据。常用的控制方式有三种：程序查询方式、中断控制方式和直接存储器存取(DMA)方式。

是 CPU向过程通道发启动命令过程通道准备就绪？过程通道服务程序继续原来程序的运行 1．程序查询方式

2．中断控制方式 采用中断控制方式时，CPU与I／O通道处于并行工作方式。当CPU与I／O通道需要传送数据时，过程通道作好准备后，主动向CPU请求中断，CPU响应这一请求，并暂停正在运行的程序。一般用优先级来解决中断响应的先后顺序问题。 3．直接存储器存取(DMA)方式 DMA方式是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式。在这种方式下，I／O通道和存储器之间不通过CPU而直接进行数据交换。

所谓“可编程接口”是指其功能可由程序指令（接口芯片功能设定的初始化程序）设定接口芯片的功能。故接口的设计与应用除了合理选择Ｉ/Ｏ接口芯片进行硬件设计外，还应包括对接口芯片的功能初始化程序和接口程序的分析与设计。所谓“可编程接口”是指其功能可由程序指令（接口芯片功能设定的初始化程序）设定接口芯片的功能。故接口的设计与应用除了合理选择Ｉ/Ｏ接口芯片进行硬件设计外，还应包括对接口芯片的功能初始化程序和接口程序的分析与设计。

CPU对过程通道的控制方式比较 程序查询方式的主要优点是能保证主机与输入输出通道之间协调工作。主要缺点是重复查询输入输出通道是否“准备就绪”，从而浪费了CPU的时间。过程通道需要传送数据时就向CPU发出中断请求信号，实时性比程序查询方式好。但由于为了能接受中断请求信号，CPU内部需要有一些线路来控制。另外采用中断控制方式时，每传送一次数据就要中断一次CPU原来的运行，CPU响应中断后，每次都要执行“中断处理程序”，而且在其中都要保护断点、恢复断点，浪费了很多不必要的CPU时间。 DMA方式的主要优点是速度快，数据传送速度只受存储器存取时间的限制，其缺点是需要一个专用的芯片——ＤＭＡ控制器来加以控制、管理，硬件连接也稍微复杂一些。

5．2．4 过程通道接口设计应考虑的问题 接口电路起着连接过程通道与CPU的桥梁作用，它的基本任务有： 1．控制信息的传递路径：即根据控制的任务在众多的信息源中进行选择，以确定该信息传送的路径和目的地。 2．控制信息传送的顺序：计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适时地发出一组有序的门控信号。

在过程通道接口电路设计中应解决以下问题： 1．触发方式：有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭(触发)信号，这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。 2．时序：控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的。 3.负载能力：一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负载是否匹配。

5．3　多路开关及采样-保持器 在计算机测量及控制系统中，往往需要对多路或多种参数进行采集和控制。另一方面，模拟量参数经放大、滤波等一系列处理后，尚需转变成数字量，才能进入计算机系统。由于A／D转换过程需要一定的时间，为了保证A／D转换的精度，必须在A／D转换进行时保持待转换值不变，而在Ａ/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。同时，在模拟量输出通道中，为使各输出通道得到一个平滑的模拟量输出，也必须保持有一个恒定的值。能够完成上述两项任务的器件叫做采样—保持器。

单片机和被控实体间的接口示意

5．3．1 多路开关与多路分配器 多路开关的主要用途是把多个模拟量参数分时地接通并送入A/D转换器，即完成多到一的转换；或者把经计算机处理，且由D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换。前者成为多路开关，后者叫做多路分配器，或叫做反多路开关。这类器件中有的只能做一种用途，成为单向多路开关，如AD7501（8路）、AD8506(16路)；有些则既能做多路开关，又能当多路分配器，成为双向多路开关，如CD4051。从输入信号的连接方式来分，有的是单端输入，有的则允许双端输入（或差动输入）。

公司型号路数种类 CD公司 CD4051 8 路双向 CD4052 双4路双向 CD4053 三重二通道双向 CD4067 16路双向 CD4097 双8路双向 AD公司 AD7501 8路单向 AD7502 双4路单向 AD7503 8路单向 AD7506 16路单向 AD7507 双8路单向 MAX公司 MAX307 8路双向 MAX309 双4路双向 MAX306 16路双向 MAX307 双8路双向表5.1 常用的多路开关芯片

在以前的数字控制系统中，大多采用干簧（湿簧）继电器。由于这类开关结构简单，闭合时接触电阻小，而断开接点时阻抗高，工作寿命长，且不受外界环境温度的影响，所以应用比较广。随着大规模集成电路的发展，厂家已推出各式各样的半导体多路开关。从组成开关的电路来看，有TTL电路、CMOS和HMOS电路等。有的芯片还能在其内部进行TTL与CMOS之间的电平转换（如CD4051），更加拓宽了芯片的使用环境。在以前的数字控制系统中，大多采用干簧（湿簧）继电器。由于这类开关结构简单，闭合时接触电阻小，而断开接点时阻抗高，工作寿命长，且不受外界环境温度的影响，所以应用比较广。随着大规模集成电路的发展，厂家已推出各式各样的半导体多路开关。从组成开关的电路来看，有TTL电路、CMOS和HMOS电路等。有的芯片还能在其内部进行TTL与CMOS之间的电平转换（如CD4051），更加拓宽了芯片的使用环境。

半导体多路开关的特点是： (1)采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排； (2)直接与TTL(或CMOS)电平相兼容； (3)内部带有通道选择译码器，使用方便； (4)可采用正或负双极性输入； (5)转换速度快，通常其导通或关断时间在lμs左右，有些产品已达到几十到几百纳秒 (ns)； (6)寿命长，无机械磨损； (7)接通电阻低，一般小于100Ω，有的可达几欧姆： (8)断开电阻高，通常达109Ω以上。

1．CD4051

输入状态 接通通道ＩＮＨＣＢＡＣＤ４０５１００００００００１１００１０２００１１３０１００４０１０１５０１１０６０１１１７表5．2CD4051的真值表

2．CD4067B／CD4097B CD4067B是16通道双向多路模拟开关。CD4097B为双向双8通道多路模拟开关。

输入状态 接通通道 INH D C B A CD4067B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 2 0 0 0 1 1 3 0 0 1 0 0 4 0 0 1 0 1 5 0 0 1 1 0 6 0 0 1 1 1 7 0 1 0 0 0 8 0 1 0 0 1 9 0 1 0 1 0 10 0 1 0 1 1 11 0 1 1 0 0 12 0 1 1 0 1 13 0 1 1 1 0 14 0 1 1 1 1 15 表5．3 CD4067B通道控制真值表

CD4097B的双通道多路开关的原理是每当接到选通信号时，X，Y两通道同步切换，且两个通道均受同一组选择控制信号C，B，A的控制。它主要用于两个通道信号的同步输入，如差动放大器的输入等。CD4097B的双通道多路开关的原理是每当接到选通信号时，X，Y两通道同步切换，且两个通道均受同一组选择控制信号C，B，A的控制。它主要用于两个通道信号的同步输入，如差动放大器的输入等。

3．8816 随着控制系统的增大，被控参数的增多，不仅要求多路输入，也要求能有多通道输出，最好是输入输出都能控制。能够满足这种要求的装置称做矩阵多路开关。

4．多路开关的扩展 由于两个多路开关只有两种状态，1#多路开关工作，2#必须停止，或者相反。所以，只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号，而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址(或数据)总线。改变数据总线D2～D0(也可以用地址总线A2～A0)的状态，即可得到分别选择IN7～IN0的8个通道之一。若需要通道数很多，两个多路开关扩展仍不能达到系统要求，此时，可通过译码器控制CD4051的控制端INH，把4个CD4051芯片组合起来，构成32个通道或16路差动输入系统。

输入状态 选中通道号 D3 D2 D1 D0 0 0 0 0 IN0 0 0 0 1 IN1 0 0 1 0 IN2 0 0 1 1 IN3 0 1 0 0 IN4 0 1 0 1 IN5 0 1 1 0 IN6 0 1 1 1 IN7 1 0 0 0 IN8 1 0 0 1 IN9 1 0 1 0 IN10 1 0 1 1 IN11 1 1 0 0 IN12 1 1 0 1 IN13 1 1 1 0 IN14 1 1 1 1 IN15 表5．4CD4051扩展电路真值表

5．3．2 采样－保持器 如果直接将模拟量送入A／D转换器进行转换，则应考虑到任何一种A／D转换器都需要用一定的时间来完成量化与编码的操作。在转换过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的参量需取自同一瞬时，而各参数的A／D转换又共享一个芯片，所得到的几个量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完成上述任务的器件叫做采样——保持器(Sample/Hold),简写为S/H。

A/D转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称转换时间，对变化快的模拟信号来说，转换期间将引起转换误差，这个误差叫做孔径误差。

设模拟信号为： (5.1) 它的微分为： (5.2) 最大变化率为： (5.3) 在信号与横座标交点处，信号变化率最大，可能引起最大的信号误差，设孔径时间为，这时最大误差为： (5.4)

为满足A/D转换精度要求，希望在 时间内，信号变化最大幅度应小于A/D转换器的量化误差。对于12位A/D转换器ADS1211，转换时间为100μs，基准电压为10.24V，其量化误差为：若，由此要求输入信号的最高变化频率当转换时间越长时，不影响转换精度所允许的信号最高频率就越低，这将大大地限制A/D转换器的工作频率范围。因此，为了在满足转换精度的条件下提高信号允许的工作频率，可在A/D转换前加入采样保持器。

采样保持器又叫做采样保持放大器（SHA），它的原理如图5．9所示。它由模拟开关S、保持电容C和缓冲放大器组成。其工作原理如下：采样保持器又叫做采样保持放大器（SHA），它的原理如图5．9所示。它由模拟开关S、保持电容C和缓冲放大器组成。其工作原理如下： S／H有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。图5．9 采样保持器原理图

采样保持器的主要性能参数有采样时间、孔径时间、输出电压衰减率、直通馈入等。采样保持器的主要性能参数有采样时间、孔径时间、输出电压衰减率、直通馈入等。 (1)采样时间：给出采样指令，跟踪输入信号到满量程并稳定在终值误差的(0.2~0.005)%内变化所滞留的最小时间； (2)孔径时间：保持指令给出后到采样开关真正断开所需的时间； (3)输出电压衰减率：保持阶段中泄漏电压引起的放电速度； (4)直通馈入：输入信号通过采样保持开关的极间电容穿通到保持电容上的现象。

采样——保持器的主要用途是：(1)保持采样信号不变，以便完成A／D转换；(2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；(3)减少D／A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；(4)把一个D／A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。采样——保持器的主要用途是：(1)保持采样信号不变，以便完成A／D转换；(2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；(3)减少D／A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；(4)把一个D／A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。

图5．１0 LFl98／298／398的原理图

选择采样――保持器时主要考虑的因素包括：输入信号范围、输入信号变化率、多路转换器的切换速度、采集时间等。若输入模拟信号变化缓慢、D/A转换器转换速度相对很快，可以不用采样保持器。

CPU 锁存输出隔离功放控制逻辑 5．4　开关量（数字量）输出通道 5．4．1开关量（数字量）输出通道的结构形式开关量输出通道将计算机输出的数字量控制信号传递给开关型或脉冲型执行机构，其典型结构如图5.１2所示。图5.12 开关量输出通道结构框图

5．４．2 开关量输出通道与CPU的接口 开关量输出通道与计算机接口的任务是将计算机输出的数字量锁存后再输出，以保证在控制程序规定的期限内输出的开关状态不变。开关量输出通道与计算机的接口可以采用以下方法： 1．对于单片机，由于本身带有具备锁存功能的I／O口，因此可以直接利用其I／O口作为输出，而无需另加接口电路。例如利用8031的Pl口作为输出。 2．采用通用集成可编程输入／输出接口芯片。可编程芯片的最大特点就是在不增加任何硬件的条件下，通过改变程序内容就可达到改变芯片功能的目的。可编程并行接口芯片一般有两个以上具备锁存或缓冲功能的数据端口、一个以上的控制寄存器和中断逻辑电路，因此使用非常方便。

3．采用通用逻辑芯片：采用TTL或CMOS逻辑芯片实现。

5．4．3　功率接口技术 计算机输出的数字量经锁存器输出后，要进行隔离和放大才能加到执行机构上。开关量输出通道控制的执行机构大都属于脉冲型功率元件或开关型功率元件。1．直流电磁式继电器、接触器功率接口对于接触器或中大功率继电器可采用一个小型直流继电器来驱动，用小继电器触点来接通接触器线圈电源。

2．交流电磁式接触器功率接口 交流电磁式接触器由于线圈的工作电压要求是交流电，所以通常使用双向晶闸管驱动或使用直流继电器作中间继电器。图5.１5 交流接触器接口

3．晶闸管触发电路 晶闸管触发电路通常采用光电隔离或脉冲变压器来触发，由于晶闸管触发采用脉冲形式，因此触发脉冲可通过软件来产生。

5．5　开关量（数字量）输入通道 5．5．1 开关量（数字量）输入通道的结构形式开关量输入通道又可称为数字量输入通道，该通道将双值逻辑的开关量(数字量)变换为计算机能够接收的数字量。图5．17 开关量输入通道结构框图

5．5．2 开关量(数字量)形式及变换 开关量(数字量)大致可分为三种形式：机械有触点开关量、电子无触点开关量和非电量开关量。 1．机械有触点开关量 (1)控制系统自带电源方式：

(2)外接电源方式：它适合于开关安装在离控制设备较远位置的场合。(2)外接电源方式：它适合于开关安装在离控制设备较远位置的场合。图5.19 外接直流电源开关量变化电路 (3)恒流源方式：这种方式用于抗干扰能力要求高、传输距离较远的场合。电流一般取0～10mA，即触点闭合时输出电流为10mA，触点打开时输出电流为0。

2．无触点开关量 无触点开关量指电子开关(例如固态继电器、功率电子器件、模拟开关等)产生的开关量。由于无触点开关通常没有辅助机构，其开关状态与主电路没有隔离，因而隔离电路是它的信号变换电路的重要组成部分。无触点开关量的采集可由两种方式实现。第一种方式与有触点开关处理方法相同，即把无触点开关当做有触点开关，按图5．20方式连接电路即可。需要注意的是连接极性不能随意更换。

5.20 无触点开关变换电路

无触点开关量变换的第二种方法是从功率开关的负载电路取样法。它的原理电路框图 如图5．21所示。这种方法直接反映负载电路工作状态，而对开关状态的采样是间接的。图5.21 开关量取样变换电路框图

3．非电量开关量(数字量) 通过采用磁、光、声等方式反映过程状态，在许多控制领域中得到广泛应用。这种非电量开关量(数字量)需要通过电量转换后才能以电的形式输出。实现非电量开关量(数字量)的信号变换电路由非电量／电量变换、放大(或检波)电路、光电隔离电路等组成(如图5．22所示)。图5.22 非电量开关量变换电路结构图

5．5．3　整形与电平变换 各种过程开关量经信号变换后转换成逻辑电信号或脉冲信号，但这种信号在脉冲宽度、脉冲波形形状、脉冲前后沿陡度及信号电平可能不很理想，通常需进行波形整形及电平变换才能输入到计算机。 1．波形整形波形整形的目的是使逻辑信号变为较理想的电信号，并提高抗干扰能力。波形整形包括触点消抖、脉冲定宽、去除尖峰毛刺等。 (1)触点消抖：在机械有触点开关中，当触点闭合或打开时将产生抖动，使得开关量在动作瞬间的状态不稳，若是工作在计数方式或作为中断输入，将导致系统工作不正常，因此采用触点消抖是必要的。

第五章 过程输入输出通道技术